一种生产电子级碳酸乙烯酯的装置及方法

技术领域

本发明涉及碳酸乙烯酯生产技术领域，具体涉及一种生产电子级碳酸乙烯酯的装置及方法。

背景技术

碳酸乙烯酯是一种性能优良的溶剂和表面活性剂的原料，尤其对许多聚合物和树脂的溶解效果更佳，碳酸乙烯酯也可作为有机合成中间体，用作合成呋喃唑酮的原料，用作水玻璃系浆料，纤维整理剂及其它纤维的加工剂，可用作纺织上的抽丝液，也可直接作为脱除酸性气体的溶剂及混凝土的添加剂，还可用作塑料发泡剂及合成润滑油的稳定剂。除此之外，碳酸乙烯酯也可以做高附加值的高能电池电解液。随着电解液需求的不断增长，高纯度的碳酸乙烯酯用量也会越来越高。

近年来，各国研究人员对碳酸酯的合成开展了众多的研究，许多新的合成方法和新的催化剂被发现，碳酸乙烯酯的主要生产方法有光气法、酯交换法、卤代醇法、环氧乙烷和二氧化碳合成法。光气法由于其存在工艺流程长、收率低、成本高等缺点，而且光气毒性大，污染严重，在发达国家基本上已经停止使用。酯交换法是由碳酸二乙酯（或碳酸二甲酯）和乙二醇的酯交换反应而制备碳酸乙烯酯的一种方法。该工艺生产碳酸乙烯酯的产物不易分离纯化，且催化剂的合成成本高。卤代醇法是卤代醇和二氧化碳在催化剂催化下有机溶剂中生成碳酸乙烯酯的方法。该工艺所需原料及催化剂价格较高，反应原料氯乙醇对环境有害，且反应条件苛刻，产率较低，不利于实际生产。以二氧化碳和环氧乙烷为原料直接酯化制备碳酸乙烯酯，是一种高效、绿色、环保的合成新型中间体酯的方法，而且提供了一条化学利用二氧化碳资源的新途径，可收到明显的经济效益和社会效益，受到各国普遍重视，适合大规模工业化生产。

为增加传质和传热效果，CN201410214132.4提出一种二氧化碳与环氧丙烷或环氧乙烷管式反应制取碳酸丙烯酯或碳酸乙烯酯生产方法，管式合成反应器传质效果好，气液接触充分，反应热换热及时，装置操作弹性大，可在较宽的产量范围内稳定操作。

CN201911393119.9提供一种循环喷射混合法制备碳酸乙烯酯的方法。以环氧乙烷和二氧化碳为原料在循环喷射混合反应器中进行，催化剂为双金属催化剂、后过渡金属催化剂、碱土金属催化剂、氨基酸、磷钨酸、硅钨酸、锗钨酸、砷钨酸中的一种或多种，环氧乙烷的转化率能够达到90％以上甚至达到99％以上，该工艺物料混合均匀、反应速度快、工艺安全性高。

CN200910080322.0涉及一种制备碳酸乙烯酯的方法，原料为乙烯氧化得到的气体混合物和碳酸乙烯酯溶液在催化剂作用下生成碳酸乙烯酯，采用催化剂为碳酸盐和烷基咪唑盐，环氧乙烷转化率为96-99％；选择性为97-99％，原料直接用乙烯氧化混合气中的环氧乙烷，无须将环氧乙烷分离再精馏得到产品环氧乙烷，节约了成本。

CN201910976767.0通过将环氧乙烷与二氧化碳在单级或多级的鼓泡塔中进行酯化反应，经过汽提、精制单元得到99.9w%的碳酸乙烯酯，该发明通过对鼓泡塔结构优化，有效改善了塔内气泡分布均匀程度，有效减少环氧乙烷溶解程度，减少副反应发生，增加环氧乙烷和二氧化碳利用率。

目前现有技术反应热移出不及时、环氧化合物转化率不高、产品纯度无法达到电子级产品要求，需要进一步提高产品纯度，提出一种得到高纯度、高转化率的碳酸乙烯酯装置及方法。

发明内容

针对现有技术存在的技术问题，本发明提供一种生产电子级碳酸乙烯酯的装置及方法，以得到高纯度的碳酸乙烯酯，实现原料的高转化率，同时得到工业级碳酸乙烯酯。

本发明提供的一种生产电子级碳酸乙烯酯的装置，包括催化剂缓冲罐、反应器、闪蒸罐、闪蒸气接收罐、粗碳酸乙烯酯精制塔、催化剂回收塔和碳酸乙烯酯精制塔；

所述反应器顶部设有反应器第一进料口，底部设有反应器出料口，中部设有反应器第二进料口，内部设有冷却盘管；

所述闪蒸罐中部设有闪蒸罐进料口，与所述反应器出料口相连，顶部设有气相出料口，上部设有液相返回口，底部设有闪蒸罐出料口；

所述闪蒸气接收罐中部设有闪蒸气接收罐进料口，与所述气相出料口相连，顶部设有气相放空口，底部设有闪蒸气接收罐出料口，与所述液相返回口相连；

所述粗碳酸乙烯酯精制塔下部设有粗碳酸乙烯酯进料口，与所述闪蒸罐出料口相连，顶部设有粗碳酸乙烯酯精制塔第一出口，底部设有粗碳酸乙烯酯精制塔第二出口；

所述催化剂回收塔下部设有催化剂回收塔进料口，与所述粗碳酸乙烯酯精制塔第二出口相连，顶部设有催化剂回收塔第一出口，底部设有催化剂回收塔第二出口，与所述催化剂缓冲罐相连；

所述碳酸乙烯酯精制塔下部设有碳酸乙烯酯精制塔进料口，与所述催化剂回收塔第一出口相连，顶部设有碳酸乙烯酯精制塔第一出口，底部设有碳酸乙烯酯精制塔第二出口。

本发明还提供一种如所述的装置生产碳酸乙烯酯的方法,包括下述步骤：

S1、所述环氧乙烷通过反应器第一进料口进入反应器，所述催化剂依次通过催化剂缓冲罐与所述反应器第一进料口进入反应器，所述二氧化碳从反应器第二进料口进入所述反应器，所述环氧乙烷和二氧化碳在所述反应器中发生均相酯化反应，得到生成物，所述生成物包括粗碳酸乙烯酯、乙二醇和二乙二醇，同时产生大量热，通过所述冷却盘管移热，所述生成物从反应器出料口进到闪蒸罐；

S2、所述生成物在所述闪蒸罐中实现未反应二氧化碳与粗碳酸乙烯酯分离，闪蒸后气相经气相出料口进入闪蒸气接收罐，不凝气经气相放空口放空，液体依次经闪蒸气接收罐出料口、液相返回口返回所述闪蒸罐中，闪蒸后的生成物经闪蒸罐出料口进到精制单元；

S3、所述粗碳酸乙烯酯精制塔第一出口的物料分为两个流股，一股作为循环流股返回所述闪蒸罐中，一股采出通到碳酸乙烯酯精制塔第一出口，粗碳酸乙烯酯精制塔第二出口采出物料进到催化剂回收塔，在所述催化剂回收塔中实现离子液体催化剂的分离，催化剂回收塔第一出口采出物料进入所述碳酸乙烯酯精制塔，催化剂回收塔第二出口采出富含催化剂物料进到所述催化剂缓冲罐中循环使用，所述碳酸乙烯酯精制塔第一出口采出物料与粗碳酸乙烯酯精制塔第一出口采出的一股物料混合作为工业级碳酸乙烯酯产品，所述碳酸乙烯酯精制塔第二出口采出电子级碳酸乙烯酯。

优选地，S1中，所述反应器的温度为130-180℃，压力为3.5-5.5 MPa（a）。

优选地，S2中，所述闪蒸罐的温度为110-140℃，压力为0.1-0.35MPa（a）。

优选地，S2中，所述闪蒸气接收罐的温度为50-80℃，压力为0.1-0.35MPa（a）。

优选地，S3中，所述粗碳酸乙烯酯精制塔的温度为130-180℃，压力为-0.1至0.35MPa（a），回流比为5-15，塔板数为30-60。

优选地，S3中，所述催化剂回收塔的温度为140-200℃，压力为-0.1至0.35MPa（a），回流比为8-20，塔板数为20-50。

优选地，S3中，所述碳酸乙烯酯精制塔的温度为140-180℃，压力为-0.1至0.35MPa（a），回流比为6-12，塔板数为15-40。

优选地，所述催化剂为离子液体；所述离子液体为四乙基溴化铵、甲基三苯基碘化膦、甲基三苯基溴化膦、1-乙基-3-甲基咪唑溴盐中的至少一种。

优选地，所述二氧化碳与环氧乙烷进料质量比为1.05-2:1；催化剂缓冲罐出口物料质量为环氧乙烷进料量的0.01-0.05%，新鲜催化剂进料量为催化剂缓冲罐出口物料质量的1-5%；所述循环流股采出量为粗碳酸乙烯酯精制塔第一出口采出量的65-85%。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1、本发明通过将环氧乙烷、二氧化碳和离子液体催化剂在反应器中进行均相反应，经过闪蒸和精制过程得到电子级碳酸乙烯酯，由于反应放热量大，开发二段移热塔式反应器，能够及时移出反应热，减少副反应发生，提高环氧乙烷转化率和碳酸乙烯酯选择性，通过合理设置循环流股，灵活调控电子级和工业级碳酸乙烯酯产量，进而提高碳酸乙烯酯总收率，达到节能环保的目的。

2、本发明中环氧乙烷转化率不低于99.5%，碳酸乙烯酯收率最高为99.7%，工业级碳酸乙烯酯产品的纯度不低于99.5%，电子级碳酸乙烯酯产品的纯度不低于99.99%（乙二醇和二乙二醇的总含量小于等于50ppm；含水量小于等于40ppm），产品纯度达到电解池溶剂指标要求，同时得到工业级碳酸乙烯酯，可根据需求调节产量，产品收率高，取得了良好的技术效果。

附图说明

图1是本发明实施例1的结构示意图。

其中，V1-催化剂缓冲罐，R1-反应器，V2-闪蒸罐，V3-闪蒸气接收罐，T1-粗碳酸乙烯酯精制塔，T2-催化剂回收塔，T3-碳酸乙烯酯精制塔。

1-反应器第一进料口，2-反应器第二进料口，3-反应器出料口，4-闪蒸罐进料口，5-气相出料口，6-气相放空口，7-液相返回口，8-闪蒸罐出料口，9-粗碳酸乙烯酯进料口，10-粗碳酸乙烯酯精制塔第一出口，11-粗碳酸乙烯酯精制塔第二出口，12-催化剂回收塔进料口，13-催化剂回收塔第一出口，14-催化剂回收塔第二出口，15-碳酸乙烯酯精制塔进料口，16-碳酸乙烯酯精制塔第一出口，17-碳酸乙烯酯精制塔第二出口，18-分布器，19-冷却盘管。

具体实施方式

为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体图示，进一步阐述本发明。

实施例1

一种生产电子级碳酸乙烯酯的装置，参照图1，包括催化剂缓冲罐V1、反应器R1、闪蒸罐V2、闪蒸气接收罐V3、粗碳酸乙烯酯精制塔T1、催化剂回收塔T2和碳酸乙烯酯精制塔T3；

反应器R1顶部设有反应器第一进料口1，底部设有反应器出料口3，中部设有反应器第二进料口2，二氧化碳从反应器第二进料口2进到反应器R1中，在分布器18上实现均匀分布，反应器R1内部设有两段冷却盘管19。

闪蒸罐V2中部设有闪蒸罐进料口4，与反应器出料口3相连，顶部设有气相出料口5，上部设有液相返回口7，底部设有闪蒸罐出料口8。

闪蒸气接收罐V3中部设有闪蒸气接收罐进料口，与气相出料口5相连，顶部设有气相放空口6，底部设有闪蒸气接收罐出料口，与液相返回口7相连。

粗碳酸乙烯酯精制塔T1下部设有粗碳酸乙烯酯进料口9，与闪蒸罐出料口8相连，顶部设有粗碳酸乙烯酯精制塔第一出口10，底部设有粗碳酸乙烯酯精制塔第二出口11。

催化剂回收塔T2下部设有催化剂回收塔进料口12，与粗碳酸乙烯酯精制塔第二出口11相连，顶部设有催化剂回收塔第一出口13，底部设有催化剂回收塔第二出口14，与催化剂缓冲罐V1相连。

碳酸乙烯酯精制塔T3下部设有碳酸乙烯酯精制塔进料口15，与催化剂回收塔第一出口13相连，顶部设有碳酸乙烯酯精制塔第一出口16，底部设有碳酸乙烯酯精制塔第二出口17。

本实施例在实施时，环氧乙烷和离子液体催化剂通过反应器第一进料口1进入反应器R1，二氧化碳通过反应器第二进料口2进入反应器R1，环氧乙烷和二氧化碳在反应器R1中发生均相酯化反应，反应生成碳酸乙烯酯，乙二醇，二乙二醇等，同时产生大量热，通过冷却盘管19移热，反应后物料从反应器出料口3进到闪蒸罐V2；

反应后物料在闪蒸罐V2中实现未反应二氧化碳和碳酸乙烯酯分离，闪蒸后气相经气相出料口5进入闪蒸气接收罐V3，不凝气经气相放空口6放空，液体经闪蒸气接收罐出料口返回闪蒸罐V2中，闪蒸后粗碳酸乙烯酯物料经闪蒸罐出料口8进到精制单元；

粗碳酸乙烯酯精制塔第一出口10采出物料分为两个流股，一股作为循环流股返回闪蒸罐V2中，一股采出通到碳酸乙烯酯精制塔第一出口16，粗碳酸乙烯酯精制塔第二出口11采出物料进到催化剂回收塔T2，在催化剂回收塔T2中实现离子液体催化剂的分离，催化剂回收塔第一出口13采出物料进入碳酸乙烯酯精制塔T3，催化剂回收塔第二出口14采出富含催化剂物料进到催化剂缓冲罐V1中循环使用，碳酸乙烯酯精制塔第一出口16采出物料与粗碳酸乙烯酯精制塔第一出口10采出的一股物料混合作为工业级碳酸乙烯酯产品，碳酸乙烯酯精制塔第二出口17采出电子级碳酸乙烯酯。

实施例2

使用实施例1得到的装置生产电子级碳酸乙烯酯：

环氧乙烷进料量为839Kg/h，二氧化碳进料量为883Kg/h，离子液体催化剂为甲基三苯基碘化膦，新鲜催化剂质量流量为0.0125Kg/h，反应器R1温度160℃，压力为5MPa（a），反应器R1中发生均相酯化反应后物料进入闪蒸罐V2，闪蒸罐V2温度130℃，压力为0.1MPa（a），闪蒸罐V2采出粗碳酸乙烯酯质量流量为2118Kg/h，进入粗碳酸乙烯酯精制塔T1，粗碳酸乙烯酯精制塔T1温度150℃，压力为-0.1MPa（a），塔板数为50，回流比为7.5，粗碳酸乙烯酯进料位置在第35块板，粗碳酸乙烯酯精制塔第一出口10物料质量流量为224Kg/h，分为两个流股，一股为循环流股返回闪蒸罐V2，一股采出通到碳酸乙烯酯精制塔第一出口16，其中循环流股的质量流量为44.8Kg/h，粗碳酸乙烯酯精制塔第二出口11采出物料质量流量1894Kg/h，进入催化剂回收塔T2，催化剂回收塔T2温度150℃，压力为-0.1MPa（a），塔板数为40，回流比为15，进料位置在第27块板，催化剂回收塔第一出口13采出物料质量流量为1630Kg/h，进入碳酸乙烯酯精制塔T3，催化剂回收塔第二出口14采出富含催化剂物料质量流量为264Kg/h，返回催化剂缓冲罐V1循环使用，碳酸乙烯酯精制塔T3温度150℃，压力为-0.1MPa（a），塔板数为40，回流比为10，进料位置在第32块板，碳酸乙烯酯精制塔第一出口16采出物料质量流量为380Kg/h，与粗碳酸乙烯酯精制塔第一出口10的一股流股混合后得到质量分数为99.81%的工业级碳酸乙烯酯，质量流量为424Kg/h，碳酸乙烯酯精制塔第二出口17采出质量分数为99.996%的电子级碳酸乙烯酯，质量流量为1250Kg/h。

综上所述，该生产碳酸乙烯酯的方法中，环氧乙烷转化率为99.65%，碳酸乙烯酯收率为99.6%，工业级碳酸乙烯酯纯度为99.81%，电子级碳酸乙烯酯纯度为99.996%（乙二醇和二乙二醇的总含量为20ppm；含水量为10ppm）。

实施例3

使用实施例1得到的装置生产电子级碳酸乙烯酯：

环氧乙烷进料量为839Kg/h，二氧化碳进料量为1191Kg/h，离子液体催化剂为甲基三苯基碘化膦，新鲜催化剂质量流量为0.0125Kg/h，反应器R1温度150℃，压力为5MPa（a），反应器R1中发生均相酯化反应后物料进入闪蒸罐V2，闪蒸罐V2温度130℃，压力为0.1MPa（a），闪蒸罐V2采出粗碳酸乙烯酯质量流量为2120Kg/h，进入粗碳酸乙烯酯精制塔T1，粗碳酸乙烯酯精制塔T1温度150℃，压力为-0.1MPa（a），塔板数为45，回流比为8，粗碳酸乙烯酯进料位置在第32块板，粗碳酸乙烯酯精制塔第一出口10物料质量流量为224Kg/h，分为两个流股，一股为循环流股返回闪蒸罐V2，一股采出通到碳酸乙烯酯精制塔第一出口16，其中循环流股的质量流量为44.8Kg/h，粗碳酸乙烯酯精制塔第二出口11采出物料质量流量1896Kg/h，进入催化剂回收塔T2，催化剂回收塔T2温度150℃，压力为-0.1MPa（a），塔板数为40，回流比为12，进料位置在第20块板，催化剂回收塔第一出口13采出物料质量流量为1630Kg/h，进入碳酸乙烯酯精制塔T3，催化剂回收塔第二出口14采出富含催化剂物料质量流量为266Kg/h，返回催化剂缓冲罐V1循环使用，碳酸乙烯酯精制塔T3温度150℃，压力为-0.1MPa（a），塔板数为35，回流比为8.5，进料位置在第27块板，碳酸乙烯酯精制塔第一出口16采出物料质量流量为380Kg/h，与粗碳酸乙烯酯精制塔第一出口10的一股流股混合后得到质量分数为99.88%的工业级碳酸乙烯酯，质量流量为424Kg/h，碳酸乙烯酯精制塔第二出口17采出质量分数为99.998%的电子级碳酸乙烯酯，质量流量为1250Kg/h。

综上所述，该生产碳酸乙烯酯的方法中，环氧乙烷转化率为99.7%，碳酸乙烯酯收率为99.7%，工业级碳酸乙烯酯纯度为99.88%，电子级碳酸乙烯酯纯度为99.998%（乙二醇和二乙二醇的总含量为10ppm；含水量为5ppm）。

以上仅为本发明的实施方式，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构，直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理在本发明的专利保护范围之内。