一种超纯异丙醇的生产工艺及装置
阅读说明：本技术 一种超纯异丙醇的生产工艺及装置 (Production process and device of ultrapure isopropanol ) 是由 王俊 陈华 韩海松 戚律 于 2021-08-31 设计创作，主要内容包括：本发明涉及化工分离技术领域,公开了一种超纯异丙醇的生产工艺及装置,包括依次连接的第一微滤装置、反应精馏塔、静置罐、第二微滤装置、加热器、汽-液分离罐、微波精馏塔、亚沸精馏塔及纳滤装置；所述反应精馏塔至少设有3个进料口,分别为离子络合剂的进料口,异丙醇原料的进料口,微波精馏塔塔顶产物的进料口；所述静置罐内设有挡板；所述的汽-液分离罐内设有填料捕沫网；所述微波精馏塔包括二次脱水精馏塔和微波发生器,所述二次脱水精馏塔的提馏段置于微波发生器中；所述亚沸精馏塔的加热装置为红外加热管。本发明的有益效果为：能够批量分离得到超纯异丙醇产品,且产品质量稳定、无固废排出。(The invention relates to the technical field of chemical separation, and discloses a production process and a device of ultrapure isopropanol, which comprises a first microfiltration device, a reaction rectifying tower, a standing tank, a second microfiltration device, a heater, a vapor-liquid separation tank, a microwave rectifying tower, a sub-boiling rectifying tower and a nanofiltration device which are sequentially connected; the reactive distillation tower is at least provided with 3 feed inlets, namely a feed inlet of an ion complexing agent, a feed inlet of an isopropanol raw material and a feed inlet of a microwave distillation tower top product; a baffle is arranged in the standing tank; a filler foam catching net is arranged in the vapor-liquid separation tank; the microwave rectifying tower comprises a secondary dehydration rectifying tower and a microwave generator, and the stripping section of the secondary dehydration rectifying tower is arranged in the microwave generator; the heating device of the sub-boiling rectifying tower is an infrared heating pipe. The invention has the beneficial effects that: the method can be used for separating ultrapure isopropanol products in batches, and the products have stable quality and are free from solid waste discharge.)
技术领域
本发明涉及一种超纯异丙醇的生产工艺及装置，具体为一种利用反应精馏和微波精馏脱除金属离子和水，生产高纯异丙醇的工艺及装置，属于化工分离技术领域。
背景技术
丙烯水合法是目前世界上工业生产异丙醇的最常用方法。异丙醇与水、脂肪类化合物以及许多其他的有机物有互溶性，是一种重要的有机化工原料和有机溶剂，在各领域用途十分广泛。其中，超纯异丙醇作为化学清洗剂，在工业领域应用广泛。随着计算机和机电一体化技术的飞跃进步，信息产业成为世界经济中规模最大、发展最为迅速的产业。而信息产业的发展推动了高纯试剂等微电子化学品的大需求。在亚微米ULSI硅片制造过程中,无论是氧化后,蚀刻后硅片的表面的处理,薄膜沉积及高温炉扩散,都需要经过许多高纯度化学试剂配好的化学清洗剂多次清洗,再以超纯水清洗,最后为避免留下油迹水痕、达到快速干燥的目的,常使用超纯异丙醇溶剂清洗。
目前，超纯异丙醇通常以工业级异丙醇为原料，经脱水和脱金属纯化精制得到。精馏是工业化提纯异丙醇的主要方法，包括共沸精馏、萃取精馏、加盐精馏等。但是这些精馏的的脱水效率达不到超纯异丙醇的含水量要求，且金属离子以及颗粒含量都对超纯异丙醇产品提出了非常高的要求，通过常规精馏工艺无法满足。
现有技术将脱水(化学或吸附)与脱金属(金属络合或离子交换树脂)分成两个工段，这不仅增加了工艺复杂程度，同时还降低脱除效率并形成了脱水后的固废产物，还可能造成产品质量的不稳定。
发明内容
为了克服现有工艺流程复杂，脱除效率低，形成脱水固废以及产品质量的不稳定的缺陷，本发明提供了一种超纯异丙醇的生产工艺及装置，集成反应精馏和微波精馏强化脱金属和脱水的连续、高效生产超纯异丙醇产品的工艺流程及装置，能够批量分离得到超纯异丙醇产品，且产品质量稳定、无固废排出。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种超纯异丙醇的生产装置，包括依次连接的第一微滤装置、反应精馏塔、静置罐、第二微滤装置、加热器、汽-液分离罐、微波精馏塔、亚沸精馏塔及纳滤装置；所述反应精馏塔至少设有3个进料口，分别为离子络合剂的进料口，异丙醇原料的进料口，微波精馏塔塔顶产物的进料口；所述静置罐内设有挡板；所述的汽-液分离罐内设有填料捕沫网；所述微波精馏塔包括二次脱水精馏塔和微波发生器，所述二次脱水精馏塔的提馏段置于微波发生器中；所述亚沸精馏塔的加热装置为红外加热管；所述生产装置还包括离子交换装置，离子交换装置的进料口与汽-液分离罐的罐底连接；离子交换装置的出料口与反应精馏塔的离子络合剂进料口连接。
进一步地所述第一微滤装置、第二微滤装置以及纳滤装置都是化工分离领域常用的过滤装置，其中，第一微滤装置、第二微滤装置用于过滤固体颗粒。
进一步地，所述反应精馏塔板数为35～40块，络合溶剂从第5～10块板进料，异丙醇原料从15～20块板进料，反应精馏塔塔顶产物从第25～30块板进料，这样的设置能够实现精馏脱水和离子络合反应的耦合，同时实现高效的脱水和脱金属离子。
进一步地，所述离子络合剂为18-冠-6-醚类溶剂及其复合物。
进一步地，所述静置罐内设置的挡板呈等间距交错排列，两相邻档板间距为300～600mm，每块挡板末端设有缺口，长度为100～300mm，这样的设置能够以调控液相流动路径，防止偏流，提高液相停留时间，进一步提高金属离子络合反应的效率。
进一步地，所述离子交换装置内装有螯合型树脂，装填的顺序为亚胺二乙酸螯合基的大孔苯乙烯系离子交换树脂，H型强酸阳离子树脂RSO3 -1H+，按上述顺序液相依次通过，这样能以高效的实现梯次交换二价及以上金属离子和一价金属离子。
进一步地，所述微波精馏塔材质为陶瓷或石英，内部装有陶瓷填料或石英填料，其塔板数为25～35块，其中精馏段10～15块，提馏段15～20块，微波发生器设在提馏段底部的5块塔段。
进一步地，所述亚沸精馏塔的材质为高纯度石英，塔内装有高纯度石英乱堆填料，分离理论级为10块。
一种超纯异丙醇的生产工艺，具体步骤为：工业异丙醇原料进入第一微滤装置，经过滤后进入反应精馏塔，塔顶出异丙醇副产物，塔底产物送入静置罐，经静置后的塔底产物送入第二微滤装置，经过滤后的产物送入加热器加热至部分汽化，然后将汽化产物送入汽-液分离罐，罐底产物为离子络合盐与异丙醇的混合物，将其送入离子交换装置进行离子交换反应，从所述离子交换装置流出的反应物循环送入反应精馏塔；所述汽-液分离罐的罐顶气相产物进入微波精馏塔，所述微波精馏塔底部使用微波发生器加热，微波精馏塔塔顶产物送入反应精馏塔，塔底产物送入亚沸精馏塔；所述的亚沸精馏塔加热装置为红外加热管，从所述微波精馏塔塔底流出的液相产品经加热汽化后从塔顶冷凝流出；从亚沸精馏塔顶流出的液相进入纳滤装置过滤后得到超纯异丙醇产品。
进一步地，所述反应精馏塔塔顶压力为0.35～1.5atm,回流比为1～3，操作温度60～90℃，送入反应精馏塔用于络合反应脱除异丙醇溶液中金属离子的金属络合剂用量的质量比为异丙醇进料量的0.1％～0.5％。
进一步地，所述反应精馏塔塔底产品从静置罐罐底进入，从罐顶流出，保证静置罐罐中停留时间20～40min，操作温度60～90℃；汽-液分离罐操作压力0.1MPa～0.2MPa，操作温度80～100℃。
进一步地，所述离子交换装置的操作压力为0.1MPa～0.2MPa，操作温度60～90℃。
进一步地，所述微波精馏塔压力为0.1MPa～0.2MPa，操作温度80～100℃，微波频率为2400～2500MHz，塔顶产物返回反应精馏塔内，塔底产物进入亚沸精馏塔内。
进一步地，亚沸精馏塔操作压力为0.06～0.09MPa，操作温度为35～50℃，回流比为0.1～0.5，塔顶产物送入纳滤装置过滤，得到超纯异丙醇产品。
与现有技术相比，本发明一种用于顺酐加氢产物的分离装置及工艺，具备以下有益效果：
(1)本发明的生产工艺及装置能够批量分离得到超纯异丙醇产品，且产品质量稳定、无固废排出。
(2)本发明的生产工艺及装置使用反应精馏同时脱除金属离子和水，提高了分离效率，降低了工艺复杂程度。
(3)本发明的生产工艺及装置采用微波精馏强化脱水，由于水分子的极性为10.2，大于异丙醇极性3.9，微波加热时水分子更易于挥发，从而提高水的挥发性能。本发明的生产工艺及装置可以在不引入萃取剂对异丙醇造成污染，以及耗时短、费用低的情况下，进一步除去水分来提纯异丙醇，提高了产品的稳定性，并增强了脱水的效率和脱水的质量，用本发明的生产工艺得到的超纯异丙醇中异丙醇含量大于99.99％，水含量低于50ppm，阳离子含量低于0.1ppb，阴离子含量低于50ppb，符合SEMI C12标准。
附图说明
图1为本发明的超纯异丙醇的生产装置及工艺流程图。
图中附图标记的含义为：1-第一微滤装置；2-反应精馏塔；3-静置罐；4-第二微滤装置；5-加热器；6-汽-液分离罐；7-二次脱水精馏塔；8-微波发生器；9-亚沸精馏塔；10-纳滤装置；11-离子交换装置。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1所示，本发明提供的超纯异丙醇的生产装置，包括依次连接的第一微滤装置1、反应精馏塔2、静置罐3、第二微滤装置4、加热器5、汽-液分离罐6、微波精馏塔、亚沸精馏塔9及纳滤装置10；反应精馏塔2至少设有3个进料口，分别为离子络合剂的进料口，异丙醇原料的进料口，微波精馏塔塔顶产物的进料口；静置罐3内设有挡板；所述汽-液分离罐6内设有填料捕沫网；微波精馏塔包括二次脱水精馏塔7和微波发生器8，二次脱水精馏塔7的提馏段置于微波发生器8中；亚沸精馏塔9的加热装置为红外加热管；所述生产装置还包括离子交换装置11，所述离子交换装置11的进料口与汽-液分离罐6的罐底与连接；离子交换装置11的出料口与反应精馏塔离子络合剂的进料口连接。
在本实施例的一种具体实施方式中，反应精馏塔2板数为35～40块，络合溶剂从第5～10块板进料，异丙醇原料从15～20块板进料，反应精馏塔2塔顶产物从第25～30块板进料，这样的设置能够实现精馏脱水和离子络合反应的耦合，同时实现高效的脱水和脱金属离子。
在本实施例的一种具体实施方式中，离子络合剂为18-冠-6-醚类溶剂及其复合物。
在本实施例的一种具体实施方式中，静置罐3内设置的挡板呈等间距交错排列，两相邻档板间距为300～600mm，每块挡板末端设有缺口，长度为100～300mm，这样的设置能够以调控液相流动路径，防止偏流，提高液相停留时间，进一步提高金属离子络合反应的效率。
在本实施例的一种具体实施方式中，离子交换装置11内装有螯合型树脂，装填的顺序为亚胺二乙酸螯合基的大孔苯乙烯系离子交换树脂，H型强酸阳离子树脂RSO3 -1H+，按上述顺序液相依次通过，这样能以高效的实现梯次交换二价及以上金属离子和一价金属离子。
在本实施例的一种具体实施方式中，微波精馏塔材质为陶瓷或石英，内部装有陶瓷填料或石英填料，其塔板数为25～35块，其中精馏段10～15块，提馏段15～20块，微波发生器8设在提馏段底部的5块塔段。
在本实施例的一种具体实施方式中，亚沸精馏塔9的材质为高纯度石英，塔内装有高纯度石英乱堆填料，分离理论级为10块。
如图1所示，本发明还提供一种超纯异丙醇的生产工艺，具体步骤为：工业异丙醇原料进入第一微滤装置1，经过滤后进入反应精馏塔2，塔顶出异丙醇副产物，塔底产物送入静置罐3，经静置后的塔底产物送入第二微滤装置4，经过滤后的产物送入加热器5加热至部分汽化，然后将汽化产物送入汽-液分离罐6，罐底产物为离子络合盐与异丙醇的混合物，将其送入离子交换装置11进行离子交换反应，从离子交换装置11流出的反应物循环送入反应精馏塔2；汽-液分离罐6的罐顶气相产物进入微波精馏塔，微波精馏塔底部使用微波发生器8加热，微波精馏塔塔顶产物送入反应精馏塔2，塔底产物送入亚沸精馏塔9；亚沸精馏塔9加热装置为红外加热管，从微波精馏塔塔底流出的液相产品经加热汽化后从塔顶冷凝流出；从亚沸精馏塔9顶流出的液相进入纳滤装置10过滤后得到超纯异丙醇产品。
在本实施例的一种具体实施方式中，反应精馏塔2塔顶压力为0.35～1.5atm,回流比为1～3，操作温度60～90℃，送入反应精馏塔2用于络合反应脱除异丙醇溶液中金属离子的金属络合剂用量的质量比为异丙醇进料量的0.1％～0.5％。
在本实施例的一种具体实施方式中，反应精馏塔2塔底产品从静置罐3罐底进入，从罐顶流出，保证静置罐3罐中停留时间20～40min，操作温度60～90℃；汽-液分离罐6操作压力0.1MPa～0.2MPa，操作温度80～100℃。
在本实施例的一种具体实施方式中，离子交换装置11的操作压力为0.1MPa～0.2MPa，操作温度60～90℃。
在本实施例的一种具体实施方式中，微波精馏塔压力为0.1MPa～0.2MPa，操作温度80～100℃，微波频率为2400～2500MHz，塔顶产物返回反应精馏塔2内，塔底产物进入亚沸精馏塔9内。
在本实施例的一种具体实施方式中，亚沸精馏塔9操作压力为0.06～0.09MPa，操作温度为35～50℃，回流比为0.1～0.5，塔顶产物送入纳滤装置10过滤，得到超纯异丙醇产品。
实施例1
先将工业级的异丙醇(98％)原料经1级微滤器过滤后进入理论板数为36块的反应精馏塔，金属离子络合剂为异丙醇进料量的0.15％(质量比)同样送入反应精馏塔，所述的金属离子络合剂为18-冠-6-醚类溶剂及其复合物，反应精馏塔操作压力0.5atm，回流比为1.5，反应精馏得到塔顶为90％的异丙醇副产物，塔顶为含水量99.5％的异丙醇金属络合盐反应液，反应液送入静置罐静置25min，操作温度63.5℃，在经2级微滤器过滤后进入加热器加热，加热物流送入汽-液分离罐操作温度为操作压力0.1MPa，操作温度85℃，其中从汽液分离罐罐底流出的液相送入依次装有亚胺二乙酸螯合基的大孔苯乙烯系离子交换树脂，H型强酸阳离子树脂RSO3 -1H+的离子交换装置再生金属络合剂，操作压力为0.1MPa，操作温度65℃，经离子交换的交换金属络合剂返回反应精馏塔形成循环；汽-液分离罐罐顶产物送入理论塔板数为26微波的精馏塔，操作压力为0.12MPa，回流比为4，微波频率为2400MHz，塔顶采出99％的异丙醇溶液并返回至反应精馏塔，塔底采出为99.99％的异丙醇，塔底产物送入理论板数为10的亚沸精馏塔中，压力为0.065MPa，操作温度为50℃，回流比为0.12，从塔顶采出的物流经纳滤装置过滤后得到超纯异丙醇产品。取样分析，分析数据见表1。
表1
实施例2
先将工业级的异丙醇(98％)原料经1级微滤器过滤后进入理论板数为38块的反应精馏塔，金属离子络合剂为异丙醇进料量的0.35％(质量比)同样送入反应精馏塔，所述的金属离子络合剂为18-冠-6-醚类溶剂及其复合物，反应精馏塔操作压力1atm，回流比为2，反应精馏得到塔顶为90％的异丙醇副产物，塔顶为含水量99.5％的异丙醇金属络合盐反应液，反应液送入静置罐静置30min，操作温度83.5℃，在经2级微滤器过滤后进入加热器加热，加热物流送入汽-液分离罐操作温度为操作压力0.15MPa，操作温度90℃，其中从汽液分离罐罐底流出的液相送入依次装有亚胺二乙酸螯合基的大孔苯乙烯系离子交换树脂，H型强酸阳离子树脂RSO3 -1H+的离子交换装置再生金属络合剂，操作压力为0.15，操作温度90℃，经离子交换的交换金属络合剂返回反应精馏塔形成循环；汽-液分离罐罐顶产物送入理论塔板数为30微波的精馏塔，操作压力为0.12MPa，回流比为5，微波频率为2450MHz，塔顶采出99％的异丙醇溶液并返回至反应精馏塔，塔底采出为99.99％的异丙醇，塔底产物送入理论板数为10的亚沸精馏塔中，压力为0.075MPa，操作温度为60℃，回流比为0.3，从塔顶采出的物流经纳滤装置过滤后得到超纯异丙醇产品。取样分析，分析数据见表1。
实施例3
先将工业级的异丙醇(98％)原料经1级微滤器过滤后进入理论板数为40块的反应精馏塔，金属离子络合剂为异丙醇进料量的0.5％(质量比)同样送入反应精馏塔，所述的金属离子络合剂为18-冠-6-醚类溶剂及其复合物，反应精馏塔操作压力1.5atm，回流比为3，反应精馏得到塔顶为90％的异丙醇副产物，塔顶为含水量99.5％的异丙醇金属络合盐反应液，反应液送入静置罐静置40min，操作温度90℃，在经2级微滤器过滤后进入加热器加热，加热物流送入汽-液分离罐操作温度为操作压力0.15MPa，操作温度100℃，其中从汽液分离罐罐底流出的液相送入依次装有亚胺二乙酸螯合基的大孔苯乙烯系离子交换树脂，H型强酸阳离子树脂RSO3 -1H+的离子交换装置再生金属络合剂，操作压力为0.2，操作温度90℃，经离子交换的交换金属络合剂返回反应精馏塔形成循环；汽-液分离罐罐顶产物送入理论塔板数为35微波的精馏塔，操作压力为0.2MPa，回流比为15，微波频率为2500MHz，塔顶采出99％的异丙醇溶液并返回至反应精馏塔，塔底采出为99.99％的异丙醇，塔底产物送入理论板数为10的亚沸精馏塔中，压力为0.09MPa，操作温度为70℃，回流比为0.5，从塔顶采出的物流经纳滤装置过滤后得到超纯异丙醇产品。取样分析，分析数据见表1。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。