專利名稱：與自然循環(huán)蒸發(fā)器特殊結合的反應塔的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種用于進行化學反應的設備，包括至少一個蒸餾塔和/或至少一個容器以及至少一個循環(huán)蒸發(fā)器，它們通過相應的連接件互相連接。
使用蒸餾塔進行的化學反應，例如聚氨酯化學過程，是已知的，例如，在甲苯二胺(TDA)的制備中，通過在第一步驟中進行甲苯的硝化反應，得到甲苯二胺異構體的混合物，這種單硝基化混合物的分離在工業(yè)規(guī)模上一般僅能通過多個蒸餾步驟進行。
尤其是還包括蒸餾裝置的各種混合裝置也用于合成工業(yè)上重要的異氰酸酯，例如，經(jīng)光氣化合成甲苯二異氰酸酯(TDI)或二苯基甲烷-4，4’-二異氰酸酯(MDI)。
這類合成中的問題包括以下事實，在專用的反應組分混合不充分以及反應條件不利的情況下，經(jīng)常不能達到平穩(wěn)的反應過程，即反應中的最佳轉化率(尤其是對于收率的大小，這是決定性的)。隨后得到的含量增加的副產物以及同樣聚集在反應裝置底部的未轉化原料迄今是在昂貴且費時的附加步驟和處理中從主產物中分離出來的(PUR-KunststoffhandbuchNo.7，第3版，Hanser Verlag，第77頁，3.2.2段)。
已知用于改進反應轉化率的設備是在所用反應塔內包括一個空間上分隔的底部(熱/冷)的設備。借助于分隔的底部，可以防止從與反應塔連接的蒸發(fā)器中排出的熱流再次與反應塔的底部冷物質接觸。結果，一方面獲得了熱的底部部分，從其中移出底部產物進行進一步的處理；另一方面獲得了冷的底部部分。存在于底部上方的來自反應塔最低塔板的冷流體，以及熱底部部分的、由于空間布置而從中溢流出來的那部分，與冷的底部部分混合。
熱底部部分與冷底部部分的體積比率較低可以視作這種裝置的缺點。但迄今為止，克服這一缺點的努力尤其受各個裝置的設計和尺寸的限制而并未成功。
另一種已知裝置嘗試通過增加熱底部部分的尺寸以解決這一問題。在該裝置中，省去了冷和熱底部部分的空間分隔，使得冷的底部部分當然存在于熱的底部部分之下。來自反應塔最低塔板的液體在連接件之前直接引入，底部產物可以從所述連接件移出并且該連接件通常存在于塔底，即冷的底部部分中。
但實際上，由于熱的底部部分，冷液體在通往其運輸管線的過程中已經(jīng)開始蒸發(fā)，這樣，具有氣態(tài)成分的液體在連接件之前通過，這可以視為該裝置的缺點。隨即被蒸發(fā)的這些液體中的氣態(tài)成分在連接的蒸發(fā)器中引起循環(huán)的惡化。這通常導致故障或結垢。在本文中，結垢理解為表示在例如管線的各個內表面形成了不希望的沉積，所述結垢在相對較高的溫度下形成。
此外，Kister(Henry Kister，Distillation operation，MacGraw-Hill，1989，第97頁)描述了作為自然循環(huán)蒸發(fā)器操作的單程蒸發(fā)器用于啟動塔的用途。但并未提及自然循環(huán)蒸發(fā)器和單程蒸發(fā)器的結合。
本發(fā)明的一個目的在于提供一種裝置，通過該裝置可以經(jīng)濟地進行化學反應，例如上述TDI或MDI的制備，且避免了上述缺點并同時提高了反應的轉化率。
我們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，這一目的可以通過下述用于進行化學反應的裝置進行，其包括經(jīng)連接件互相連接的至少一個蒸餾塔和/或至少一個容器以及至少一個循環(huán)蒸發(fā)器，其中液體從蒸餾塔的塔板或堆疊填充床或堆積填充床或濕濾器，或者作為低于循環(huán)蒸發(fā)器較低管板的外部進料流完全或部分地引入所述蒸發(fā)器。
可以使用該裝置進行的化學反應優(yōu)選是動力學控制的反應、吸熱平衡反應或質量傳遞，因為在這些情況下的較高溫度以及體積恒定的液體導致反應更快且轉化率更高。
但特別優(yōu)選進行異氰酸酯、尤其是TDI和MDI的制備。
使用的蒸餾塔優(yōu)選是多段連續(xù)的板式塔。
或者也可以使用連續(xù)、半間歇或間歇操作的管式塔、滯留板式塔、降膜塔、噴霧塔、泡罩塔、含堆積填充物的塔、含堆疊填充物的塔以及滯留填充塔。
在立式塔中，由于涉及能量的原因，在大部分情況下，通常液相從頂部流向底部，而氣相由底部流向頂部。對于本發(fā)明而言，優(yōu)選使用其中的相可以逆流、交叉流、并流、交叉并流和交叉逆流形式添加的立式塔，各個流動形式是通過內部部件決定的。
在本發(fā)明的上下文中，液體應理解為表示在蒸餾塔中得到的冷凝液和/或從蒸餾塔中提供的最低塔板移出的液體進料。對于塔中的塔板典型的是，通常在由塔板上升的蒸汽和從中流出的液體之間存在一個熱平衡。但是，在塔板上也可能沒有熱力學平衡。在優(yōu)選使用的塔板的情況下，帶有強制液體傳遞的塔板和不帶強制液體傳遞的塔板之間應當有所區(qū)別。此外，可以將塔板設計為交換塔板以增加靈活性。根據(jù)特定的流路，可以在帶有強制液體傳遞的塔板的情況下使用例如交叉流塔板、偏向流塔板或徑向流塔板。
堆積填充床優(yōu)選是均勻分布在塔的整個高度上并且建立在承載柵板上的或多或少規(guī)則排列的填充物。床體由規(guī)則的成型體組成，填充物的尺寸變化很大并趨向于構成一個非常大的表面積以及為氣體提供一個自由通行的大截面。優(yōu)選使用的填充物類型是環(huán)形體，諸如臘希環(huán)和鮑爾環(huán)，以及馬鞍形體，諸如槽鞍形和弧鞍形，其也可以由各種材料制成，例如陶瓷、金屬、玻璃和塑料。
與具有不規(guī)則結構的堆積填充床相比，堆疊填充物，其整體形式也被稱為堆疊填充床，構成了有序的塔填充物。堆疊填充物的材料的選擇主要是通過腐蝕性能以及流動參數(shù)確定的。堆疊填充物可以是不同的，例如具有或不具有表面結構(例如篩板、膨脹金屬)的無孔板和帶，并且可以含有紡織、粘結和編織材料。
此外，在新的設備中，循環(huán)蒸發(fā)器是自然循環(huán)蒸發(fā)器。
用于本發(fā)明的蒸發(fā)器一般可以是任何已知的蒸發(fā)器。但優(yōu)選使用強制循環(huán)蒸發(fā)器，例如升膜蒸發(fā)器、離心式蒸發(fā)器和旋轉蒸發(fā)器，以及循環(huán)蒸發(fā)器，例如羅伯特蒸發(fā)器、斜管蒸發(fā)器和長管蒸發(fā)器，以及自然循環(huán)蒸發(fā)器。還可以使用降膜蒸發(fā)器，但隨之液體必須在管板之上引入。
特別優(yōu)選提供的單程蒸發(fā)器是一種用于蒸發(fā)液體的裝置，液體在單程通過裝置的過程中完全或部分蒸發(fā)。
所定義的自然循環(huán)蒸發(fā)器是一種無需使用泵便可操作的蒸發(fā)器，待蒸發(fā)的液體在管束的管中通常通過蒸汽冷凝而被加熱，并被部分蒸發(fā)。進料和管束之間的流體密度差導致出現(xiàn)自然循環(huán)。
蒸餾塔和蒸發(fā)器之間的連接件優(yōu)選是管道形式?；蛘咭部梢允褂脫醢?、軸或軟管。
在進一步的優(yōu)選實施方案中，從蒸餾塔或容器的進料中移出液體并引入所述蒸發(fā)器的較低管板下方的循環(huán)蒸發(fā)器。
此外，在本發(fā)明設備的優(yōu)選實施方案中，引入循環(huán)蒸發(fā)器的液體優(yōu)選經(jīng)循環(huán)蒸發(fā)器較低管板下方的至少一個進料和/或分配器體系，與循環(huán)自蒸餾塔或容器的的熱底部部分的液體混合。
優(yōu)選使用的進料和/或分配器體系包括浸漬管、直接進料、切向進料、噴嘴單元或噴射單元。
所述體系尤其優(yōu)選包括低于循環(huán)蒸發(fā)器較低管板的環(huán)形管或者在直接進料的情況下使用靜態(tài)混合元件。
在本發(fā)明的進一步優(yōu)選的實施方案中，蒸餾塔或容器具有分隔的底部，分隔的底部具有至少一個冷的底部部分和至少一個熱的底部部分。
該分隔可以通過分隔元件，例如分隔壁(如果待分隔的是空間內聚的底部區(qū)域)實現(xiàn)，或者采用以下方式空間分隔底部部分是有間距的，使得盡可能地防止了相互的溫度影響。底部一般可以分為多于兩個的部分，各底部部分的尺寸可以自由確定。
在本發(fā)明進一步的實施方案中，當新裝置用于發(fā)生反應的混合物時，使用相同的結構尺寸達到熱的底部部分的最大化和冷的底部部分的最小化。
在本發(fā)明的上下文中，混合物可以是一種或多種純組分的均相或非均相混合物。均相混合物優(yōu)選是液體。非均相混合物優(yōu)選是一種或多種液相、氣相和/或一種或多種固相。
應當理解，結構尺寸是指用于在反應中實現(xiàn)相當轉化的裝置的結構尺寸。因此，較小的結構尺寸意味著有毒或其它有害物質的含量較低。
按照組裝的形式，新裝置具有的優(yōu)點是在與熱液體混合時蒸發(fā)的冷液體穩(wěn)定了自然循環(huán)，并改善了傳熱，由此阻礙了結垢。
除了在塔底避免了兩相流動之外，混合兩種液體使得在這種結合中實現(xiàn)了較低的入口和出口溫度，以及在特定的加熱介質溫度下，蒸發(fā)器中的較大溫差。
來自優(yōu)選使用的自然循環(huán)蒸發(fā)器的排出物的溫度優(yōu)選對應于底部溫度，并因此等于單程蒸發(fā)器中的蒸發(fā)器出口溫度。自然循環(huán)蒸發(fā)器的入口溫度優(yōu)選在底部溫度和排出物的溫度之間，并且通過得到的循環(huán)比確定。
尤其是對于TDI工藝而言，天然循環(huán)蒸發(fā)器和單程蒸發(fā)器的結合通過將熱的底部部分最大化，使得反應的轉化率得以提高。因此，光氣的停留時間可以減少，結垢的危險降低或者對所需產物TDI的轉化率升高，這對應了更高的收率。
在動力學控制的反應、吸熱平衡反應或質量傳遞中使用本發(fā)明尤其有利，因為此時較高的溫度以及相同的液體體積使得反應更快，轉化率更高。
此外，根據(jù)本發(fā)明，可以使用所述新型裝置，進行由甲苯二胺(TDA)及其胺鹽酸鹽和光氣制備甲苯二異氰酸酯(TDI)的工藝。
由亞甲基二苯二胺(MDA)及其胺鹽酸鹽和光氣制備二苯基甲烷-4，4’-二異氰酸酯(MDI)的工藝也可以使用該裝置進行。
根據(jù)本發(fā)明，該裝置用于進行TDI或MDI制備工藝的用途也是可以實現(xiàn)的。
以下參照附圖，更詳細地闡述本發(fā)明的優(yōu)選實施方案。


圖1是新裝置的示意圖。
圖1所示的裝置1描述了本發(fā)明的優(yōu)選實施方案。用于進行TDI工藝的裝置1包括具有最低塔板12和熱的底部部分14和用于冷液體的出料16、蒸汽空間17和用于熱液體的出料18，自然循環(huán)蒸發(fā)器20和相應的連接管線22和24，以及自然蒸發(fā)器的進料25和流出管26，用于連接蒸餾塔10和自然循環(huán)蒸發(fā)器20。
自然蒸發(fā)器20尤其包括蒸發(fā)器管束28、分配器環(huán)30和進料25以及流出管26。
在TDI工藝過程中，來自蒸餾塔10的熱底部部分14的液體通過出料18、連接管線24和進料25進入分配器環(huán)30。同時，在蒸餾塔10的最低塔板12上收集的液體經(jīng)出料16從蒸餾塔10除去，并經(jīng)連接管線22同樣進入自然循環(huán)蒸發(fā)器20的分配器環(huán)30。
進入自然循環(huán)蒸發(fā)器20的分配器環(huán)30的這兩種液體優(yōu)選在分配器環(huán)30中混合。冷液體蒸發(fā)并穩(wěn)定自然循環(huán)，并且同時改善了傳熱。
自然循環(huán)蒸發(fā)器20中的實際蒸發(fā)過程通過蒸發(fā)器管束28的加熱進行，從分配器環(huán)30進入蒸發(fā)器管束28的各個管的液體被加熱。如果管壁的溫度足夠高，液體通過初始在管壁上形成的鼓泡開始在蒸發(fā)器管束28的管中沸騰。它們由于浮力而開始移開，上升至管的上端并經(jīng)溢流管26以蒸汽形式進入蒸汽空間17。蒸汽鼓泡的形成使得蒸發(fā)器管束28的管中的平均密度降低，這樣管中的流體靜壓低于蒸餾塔10的熱底部部分14的流體靜壓。該流體靜壓差異導致液體由蒸餾塔10的熱底部部分14流向自然循環(huán)蒸發(fā)器20的蒸發(fā)器管束28，以補償壓差。由蒸餾塔10的熱底部部分14流向自然循環(huán)蒸發(fā)器20的蒸發(fā)器管束28的液體將較高管板上方的各蒸發(fā)器管中的兩相混合物進而提升至蒸汽空間17，形成的蒸汽鼓泡夾帶了部分液體。這些液滴通過重力或適合的分離器從蒸汽空間17中分離出來，并落回至蒸餾塔10的熱底部部分14中。因此出現(xiàn)了自動循環(huán)流動。
出料32作為底料排出。通過它，底部產物可以在流速控制下移出，以便例如在下游反應器中進一步處理或加工。
權利要求
1.一種用于進行化學反應的裝置(1)，包括經(jīng)連接件互相連接的至少一個蒸餾塔(10)和/或至少一個容器以及至少一個循環(huán)蒸發(fā)器，其中液體從蒸餾塔(10)的塔板(12)或從堆疊填充床或從堆積填充床或從濕濾器，或者作為低于循環(huán)蒸發(fā)器較低管板的外部進料流完全或部分地引入所述蒸發(fā)器。
2.權利要求1的裝置(1)，其中循環(huán)蒸發(fā)器是自然循環(huán)蒸發(fā)器(20)。
3.權利要求1或2的裝置(1)，其中液體從蒸餾塔(10)或容器的進料中移出，并在循環(huán)蒸發(fā)器的較低管板下方引入所述蒸發(fā)器。
4.上述權利要求任一項的裝置(1)，其中蒸餾塔(10)或容器具有分隔的底部。
5.上述權利要求任一項的裝置(1)，其中分隔的底部具有至少一個冷的底部部分和至少一個熱的底部部分。
6.上述權利要求任一項的裝置(1)，其中當所述裝置用于進行反應的混合物時，采用相同的結構尺寸實現(xiàn)熱的底部部分的最大化和冷的底部部分的最小化。
7.上述權利要求任一項的裝置(1)，其中將進入(20)循環(huán)蒸發(fā)器的液體，優(yōu)選經(jīng)由該自然循環(huán)蒸發(fā)器的較低管板下方的至少一個分配器體系(30)，與從蒸餾塔(10)或容器的熱底部部分(14)循環(huán)的液體混合。
8.一種使用上述權利要求1-7任一項的裝置(1)由甲苯二胺(TDA)及其胺鹽酸鹽和光氣制備甲苯二異氰酸酯(TDI)的方法。
9.一種使用上述權利要求1-7任一項的裝置(1)由亞甲基二苯二胺(MDA)及其胺鹽酸鹽和光氣制備二苯基甲烷-4，4’-二異氰酸酯(MDI)的方法。
10.權利要求1-7任一項的裝置(1)用于進行權利要求8或9的方法的用途。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于進行化學反應的裝置，其包括經(jīng)連接件互相連接的至少一個蒸餾塔和/或至少一個容器以及至少一個循環(huán)蒸發(fā)器，其中液體從蒸餾塔的底部或堆疊填充床或堆積填充床或濕濾器，或者作為低于循環(huán)蒸發(fā)器較低管板的外部進料流完全或部分地引入所述蒸發(fā)器。
文檔編號C07C263/10GK1620329SQ02828041
公開日2005年5月25日 申請日期2002年2月15日 優(yōu)先權日2002年2月15日
發(fā)明者J·P·布雷德赫夫特, H-J·帕拉施, L·E·黑克, E·施特勒費爾 申請人:巴斯福股份公司