专利名称：制备浓缩溶液的方法
技术领域：
本发明涉及一种在安全经济的条件下制备浓缩溶液的方法，它是采用一种易于拆除和运输的装置进行的。本发明还涉及本发明方法生产浓缩过氧化氢溶液的用途，并涉及这些浓缩的过氧化氢溶液。
业已知道，某些浓缩溶液如浓缩过氧化氢溶液，可用于引发爆炸分解。已知的制备这类浓缩溶液的方法，大都是由稀溶液开始，并采用蒸发和／或蒸馏技术。在浓缩过程中，由于当温度和／或浓度增加时，爆炸所需要的能量降低，所以，随着温度和／或浓度的增加，爆炸分解的可能性也增加，因此，它是很关键的。而且，这类可能爆炸的程度取决于浓缩溶液的累积，因此，它是用于浓缩过程装置的关键。
采用这类方法所得到的最终浓度，通常是有限的，这不仅是由于已经提及的安全性因素，而且是由于这类方法所受的热力学限制，其压力和温度条件依赖于装置的设计，特别是依赖于蒸馏塔的设计。
此外，这类已知方法在投资和／或能耗方面的成本也是很高的。
最后，用于这类方法的已知装置，通常是在真空条件下进行操作的。其结果是，如果该需要拆除和／或运输，它们的装配和紧密性是很重要的，并可能成为一个问题。例如，对于浓缩的过氧化氢，为了避免运输这种浓缩的溶液，使浓缩装置位于过氧化氢的使用地点附近，是非常方便的。
某些已知的方法解决了上述提及问题中的一个或多个，但是它们都不能解决所有这些问题。
GB668874涉及一种制备高浓缩过氧化氢溶液的方法，是通过蒸馏稀溶液而制备的，其中，来自蒸馏的高沸点馏分在两个重叠盘中进行蒸发。这种方法的缺点在于，它是采用至少两个水平液层进行操作的。这些液层引起的压降会提高该液体的沸点温度，从而会增加爆炸分解的可能性。而且，这水平液层会在溶液浓度高的区域引起液体累积。GB668874方法的另一个缺点是汽化器的高热量消耗。
EP835680涉及一种由位于同一纵轴上的至少一个填充区和一个蒸发器组成的蒸馏柱，它包括至少两个蒸发器和／或两个冷凝器。这类装置中采用两个蒸发器和／或冷凝器，较为复杂且成本较贵。而且，它不能提供用来防止浓缩溶液聚集的元件。因此，它优选用来制备浓度低于70％的溶液。还有，它是非常难于拆除和／或运输的。
本发明的目的是为了克服已知方法中的不足，提供一种在安全经济的条件下制备浓缩溶液的方法，采用一种易于拆除和运输到浓缩溶液所使用的地点附近的装置而实现。
为此目的，本发明涉及一种从稀溶液制备浓缩溶液的方法，其中，蒸馏和蒸发是在一个蒸馏柱和一个蒸发器中进行的，它们组成两个截然不同的装置部件，可容易地拆除和运输。
这两个装置部件是截然不同的事实，意味着它们都含有一个底层和顶层，流体可以从中流过，且它们可独自起作用。
采用两个截然不同的装置部件蒸馏柱和蒸发器，其主要优点是整个装置较所用的单一柱更加易于拆除和运输。使用两个截然不同部件的装置，令人惊奇地，将不会导致由液体聚集而引起的问题，而它们在联合部件中预计是会发生的，特别是当它们含有降低的面积时。
在本发明的一个优选实施例中，所述的蒸馏柱和蒸发器间的连接，是通过一个分配器实现的，在其最窄处的横截面积小于所述蒸馏柱的横截面积。
所述蒸馏柱的横截面，是根据该柱的有效填充区的水平区域的平均横截面积计算的，不包括上述的底部和顶部。
本发明的分配器，可为任意已知种类的液体分配器，它可沿着降膜式蒸发器的壁形成一层薄膜，条件是它具有上述需要的几何形状。采用一端具有较大横截面而另一端具有较小横截面的分配器，能够获得很好的结果。在这种情形中，最大的横截面是与所述的蒸馏柱相连接，而最小的横截面与所述的降膜式蒸发器相连接。
优选地，该蒸馏柱和蒸发器是采有这样的方式装配的，它可允许液体，仅在重力作用下，就可从该蒸馏柱流到所述的蒸发器中。
更为优选地，所述的蒸馏柱是安装在该蒸发器的顶层上，两个装置部件的轴成一直线。
本发明的方法，优选地是采用一种进料装置，它位于蒸馏柱的某一位置或多个位置处。这种进料装置例如是位于该柱的上面的2／3处。
该蒸馏柱可填充有合适数目的分馏装置或填料。这些装置可选自蒸馏柱技术人员公知的多种分馏装置，例如多孔塔板、浮阀塔板、泡罩塔板和多种填料例如，拉西环、鲍尔环和编织垫。规整填料如规整填料-SULZERBX型是优选的。
蒸馏柱之内优选是垂直面，以防止液体累积。蒸馏柱的底层优选也是设计成可防止任何液体累积。
在本发明的另一个有利的实施例中，所述的蒸发器为一种降膜式蒸发器。该实施例的降膜式蒸发器通常为一种长管式垂直蒸发器，其中，从蒸馏柱底层流出的浓缩溶液连续地流入到该管的顶层，并以膜的形式沿其壁流下。所述管的数目和尺寸可使过氧化氢在蒸发器中的滞留最小化。
优选地，本发明的方法采用一种加热装置，用于所述的降膜式蒸发器，热水在其中循环。
本发明的方法，也可采用一个冷却器和一个用于连接所述的降膜式蒸发器与该冷却器的分配器。该冷却器优选为降膜式冷却器。它可采用任意常用的传热介质进行冷却。优选地，该冷却介质为水和／或乙二醇。
该装置所有部件的构造材料，就产品的腐蚀和稳定性而言，它们必须与溶液是完全能够共存的。铝、玻璃和含氟聚合物是优选的材料。
本发明的方法可用来制备任何浓缩的溶液。它特别适合用来制备浓缩的过氧化氢水溶液，尤其是浓度至少为80％重量，特别是浓度至少为90％的过氧化氢溶液。通常地，浓度至多为98％重量。
按照本发明的一个优选实施例，所述的方法包括如下步骤(a)在蒸馏柱上的某一位置或多个位置输入稀溶液；(b)在该蒸馏柱中蒸馏所述的稀溶液，在所述蒸馏柱的顶部得到溶液的低沸点气态馏分，在所述蒸馏柱的底部得到溶液的高沸点液态馏分；(c)经分配器，将所述溶液的高沸点液态馏分从所述的蒸馏柱底部转移到所述的蒸发器中，它为一种降膜式蒸发器；(d)在所述的降膜式蒸发器中浓缩所述溶液的高沸点液态馏分；和(e)在所述的降膜式蒸发器的底部收集浓缩的溶液。
所述的稀溶液进料位置通常将低于进料点的填料汽提或洗涤区与高于进料点的填料精馏或浓缩区分隔开来。
在本发明的方法中，优选不存在液体的再循环。
蒸馏主要是在减压条件下进行的，以限制必须要进行蒸发的所述高沸点液态馏分的沸点温度。一般地，所述的压力低于40乇。蒸馏过程中经常采用的最大压力为10乇。蒸馏过程中的压力通常高于约5乇。3乇的最小压力在蒸馏过程中也常常观察到。通常地，蒸馏柱底部温度低于50℃。低于40℃的底部温度是更为合适的。一般地，所述的底部温度应该高于0℃。
如上文所说明的，在本发明的降膜式蒸发器中，所述管的数目和尺寸应该可使得蒸发器中的液体累积最小化。通常地，每小时聚集在蒸发器中的产品低于2％。优选地，每小时累积在蒸发器中的产品低于1％。如果每小时累积在降膜式蒸发器中的浓缩液体产品低于0．5％，则安全性可得到提高。
本发明所述的降膜式蒸发器是采用一种加热介质进行加热的。它可为任意通常用于传热的介质。例如，这种介质可为热水或蒸气，它循环进入到所述的蒸发器。有利地，它为热水。通常，所述的蒸发器加热到高于来自蒸馏过程的高沸点液态馏分蒸发温度20℃。优选地，它仅加热到高于该温度10℃。
在本发明的降膜式蒸发器中，溶液的高沸点液态馏分，在重力作用下向下流动，所述的热介质物流和由其而产生的蒸气物流，可以向下流动，也可以向上流动。优选地，热水循环用作加热介质，所述的热水、所述溶液的高沸点液态馏分和由其而产生的蒸气，是同时向下流动的。
流出所述降膜式蒸发器的浓缩溶液，有利地在贮存或使用之前对其进行冷却。为此目的，它可转移到一个冷却器中。这种转移可在重力作用下经过一个分配器来操作。将浓缩溶液转移到其中的冷却器，优选为一种降膜式冷却器。所述冷却器可为任意常用于传热的介质所冷却。优选地，所述的冷却介质为水和／或乙二醇。在所述的冷却器中，浓缩溶液通常冷却到低于15℃。优选地是冷却到约0℃。
本发明的浓缩溶液是由一种化合物溶于一种溶剂中的浓缩溶液所组成的，该溶剂较该化合物具有较低的沸点。这种化合物在高温下和／或以高浓度存在于溶剂中可能是不稳定的。通常，所述的溶剂为水。过氧化氢是非常适合于本发明方法的一种不稳定产品。因此，本发明特别适合于浓缩的过氧化氢水溶液。
进料到精馏柱中的稀过氧化氢水溶液，通常含有高达70％w／w的过氧化氢，但是，它也可含有高达86％w／w的过氧化氢。这种稀过氧化氢优选地仅含有痕量的有机物和金属。通常地，它含有低于100mg／kg的有机物。这种稀溶液中的金属含有优选地是低于1mg／kg。这种纯度的过氧化氢溶液可通过任意已知的纯化方法而得到。例如，它可通过一种双蒸馏方法而制备得到。例如，它包括第一蒸馏至浓度为70％，接着用软化水稀释，最后，进行第二蒸馏以得到所需要的浓度。
由所述降膜式蒸发器中的高沸点液态馏分的蒸发所得到的浓缩过氧化氢溶液，通常含有至少80％w／w的过氧化氢。它可含有高达90％w／w的过氧化氢。采用本发明的方法，可得到浓度为98％的过氧化氢。在某些情形下，甚至100％w／w浓度的过氧化氢也可得到。
过氧化氢浓度高于90％w／w至今还不是商品可得的，这是因为其产品具有危险性。因此，本发明还涉及由上述方法所获得的浓缩水合过氧化氢溶液，其浓度至少为90％w／w。
本发明的方法将在下述的说明书中作进一步的说明，可参见
图1，它为本发明装置优选实施例的示意图。
所述的蒸馏柱(1)含有一个在真空下操作的填充柱(规整填料-SUZERBX型)。这种填料的选用可允许每个理论分离级具有较低的压降，因此，它可限制底层温度。一种稀过氧化氢溶液经入口管道(2)进料到该柱的中部。随后，该柱的上半部(3)作为一个浓缩区，而该柱较低部分(4)作为汽提区，它可降低该方法的能量要求和总量(液体聚集)要求。
柱顶蒸气经管道(5)输送到冷凝器(6)中。所得到的液体和蒸气经管道(7)输送到液体／蒸气分离器(8)中。将部分的回收液体经管道(9)回流到柱(1)的顶部之中。不可冷凝的气体采用真空系统除去。
在蒸馏柱(1)底层所得到的高沸点液态馏分，经分配器(10)连续地输送到所述的降膜式蒸发器(11)中。使用本发明的降膜式蒸发器，可降低高温下浓缩过氧化氢的停留时间，这样，就可使爆炸分解的危险达到最小。它也可保证液体分散于表面之上，而不是以块状形式存在，它可使爆炸的可能达到最小。最后，它可使蒸发过程的温升最小化，从而使爆炸分解的危险最小化。采用重力流动方式可避免磨擦热成为爆炸分解起始源的危险。因此，本发明的方法可有利地用来制备浓缩的爆炸性溶液。
在降膜式蒸发器(11)的底层所得到的浓缩溶液，经管道(12)输送到蒸气／液体分离器(13)中。蒸气经管道(14)被送回到该柱的底层。最终的液体产品连续地经管道(15)输送到降膜式冷却器(16)中，该冷却器具有最佳的传热系数和最小的液体滞留。
该冷却器(16)可使用乙二醇作为冷冻介质，优选地具有逆流构造。
冷却后的最终产品经管道(17)排放出来。
实施例1制备一种稀过氧化氢溶液将35-42％的H2O2溶液进料到第一蒸馏操作中，它位于含有3-5个理论塔板的蒸馏柱的底部。
该柱是在柱脚温度为57-74℃(135-165°F)和柱顶温度为43-60℃(110-140°F)，柱脚压力为0．075-0．15巴(30-60英寸水柱)，回流比为0．25-0．35的条件下进行操作的。
蒸馏物用超纯水稀释至浓度为45-49％。接着在一个玻璃蒸馏柱中再一次地蒸馏至浓度为50-74％的H2O2w／w。玻璃蒸馏柱为一个填充柱，其理论塔板数为2-4，它是在温度57-69℃(135-157°F)和柱脚压力0．05-0．11巴(20-43英寸水柱)和回流比为0．05-0．12的条件下进行操作的。
最终的过氧化氢溶液具有约10-20％的TOC进料，0．1％-1％的阴离子和约0．5-2％的阳离子。
实施例2制备一种本发明的浓缩过氧化氢溶液采用一种如图1所示的装置(不同之处在于冷却器，它为一种为加热套所环绕的蛇管，替代降膜式冷却器)，按照下述步骤用来制备96％w／w的过氧化氢溶液。
将86％w／w溶液进料到一个填充蒸馏柱的中部，它含有4-5个理论塔板。
该蒸馏柱填充区的内径为75mm，总高度为1．42m。它是在底层温度约40℃，顶部温度约18℃，8-10毫巴的真空和回流比为1∶1的条件下进行操作的。
溶液的高沸点馏分经分配器输送到一个降膜式蒸发器中。
该降膜式蒸发器由一个直径约25mm且总高度为750mm的单一加套管所组成。水在65℃循环进入到所述的夹套中。在该降膜式蒸发器的底层，有一个冷却器，它是由一个被夹套所环绕的蛇管所组成，它可用水来冷却。
当进料速率为360g／h时，可以约300g／h的速率得到96％w／w的过氧化氢溶液产品。
权利要求
1．一种通过蒸馏和蒸发一种稀溶液从稀溶液制备浓缩溶液的方法，其中，蒸馏和蒸发是在一个蒸馏柱和一个蒸发器中进行的，它们组成装置的两个截然不同的部件，可容易地拆除和运输。
2．权利要求1所述的方法，其中，从所述蒸馏柱底层中流出的溶液是经一个分配器而被输送到所述的蒸发器之中的，该分配器在其最窄处的横截面积小于所述蒸馏柱的横截面积。
3．权利要求1或2所述的方法，其中所述的蒸发器为一种降膜式蒸发器。
4．权利要求3所述的方法，它包括如下步骤(a)在蒸馏柱上的某一位置或多个位置输入稀溶液；(b)在该蒸馏柱中蒸馏所述稀溶液，在所述蒸馏柱的顶部得到溶液的低沸点气态馏分，在所述蒸馏柱的底部得到溶液的高沸点液态馏分；(c)经分配器，将所述溶液的高沸点液态馏分从所述的蒸馏柱底部转移到所述降膜式蒸发器中；(d)在所述的降膜式蒸发器中浓缩所述溶液的高沸点液态馏分；和(e)在所述的降膜式蒸发器的底部收集浓缩的溶液。
5．权利要求1-4所述的方法，不采用液体循环。
6．权利要求1-5所述的方法，其中，所述的蒸馏是在最大压力为10乇的条件下进行的。
7．权利要求4-6所述的方法，其中，在步骤(d)中，是采用热水作为加热介质，其中的热水、溶液的高沸点液态馏分和由之而产生的蒸气是同时向下流动的。
8．权利要求4-7所述的方法，其中，在步骤(e)之后，所述降膜式蒸发器中流出的浓缩溶液是经一个分配器输送到一个冷却器之中的，在冷却器中进行冷却。
9．权利要求1-8所述的方法，其中，所述的浓缩溶液为浓缩的过氧化氢水溶液。
10．权利要求9所述的方法，其中，从所述降膜式蒸发器中流出的过氧化氢水溶液含有至少90％w／w的过氧化氢。
11．根据权利要求10方法所得到的浓缩的过氧化氢水溶液。
全文摘要
浓缩溶液如浓缩过氧化氢水溶液的制备方法,是通过蒸馏和蒸发一种稀溶液而得到的,在其中,所述的蒸馏和蒸发是在两个截然不同的装置部件中进行的,它们可容易地拆除和运输。可以获得浓度至少为90%的过氧化氢水溶液。
文档编号B01D3/00GK1291521SQ0013335
公开日2001年4月18日 申请日期2000年10月5日 优先权日1999年10月5日
发明者S·布洛姆菲尔德, G·E·威廉斯 申请人:索尔维公司