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陶瓷波纹规整填料和陶瓷分布器在甲烷磺酰氯分离中的应用
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陶瓷波纹规整填料和陶瓷分布器在甲烷磺酰氯分离中的应用

2019-10-02      阅读:
介绍了陶瓷波纹规整填料的性能、陶瓷分布器的设计和结构特点,以及二者的应用情况和发展前景

1 前言 
 甲烷磺酰氯是一种重要的化工原料。它可用作生产甲磺酸的原料,在有机合成中可作催化剂、氯化剂、固化剂和稳定剂,干性油墨快速固化剂,聚酯染色改良剂,彩色照片的成色调节剂,缩合剂,羊毛染色助剂,还可用作医药、农药的原料等。
 目前甲烷磺酰氯产品需求市场主要在国外,但是国内很多生产厂家的甲烷磺酰氯产品达不到出口质量要求,主要是产品纯度不够。而控制产品纯度的关键在精馏工艺和设备。甲烷磺酰氯原料液腐蚀性强、毒性大、杂质多且难以分离。很多生产厂家用散堆填料搪瓷塔提纯甲烷磺酰氯,产品得率低、质量差,生产能耗高。河北某厂生产的甲烷磺酰氯质量一直达不到要求,我院填料中心承接了其精馏设备改造项目。采用先进的流程模拟软件对精馏工艺进行模拟优化,确定适宜的改造方案,使用我们发明设计的新型陶瓷规整填料和新型陶瓷分布器,成功地解决了甲烷磺酰氯提纯这一难题。
2 甲烷磺酰氯的生产过程简介 
  甲烷磺酰氯又名甲磺酰氯、氯化甲烷磺酰、甲基磺酰氯,分子式为CH3SO2Cl。甲烷磺酰氯是一种无色透明液体,其沸点为161℃,相对密度1.48053,折射率1.4573;该物质微溶于水,但溶于多数有机溶剂;毒性强,具有较强的催泪性和刺激性。甲烷磺酰氯的制法有甲硫醇法和二甲基二硫法[1]等,其中二甲基二硫法是由二甲基二硫与氯气反应制得,其反应式如下:
CH3SSCH3+5Cl2+4H2O2CH3SO2Cl+8HCl与实测值47.5℃非常接近。出口空气平均温度可用式(10)计算: 

出口空气平均温度比颗粒尿素出口温度高出约9℃。此冷却过程分析也可应用于复混肥颗粒和其他颗粒状物料的流化冷却。
 生产过程:向不锈钢乳化器中加入二甲基二硫,同时连续加入盐酸的水溶液,经乳化制得稳定的乳液;将乳液通入反应器,同时通入氯气,经搅拌后,反应产物流入分离器,剩余部分循环。在分离器中回收盐酸循环使用。粗产品组成:甲烷磺酰氯96%~98%,氯化氢1%~1.5%,二甲基二硫≤1.5%,甲磺酸<0.5%,水≤1%。再经精馏提纯,要求甲烷磺酰氯>
99.5%,二甲基二硫<0.01%。
3 陶瓷波纹规整填料的应用 
 拉西环是最早开发的一种散装填料。拉西环在乱堆填充时相邻环之间容易形成线接触,填料间容易产生架桥、空穴等现象,影响填料层液体的流动,使部分填料环内液体不易流入,造成填料层内液体的偏流、沟流、股流甚至严重的壁流,恶化了填料层操作工况。塔径愈大,填料层愈高,则沟流及壁流现象愈严重,致使传质效率显著下降,放大效应显著。同时,由于这种填料层内液体的持液量大,气体通过填料层时的折返路径长,所以气体通过填料层时的阻力大,通量小。
  我院研究开发的系列陶瓷波纹规整填料是
由机械强度高的薄壁陶瓷波纹片组成的盘状规整填料,它由铝-硅酸盐基陶瓷制成,虽然壁厚只有1.0~1.2mm,但其机械强度却非常高,且重量轻。陶瓷材质具有良好的亲水性能,可以使填料的有效比表面积有很大的提高。陶瓷波纹规整填料与散堆填料相比,具有效率高、阻力小、通量大、放大效应不明显等特点,而且耐高温和耐腐蚀,具有很高的热稳定性,其传质效率通常比散堆填料高50%以上。
 表1 陶瓷拉西环填料的特性参数(乱堆) 
陶瓷波纹规整填料和陶瓷分布器在甲烷磺酰氯分离中的应用

470型填料的性能曲线见图1~3(在直径100mm、填料高度2.7m的试验塔内,用正庚烷/甲基环己烷二元体系,进行常压全回流精馏试验;用顺式/反式萘烷体系在塔顶绝压10kPa下进行全回流真空精馏试验)。 
 从图中可以看出,陶瓷波纹规整填料是一种效率高、通量大的填料,其分离效率(每米填料理论级数)随操作负荷的变化在很大的一段操作范围内能保持相当的稳定,亦即这种填料的操作负荷范围较宽,弹性较大。



  陶瓷波纹规整填料不像金属规整填料有一定的弹性,为避免安装发生困难,填料直径小于塔径若干毫米,填料与塔壁缝隙用石棉或聚四氟乙烯带制成的防壁流圈填充,以防止壁流和填料与塔内壁的碰撞损坏。
 当填料塔塔径大于300mm时,填料可制成分块拼装盘式结构,在塔内进行组装。由于填料的规则结构,在整个塔截面上形成相同的几何通道,上下填料盘互成90°,交错安装在塔体内紧密贴合,气体在波纹片之间的通道方向充分混合,流经下一盘填料时,在整个塔截面上又引起了径向混合,有利于气液充分接触。
  陶瓷波纹规整填料支承装置用聚四氟乙烯和石墨复合板支承或碳钢外包聚四氟乙烯(盘板与栅条表面全部绕上聚四氟乙烯后加热,熔粘成致密的聚四氟乙烯表面)搁栅支承。
  陶瓷波纹规整填料目前已经应用于国内上百家石油化工企业。它广泛应用于各种有腐蚀的有机介质的提纯和分离,也适用于含酸有机溶剂的再生。它在甲烷磺酰氯的精馏中得到了良好的应用。陶瓷波纹规整填料在今后的发展中会有更广泛的应用前景。
4 陶瓷分布器的应用 
 填料塔中填料本身的高性能固然重要,但与之匹配的塔内件,尤其是液体分布器和气体分布器也是至关重要的。否则填料的高性能无法得到充分发挥,会产生放大效应。 
  液体在填料塔内的不良分布可分为小规模不良分布和大规模[3]不良分布。小规模的不良分布是由于填料层内液体的沟流而造成,
Zuiderweg和Hoek[4]的研究指出这种不良分
布的影响可以通过沟流在填料床层内的相互混合而减小,对填料塔的效率影响不大。大规模的液体不良分布主要是由于分布器初始分布不良而造成的,它可以使整个填料塔的效率严重下降。
 液体分布器直接影响填料塔内的传质性能。新型陶瓷波纹规整填料与拉西环在产生壁流问题上的比较:填料较大的径向分布系数,意味着液体容易扩散到壁面,同时从壁面返回主体区的可能性也大。由于陶瓷波纹规整填料的结构特点,它的流体径向自分布能力差,当流体充分发展后,其壁流区的流量要大于拉西环;不过液体往壁面流动的速率也远小于拉西环。也就是说,陶瓷波纹规整填料中液体难以到达塔壁,但一旦到达返回主体区的能力也差。所
以陶瓷波纹规整填料对液体初始不良分布很敏感。不良初始分布会导致更大壁流;若有一个优良的初始分布,则能保持一段很长的流动距离。故对陶瓷波纹规整填料的液体初始分布及再分布要求较为严格。
 我们根据陶瓷波纹规整填料的特性,综合考虑液体分布的均匀程度,气流通量的大小及分布,结合工程使用经验,运用流体力学原理对陶瓷分布器分布管的直径,分布孔的孔数、孔径及分布孔的几何布置进行计算,设计了与之相匹配的耐腐蚀陶瓷分布器和石墨收集分布器(应用于大塔径精馏塔,并已取得了专利,专利
号ZL95246759.3)。 
  下面就甲烷磺酰氯精馏塔中初始陶瓷分布器的设计及结构特点作一介绍:
 (1)设计计算 
  ①根据所选用的陶瓷波纹规整填料比表面积确定单位面积上的喷淋点数N。 
 ②确定分布器分布孔数,n=(c/4)D2/N。  ③分布器布点按三等面积同心圆均匀布点
(将塔截面积分成三个等面积的同心圆区,三个区的分布点数基本相等)。
 ④工艺计算。已知液体喷淋量,根据柏努力方程推出流体力学的孔流公式:
Q=(c/4)d2nc(2gh)1/2 
确定重力分布器的分布孔径。
式中 N—单位面积上的喷淋点数,1/m2
n—分布孔数 
D—塔径,m 
Q—液体流量,m3/s
d—分布孔径,m
h—圆孔上方的液位高度,m 
g—重力加速度,m/s2 
c—孔流系数
 (2)结构特点 
  分布器由一个分布盘和数根升气布液管组成。升气布液管为厚度3mm的陶瓷管,顶端有盖封闭。每根升气布液管靠近封闭端开有若干通气孔,孔的面积之和大于陶瓷管的内截面积。每根升气布液管下部开有液体分布孔。在分布盘底盘上也开有多个液体分布孔,但结构不同。 (3)安装
 填料顶部加聚四氟乙烯垫圈,在垫圈与填料之间增减聚四氟乙烯垫片使垫圈水平,将陶瓷分布器水平轻放在垫圈上并加以固定。
 (4)陶瓷收集分布器的性能特点 
 ①液体分布性能良好;②在整个塔截面上喷淋点排列均匀,位置对称,每单位面积上的流率均匀;③气体通过的自由截面积大、阻力小,上升气相分布良好;④操作弹性大;⑤收集、分布集为一体,占塔空间小;⑥不易堵塞;⑦安装方便。
5 经济效益 
  厂方在甲烷磺酰氯精馏改造项目中的设备投资加上技术服务费共为4万多元。而产品由
改造前的不能出口到改造后几乎全部出口创汇,每年出口创汇额为人民币3300万元左右,经济效益约700万元,可见改造后的经济效益是十分可观的。改造前后精馏塔的性能参数比较如表3所示。
 表3  精馏塔改造前后比较
项目改造前改造后
塔型搪瓷塔搪瓷塔
塔径,mm600600
填料类型拉西环SC陶瓷波纹规整填料填料高度,mm40004500
塔内压降,kPa~2.3~1.6
分布器无陶瓷分布器
回流形式内回流外回流
生产能力,kg/h220220~250
产品纯度<98.5%>99.5%
产品颜色黄色无色透明
产品质量不能出口可全部出口 
改造后增加经济效益—~700万元/年 
技术改造偿还期—一个月
6 结语 
  陶瓷波纹规整填料和陶瓷分布器在甲烷磺酰氯精馏中的成功应用,以及根据工艺需要将难以定量控制的内回流改为外回流,提高了甲烷磺酰氯的生产能力,降低了单耗,甲烷磺酰氯产品纯度大于99.5%,颜色为无色,二甲基二硫含量小于0.01%,产品达到了出口要求,经济效益十分可观。
 


 

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