生成邻氨基苯甲酸甲酯(简称甲酯)的化学反应包括酰胺化反应和酯化反应,其中酯化反应过程中会放出大量的热,工艺要求次氯酸钠加完后物料温度控制在(-5±2)℃,并且保持在零度以下反应50min以上。由于温度对产品质量和收率影响极大,因此设备换热效率的高低成了影响产品质量和收率的关键因素,在同行业中,酯化反应一般采用釜体夹层和釜内盘管降温,由于换热面积有限,降温效果不理想,因此实际生产中对冷冻盐水的温度要求非常苛刻,必须保持在零下20 ℃以下,这极大地降低了制冷机的制冷效率,同时还必须使用大量的机冰辅助降温,需要有机冰生产、运输、破碎等一系列设施,这必不可少的增加了水资源、能源的消耗,生产效率低、劳动强度大[1-5]。
1· 研究方案设计
根据酯化反应的机理,结合实际生产经验,经充分论证,我们提出了采用外循环降温、增加换热面积的技改方案:
(1) 增设螺旋板换热器,进行同步外循环降温;
(2) 提高盐水流量。
螺旋板换热器是一种新型高效的换热设备,主要由螺旋板、接管、密封板组成,结构简单,体积小,换热面积大,流量在Re>500时可达湍流状态,因此比管壳式换热器传热效率高1倍以上。螺旋板换热器结构示意图见图1。
螺旋板换热器的主要特点:
①传热效能好。弯曲的螺旋通道和定距柱,有利于增强流体的湍流状态,通道内流体阻力小,可提高设计流速,来提高传热系数。对于水-水热交换,传热系数可达1.8~3.5 kW/(m-2·℃)-1。
② 有自清洗作用。单通道内的流体通过通道内杂质沉积处时,流速会相对提高,容易把杂质冲掉。并且由于设备本身没有死角,不容易形成沉积
③ 不可拆式结构的密封性能好,适用于剧毒、易燃易爆或贵重流体的换热。
④ 相邻通道内的流体呈纯逆流方式流动,可得到最大的对数平均温差,有利于小温差传热。
⑤ 结构较紧凑,单位设备体积内的传热面积可达150 m2/m。
⑥ 由于螺旋通道本身的弹性自由膨胀,温差应力小。
⑦ 价格低廉。
2 ·方案优化实验
影响换热效果的主要因素是:①换热面积及传热效率;②冷冻盐水温度及流量。因此2006年8月,我们经研究设计,确定了采用封闭式、每台换热面积100 m2的螺旋板换热器,并进行了以下三方面的实验比对:
(1) 冷冻盐水的温度(-21 ℃)及流量(28 kg/s)不变,对使用换热器台数进行实验对比,得到了3组试验数据。结果见表1。
通过以上3组数据对比可知:使用两台换热器,冷冻盐水温度在-20 ℃,流量28 kg/s,不用机冰,零下反应时间控制在50 min以上达到最佳效果。
(2)冷冻盐水的流量(28 kg/s)和螺旋板换热器两台保持不变,对冷冻盐水的温度进行实验对比,得到了3组试验数据。结果见表2。
通过以上三组数据对比可知:使用两台换热器,冷冻盐水流量 28 kg/s,冷冻盐水温度不高于-19℃,不能满足零下反应时间控制在50 min以上的工艺要求。
(3)螺旋板换热器两台保持不变,对冷冻盐水不同温度下的不同流量进行实验对比,得到了9组试验数据。结果见表3。
通过以上数据可以看出,用两台螺旋板换热器,盐水温度在-17 ℃时,盐水流量在56 kg/s和84 kg/s时均可满足零下反应时间控制在50 min以上的工艺要求,但盐水流量在56 kg/s和84 kg/s时差别不大,因此我们选择盐水流量 56 kg/s。
3 ·确定新生产工艺
根据以上实验结果,我们确定如下新工艺:
(1)冷冻盐水温度控制在-17 ℃,以最大限度的提高制冷机的制冷效率,节约电能。
(2)用两台换热面积为100 m2的螺旋板换热器进行同步外循环降温
(3)冷冻盐水流量控制在200 t/h。通过几年来的运行,甲酯产品的质量和收率有了进一步稳定和提高。
4· 生产应用及效果
2006年11月,我们对全部酯化釜进行改造,并将原冰池改为盐水循环池。经过一年多的生产运行证明:用螺旋板换热器代替机冰对酯化釜降温,完全符合工艺要求,作用非常明显。根据统计:减少非工艺用时3 h/d,节约人工3人/班,节电约63 kW·h/t甲酯,节水 2 t/t甲酯;同时产品质量和收率有了进一步稳定和提高,由于不用机冰,相应地减少了废水量。
5· 安全与环保
该方案应用后,酯化反应温度控制更有保障,勿需使用机冰,减少了可能发生安全事故的环节和因素,并有利于节约水资源,减少废弃物产生,特别是可大大减少废水量,降低了废水处理费用。该项目在安全生产、节能减排、环保方面有明显的创新性。
6· 结束语
我们开发的酯化反应外循环降温技术具有以下特点:
(1)采用外循环降温技术和传统的釜内盘管、釜体夹层相结合的降温模式,使换热面积大幅度增加,降低了对冷冻盐水的技术要求,提高了制冷机的制冷效率,节约了电能;
(2)采用该技术避免使用大量机冰,缩短了劳动时间,降低了劳动强度,避免了机冰在生产、运输、破碎过程中的冷量损失;
(3)节电节水,降低了生产成本;
(4)提高了产品质量和收率,保障了安全生产。该方案具有一定的创新性、使用性,经济效益和社会效益明显,具有一定的推广价值。如果将该技术用于甲酯生产过程中的原材料预降温,也会取得不错的效果。