专利名称：一种分离3－羟基丙醛溶液中丙烯醛的精馏塔的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种分离3-羟基丙醛溶液中丙烯醛的精馏塔。具体而言，本发明涉及一种精馏塔提馏段采用规整填料，精馏段上部为新型垂直筛板，精馏段下部采用并流喷射填料塔板的精馏塔。
背景技术：
丙烯醛是一种带双键的不饱和化合物，化学性质十分活泼，拥有的乙烯基极易自聚或与其它单体共聚，由于聚合反应速度很快，又放出大量的热量，一旦发生就很难控制，因此防止丙烯醛聚合是丙烯醛分离系统设计时需要首先考虑的问题。温度是引发丙烯醛发生聚合反应的因素之一，温度越高，越容易发生聚合反应。在以丙烯醛为原料通过水合和加氢两步反应合成1，3-丙二醇(PDO)的过程中，第一步丙烯醛水合制备3-羟基丙醛的反应是在酸催化剂作用下进行的，该反应是可逆的，反应产物3-羟基丙醛水溶液中含有1～15％(质量)未反应的丙烯醛。由于丙烯醛和生成的产物3-羟基丙醛都是比较活泼的物质，水合反应过程中未反应的丙烯醛如果不加以分离，则会在第二步3-羟基丙醛加氢反应中生成多种副产物，致使后续加氢催化剂的活性迅速下降，影响加氢催化剂的寿命，并且增加了原料丙烯醛的消耗定额和最终产品PDO的分离成本，同时也会影响PDO的纯度。
通常，分离丙烯醛都采用传统的闪蒸、精馏等方法，精馏装置多采用耐堵塞的板式塔，但随着丙烯醛从3-羟基丙醛水溶液体系中的分离和脱除，操作温度的提高，3-羟基丙醛会自分解成为丙烯醛和水，并且3-羟基丙醛容易发生自聚或与丙烯醛的缩合反应，致使3-羟基丙醛溶液中3-羟基丙醛含量下降，丙烯醛含量难以降低到符合后续加氢的要求，一方面降低了最终产品PDO的收率，另一方面产生的缩聚物容易导致加氢催化剂中毒。由此可见，3-羟基丙醛溶液中分离丙烯醛的过程中平稳地控制在较低的温度下操作是最非常重要的，目前常用的分离方法和分离设备不适用于丙烯醛水合制备3-羟基丙醛的反应产物体系中未反应丙烯醛的分离。在美国专利US3518310、US5015789、US5093537、US6140543中都提到了采用薄膜蒸发器来分离3-羟基丙醛溶液中的丙烯醛，以尽量缩短与热源的接触时间，从而避免丙烯醛的聚合和副反应的发生，虽然丙烯醛的回收率有所提高，但所需的薄膜蒸发器设备投资及冷凝器的操作费用较大，并且操作也比较困难。在中国专利CN1176057提到了采用减压精馏，并在脱醛过程中引入惰性气体的方法来分离回收丙烯醛，虽然此方法可以有效地降低精馏塔的操作温度，减少副产物的生成，但在丙烯醛冷凝回收过程中，仍容易引起丙烯醛的聚合和回收困难，从而导致丙烯醛回收率的降低。在中国专利CN1803750A中，提出采用气提-吸收的方法，通过在脱醛塔底部通入气体将丙烯醛从反应产物中汽提出来，然后在吸收塔中用水进行吸收，从而实现丙烯醛的分离和回收，虽然此方法分离效果好，丙烯醛回收率高，但新增的吸收塔造成设备投资的增加，依然缺乏竞争力。在中国专利CN1477092中，提出一种提馏段采用大孔筛板和精馏段采用并流喷射塔板的丙烯酸提纯脱轻塔，精馏段采用并流喷射塔板可降低精馏段压力和操作温度，减轻塔底丙烯酸的聚合倾向，但提馏段采用大孔筛板的结构方式，是因为提馏段丙烯酸浓度较高容易聚合不得已而为之，致使提馏段通量降低，严重制约整塔的处理能力，同时造成提馏段压力降较高，塔釜操作温度难以维持在较低范围内，不能从根本上解决塔底丙烯酸的聚合问题。
发明内容
本发明提供一种分离3-羟基丙醛溶液中丙烯醛的新型精馏塔，该精馏塔提馏段采用规整填料，精馏段上部为垂直筛板，精馏段下部采用并流喷射填料塔板，从而避免了上述专利的缺陷，提高了丙烯醛的分离回收效果，并解决了丙烯醛乃至3-羟基丙醛的聚合问题。
垂直筛板的结构有多种形式，它是在塔板上开有大孔如圆形、方形、矩形，孔上相应布置各种形式的帽罩，并设有降液管。普通塔板气液流动接触呈泡沫状态，在塔板上气液两相错流接触，而垂直筛板上气液流动接触呈喷射状态，来自上一层塔板的液体从降液管流出，横向穿过各排帽罩，经帽罩底隙流入罩内；从孔板上升的来自下一层塔板的气体把液体拉膜，气流与液膜在罩内进行动量交换，液膜被分裂成液滴和雾沫，帽罩内气液两相处于湍流状态进行激烈的热质交换，而后两相从罩壁的小孔沿水平方向喷射而出，气相和液滴在板间空间翻腾并分离后，气相升至上一层塔板，而各帽罩喷射出的液滴由于相互撞击，一些小液滴撞合变大，与原来的大液滴一起落到塔板上，其中一部分又被吸收进帽罩再次被拉膜、破碎，其余部分随板上液流进入下一排帽罩或迂回于帽罩外，最后经降液管流到下一层塔板。
并流喷射填料塔板是垂直筛板与规整填料的结合，气体从塔板下方以一定的气速通过升气孔，塔板上的液体通过提液管与塔板之间的间隙被气体提升，气液并流通过提液管，在提液管内高速湍动混合、传质，然后气液并流进入填料中进一步强化传质，并完成气液分离。气体靠压差继续上升，进入上一层塔板；液体基本以清液的形式回落到塔板上，沿流道进入降液管，下降到下一层塔板。气液在每一层塔板上都进行上述过程，整个精馏段从而在气液总体逆流的情况下，实现多级并流操作。
提馏段采用的规整填料可采用波纹陶瓷填料、金属丝网波纹填料、陶瓷规整填料或金属大波纹板等，较好的是波纹陶瓷填料。这种填料根据气体在规整流道内的运动特点，在填料内设置了多个脉冲区，在脉冲区上升的气流由倾斜上升方向改为垂直上升，阻力突然降低，然后又逐渐变为斜向上升，这种阻力的由大变小再由小变大的过程形成了汽液两相的一个脉冲运动。填料内实现汽液的多次脉冲，加强填料内汽液湍动，可以大幅度提高分离效率，降低阻力。
本发明从3-羟基丙醛水溶液中精馏分离丙烯醛是通过如下技术方案实施的精馏塔的理论塔板数至少为3块塔板，精馏塔包括上部的精馏段和下部的提馏段，精馏塔提馏段采用规整填料，选自波纹陶瓷填料、金属波纹填料、金属丝网波纹填料或陶瓷规整填料中的一种；精馏段上部采用垂直筛板，精馏段下部采用并流喷射填料塔板，并流喷射填料塔板和新型垂直筛板的溢流堰高度为5～20mm，其中并流喷射填料塔板数占精馏段塔板总数的20～80％，优选40～60％；精馏塔塔底操作温度为30～80℃，优选50～70℃；精馏塔整塔压降为3～25kPa，优选5～15kPa。
精馏塔以进料口为界，进料口以上为精馏段，进料口以下为提馏段。本发明的丙烯醛分离精馏塔提馏段采用规整填料，精馏段上部采用垂直筛板，精馏段下部采用分离效果更好的并流喷射填料塔板。采用这样的结构可使塔内压差降低至6～10kPa，塔底温度降低至60～65℃，塔顶温度降低至15～20℃，从而有效地防止或减少塔顶丙烯醛聚合和塔底3-羟基丙醛的缩合和分解。
本发明一个较好的实施方案中，在丙烯醛分离塔的提馏段采用规整波纹陶瓷填料，精馏段采用垂直筛板，在相同操作条件下，与总塔板数相同的采用大孔筛板的丙烯醛分离塔相比，理论塔板数提高了100％。另一个较好的实施方案中，提馏段仍采用规整波纹陶瓷填料，精馏段上部采用垂直筛板，精馏段下部采用并流喷射填料塔板，这种情况下，与总塔板数相同的采用大孔筛板的丙烯醛分离塔相比，理论塔板数提高近150％。
考虑到精馏段的上部丙烯醛发生聚合反应的可能性更大，本发明选用垂直筛板，具有较大通量和较高板效率的同时，又方便一旦聚合物产生后的清理；同时适当加高垂直筛板和并流喷射填料塔板的溢流堰高度，以增加塔板上液层厚度，增进汽液相接触，提高分离效率。同时在传质单元顶部开孔，降低了塔内压力降，不但使操作可在较低的温度范围内进行，而且提高了整个装置的处理能力，使处理能力较大孔筛板型塔结构提高了近50％，同时降低了塔釜丙烯醛含量，减少原料损耗。
图1是本发明中的精馏塔的结构示意图，
图2是图1中垂直筛板的结构放大图，图3是图1中并流喷射填料塔板的结构放大图。
图中标号表示1-丙烯醛出口，2-精馏段上部，3-垂直筛板，4-精馏段下部，5-并流喷射填料塔板，6-物料进口，7-提馏段，8-规整填料，9-3-羟基丙醛水溶液出口。
具体实施例方式
下面通过具体实施例来详细描述本发明。但必须说明的是，本发明的保护范围不局限于这些实施例，本发明可广泛应用于不同物系的精馏和吸收系统。
实施例1将含有4.5％(质量)丙烯醛的3-羟基丙醛水溶液连续进入丙烯醛分离塔，塔中物料进口[6]进料，塔高6000mm，塔径800mm，塔的提馏段[7]采用空隙率75％的波纹陶瓷规整填料[8]，精馏段上部[2]采用10块垂直筛板，该塔板的传质单元体可防止精馏段可能产生的少量丙烯醛聚合物堵塞塔板，若生成少量聚合物也便于清除，溢流堰高度为10mm。实施过程中，整塔的压降5kPa，塔底的操作温度60℃，脱除丙烯醛后的塔底物料3-羟基丙醛水溶液中丙烯醛的质量含量为0.5％，完全满足后续加氢合成1，3-丙二醇的质量要求。该塔提馏段[7]理论塔板数为6块，精馏段理论塔板数为2块，整塔理论塔板数达到8块塔板。
实施例2将含有4.5％(质量)丙烯醛的3-羟基丙醛水溶液连续进入丙烯醛分离塔，塔中物料进口[6]进料，塔高6000mm，塔径800mm，塔的提馏段[7]采用空隙率75％的波纹陶瓷规整填料，将实施例1中精馏段上部[2]中的5块垂直筛板[3]更换为并流喷射填料塔板[5]，其余5块垂直筛板[3]保持不变，并在传质单元体上部开孔，以便进一步降低装置的压降。同时为了增强气液传质效果，将溢流堰高度提高到15mm。实施过程中，塔底3-羟基丙醛物料中丙烯醛的质量含量控制在0.4％，整塔的压降保持7kPa左右，塔底的温度控制在62℃左右。提馏段[7]理论塔板数没有变化，而精馏段理论塔板数增加到4块，整塔的理论塔板数达到10块塔板。
实施例3将含有4.5％(质量)丙烯醛的3-羟基丙醛水溶液连续进入丙烯醛分离塔，塔中物料进口[6]进料，塔高6000mm，塔径800mm，塔的提馏段[7]采用空隙率75％的波纹陶瓷规整填料，将实施例1中精馏段上部[2]中的8块新型垂直筛板[3]更换为并流喷射填料塔板[5]，其余2块垂直筛板[3]保持不变，并在传质单元体上部开孔，以便进一步降低装置的压降。同时为了增强气液传质效果，将溢流堰高度提高到15mm。实施过程中，塔底3-羟基丙醛物料中丙烯醛的质量含量控制在0.3％，整塔的压降保持7.5kPa左右，塔底的温度控制在65℃左右。提馏段[7]理论塔板数没有变化，而精馏段理论塔板数增加到5块，整塔的理论塔板数达到11块塔板。
实施例4将含有4.5％(质量)丙烯醛的3-羟基丙醛水溶液连续进入丙烯醛分离塔，塔中物料进口[6]进料，塔高6000mm，塔径800mm，塔的提馏段[7]采用空隙率75％的波纹陶瓷填料，将实施例1中精馏段上部[2]中的10块新型垂直筛板[3]全部更换为并流喷射填料塔板[5]，并在传质单元体上部开孔，以便进一步降低装置的压降。同时为了增强气液传质效果，将溢流堰高度提高到15mm。实施过程中，塔底3-羟基丙醛物料中丙烯醛的质量含量控制在0.4％，整塔的压降保持8kPa左右，塔底的温度控制在68℃左右。提馏段[7]理论塔板数没有变化，而精馏段理论塔板数增加到6块，整塔的理论塔板数达到12块塔板。
比较实施例1将含有4.5％(质量)丙烯醛的3-羟基丙醛水溶液连续进入丙烯醛分离塔，塔中进料，塔高6000mm，塔径800mm，塔的提馏段、精馏段均采用开孔率在10～20％的大孔穿流式筛板，共20块塔板，塔底3-羟基丙醛物料中丙烯醛质量含量1.2％，整塔的压降为12kPa，塔底的操作温度达到70℃以上，给平稳操作带来极大问题。该塔的提馏段和精馏段的理论塔板数分别为2块，整塔理论塔板数为4块塔板。由此可见，传统的塔板严重制约丙烯醛分离装置产能的扩大。
比较实施例2将含有2.9％(质量)丙烯醛的3-羟基丙醛水溶液连续进入丙烯醛分离塔，塔的提馏段、精馏段均采用开孔率在10～20％的大孔穿流式筛板，塔中进料，进料温度55～58℃，精馏塔塔板数20块，精馏塔真空度-0.076～-0.080Mpa，精馏塔塔底通入惰性气体，气液体积比10～12倍，分离后3-羟基丙醛水溶液的丙烯醛质量含量由2.9％降至0.9％。
权利要求
1.一种分离3-羟基丙醛水溶液中丙烯醛的精馏塔，其特征在于该精馏塔的理论塔板数至少为3块塔板，精馏塔包括上部的精留段和下部的提馏段，精馏段上部[2]采用垂直筛板[3]，精馏段下部[4]采用并流喷射填料塔板[5]，提馏段[7]采用规整填料[8]。
2.根据权利要求1所述的精馏塔，其特征在于精馏段下部[4]的并流喷射填料塔板[5]的塔板数占精馏段总塔板数的20～80％，精馏塔塔底操作温度为30～80℃，精馏塔整塔压降为3～25kPa。
3.根据权利要求2所述的精馏塔，其特征在于精馏段下部[4]的并流喷射填料塔板[5]的塔板数占精馏段总塔板数的40～60％，精馏塔塔底操作温度为50～70℃，精馏塔整塔压降5～15kPa。
4.根据权利要求1所述的精馏塔，其特征在于提馏段[7]采用的规整填料[8]为波纹陶瓷填料、金属波纹填料、金属丝网波纹填料或陶瓷规整填料中任选一种。
5.根据权利要求1所述的精馏塔，其特征在于并流喷射填料塔板[5]和垂直筛板[3]的溢流堰高度为5～20mm。
全文摘要
本发明提供一种分离丙烯醛水合制备3－羟基丙醛的反应产物体系中未反应丙烯醛的精馏塔。该塔精馏段上部采用新型垂直筛板，精馏段下部采用并流喷射填料塔板，提馏段采用规整填料。这种采用复合塔内件结构的精馏塔使新型垂直筛板、并流喷射填料塔板和规整填料的各自优势在同一精馏系统中得到集中体现，能有效地提高塔的分离能力，降低全塔压降和操作温度，减轻塔顶丙烯醛的聚合倾向以及较高温度下3－羟基丙醛的分解和聚合倾向，从而减少塔顶丙烯醛的损耗，使3－羟基丙醛水溶液中丙烯醛的含量降低到0.5％质量以下，符合后续加氢反应的要求。
文档编号C07C45/00GK101033180SQ200710039440
公开日2007年9月12日 申请日期2007年4月12日 优先权日2007年4月12日
发明者唐勇, 张春雷, 刘汉勇 申请人:上海华谊丙烯酸有限公司