用來生產苯酚-bpa加合晶體的結晶器和方法
2023-12-01 09:51:16 2
專利名稱：用來生產苯酚-bpa 加合晶體的結晶器和方法
技術領域：
總體而言，本發明涉及苯酚-BPA加合晶體的蒸發生產，具體地說，本發明與一種結晶器和方法有關，該結晶器和方法藉助於噴嘴布置(該噴嘴布置將蒸發性冷卻劑更均勻地分布而遍及結晶容器)，實現更均勻的晶體生長，同時抑制不合意的晶核化。
背景技術：
加合結晶用作淨化雙酚A的方式已經有多年了。結晶的目的是生產巨大加合晶體，這些巨大加合晶體可容易地與母液分離和洗滌，而沒有顯著破裂。苯酚-BPA加合晶體可通過蒸髮結晶過程形成，其中，揮發性液態脂肪烴，如戊烷或己烷，用作冷卻劑，如在美國專利4，927，978中描述的那樣。結晶過程在結晶器中實施，該結晶器由圓筒形容器形成，該圓筒形容器具有同心地布置在其中的引流管。葉輪使結晶內容物向下通過引流管的內部並且向上通過環形空間循環，該環形空間限定在引流管的外側與圓筒形容器的內壁之間。錐形部件可以放置在引流管下面，以防止固體積累在容器的底板上，並且促進從向下流動到向上流動的過渡。脂肪烴冷卻劑、以及主要結晶進料和再循環進料，均通過相分立的噴嘴組引入到結晶器中，這些相分立的噴嘴組繞容器的圓周安裝在不同高度處。用於主要結晶進料的噴嘴組是三組的最低組，布置在容器的底部附近。用於主要結晶進料的噴嘴中的每一個噴嘴沿徑向延伸到引流管的下部部分中。用於再循環進料的噴嘴組布置在用於主要結晶進料的噴嘴上方，並且延伸到在引流管的外側與圓筒形容器的內壁之間限定的環形空間中。用於脂肪烴冷卻劑的噴嘴組是三組的最高組，布置在容器的中部附近。在操作中，將主要結晶進料引入到引流管的底部中，同時再循環進料進入在結晶容器的底部半部中的環形區域中。脂肪烴冷卻劑在環形區域中，在足以抑制其立即汽化的高度處，典型地在容器的中點附近，進入結晶器。結晶容器的內容物使用葉輪(該葉輪布置在引流管內部)沿引流管向下和沿環形區域向上循環。在容器內容物中夾帶的脂肪烴冷卻齊U，隨著它接近在容器的上部端部處的液體表面而汽化，形成沸騰區，該沸騰區冷卻周圍液體，並且使苯酚-BPA加合晶體沉澱。將生成產物漿體經一個或更多個產物排出開口或排出噴嘴從容器的底部或底部附近除去，同時，汽化的脂肪烴冷卻劑從容器的頂部離開。苯酚-BPA加合晶體與產物漿體分離並被洗滌，並且與經洗滌的晶體分離的液體成分的一部分用於再循環進料。
發明內容
儘管上述結晶器設計和方法在生產苯酚-BPA加合晶體方面是合理有效的，但本申請人已經觀察到，在容器的上部部分中在沸騰區內會發生不合意的晶體生長，稱作結殼，並且在結晶容器壁和支承引流管的結構元件的表面上形成結晶體團。本申請人還觀察到，這些晶體團中的某些從結構元件脫落，並且積累在容器底板上，由於它們太大，不能經容器排出開口從容器除去。在容器的底部處的晶體團和其它積累晶體沉積物都必須通過清理過程定期地從容器除去，該清理過程需要停止到結晶容器的進料、和通過溶劑的加熱或添加而溶解結殼固體。相應地，需要對於用來生產苯酚-BPA加合晶體的改進型結晶器和方法，該改進型結晶器和方法應消除或至少減少對於這樣的定期容器清理過程、和生產停機時間(該生產停機時間伴隨這樣的清理)的需要。本發明發端於本申請人的如下觀察在現有技術結晶容器的上部部分中發生的不合意的晶核化，因在跨過沸騰區的表面的冷卻劑通量的不一致性和不均勻性而加劇。為了解決這個問題，本發明的結晶器和方法二者都採用一種噴嘴布置，該噴嘴布置提供跨過沸騰區的表面的顯著更均勻冷卻劑通量。所產生的均勻流動，使局部過飽和度最小化，這種最小化又阻止在沸騰區中在容器和引流管支架的表面上的不合期望的晶體生長。更具體地說，本發明的結晶器包括圓筒形容器；引流管，同心地布置在所述圓筒形容器內，從而環形空間限定在所述容器與管之間；循環器，它使液體在容器中通過引流管和環形空間而循環；以及多個噴嘴，繞所述圓筒形容器的內壁安裝，這些噴嘴將蒸發性冷卻劑引入到所述容器中，其中，每個噴嘴包括排放端部，該排放端部布置在環形空間的徑向範圍的約30%與60%之間，並且更優選地在約30%與50%之間。噴嘴優選地布置在容器的內壁上的大致相同高度處。多個噴嘴的排放端部繞環形空間的圓周均勻地間隔開。多個噴嘴的排放端部沿徑向延伸到環形空間中優選地到相同距離處，儘管它們可以在徑向範圍的上述30%_60%內的不同距離處交錯。多個噴嘴還可以布置在引流管的上部端部下面一個距離，該距離在容器的直徑的約50%至150%之間，並且更優選地在容器直徑的約100%至150%之間。最後，噴嘴的總數優選地在8個與18個之間，並且更優選地在12個與18個之間。這樣的間隔、距離以及噴嘴數量進一步保證跨過沸騰區的表面的均勻冷卻劑通量。按照本發明的方法，揮發性冷卻劑通過結晶器的噴嘴，在約10與20m/sec之間的速度下注入，更優選地在約12與ISm/sec之間的速度下注入。冷卻劑可以是由脂肪烴、月旨肪羰基以及水組成的組中的一種或更多種，如在美國專利4，209, 646 ;5，723, 688以及EP0720976B1中公開的那樣。
圖I是本發明的結晶器的示意側視圖，圖2是在圖I中所示的結晶器沿線A-A獲得的簡化的橫截面視圖。圖3示出在用於冷卻劑噴嘴的引流管的上部邊緣處的冷卻劑體積分數輪廓，這些冷卻劑噴嘴在結晶容器內在環形區域中延伸10%、30%、50%、70%以及90%，而圖4是在用於冷卻劑噴嘴的引流管的頂部處的平面處的冷卻劑體積分數(該冷卻劑體積分數在圖3中示出)的模擬值的曲線圖。
具體實施例方式參照圖1，本發明的結晶器I總體上包括豎向布置的圓筒形容器3、和對中布置在其中的引流管5。引流管5的內部包括循環器組件7，該循環器組件7具有葉輪8a，該葉輪8a定位在一組直葉片Sb上方。環形空間9限定在引流管5的外部與圓筒形容器3的內表面之間。
結晶器I的容器3外接有三組噴嘴，這三組噴嘴包括蒸發性冷卻劑噴嘴11的環、主要結晶進料噴嘴15的環以及再循環進料噴嘴19的環。蒸發性冷卻劑噴嘴11的環定位在容器3的中部附近。各噴嘴11中的每一個噴嘴都連接到蒸發性冷卻劑的加壓源上，該蒸發性冷卻劑優選地是揮發性液態脂肪烴，如戊烷或己烷，儘管其它化合物，如脂肪羰基和甚至水，也可以用於這個目的。這些噴嘴11中的每一個噴嘴都具有排放端部13，該排放端部13布置在環形空間9內。如在下文更詳細地描述的那樣，噴嘴11的環相對於引流管5的高度、排放端部13到環形空間9中的徑向伸入量以及噴嘴11的數量都是結晶器I的重要方面。結晶進料噴嘴15的環外接到容器3的底部附近。這些噴嘴15中的每一個噴嘴都連接到加壓結晶進料的源上，該加壓結晶進料可以是例如由羰基化合物(如丙酮)與苯酚的常規凝結形成的產物，以形成雙酚A (BPA)0優選地，雙酚A產物被蒸餾，以除去丙酮、水及過多苯酚，使得主要結晶進料流包含約35%的雙酚A、和約65%的苯酚和雜質。這些噴嘴15中的每一個噴嘴都包括排放端部17，該排放端部17布置在引流管5的內部中，從而新鮮結 晶進料一引入到容器3中，循環器組件7的葉輪8a就立即開始使新鮮結晶進料循環，並且將其與容器內容物相混合。循環流量與總漿體輸出流量的比值的範圍在25:1至150:1之間，優選地在50:1至100:1之間。定位在蒸發性冷卻劑噴嘴11的環與進料噴嘴15的環之間的是再循環進料噴嘴19的環，這些再循環進料噴嘴19中的每一個噴嘴都具有排放端部21，該排放端部21布置在環形空間9內。再循環進料噴嘴19中的每一個噴嘴都連接到再循環進料的加壓源上，該再循環進料由液體形成，該液體從液體/晶體漿體產物中離心地分離出來，該液體/晶體漿體產物從容器3排出。位於容器3的底部附近的產物排出噴嘴23a、23b用來排出在容器3內部通過結晶進料的蒸發冷卻而產生的液體/晶體漿體產物。位於容器3的底板上的錐形部件25促進循環流(由流動箭頭指示)，該循環流使苯酚-BPA加合晶體在漿體中保持懸浮，由此阻止在容器的底板上形成不合期望的晶體沉積物。位於容器3的頂部處的冷卻劑孔口或噴嘴27將蒸發的冷卻劑排出到冷卻盤管，或者可選擇地排出到壓縮機(未示出)並且然後排出到冷卻盤管，以便再液化並且再循環回到冷卻劑噴嘴11。現在參照圖I和2，引流管5具有圓筒形中部段28。引流管5的直徑「d」優選地在容器3的直徑「D」的約35%與45%之間，並且最優選地是40%。引流管包括頂部擴口段30，該頂部擴口段30的外表面相對於引流管5的旋轉軸線按約35°角布置。頂部擴口段30的外徑「od」優選地在容器3的內徑「 ID」的約65%與75%之間。過渡段32將頂部擴口段30與圓筒形中部段28相連接，該過渡段32具有按約10°角布置的外表面。這樣的頂部擴口段30和過渡段32的設置使進入引流管5的頂部的產物漿體的進口損失最小化，並且保證在圍繞管5的上部端部的環形空間9中的均勻流動速度分布。另外的擴口段可添加到引流管的頂部上，以幫助流動過渡。引流管5在容器3內由多個豎向支承支柱34a、34b(用虛線指示)和徑向支柱(未示出)同心地支承。引流管5包括底部擴口段36。底部擴口段36的外表面優選地相對於引流管5的旋轉軸線按約20°的角布置。這樣的擴口使得從來自引流管5的液體/晶體漿體產物的向下流動到在環形空間9中的向上流動的過渡足夠平滑，並且防止或至少減少在容器3的底部處形成流動渦流一如果形成流動渦流，則晶體會被捕獲，並且生長到它們不能通過產物排出口 23a、23b除去的尺寸。隨著段36的擴口角增大，形成的流動渦流的整體尺寸減小。然而，如果擴口角太大，則在引流管的擴口段的內側上形成低速區域。低速區域產生低效率區域，該低效率區域要求較高葉輪功率以保持必要流量。本申請人已經觀察到，引流管5的20°底部擴口段36，與錐形部件25的組合，防止流動速度下降到低效速率以下。錐形部件25也與底部擴口段36合作，以使流動方向過渡更容易，並且減小在管5的底部周圍形成的渦流的尺寸。最後，錐形部件25消除在容器3的底部段中的這樣一種區域一在該區域中，晶體趨於沉澱，並且生長得太大而不能被除去。錐形部件25與容器3的底板的接合，導致其中晶體可澱積的區域。為了使這個區域最小化，錐形部件25由三個錐形段組成，這三個錐形段包括頂部段40，與部件25的旋轉軸線按約40°傾斜；和中部段42和底部段44，分別按約55°和75°傾斜。錐形部件25的底部段44的基底的直徑應該在容器直徑的55%與65%之間。中部段42的基底的直徑應該在容器直徑的45%與55%之間，並且頂部段的基底的直徑應該在容器直徑的20%與30% 之間。通過在底部擴口段36上將擴口角限制到20°或以下，並且將錐形部件25設有三個錐形段，可消除低流動速度區域，並且可使晶體趨於沉澱的區域最小化。如上文提到的那樣，本發明的結晶器I防止在容器3的上部部分中在沸騰區中發生不合意的晶核化，並防止在容器3、支柱34a、34b以及支承引流管5的其它元件的表面上產生結殼。結晶器I通過按新穎樣式布置選擇數量的冷卻劑噴嘴11實現這個目標，該新穎樣式導致在結晶器I的操作期間在液體表面48上冷卻劑的更均勻通量。具體地說，如在圖2中所示的那樣，進入環形空間9的噴嘴11的排放端部13的徑向伸入量「r」優選地調整到在環形空間徑向範圍「R」的約30%與60%之間，並且更優選地調整到在R的約30%與55%之間。另外，如在圖I中所示的那樣，在噴嘴11的環與引流管5的上邊緣之間的豎向距離「V」優選地在容器3的直徑「D」的約50%至150%之間，並且更優選地是直徑D的約100%至150%。最後，外接於容器3的噴嘴11的數量優選地在約8個與18個之間，並且更優選地在約12個與18個之間，最優選地是18個。本申請人已經發現，通過如下數值模擬，冷卻劑噴嘴11的這三個方面是結晶器I的重要方面。第一模擬建模用於噴嘴11的脂肪烴特性，這些噴嘴11徑向伸入環形空間9的徑向範圍R的10%、30%、50%、70%以及90%，這些百分比從結晶器壁測量。圖3表示對於五個噴嘴在容器3內在引流管5的頂部擴口段30的上部邊緣處的冷卻劑體積分數輪廓。該模擬建立有對於每個百分比伸入度以180°分開的五對噴嘴，從而模擬包括總共十個噴嘴11，如在圖3中表示的那樣。對於初始模擬，在噴嘴11與引流管5的頂部之間的距離假定是容器直徑D的一半。在進料管(這些進料管連接到噴嘴11上)中的脂肪烴冷卻劑速度假定是約3m/sec。噴嘴11的排放端部13漸細，以對於進入容器3的冷卻劑產生15m/sec左右的速度。為了計算在引流管5的頂部擴口段30的上部邊緣處的覆蓋面積和百分比覆蓋率，將比1E-03大的在引流管5的頂部處的平面中的冷卻劑體積分數的模擬值繪製在圖4中。圖的豎向(y)軸和水平(X)軸的刻度與結晶器直徑D相對應。容器壁3由從正y軸的端部到正X軸的端部畫在圖上的圓弧代表。這代表環形空間9的外徑。第二圓弧畫成代表引流管5的頂部擴口段30的外徑。然後可以使用同心圓弧的尺寸來計算圖的環形區域。原點代表引流管的中心。在繪出的區域中，有五個進料噴嘴11。如果噴嘴11在環形段9的中心附近，如對於噴嘴2和5的情況那樣(分別在30%和50%伸入度處)，則覆蓋面積的形狀將是完整橢圓。在這種情況下，作為η (寬度/2)(高度/2)的乘積計算覆蓋面積。如果噴嘴靠近壁，如關於噴嘴I的情況那樣(在10%伸入度處)，則覆蓋面積的形狀將是橢圓的一部分。為了計算覆蓋面積，畫出包圍覆蓋面積的圓。圓的面積可由直徑計算。然後畫出弦以模仿壁。在Chemical Engineers Handbook (Perryand Chilton, 1973)的第 5 版中的第 1-22 頁上有表格，該表格提供面積對於平方半徑的比值(A/r2)相對於弦長度對於半徑的比值(弦Ir)。如果覆蓋面積小於總圓面積的一半，那麼將比值乘以平方半徑提供覆蓋面積。如果覆蓋面積大於總圓面積的一半，那麼將結果從總圓面積減去，以給出覆蓋面積。在某些情況下，如關於在圖4中的噴嘴3和4 (分別在90%和70%伸入度處)，在被劃分為兩部分的圓內部仍然有未覆蓋的某一面積。這些面積可使用三角形建模，並且可從以上面積減去的三角形的面積，以給出覆蓋面積。使用如圖4所不的圖，計算的覆蓋面積表不在下面的表格中。該表格不出，最罪近 環形空間9的中心的噴嘴11產生最大覆蓋率。結果也示出，當冷卻劑接觸容器壁3或引流管5的壁時，覆蓋面積顯著地減小
噴嘴伸入度面積
I100.42
I300.66
3900.49
4700.48
5500.69為了確定高度對於冷卻劑覆蓋率的影響，對於百分之30、40、50及60的噴嘴伸入度，關於在引流管5的頂部下面一半和一倍結晶器直徑D的高度處的噴嘴11進行模擬。在下面表格中呈現的結果表明，對於兩種情況，關於伸入到環形空間9的中心的噴嘴11，都同樣發現最大覆蓋率。結果也表明，隨著在冷卻劑噴嘴11與引流管5的頂部之間的距離增大，覆蓋率增大。模擬表明，對於具有在百分之30與50之間的伸入度的噴嘴11，覆蓋率在百分之30與40之間增大，並且對於具有百分之60伸入度的噴嘴11，覆蓋率增大幾乎百分之60。
權利要求
1.一種特別適於通過蒸發性冷卻形成苯酚-BPA加合晶體的結晶器，該結晶器包括 圓筒形容器； 引流管，該引流管同心地布置在所述圓筒形容器內，從而在所述容器與管之間限定環形空間； 循環器，該循環器使液體在所述容器中通過所述引流管和所述環形空間而循環；以及 繞所述圓筒形容器的內壁安裝的多個冷卻劑噴嘴，所述多個冷卻劑噴嘴將蒸發性冷卻劑引入到所述容器中，其中，每個噴嘴包括排放端部，所述排放端部布置在所述環形空間的徑向範圍的30%與60%之間。
2.根據權利要求I所述的結晶器，其中，所述冷卻劑噴嘴在所述容器的內壁上布置在大致相同高度處。
3.根據權利要求I或權利要求2所述的結晶器，其中，所述多個冷卻劑噴嘴的排放端部繞所述環形空間的圓周均勻地間隔開。
4.根據上述權利要求中的任一項所述的結晶器，其中，所述多個冷卻劑噴嘴的所述排放端部相對於所述環形空間徑向對齊。
5.根據上述權利要求中的任一項所述的結晶器，其中，所述多個冷卻劑噴嘴布置為低於所述引流管的上部端部一個距離，該距離在所述容器的直徑的50%至150%之間，優選地等於所述容器的直徑。
6.根據上述權利要求中的任一項所述的結晶器，其中，所述冷卻劑噴嘴的總數在8個與18個之間，優選地是至少12個。
7.根據上述權利要求中的任一項所述的結晶器，其中，所述循環器包括葉輪，該葉輪布置在所述引流管中。
8.根據上述權利要求中的任一項所述的結晶器，還包括錐形部件，該錐形部件布置在所述容器的底板上，與所述引流管對準。
9.根據權利要求8所述的結晶器，其中，所述錐形部件的基底在所述容器的直徑的55%與65%之間。
10.根據上述權利要求中的任一項所述的結晶器，其中，所述引流管的直徑在所述圓筒形容器的35%至45%之間。
11.根據上述權利要求中的任一項所述的結晶器，其中，所述引流管在其頂部端部處擴口，優選地相對於所述管的旋轉軸線以35°或更小的角度擴口，並且在其底部端部處擴口，優選地相對於所述管的所述旋轉軸線以20°或更小的角擴口。
12.根據上述權利要求中的任一項所述的結晶器，還包括在所述容器中安裝的多個噴嘴、和在所述容器中的至少一個開口，這些噴嘴將富BPA進料引入到所述容器中，該至少一個開口排放苯酚-BPA加合晶體的漿體。
13.一種在根據上述權利要求中的任一項所述的結晶器中通過蒸發性冷卻形成苯酚-BPA加合晶體的方法，所述方法包括 將過飽和BPA溶液引入到所述容器中； 使所述BPA溶液通過所述引流管和環形空間循環； 通過將蒸發性冷卻劑通過所述冷卻劑噴嘴徑向注入，將所述蒸發性冷卻劑均勻地分配在過飽和BPA溶液的循環流中，以形成BPA混合物；以及通過從所述BPA混合物中蒸發出所述揮發性烴化合物，在所述容器中生產苯酚-BPA加合晶體。
14.根據權利要求13所述的方法，其中，所述蒸發性冷卻劑通過所述冷卻劑噴嘴，以在10與20m/sec之間的速度注入,優選地以在12與18m/sec之間的速度注入。
15.根據權利要求13或權利要求14所述的方法，其中，所述冷卻劑是在由脂肪烴、脂肪羰基以及水組成的組中的一種或更多種。
全文摘要
用於苯酚-BPA加合晶體的蒸發生產的結晶器和方法，其能實現更均勻的晶體生長，並抑制不合意的晶核化。結晶器包括圓筒形容器；引流管，與圓筒形容器同心地布置，從而在容器與管之間限定環形空間；葉輪，它使液體在容器中通過引流管和環形空間循環；及多個噴嘴，繞所述圓筒形容器的內壁安裝，將蒸發性冷卻劑引入到容器中。每個噴嘴包括排放端部，其布置在環形空間的徑向範圍的約30%與60%之間，並且布置在引流管的上部端部下面，在容器的直徑的約50%至150%之間的距離。這種噴嘴布置跨過沸騰區表面提供冷卻劑的一致和均勻濃度，防止或至少減少在容器內表面上不合期望的晶核化，且通過在沸騰區內跨過環形空間的一致均勻的過飽和度，促進晶體均勻生長。
文檔編號B01D9/00GK102858418SQ201180021376
公開日2013年1月2日 申請日期2011年6月8日 優先權日2010年6月23日
發明者S·W·費茨科 申請人:巴傑許可有限責任公司