本发明一种连续生产2,2-二羟甲基丁酸的装置及工艺，具体属于有机化工技术领域。
背景技术：
2,2-二羟甲基丁酸是分子中含有两个伯羟基和一个羧基的多官能团化合物，该分子具有醇类和有酸类化合物的特性，亲油性的碳骨架结构及亲水性的官能团结构使其具有独特的溶解性能，成为一种优异的交联剂和精细化工中间体。利用这种特性，2,2-二羟甲基丁酸可应用于制备水溶性聚氨酯、聚酯、环氧树脂等方面，是一种新型绿色化学品。另外，由于2,2-二羟甲基丁酸熔点低，易溶于以丙酮为代表的酮类溶剂，且在制备水性聚氨酯时操作性能良好，所以即使在水性体系以外的领域，其用途也在日益扩大。
由于制备技术上的难度，目前有关2,2-二羟甲基丁酸合成的研究报道很少，成功实施产业化的案例更少。先前曾有过日本化成公司产业化生产2,2-二羟甲基丁酸的报道，据了解该公司已于2005年年底停产，将技术、设备转让给瑞典的柏斯托(perstrop)公司，但柏斯托公司也只生产了3年时间于2009年年底也宣布停产了。我国在2008年有江西南城红都化工科技有限公司生产2,2-二羟甲基丁酸的报道，但该公司于2013年也停产了。
目前国内外合成2,2-二羟甲基丁酸主要是分两步法进行。一是在碱性催化剂的存在下，甲醛和丁醛进行羟醛缩合反应，生成2,2-二羟甲基丁醛；二是再以过氧化氢为氧化剂，经过2,2-二羟甲基丁醛氧化、结晶、重结晶等得到2,2-二羟甲基丁酸，其中羟醛缩合反应是两步法的关键步骤，其碱性催化剂多采用无机碱(na2co3、naoh)、有机碱(三乙胺)等。由于在缩合反应过程中有康尼扎罗反应等副反应发生，致使反应体系的ph值改变较大，存在催化剂选择性差、反应性差、产品收率低等问题。
在上述国内外两步法合成2,2-二羟甲基丁酸中，缩合和氧化反应都是在反应釜内进行，整个合成过程都是间歇式的，工艺路线复杂，能耗高，环境污染严重，不符合从源头有效减少污染的绿色化学的设计思路。
公开号为cn101279912的专利“一种2,2-二羟甲基丁酸的制备方法”，是两步法生产2,2-二羟甲基丁酸，其中羟醛缩合反应和氧化反应分别在搪玻璃釜里进行，是典型的间歇式生产工艺。所用催化剂为混合碱(na2co3+naoh)。实际应用表明，该工艺不稳定，控制难，转化率低，工艺复杂，能耗高，污染物排放严重，生产成本高，不符合从源头有效减少污染物排放的绿色化学品的设计思路。公开号为cn101381299的专利“一种2,2-二羟甲基丁酸的合成方法”，也是间歇式两步法生产工艺，所不同的是催化剂为na2co3、ba(oh)2、三乙胺与na2co3的混合物，或三乙胺与ba(oh)2的混合物，至今也未见有应用该工艺产业化的报道。公开号为cn106008202a的专利“一种2,2-二羟甲基丁酸的制备方法”，主要是从改进羟醛缩合反应的催化剂着手，将预处理过的碱性阴离子交换树脂加入到已装有一定量的水的离子交换柱中，敲打柱子的外壁使树脂能够填充的紧凑均匀，用超级恒温水浴控制柱子的温度，将一定比例的正丁醛、甲醛和溶剂混合均匀后，在一定的空速下加入到离子交换柱中，进行羟醛缩合反应，得到2,2-二羟甲基丁醛。这种方法在工业上不具实用性，且仍然逃脱不了间歇式工艺所带来的种种弊端。
现阶段工业对2,2-二羟甲基丁酸制备的研究都以两步法的间歇式工艺为基础，多集中在羟醛缩合反应条件的优化上，但都因康尼扎罗反应等副反应的存在，使得生产工艺不好控制，工艺优化程度差、产品收率低、能耗大、污染物排放严重等问题未能得到解决。而且间歇式工艺还存在设备占地面积大、工人劳动强度大、生产成本高、安全隐患多、扩产不容易等问题。
技术实现要素：
针对现有技术中存在的不足之处，本发明提供一种可连续、收率高、安全环保的2,2-二羟甲基丁酸的装置及工艺。
本发明一种连续生产2,2-二羟甲基丁酸的装置及工艺是通过以下技术方案来实现的：
所述装置由原料储罐、计量泵、第一片式莲蓬微反应器、缩合液收集槽、第二片式莲蓬微反应器、三效连续蒸发结晶器、冷凝器、重结晶釜、离心机、双锥回转真空干燥机和振动筛组成；所述第一、第二片式莲蓬微反应器分别由5～6台、6～8台片式莲蓬微反应器串联组成，片式莲蓬微反应器中的反应管道、热水管道和冷水管道均设置在支撑基材的中间，呈来回铺设，反应管道内等间距设置莲蓬分配器；所述莲蓬分配器由单管组成双莲蓬状，莲蓬的两端端面单管之间的距离8mm，端面直径20mm，与反应管道一致，单头莲蓬的高度360mm，反应管道内两个莲蓬分配器的间距500mm。
所述的工艺：
催化剂水溶液、99wt％正丁醛、37wt％甲醛经各自计量泵计量，分别由原料储罐连续地进入第一片式莲蓬微反应器中进行缩合反应。
第一片式莲蓬微反应器中缩合产物的出料管道与85wt％甲酸管道相通，缩合产物与85wt％甲酸经预混合后，进入带搅拌的缩合液收集槽中进行中和反应，得到中间体二羟甲基丁醛缩合液；逸出的一羟甲基丁醛副产物、2-乙基丙烯醛及未反应的甲醛和正丁醛通过收集槽顶部管道进入冷凝器回收。
缩合液收集槽底部的出料管道与双氧水管道相通，二羟甲基丁醛缩合液和35wt％双氧经管道预混合后，连续进入第二片式莲蓬微反应器中进行氧化反应；
第二片式莲蓬微反应器的底部的出料管道与硫酸管道相通，氧化产物和稀硫酸经管道预混合后进入三效连续蒸发结晶器中浓缩结晶，并经离心分离，得到的2,2-二羟甲基丁酸粗品分别通过甲醇脱除硫酸钠、脱色、重结晶处理，再经离心分离、烘干和过筛，得到2,2-二羟甲基丁酸产品；离心分离产生的母液进行再处理，回收其中的2,2-二羟甲基丁酸。
所述第一片式莲蓬微反应器中：催化剂水溶液、37wt％甲醛和99wt％正丁醛的流量分别为483.30l/h、433.40l/h、209.00l/h，上述三种物料的流速0.3～1.2m/s，反应温度60～100℃，压力0.2～0.8mpa，物料流经时间15～30s；所述的催化剂水溶液由na2co3∶naoh∶三乙胺∶水按质量比为2.4∶1∶1.5∶180配制而成。
所述缩合液收集槽中：搅拌中和温度90℃、中和时间0.5h。
所述第二片式莲蓬微反应器中：二羟甲基丁醛缩合液、双氧水的流量分别为1108.50l/h、240.35l/h，两种物料的流速均为0.3～1.2m/s；氧化温度80～100℃，压力0.2～0.8mpa，物料流经时间15～30s。
所述稀硫酸溶液由98wt％硫酸、水按照1∶11的质量比配置而成。
所述片式莲蓬微反应器中的支撑基材为304不锈钢，反应管道、莲蓬分配器、热水管道和冷水管均为316不锈钢。
本发明的有益效果：
1、缩合和氧化反应均采用片式莲蓬微反应器，反应管道中等距离设置莲蓬分配器，能有效提高流体的流速，反应原料混合更均匀、更充分；在一定压力下反应更激烈，可在短时间内得到充分反应；物料流经的每个截面上的浓度、温度基处于均相，接近于平推流；每个截面上的转化率也相同，并能控制合适的温度和流量，产品收率高。
2、正丁醛与甲醛的缩合反应采用连续化反应，与传统的釜式反应相比，反应温度稳定，能获得最佳的反应温度，且ph值稳定，能大大提高反应速度，大大缩短反应时间，节约能耗，减轻了工人劳动强度，生产环境得到大大改善。
3、2,2-二羟甲基丁醛的氧化也是采用连续化反应，与传统的釜式反应相比，反应温度稳定，大大缩短了生产周期，改善了生产环境，节能减耗，产品收率可提高20％以上。
4、采用连续化反应使反应条件易优化，易实现自动化和电脑控制，能实现1-2人车间全过程操作，大大节省了车间劳动用工，生产安全性也大大提高。
5、缩合和氧化反应均采用片式莲蓬微反应器，设备占地面积大幅减少，几十平米的片式莲蓬微反应器面积可替代原釜式反应器的几百甚至上千方的占地，扩产很方便。
6、甲醛残留大幅减少，双氧水用量也减少，污染物总排放量大幅降低，废水量只有原釜式反应器的30％左右。
附图说明
图1为本发明连续化生产2,2-二羟甲基丁酸工艺流程图；
图2为本发明片式莲蓬微反应器结构示意图；
图中：1、反应管道；2、热水管道；3、冷水管道；4、支撑基材；5、莲蓬分配器；
图3为本发明莲蓬分配器结构图；
其中：尺寸单位为毫米；
图4为本发明莲蓬分配器在反应管道布置位置示意图；
图中：尺寸单位为毫米。
具体实施方式
本发明对具体实施方式进行详细说明。
实施例1
一种采用片式莲蓬微反应器连续化生产2,2-二羟甲基丁酸的工艺和装置是将催化剂水溶液、正丁醛、甲醛各自用增压计量泵按设计流量打入片式莲蓬微反应器进行连续化缩合反应。
缩合用第一片式莲蓬微反应器由5组片式莲蓬微反应器并联组成，各溶液的流速按1m/s进行，催化剂的流量q催化剂＝483.30l/h；甲醛的流量q甲醛＝433.40l/h；正丁醛的流量q正丁醛＝209.00l/h。甲酸的流量为q甲酸＝14.80l/h；控制缩合温度为60℃。留在收集槽的缩合液(二羟甲基丁醛)与双氧水各自用增压计量泵打入连续化片式莲蓬微反应器进行连续化氧化反应。
氧化用第二片式莲蓬微反应器由7组片式莲蓬微反应器组成，两溶液的流速按1m/s，缩合液的流量q缩合液＝1108.50l/h；双氧水的流量q双氧水＝240.35l/h；双氧水的含量为35％。控制氧化温度80℃。氧化产物经稀硫酸酸化q稀硫酸＝376.20l/h后再经三效连续化蒸发结晶、离心、精制(除钠、脱色、脱溶、再结晶、离心、烘干、过筛)得合格2,2-二羟甲基丁酸成品。离心母液进一步回收处理。相对于正丁醛产品摩尔收率为65.28％。
实施例2
缩合用第一片式莲蓬微反应器由5组片式莲蓬微反应器并联组成，各溶液的流速按0.3m/s进行，催化剂的流量q催化剂＝145.00l/h；甲醛的流量q甲醛＝130.00l/h；正丁醛的流量q正丁醛＝62.70l/h。甲酸的流量为q甲酸＝4.50l/h；控制缩合温度为70℃。留在收集槽的缩合液(二羟甲基丁醛)与双氧水各自用增压计量泵打入连续化片式莲蓬微反应器进行连续化氧化反应。
氧化用第二片式莲蓬微反应器由7组片式片式莲蓬微反应器并联组成，两溶液的流速按0.3m/s进行，缩合液的流量q缩合液＝332.55l/h；双氧水的流量q双氧水＝72.11l/h；双氧水的含量为35％，控制氧化温度85℃。氧化产物经稀硫酸酸化q稀硫酸＝112.86l/h后再经三效连续化蒸发结晶、离心、精制(除钠、脱色、脱溶、再结晶、离心、烘干、过筛)得合格2,2-二羟甲基丁酸成品，离心母液进一步回收处理。相对于正丁醛产品摩尔收率为68.2％。
实施例3
缩合用第一片式莲蓬微反应器由5组片式莲蓬微反应器并联组成，各溶液的流速按0.6m/s进行，催化剂的流量q催化剂＝290.00l/h；甲醛的流量q甲醛＝260.00l/h；正丁醛的流量q正丁醛＝125.40l/h。甲酸的流量为q甲酸＝9.00l/h；控制缩合温度为80℃。留在收集槽的缩合液(二羟甲基丁醛)与双氧水各自用增压计量泵打入连续化片式莲蓬微反应器进行连续化氧化反应。
氧化用第二片式莲蓬微反应器由8组片式莲蓬微反应器并联组成，两溶液的流速按0.6m/s进行，缩合液的流量q缩合液＝665.10l/h；双氧水的流量q双氧水＝144.20l/h；双氧水的含量为35％，控制氧化温度90℃。氧化产物经稀硫酸酸化q稀硫酸＝225.72l/h后再经三效连续化蒸发结晶、离心、精制(除钠、脱色、脱溶、再结晶、离心、烘干、过筛)得合格2,2-二羟甲基丁酸成品。离心母液进一步回收处理。相对于正丁醛产品摩尔收率为67.6％。
实施例4
缩合用第一片式莲蓬微反应器由5组片式莲蓬微反应器并联组成，各溶液的流速按0.8m/s进行，催化剂的流量q催化剂＝386.65l/h；甲醛的流量q甲醛＝347.00l/h；正丁醛的流量q正丁醛＝167.20l/h。甲酸的流量为q甲酸＝12.00l/h；控制缩合温度为90℃。留在收集槽的缩合液(二羟甲基丁醛)与双氧水各自用增压计量泵打入连续化片式莲蓬微反应器进行连续化氧化反应。
氧化用第二片式莲蓬微反应器由8组片式莲蓬微反应器并联组成，两溶液的流速按0.8m/s进行，缩合液的流量q缩合液＝886.80l/h；双氧水的流量q双氧水＝192.28l/h；双氧水的含量为35％，控制氧化温度95℃。氧化产物经稀硫酸酸化q稀硫酸＝301.00l/h后再经三效连续化蒸发结晶、离心、精制(除钠、脱色、脱溶、再结晶、离心、烘干、过筛)得合格2,2-二羟甲基丁酸成品，离心母液进一步回收处理。相对于正丁醛产品摩尔收率为66.3％。