一种用于提高硝酸利用率的甲硝唑生产装置的制作方法

本实用新型属于化学合成、资源回收领域，具体涉及是一种用于提高硝酸利用率的甲硝唑生产装置。

背景技术：

甲硝唑为白色或微黄色的结晶或结晶性粉末，用于治疗肠道和肠外阿米巴病(如阿米巴肝脓肿、胸膜阿米巴病等)。还可用于治疗阴道滴虫病、小袋虫病和皮肤利什曼病、麦地那龙线虫感染等。目前还广泛用于厌氧菌感染的治疗，被世界卫生组织(who)作为抗厌氧菌的首选药物。

在甲硝唑生产过程中，现行硝化工艺一般采用强力抽风机，使产生氧化氮的反应釜处于吸入过量空气的负压状态，并将釜中氧化氮和空气送进几十米高或多级串连的吸收塔吸收，仍难达到环保要求。现行工艺存在氧化氮污染环境、硝酸利用率低和吸收设备费用大等的问题。

技术实现要素：

为解决上述技术问题，针对现有的氧化氮废气处理存在的缺点，本实用新型提供一种既能减少氧化氮尾气污染，又能提高硝酸利用率，还能减少设备成本的甲硝唑生产中提高硝酸利用率的方法、装置及应用。

本实用新型提供的技术方案如下：

一种用于提高硝酸利用率的甲硝唑生产装置，包括反应釜、加料斗、喷射器、滴液漏斗和吸收管。

所述加料斗侧面连接喷射器，底部连接吸收管；滴液漏斗插入吸收管中；吸收管下端置于反应釜中。

所述反应釜底部设置带排液阀排液管。

排液管侧面管道连接到喷射器，管道上设置有泵。

上述喷射器由椭球型的进口和直管出口组成，进口与出口平缓连接，进口处长轴方向设置锥形喷嘴，短轴方向设置空气管(1)。

上述吸收管内设置有填料。

上述反应釜设置有搅拌装置。

本实用新型提供的装置的循环路径：

反应液与硝酸反应产生氧化氮，其中主要是一氧化氮，在上升的过程中，与含氧反应液中溶解氧反应，生成一氧化氮饱和反应液。通过控制滴加速度可使氧化氮气体流量略小于吸收能力，以避免氧化氮气体放空，污染环境。

反应后的一氧化氮饱和反应液经喷射器喷射，喷射所产生的负压将空气经进风管吸入，反应液和空气被喷射器充分混合，气液两相大面积接触，空气中的氧气溶解到液体中，耗尽液体中的一氧化氮并形成含氧反应液。

本实用新型采用如下的技术措施以提高硝酸的利用率：

1.将液面滴加改为液底滴加

现行工艺将硝酸滴加到反应釜中反应液面上，产生的氧化氮，主要是一氧化氮，离开反应体系，造成硝酸原料浪费；本实用新型将硝酸滴加到反应釜底吸收管下口的液底，产生的氧化氮，主要是一氧化氮，在上升的过程中与含氧反应液反应，转化成硝酸，提高了硝酸原料的利用率。

2.将吸收液吸收氧化氮改为含氧反应液吸收氧化氮

现工艺硝化反应将产生的氧化氮，用吸收液水或碱液吸收，既产生酸性或含盐废水污染环境，又需要另行购买吸收液水或碱液；本实用新型用含氧反应液吸收氧化氧，既不产生污染废水，也不花钱购买吸收剂，只需用空气向反应液增氧。

3.将含惰性气体的氧化氮吸收改为纯氧化氮吸收

本实用新型将产生的氧化氮直接用含氧反应液循环吸收，即一氧化氮的吸收在液相环境中进行，避免了氧化氮与空气的混合，不存在空气中惰性气体氮气等夹带氧化氮放空，造成空气污染的问题；也不存在氧化氮被空气中惰性气体氮气等稀释，使吸收速度降低，造成吸收设备费用庞大的问题。同时含有一氧化氮的反应液在进行曝气冷却时，由于一氧化氮的存在，对氧气的吸収速度会得到一定的提升，加快了气液交换速度。

4.控制氧化氮产生速度略低于吸收管吸收能力时，氧化氮被全部吸收

现行工艺根据尾气颜色，控制硝酸滴加速度，使氧化氮产生速度略低于吸收设备的吸收能力，以防氧化氮放空，但放空的尾气中仍夹带了大量氧化氮，造成污染和资源浪费；本实用新型根据气泡离液面距离，控制硝酸滴加速度，使氧化氮产生速度略低于吸收管吸收能力，使氧化氮被全部，没有尾气排放，不存在夹带污染问题。

现行工艺与本实用新型工艺吸收途径对比：

一、现有工艺中氧化氮吸收途径

现行工艺采用的吸收途径如下：一氧化氮与空气中氧反应，变为二氧化氮被吸收液吸收。

该途径分三步：步骤1，液面上，反应液与硝酸接触反应，产生一氧化氮。步骤2，一氧化氮离开液面与空气混合，与氧反应，变为含二氧化氮混合气体不断逸出反应釜。步骤3，二氧化氮被吸收液吸收。步骤3速度最慢，决定整个过程的速度。在步骤3中，紧靠液面上，混合气体中氧化氮被吸收后，留下的惰性气体聚集在紧靠液面上，形成障碍膜，气相主体的氧化氮需要扩散通过这个惰性气体膜。氧化氮吸收还有链式反应特点：1mol二氧化氮从气相主体扩散通过惰性气体膜到气-液相界面，与水结合生成1mol二氧化氮水合物，1mol二氧化氮水合物从气-液相界面扩散到液相主体的途中相撞，生成0.5mol硝酸和0.5mol一氧化氮；新生成的液相中0.5mol一氧化氮聚成气泡上浮到液面上，扩散越过惰性气体膜，进入气相主体，与氧反应生成0.5mol二氧化氮；0.5mol二氧化氮从气相主体扩散通过惰性气体膜到气-液相界面，与水结合生成0.5mol二氮水合氧化物，0.5mol二氧化氮水合物从气-液相界面扩散到液相主体的途中相撞，生成0.25mol硝酸和0.25mol一氧化氮。如此循环下去。此途径的吸收速率可用下式表示：

第一吸收途径速率＝气液相接触面积×吸收推动力/吸收阻力(1)

式1中，吸收推动力＝气相主体二氧化氮分压—与液相浓度平衡的二氧化氮分压。

现行工艺采用的上述途径由于一氧化氮先与气相中氧气反应，两种以上气体混合，因而存在以下问题：1、混合气体不能在液相中完全反应，有惰性气体和过量氧气的尾气逸出，逸出的气体会夹带氧化氮造成空气污染；2、氧化氮被空气中惰性气体氮气等稀释，会在相界面的气相侧形成惰性气体膜，以致吸收阻力增加；3、由于氮化氮吸收的链式反应特点，氧化氮需要无限次反复越过惰性气体膜，使扩散距离无限长，扩散阻力无穷大，吸收速度大大降低，需要通过增加塔板数弥补这一缺陷，使设备费用倍增。

二、本实用新型工艺中氧化氮的吸收途径

实用新型人在实验过程中，观察到液底产生的一氧化氮与水中溶解氧结合的现象。将硝酸注入到反应液底部，开始时，能看到液体底部产生的一氧化氮气泡，在上浮的过程中与溶解氧结合，气泡逐渐减小，直到消失。反应进行一段时间，溶解氧消耗完后，就观察不到气泡减小，甚至消失的现象。若在反应液中加入双氧水，气泡消失的现象更明显。若加入足够量的双氧水，整个反应过程都观察不到氧化氮气体冒出液面的现象。基于此，实用新型人意想不到地开辟了另一种新的吸收途径，即将一氧化氮的吸收完全置于液相环境中进行，该途径可有效规避现行工艺的缺陷，简称液相吸收途径。

液相吸收途径分三步：步骤1，在反应液底部吸收管下口，硝酸与反应液接触反应，产生一氧化氮。步骤2，一氧化氮气泡在吸收管内上浮途中，被不断进入的富含溶解氧的反应液吸收。步骤3，耗完溶解氧的反应液不断引出反应釜经喷射器曝气，变为富含溶解氧的反应液不断送回反应釜。上述步骤3最慢，决定此过程的速率。此途径吸收速率可以用下式表示：

液相吸收途径速率＝曝气面积×氧溶解推动力/氧溶解阻力(2)

式2中，氧溶解推动力＝与气相氧分压平衡的液相氧的饱和浓度-液相主体氧的浓度。

一氧化氮与水中溶解氧结合的特性使“液相主体氧的浓度”降低至接近零，进而使“溶解推动力”大大增加，最终使液相主体吸收速率加快。

因而采用液相吸收途径的方法，使得一氧化氮的吸收完全在液相中进行，不存在气体分子扩散时，氧化氮要反复越过惰性气体膜，产生巨大阻力的情况，也不存在尾气夹带的问题。

本实用新型的有益效果：

1.本实用新型产生的氧化氮在反应体系内直接转化成硝酸，提高了硝酸原料的利用率；

2.本实用新型用含氧反应液代替吸收液，既不产生污染废水，又无需另行购买吸收剂，只需用空气向反应液增氧；

3.反应过程中产生的氧化氮不与惰性气体混合，不存在惰性气体夹带氧化氮放空，造成空气污染的问题；也不存在氧化氮被惰性气体稀释，使吸收速度大大降低，造成吸收设备费用庞大的问题；

4.本实用新型的观察气泡比观察尾气颜色更容易，更易控制氧化氮产生速度略低于吸收能力，氧化氮可被全部吸收。

附图说明

图1是一种甲硝唑生产中提高硝酸利用率的装置示意图。

附图标记：1-空气管；2-喷射器；3-搅拌器；4-进口阀；5-反应釜；6-泵；7-排液阀；8-排液管；9-出口阀；10-吸收管；11-填料；12-滴液阀；13-滴液漏斗；14-加料斗。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本实用新型进行说明，本实用新型的内容完全不限于此。

实施例1

图1示出了本实用新型提供装置的结构。一种用于提高硝酸利用率的甲硝唑生产装置，包括反应釜5、加料斗14、喷射器2、滴液漏斗13和吸收管10。加料斗14侧面连接喷射器2，底部连接吸收管10。滴液漏斗13插入吸收管10中，吸收管10下端置于反应釜5中。反应釜5设置有搅拌器3，其底部设置带排液阀7的排液8。排液管8侧面管道连接到喷射器2，管道上设置有泵6。所述反应釜5中设置有搅拌器3。

喷射器2由椭球型的进口和直管出口组成，进口与出口平缓连接，进口处长轴方向设置锥形喷嘴，短轴方向设置空气管(1)。

吸收管10内设置有填料11。滴液漏斗13插入吸收管10中，滴液漏斗13的出口位于填料11最下缘和吸收管10最下缘之间。

优选的，反应釜5的管壁为夹层设计，内层用于盛装原料用于反应，外层通入加热蒸汽或冷却水用于加热或冷却反应釜5。反应釜5的侧壁上方设置进口阀4用于通入蒸汽或冷却水，底部设置有出口阀9用于导出冷凝水或冷却水。

应用实施例1

用于生产2-甲基-5-硝基咪唑

步骤如下：

(1)将2-甲基咪唑82kg投入反应釜5中，缓慢加入98％硫酸160升，搅拌、控温90-110℃；

(2)启动泵6，让釜液在循环过程中不断曝气补充溶解氧；

(3)缓慢开启滴液阀12，将80％硝酸120升，经吸收管10中的填料11滴加到反应釜5的底部，硝酸与釜液反应产生的一氧化氮在上升的过程中，被含溶解氧的循环液吸收；

(4)硝化反应终止时，依次停止滴加硝酸和循环泵，保温反应1h；

(5)降温至140℃以下，加水后用氨水调节ph至3.5-4，析出结晶。过滤，水洗至中性，烘干，得2-甲基-5-硝基咪唑106.1kg。

在反应过程中，无红色气体逸出，表明反应中无氧化氮排放。

应用实施例2

用于生产2-甲基-5-硝基咪唑

步骤如下：

(1)将2-甲基咪唑82.02kg投入反应釜5中，缓慢加入98％硫酸161升，搅拌、控温90-110℃；

(2)启动泵6，让釜液在循环过程中不断曝气补充溶解氧；

(3)缓慢开启滴液阀12，将35％的双氧水30升和80％的硝酸110升，经吸收管10中的填料11滴加到反应釜5的底部，硝酸与釜液反应产生的一氧化氮在上升的过程中，被含溶解氧的循环液吸收；

(4)硝化反应终止时，依次停止滴加硝酸和循环泵，保温反应1h；

(5)降温至140℃以下，加水后用氨水调节ph至3.5-4，析出结晶。过滤，水洗至中性，烘干，得2-甲基-5-硝基咪唑108kg。

在反应过程中，无红色气体逸出，表明反应中无氧化氮排放。

应用实施例3

用于生产2-甲基-5-硝基咪唑

步骤如下：

(1)将2-甲基咪唑82.02kg和硫酸钠20kg投入反应釜5中，缓慢加入98％硫酸161升，搅拌、控温90-110℃；

(2)启动泵6，让釜液在循环过程中不断曝气补充溶解氧；

(3)缓慢开启滴液阀12，将80％硝酸121升，经吸收管10中的填料11滴加到反应釜5的底部，硝酸与釜液反应产生的一氧化氮在上升的过程中，被含溶解氧的循环液吸收；

(4)硝化反应终止时，依次停止滴加硝酸和循环泵，保温反应1h；

(5)降温至140℃以下，加水后用氨水调节ph至3.5-4，析出结晶。过滤，水洗至中性，烘干，得2-甲基-5-硝基咪唑107.kg。

在反应过程中，无红色气体逸出，表明反应中无氧化氮排放。

以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本实用新型的保护范围。