一种草酸酯制备草酰胺的反应设备的制作方法

本发明涉及化工设备的技术领域，特别是涉及一种草酸酯制备草酰胺的反应设备。

背景技术：

草酰胺，又称草酸二酰胺，cas登录号为：471-46-5。它的分子量为88.07，含氮量为31.8％，微溶于水，不溶于乙醇和乙醚，不吸潮，性质稳定，易于存储，可分解为氨和碳酸，是一种良好的高效缓释化肥。草酰胺与我国传统的速效氮肥(例如尿素)相比：不易挥发，不溶于水，不易流失，氮的利用率高，能减少经济损失和水污染。

随着我国合成气制备草酸二甲酯的工业发展，草酸二甲酯的成本大幅下降。由草酸二甲酯与氨制备草酰胺适合大型工业化生产，具有很好的工业化前景。该反应具有工艺简单，原料和产品涉及气、固、液三相，原料草酸二甲酯转化率高，产品草酰胺选择性高，且产品不溶于水和醇，易分离，易得到高纯度产品，反应放热量大等特点。

现有技术中合成草酰胺单元为釜式反应器，效率不高。另有现有技术采用连续气相反应和流化床反应器生产草酰胺，草酸酯需要气化，反应温度高，能耗较高，且气相反应产物草酰胺易堵塞管道。

技术实现要素：

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种草酸酯制备草酰胺的反应设备，用于解决现有技术中的问题。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种草酸酯制备草酰胺的反应设备，所述设备按流体流动方向依次包括进料区、反应区、沉降区和固液分离区；所述设备还包括分别与所述进料区腔体连通的惰性气体平衡口、第一物料进口、第二物料进口和循环液进口；所述反应区内设有竖直延伸的反应器列管，所述反应器列管自进料区延伸至沉降区；所述进料区中还包括第一液体分布器，所述第一物料进口和第一液体分布器流体连通，所述第一液体分布器的各出料口分别延伸入各反应器列管，且一一对应；所述反应设备中还包括第二液体分布器，所述第二液体分布器和第二物料进口流体连通，所述第二液体分布器分布于各反应器列管外周，且用于分割进料区和反应区；所述反应设备还包括第三液体分布器，所述循环液进口和第三液体分布器腔体连通，所述第三液体分布器的各个出料口均匀分布于反应器列管上方；所述固液分离区包括固相物料收集区和液相物料收集区；所述固相物料收集区和液相物料收集区之间设有溢流挡板，所述固相物料收集区和所述沉降区腔体连通。

在本发明的一些实施方式中，所述设备还包括与固相物料收集区腔体连通的第一粗产品出口、与液相物料收集区腔体连通的循环液出口和第二粗产品出口；还包括与反应区连通的热回收装置。

在本发明的一些实施方式中，所述第二液体分布器选自溢流式液体分布器。

在本发明的一些实施方式中，所述第三液体分布器选自槽式液体分布器或筛板式液体分布器。

在本发明的一些实施方式中，所述第二物料进口的高度高于第二液体分布器的高度；所述第二物料进口的高度低于反应器列管的进液口的高度。

在本发明的一些实施方式中，所述循环液进口的高度高于第一物料进口。

在本发明的一些实施方式中，所述设备还包括用于阻隔反应后的物料进入液相物料收集区的粗产品收集板，所述粗产品收集板设于所述沉降区和液相物料收集区之间。

在本发明的一些实施方式中，所述热回收装置包括换热介质入口和换热介质出口，所述换热介质入口和换热介质出口分别与反应区壳程连通；所述换热介质入口的高度低于换热介质出口。

在本发明的一些实施方式中，所述循环液出口的高度高于第二粗产品出口。

在本发明的一些实施方式中，所述沉降区按流体流动方向设有折流板和/或螺旋板。

在本发明的一些实施方式中，所述折流板或螺旋板的工作面与反应区的径向方向的夹角为30～60度。

在本发明的一些实施方式中，所述设备自上而下依次设有进料区、反应区、沉降区和固液分离区。

本发明的有益效果：

本发明的草酸酯制备草酰胺的反应设备，原料草酸二甲酯与氨在反应区充分反应，大量的循环液冲刷，使得固体产品呈浆状，不会堵塞反应器；循环液主要为含氨的甲醇溶液，使反应区氨过量，草酸二甲酯转化率高，产品草酰胺选择性高；产物在反应器底部进行简单的分离；热回收装置大量回收反应热，节约能耗。

附图说明

图1是本发明的草酸酯制备草酰胺的反应设备的结构示意图。

图中元件标号：

1进料区

2反应区

3沉降区

4固液分离区

41固相物料收集区

42液相物料收集区

5惰性气体平衡口

6第一物料进口

7第二物料进口

8循环液进口

9热回收装置

91换热介质入口

92换热介质出口

10第一粗产品出口

11循环液出口

12第二粗产品出口

13反应器列管

14第一液体分布器

15第二液体分布器

16第三液体分布器

17管板

18粗产品收集板

19溢流挡板

20螺旋板

具体实施方式

在本发明的描述中，需要说明的是，本说明书所附图式所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。同时术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

此外，在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

如图1所示，本发明涉及一种草酸酯制备草酰胺的反应设备，所述设备按流体流动方向依次包括进料区1、反应区2、沉降区3和固液分离区4；所述设备还包括分别与所述进料区1腔体连通的惰性气体平衡口5、第一物料进口6、第二物料进口7和循环液进口8；所述反应区2内设有竖直延伸的反应器列管13，所述反应器列管13自进料区1延伸至沉降区3；所述进料区1中还包括第一液体分布器14，所述第一物料进口6和第一液体分布器14流体连通，所述第一液体分布器14的各出料口分别延伸入各反应器列管13，且一一对应；所述反应设备中还包括第二液体分布器15，所述第二液体分布器15和第二物料进口7流体连通，所述第二液体分布器15分布于各反应器列管13外周，且用于分割进料区1和反应区2；所述进料区1中还包括第三液体分布器16，所述循环液进口8和第三液体分布器16腔体连通，所述第三液体分布器16的各个出料口均匀分布于反应器列管上方；所述固液分离区4包括固相物料收集区41和液相物料收集区42；所述固相物料收集区41和液相物料收集区42之间设有溢流挡板19，所述固相物料收集区41和所述沉降区3腔体连通。

采用本发明的草酸酯制备草酰胺的反应设备，在一具体实施例中，将惰性气体例如氮气自惰性气体平衡口5进入进料区1，将草酸二甲酯液体自第一物料进口6经第一液体分布器14进入反应区2的反应器列管13中，将液氨自第二物料进口7经第二液体分布器15进入进料区1中。将循环液自循环液进口8经第三液体分布器16进入进料区1。反应物料和循环液进入反应区2的反应列管13中进行反应生成草酰胺，所述反应为液相反应，反应方程式如下：ch3ooccooch3+2nh3＝h2ncoconh2+2ch3oh。通过惰性气体例如氮气平衡压力，是整个反应设备安全，原料草酸二甲酯与氨在反应区2充分反应，大量的循环液冲刷，使得固体产品呈浆状，不会堵塞反应设备；循环液主要为含氨的甲醇溶液，使反应区2氨过量，草酸二甲酯转化率高，产品草酰胺选择性高；产物经沉降区沉降后再在固液分离区4进行简单的分离。

本发明所提供的草酸酯制备草酰胺的反应设备中，所述设备还包括与固相物料收集区41腔体连通的第一粗产品出口10、与液相物料收集区42腔体连通的循环液出口11和第二粗产品出口12；还包括与反应区2连通的热回收装置9。通过固相物料收集区41收集的浆状的粗产品通过第一粗产品出口10流出；通过液相物料收集区42会进一步有一些粗产品进一步沉降，并经由第二粗产品出口12流出；通过液相物料收集区42收集的液相物料，例如产物甲醇和循环液会经由循环液出口11流出。其中，热回收装置9大量回收反应热，节约能耗。

本发明所提供的草酸酯制备草酰胺的反应设备中，所述反应器列管13的个数例如可以是20～2000。

本发明所提供的草酸酯制备草酰胺的反应设备中，在一实施例中，所述第一液体分布器14选自喷淋式液体分布器，在一具体实施例中，所述喷淋式液体分布器中包括在进料区1内水平设置的喷淋管道以及多个设于所述喷淋管道下侧的喷嘴，各喷嘴分别延伸入反应器列管内。使用时，草酸二甲酯溶液通过第一物料进口6进入喷淋式液体分布器中，加压后通过喷淋式液体分布器的多个喷嘴注入反应器列管13，各喷嘴伸入各个反应器列管13之中，通常情况下，喷嘴伸入反应器列管13的反应液面以下，防止堵塞。草酸二甲酯溶液的压力高于反应区2的反应压力0.05～1.0mpa。更优的高于0.1～0.5mpa。在一具体实施例中，草酸二甲酯溶液的压力比反应压力高0.2mpa。

本发明所提供的草酸酯制备草酰胺的反应设备中，在一具体实施例中，所述第二液体分布器15选自溢流式液体分布器。溢流式液体分布器例如可以是设于反应区和进料区的挡板，挡板的直径与所述进料区1的内径相等。挡板上设有多个用于容纳反应器列管的通孔。通孔的直径与反应器列管的外径基本相等。溢流式液体分布器可以用于分割进料区1和反应区2。溢流式液体分布器的高度低于第二物料进口7的高度。

本发明所提供的草酸酯制备草酰胺的反应设备中，所述第二物料进口7的高度低于反应器列管13的进液口的高度。第二液体分布器15的高度低于反应器列管13的进液口的高度。液氨通过溢流的方式加入反应器列管13。这样可以使得反应设备中氨过量，且均匀加入各反应器列管。

本发明所提供的草酸酯制备草酰胺的反应设备中，循环液通过第三液体分布器16进入到进料区1腔体中。所述第三液体分布器16选自槽式液体分布器或筛板式液体分布器。这样可以使得循环液分布均匀，喷淋吸收气相中的氨。其中，所述自槽式液体分布器设于进料区1，朝向反应区2的方向设有多个开槽作为出液口，相对于反应器列管的阵列排布，各个出液口分别朝向各个反应器列管阵列，方便液体朝向反应区2的方向流入反应器列管13中，没有直接进入反应器列管13的循环液也可以溢流到第二液体分布器15上，进一步溢流进反应器列管13中，最终循环液通过循环液出口11排出。筛板式液体分布器的孔径3-20mm，孔距：15-60mm，开孔率：30-70％，直径与进料区1的直径一致。通常情况下，循环液是经过过滤器后由泵输送至草酸酯制备草酰胺的反应设备内部。

本发明所提供的草酸酯制备草酰胺的反应设备中，所述循环液进口8的高度高于第一物料进口6的高度，这样可以使得更好的喷淋吸收。

本发明所提供的草酸酯制备草酰胺的反应设备中，所述热回收装置9包括换热介质入口91和换热介质出口92，所述换热介质入口91和换热介质出口92分别与反应区2壳程连通。此处壳程是指反应器列管外侧的部分。通常情况下，反应区2的换热介质位于反应器列管13外，换热介质可以是水，导热油等。所述换热介质入口91的高度低于换热介质出口92，可以回收大量反应热。

本发明所提供的草酸酯制备草酰胺的反应设备中，所述设备还包括用于阻隔反应后进入沉降区的物料直接进入液相物料收集区42的粗产品收集板18，所述粗产品收集板18设于所述沉降区3和液相物料收集区42之间。通常情况下，沉降区3的物料会通过粗产品收集板18进入到固相物料收集区41，进一步经过溢流挡板19进行固液分离。

本发明所提供的草酸酯制备草酰胺的反应设备中，所述沉降区3的形状为柱形，沉降区3方便物料缓慢下降到固液分离区4。在一实施例中，沉降区3可以为空管。另一些实施例中，所述沉降区3按流体流动方向设有折流板和/或螺旋板20。所述折流板或螺旋板20的工作面与反应区2的径向方向的夹角为30～60度。在一些实施例中，所述折流板或螺旋板20的工作面与反应区2的径向方向的夹角可以为30～40度，40～50度，或50～60度。在一具体实施中，所述折流板或螺旋板20的工作面与反应区2的径向方向的夹角为45度。这样设计可以起到混合效果，保证反应完全，产物顺利下行。其中，螺旋板包括自沉降区的按流体流动方向延伸设有柱体，沿所述柱体的周向设有螺旋面，螺旋面的边缘与沉降区的内壁相配合。折流板的板间距：0.8-1.5d(d：沉降区直径)。

本发明所提供的草酸酯制备草酰胺的反应设备中，所述设备自上而下依次设有进料区1、反应区2、沉降区3和固液分离区4。所述设备为圆柱体。其中进料区1、反应区2所在区域的圆柱体的直径为300～6000mm。沉降区3和固液分离区4所在区域的圆柱体的直径为200～4000mm。进料区1的高度为500～1000mm。反应区2的高度为1000～6000mm。沉降区3的高度为1000～6000mm。固液分离区4的高度为500～3000mm。所述反应区2的反应温度40～200℃，反应压力0.1～5.0mpa。反应时间1～20min。

本发明所提供的草酸酯制备草酰胺的反应设备中，管板17设于反应区2的底部，管板17上设有多个与反应器列管相配合的通孔，用于分割反应区2和沉降区3。管板17是热回收装置9必有的，用于隔离反应物与换热介质。

综上，原料草酸二甲酯与氨在反应区2充分反应，大量的循环液冲刷，使得固体产品呈浆状，不会堵塞反应器；循环液主要为含氨的甲醇溶液，使反应区2氨过量，草酸二甲酯转化率高，草酸二甲酯转化率大于99.5％，产品草酰胺选择性高，草酰胺选择性大于99.5％；产物在反应器底部进行简单的分离；热回收装置9大量回收反应热，节约能耗。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。