CN215996611U - 一种制备羟基乙酸的微界面反应装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种制备羟基乙酸的微界面反应装置，包括羰化反应器、分离罐和酯化反应器，所述羰化反应器内部设置有复合式微界面发生器用以将一氧化碳破碎分散一氧化碳微气泡，从所述羰化反应器出来的第一产物进入到所述分离罐用以将羟基乙酸和杂质分离，从所述分离罐分离出的第二产物进入酯化反应器，所述酯化反应器的底部设置有第一气动式微界面发生器用以将气体甲醇破碎分散为微气泡。该装置通过在羰化反应器中加入复合式微界面发生器，增大了一氧化碳与甲醛之间的相界传质面积，有效降低了羰化反应时的温度及压力，从而节约了能耗。通过在酯化反应器中加入第一气动式微界面发生器，减少了甲醇的用量，节约了成本。

Description

一种制备羟基乙酸的微界面反应装置

技术领域

本实用新型属于羟基酸或其衍生物的制备领域，具体而言，涉及一种制备羟基乙酸的微界面反应装置。

背景技术

羟基乙酸是一种重要的有机合成中间体和化工产品，又称乙醇酸，是最简单的α-羟基酸。羟基乙酸的纯品为一种无色、无味、半透明的固体，工业品通常为70％的水溶液。其应用范围很广，可用作清洗剂、粘合剂、生物降解聚合物、染色剂和螯合剂等，工业生产都采用合成法。近年来由于羟基乙酸能用于医学工程材料和高分子降解材料等许多领域，使得羟基乙酸的需求量逐年增加。

早期的羟基乙酸合成方法主要有甘氨酸的亚硝酸氧化法、羟基乙腈的酸性水解法、氯乙酸在碳酸钙或碳酸钡下水解法和甲醛羰化法合成乙醇酸。其中甲醛羰化法制得羟基乙酸的效果较好。但是甲醛羰化法制得羟基乙酸的问题在于反应时温度和压力高，浪费能源；甲醇的利用率不高，浪费资源。

有鉴于此，特提出本实用新型。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种制备羟基乙酸的微界面反应装置，该装置通过在羰化反应器中加入复合式微界面发生器，将一氧化碳分散破碎为一氧化碳微气泡，增大了一氧化碳与甲醛之间的相界传质面积，有效降低了羰化反应时的温度及压力，从而节约了能耗。该装置还通过在酯化反应器中加入第一气动式微界面发生器，将气态的甲醇破碎分散为甲醇微气泡，增大了甲醇与羟基乙酸的相界传质面积，减少了甲醇的用量，节约了成本。

为了实现上述技术目的，本实用新型提供了以下技术方案：

本实用新型提供了一种制备羟基乙酸的微界面反应装置，包括羰化反应器、分离罐和酯化反应器，所述羰化反应器的侧壁上设置有一氧化碳进气管道以及甲醛进料管道，所述羰化反应器内部设置有复合式微界面发生器用以将一氧化碳破碎分散一氧化碳微气泡，从所述羰化反应器出来的第一产物进入到所述分离罐用以将羟基乙酸和杂质分离，从所述分离罐分离出的第二产物进入酯化反应器，所述酯化反应器的底部设置有第一气动式微界面发生器用以将气体甲醇破碎分散为微气泡。

现有技术中，存在下列几个方面的问题：

其一，现有的甲醛羰基化法制备羟基乙酸时温度和压力要很高，生产成本较高。

其二，现有甲醛羰基化法制备羟基乙酸的酯化反应时需要用到大量的甲醇，且甲醇的利用率低，造成了大量甲醇的浪费。

本实用新型相较于现有技术具有以下优点：

首先，本实用新型通过在羰化反应器的内部设置有复合式微界面发生器，其中复合式微界面发生器由液动式微界面发生器和第二气动式微界面发生器组成，第二气动式微界面发生器设置在液动式微界面发生器的正下方。一氧化碳通入液动式微界面发生器中，第二气动式微界面发生器和液动式微界面发生器之间通过连通管道相连，这是因为在羰化反应时硫催化剂作为催化剂在羰化反应器中，有时会堵塞第二气动式微界面发生器的细小孔隙，液动式微界面发生器设置在气动式微界面发生器的正上方，可以利用气压冲散气动式微界面发生器被堵塞的地方，起到疏通作用，为了设备可以正常运转起到作用。将复合式微界面发生器内置有利于气体分散破碎，本实用新型中内置式比外置式将气体分散破碎的效果更好。

其次，本实用新型通过在酯化反应器的底部设置有第一气动式微界面发生器，将气体甲醇破碎分散为甲醇微气泡，增加了甲醇与羟基乙酸的相界传质面积，有利于酯化反应的进行。

优选的，所述复合式微界面包括第二气动式微界面发生器和液动式微界面发生器，所述第二气动式微界面发生器与所述液动式微界面发生器之间通过连通管道相连。

优选的，所述第二气动式微界面发生器设置在所述液动式微界面发生器的正下方。

本领域所属技术人员可以理解的是，本实用新型所采用的微界面发生器在本发明人在先专利中已有体现，如申请号CN201610641119.6、CN201610641251.7、CN201710766435.0、CN106187660、CN105903425A、CN109437390A、CN205833127U及CN207581700U的专利。在先专利CN201610641119.6中详细介绍了微米气泡发生器(即微界面发生器)的具体产品结构和工作原理，该申请文件中记载了“微米气泡发生器包括本体和二次破碎件、本体内具有空腔，本体上设有与空腔连通的进口，空腔的相对的第一端和第二端均敞开，其中空腔的横截面积从空腔的中部向空腔的第一端和第二端减小；二次破碎件设在空腔的第一端和第二端中的至少一端，二次破碎件的一部分设在空腔内，二次破碎件与空腔两端敞开的通孔之间形成一个环形通道。微米气泡发生器还包括进气管和进液管。”从该申请文件中公开的具体结构可以知晓其具体工作原理为：液体通过进液管切向进入微米气泡发生器内，超高速旋转并切割气体，使气体气泡破碎成微米级别的微气泡，从而提高液相与气相之间的传质面积，而且该专利中的微米气泡发生器属于气动式微界面发生器。

另外，在先专利201610641251.7中有记载一次气泡破碎器具有循环液进口、循环气进口和气液混合物出口，二次气泡破碎器则是将进料口与气液混合物出口连通，说明气泡破碎器都是需要气液混合进入，另外从后面的附图中可知，一次气泡破碎器主要是利用循环液作为动力，所以其实一次气泡破碎器属于液动式微界面发生器，二次气泡破碎器是将气液混合物同时通入到椭圆形的旋转球中进行旋转，从而在旋转的过程中实现气泡破碎，所以二次气泡破碎器实际上是属于气液联动式微界面发生器。其实，无论是液动式微界面发生器，还是气液联动式微界面发生器，都属于微界面发生器的一种具体形式，然而本实用新型所采用的微界面发生器并不局限于上述几种形式，在先专利中所记载的气泡破碎器的具体结构只是本实用新型微界面发生器可采用的其中一种形式而已。

此外，在先专利201710766435.0中记载到“气泡破碎器的原理就是高速射流以达到气体相互碰撞”，并且也阐述了其可以用于微界面强化反应器，验证本身气泡破碎器与微界面发生器之间的关联性；而且在先专利CN106187660中对于气泡破碎器的具体结构也有相关的记载，具体见说明书中第[0031]-[0041]段，以及附图部分，其对气泡破碎器S-2的具体工作原理有详细的阐述，气泡破碎器顶部是液相进口，侧面是气相进口，通过从顶部进来的液相提供卷吸动力，从而达到粉碎成超细气泡的效果，附图中也可见气泡破碎器呈锥形的结构，上部的直径比下部的直径要大，也是为了液相能够更好的提供卷吸动力。

由于在先专利申请的初期，微界面发生器才刚研发出来，所以早期命名为微米气泡发生器(CN201610641119.6)、气泡破碎器(201710766435.0)等，随着不断技术改进，后期更名为微界面发生器，现在本实用新型中的微界面发生器相当于之前的微米气泡发生器、气泡破碎器等，只是名称不一样。综上所述，本实用新型的微界面发生器属于现有技术

优选的，所述酯化反应器的内部还设置有筛板，所述筛板设置在所述第一气动式微界面发生器的上方用以减缓气体甲醇的上升速度。

优选的，还包括混合罐用以将甲醛和硫催化剂混合，混合后的甲醛和催化剂被送往所述羰化反应器，所述羰化反应器出来的所述第一产物被送往所述分离罐，所述分离罐出来的所述第二产物被送往所述酯化反应器，所述酯化反应器后边依次连接有闪蒸罐、酯分离塔、水解反应器和纯化器。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果在于：

(1)本实用新型通过在羰化反应器的内部设置有复合式微界面发生器，其中复合式微界面发生器由液动式微界面发生器和第二气动式微界面发生器组成，第二气动式微界面发生器设置在液动式微界面发生器的正下方。第二气动式微界面发生器和液动式微界面发生器之间通过连通管道相连，这是因为在羰化反应时硫催化剂作为催化剂在羰化反应器中，有时会堵塞第二气动式微界面发生器的细小孔隙，液动式微界面发生器设置在气动式微界面发生器的正上方，可以利用气压冲散气动式微界面发生器被堵塞的地方，起到疏通作用，为了设备可以正常运转起到作用。将复合式微界面发生器内置有利于气体分散破碎，本实用新型中内置式比外置式将气体分散破碎的效果更好。

(2)本实用新型通过在酯化反应器的底部设置有第一气动式微界面发生器，将气体甲醇破碎分散为甲醇微气泡，增加了甲醇与羟基乙酸的相界传质面积，有利于酯化反应的进行。

附图说明

通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本实用新型的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：

图1为本实施例提供的一种制备羟基乙酸的微界面反应装置的结构示意图。

其中：

10-混合罐； 11-含水甲醛；

12-硫催化剂； 20-羰化反应器；

21-一氧化碳进气管道； 22-复合式微界面发生器；

221-液动式微界面发生器； 222-第二气动式微界面发生器；

223-连通管道； 30-分离罐；

31-第一分离产物管道； 40-酯化反应器；

41-气体甲醇； 42-第一气动式微界面发生器；

43-筛板； 44-隔气板；

50-闪蒸罐； 60-酯分离塔；

61-第二分离产物管道； 62-第三分离产物管道；

70-水解反应器； 71-第四分离产物管道；

72-进水管道； 80-纯化器。

具体实施方式

下面将结合附图和具体实施方式对本实用新型的技术方案进行清楚、完整地描述，但是本领域技术人员将会理解，下列所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例，仅用于说明本实用新型，而不应视为限制本实用新型的范围。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“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实用新型和简化描述，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实用新型的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本实用新型的描述中，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，可以具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

为了更加清晰的对本实用新型中的技术方案进行阐述，下面以具体实施例的形式进行说明。

实施例1

参阅图1所示，为本实施例提供的一种制备羟基乙酸的微界面反应装置的结构示意图。

本实用新型首先将含水甲醛11和硫催化剂12混合，其中甲醛和水的摩尔比例为1:4。混合好的含水甲醛11及硫催化剂12送往羰化反应器20中进行羰化反应，羰化反应器20的温度为100-230℃，压力为0.1-11MPa。羰化反应器20的内部设置有复合式微界面发生器22，复合式微界面发生器22一共由三个部分组成，分别为液动式微界面发生器221、第二气动式微界面发生器222和连接通道。液动式微界面发生器221设置在第二气动式微界面发生器222的正上方，连通通道连接着液动式微界面发生器221和第二气动式微界面发生器222，一氧化碳通过一氧化碳进气管道21后进入液动式微界面发生器221之后从连通通道中进入到第二气动式微界面发生器222，第二气动式微界面发生器222将一氧化碳破碎分散成一氧化碳微气泡，一氧化碳微气泡对第二气动式微界面发生器222进行冲刷，防止第二气动式微界面发生器222堵塞。

从羰化反应器20出来的第一产物进入分离罐30中，分离罐30的顶部将轻组分的第一分离产物管道31送出分离罐30，其中第一分离产物管道31中包括甲酸甲酯、甲缩醛、甲醇和未反应完全的甲醛。分离罐30剩下的第二产物送往酯化反应器40，第二产物从酯化反应器40侧壁的中部进入，酯化反应器40的底部设置有第一气动式微界面发生器42。气体甲醇41通入第一气动式微界面发生器42，甲醇微气泡在酯化反应器40内部与羟基乙酸进行反应，羟基乙酸变成羟基乙酸甲酯。为了让甲醇更好的与羟基乙酸进行反应，酯化反应器40的内部还设置有筛板43用以减缓甲醇微气泡的上升速度。其中酯化反应的温度为110-130℃，压力为0.3-0.7MPa。在酯化反应器40的顶部，液面之下还有隔气板44，防止气体随着产物流出。

从酯化反应器40出来的羟基乙酸甲酯再经由闪蒸罐50的轻组分口被送往酯分离塔60。闪蒸罐50的重组分口出来的硫物质被送回至羰化反应器20继续作为催化剂使用。酯分离塔60上设置有第二分离产物管道61、第三分离产物管道62，酯分离塔60中得到纯化的羟基乙酸甲酯，其中第二分离产物管道61中为水、甲醇和轻质副产物，第三分离产物管道62中为二羟基乙酸二甲酯。这里第三分离产物管道62中的分离产物和第二分离产物管道61中的分离产物被排除，只有羟基乙酸甲酯被送往水解反应器70进行水解反应，水解反应器70连接有进水管道72进行加水，水解反应器上还设置有第四分离产物管道71将水合甲醇回收，水解反应后羟基乙酸甲酯被分解为羟基乙酸，最后羟基乙酸经过纯化器80之后得到最终产物。

实施例2

其他步骤与实施例1相同，区别仅在于：羰化反应器20的内部只设置液动式微界面发生器。

实施例3

其他步骤与实施例1相同，区别仅在于：羰化反应器20的内部只设置气动式微界面发生器。

实施例4

其他步骤与实施例1相同，区别仅在于：酯化反应器40中的气动式微界面发生器设置在酯化反应器的中部。

实施例5

其他步骤与实施例1相同，区别仅在于：酯化反应器40中不设置筛板。

对比例1

其他步骤与实施例1相同，区别仅在于：羰化反应器20的内部不设置微界面发生器。

对比例2

其他步骤与实施例1相同，区别仅在于：羰化反应器20的微界面发生器设置在羰化反应器20的外部。

参考以上实施例1-5，得到以下表1，数据如下：

	实施例1	实施例2	实施例3	实施例4	实施例5
						羰化反应温度	100℃	230℃	130℃	105℃	103℃
羰化反应压力	0.1MPa	11MPa	0.5MPa	0.1MPa	0.2MPa
						酯化反应温度	110℃	115℃	113℃	130℃	120℃
酯化反应压力	0.3MPa	0.4MPa	0.4MPa	0.7MPa	0.5MPa
						羟基乙酸收率	97％	95％	96％	93％	93％

经过表1对比得到一下结果：

对比实施例1-3可以得出以下结论，当羰化反应器中的复合式微界面发生器只保留气动式微界面发生器或液动式微界面发生器后，羰化反应的温度和压力会随之上升，这样会造成能源的浪费。

对比实施例1和实施例4可以得到以下结论，当酯化反应器中的气动式微界面发生器变换位置后，酯化反应的温度和压力会随之上升，这样会造成能源的浪费。

对比实施例1和实施例5可以得到以下结论，当酯化反应器中筛板取消后，酯化反应的温度和压力会随之上升，这样会造成能源的浪费。

参考以上实施例1和对比例1-2得到下表2，数据如下：

经过表2对比得到一下结果：

将实施例1与对比例1-2对比后发现，将微界面外置或者不设置微界面都会导致羰化反应或酯化反应的压力及温度升高，增加能耗的同时羟基乙酸的收率也随之下降。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术方案的范围。

Claims (5)

1.一种制备羟基乙酸的微界面反应装置，其特征在于，包括羰化反应器、分离罐和酯化反应器，所述羰化反应器的侧壁上设置有一氧化碳进气管道以及甲醛进料管道，所述羰化反应器内部设置有复合式微界面发生器用以将一氧化碳破碎分散一氧化碳微气泡，从所述羰化反应器出来的第一产物进入到所述分离罐用以将羟基乙酸和杂质分离，从所述分离罐分离出的第二产物进入酯化反应器，所述酯化反应器的底部设置有第一气动式微界面发生器用以将气体甲醇破碎分散为微气泡。

2.根据权利要求1所述的制备羟基乙酸的微界面反应装置，其特征在于，所述复合式微界面包括第二气动式微界面发生器和液动式微界面发生器，所述第二气动式微界面发生器与所述液动式微界面发生器之间通过连通管道相连。

3.根据权利要求2所述的制备羟基乙酸的微界面反应装置，其特征在于，所述第二气动式微界面发生器设置在所述液动式微界面发生器的正下方。

4.根据权利要求1所述的制备羟基乙酸的微界面反应装置，其特征在于，所述酯化反应器的内部还设置有筛板，所述筛板设置在所述第一气动式微界面发生器的上方用以减缓气体甲醇的上升速度。

5.根据权利要求1所述的制备羟基乙酸的微界面反应装置，其特征在于，还包括混合罐用以将甲醛和硫催化剂混合，混合后的甲醛和催化剂被送往所述羰化反应器，所述羰化反应器出来的所述第一产物被送往所述分离罐，所述分离罐出来的所述第二产物被送往所述酯化反应器，所述酯化反应器后边依次连接有闪蒸罐、酯分离塔、水解反应器和纯化器。

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