攪拌裝置和進行氣－液反應的方法
2023-07-28 16:32:06 4
專利名稱：攪拌裝置和進行氣－液反應的方法
技術領域：
本發明涉及一種由一個氣體攪拌器和一個液體混合器或由兩個液體混合器製造成的攪拌裝置，和利用本發明的攪拌裝置進行氣-液反應的方法。
背景技術：
化學加工技術經常用到氣-液反應。例如氧化反應、氫化反應、氯化反應或耗氧的生化反應。在很多情況下，進行這些反應需要加入固體成份，例如催化劑。
現有很多關於進行這樣反應的反應器的提議，這些提議經常設想到一種用於混合氣體反應物的氣體攪拌器。因此，例如，M.Zolkarnik，Rührtechnik，p.174etseq.，Springer Verlag，1999或EKATO混合技術手冊(Handbook of MixingTechnology)，p.HY.1 et seq.，Ekato Rühr-und Mischtechnik GmbH，Schopfheim，德國，就描述了氣體攪拌器。
EP 784 505 A描述了一種用於放熱反應，尤其適用於芳香族硝基化合物的氫化反應的淤漿反應器，它有一個使反應混合物循環的攪拌器和一個附加的氣體攪拌器。反應組分(reaction partners)由緊靠著攪拌器的計量管引入反應器，而該攪拌器用於循環反應混合物。不同的輸送方向和性質使反應物以徑向或軸向偏轉，從而混合進由攪拌器吸入的體積流(volume stream)中。
US 3 761 521揭示了一種用於進行連續反應(例如芳香族硝基化合物的氫化)的裝置和方法。在該裝置中，通過在液體介質中混合氣相和第二種固相或液相而得到反應混合物。在混合過程中，氣體快速分散到液相中。一些液相連續地溢出攪拌反應空間進入放催化劑的分離器中。氣體和液相通過管子從頂部加料進攪拌器，攪拌器通過空心的軸吸入更多的氣體。
M.Assirelli，W.Bujalski，A.W.Nienow，A.Eaglesham，「Intensifying MicromixingWith a Rushton Turbine」，5thInternational Symposium on Mixing in IndustrialProcess，Sevilla，Spain，2004描述了一種在攪拌反應器中的反應，在該反應器中反應混合物的一種反應物是在接近攪拌器的地方加入的。該反應物經由一根空心軸加料，該軸分岔為三根彎管。這些彎管的末端在垂直和水平方向離攪拌器葉片的邊緣有一些距離。所描述的徑向輸送的盤式攪拌器(disc stirrer)有六個葉片。此外，該文沒有描述氣體攪拌器的用途。
在氣-液反應中，經由空心軸與液面上方的氣體空間相連的氣體攪拌器也用於強化通氣。氣體攪拌器尤其適用於重新分散未完全反應的氣體反應組分。M.Zlokarnik，H.Judat，「Rohr-und Scheibenrührer-Zwei Leistungsfhige Rührer zurFlüssigkeitsbegasung」，Chemie-Ingenieur-Technik39，volume 20，p.1163-1168，1967，描述了一種製造成「四臂」管式反應器。兩條相反的臂狀物吸入氣體而另兩條吸入液體。當氣體尾流到達並包住下一條臂狀物時，液體攪拌器的輸送能力大幅下降。
BE 869 961 A描述了一種盤狀的攪拌器，其中攪拌器上裝了各種用於噴氣體和液體的噴嘴。氣體或液體經噴嘴加壓引入，所以如果攪拌器的馬達發生故障，在一定時間內懸浮液也不會滯留下來。該裝置不適用於獨立輸送或在普通攪拌操作中計量。
除了氣相要達到良好的分散效果，用於氣-液反應的反應器的難點還在於要儘可能均勻地將液體反應物混合進反應混合物中，因為任何局部濃度過高都會形成副產物，並且在使用固體催化劑的情況下，局部過量也會導致催化劑喪失活性。使氣體和液體的混合最優化，而二者之間不互相干擾是更進一步的目標。例如，在使用四臂管式反應器的情況下(如M.Zlokarnik，H.Judat，「Rohr-und Scheibenrührer-ZweiLeistungsfhige Rührer zur Flüssigkeitsbegasung」，Chemie-Ingenieur-Technik39，volume20，p.1163-1168，1967所述)，氣體尾流的形成造成液體攪拌器的輸送能力下降。這種輸送能力的下降同樣對攪拌效果產生了不利影響。
發明簡述因此，本發明提供了一種攪拌裝置，它能使液體和任選的氣體反應物均勻地分散在反應混合物中，避免了本領域中固有的缺點。
以下將結合附圖描述本發明，其目的是說明性而非限制性。其中圖1顯示本發明攪拌裝置的第一個具體實施例；圖1a是圖1的攪拌裝置沿A-B線的剖視圖；圖1b是圖1的攪拌裝置沿C-D線的剖視圖；圖2顯示本發明攪拌裝置的第二個具體實施例；圖2a是圖2的攪拌裝置沿A-B線的剖視圖；圖2b是圖2的攪拌裝置沿C-D線的剖視圖；圖3是使用圖1的攪拌裝置進行本發明反應的反應器的示意圖。
發明內容
以下將以闡述性而非限制性目的描述本發明。除了在操作實施例或其它專門提到的地方，說明書中所有表示數量、百分率等的數字在所有例子中均理解為可用術語「大約」來修飾。
本發明提供一種由一氣體攪拌器和一液體混合器或由兩個液體混合器製成的攪拌裝置，它們被安排在一根軸上並且各自有一個進料口和至少一個出料口。其中氣體攪拌器和液體混合器的出料口之間或是各液體混合器的出料口之間有一定距離。距離的比率a/d優選0.02到0.5，更優選0.05到0.3，其中a指出料口之間的距離，而d指氣體攪拌器或液體混合器的直徑。距離的比率b/d優選0.01到0.4，更優選0.02到0.2，其中b指外沿之間的距離，而d指氣體攪拌器或液體混合器的直徑。
本發明的攪拌裝置至少有兩個攪拌器。在第一個具體實施例中，它們是一氣體攪拌器和一液體混合器，而在第二個具體實施例中，是兩個液體混合器。擁有多於兩個攪拌器，並將氣體攪拌器和/或液體混合器以任何希望的方式組合起來的攪拌裝置也是可能的。氣體攪拌器是本領域普通技術人員所熟知的。大致上，任何希望的氣體攪拌器都可用於本發明的攪拌裝置。優選使用管式攪拌器或渦輪攪拌器。本發明內容中的液體攪拌器可以理解為與氣體攪拌器類似的用於混合液體反應物的混合器或攪拌器。液體混合器有至少一個用於液體反應物進料的入口。液體混合器有至少一個用於液體反應物出料的出口。因此，液體反應器可以是例如空心攪拌器，尤其是管狀攪拌器，或是泵推進器。可以按所需的方式組合各種類型的氣體攪拌器和液體混合器，例如氣體攪拌器和液體混合器均是管狀攪拌器，或者氣體攪拌器是渦輪攪拌器而液體混合器是泵推進器，或者是管狀攪拌器和渦輪攪拌器或泵推進器。尤其優選軸向運輸的攪拌器，例如有轉角葉的攪拌器。
氣體攪拌器和液體混合器或兩個液體混合器被安裝在一根軸上。照此，兩個攪拌器或混合器是一個安放在另一個上面，並能以任何希望的次序將氣體攪拌器和液體混合器中的一個裝配在另一個之上。
氣體攪拌器和液體混合器或兩個液體混合器中的任何一個要有一個用於將反應物送入攪拌器或混合器的進料口。軸能用於如進料，因為它是空心的。空心軸可用於氣體或反應物的進料。如果本發明的攪拌裝置有兩個液體混合器，空心軸也可用於兩種液體反應物的進料，因為該空心軸由兩根集中安排的管子構成。另外，將第一種反應物從軸的頂端進料，而將第二種反應物從軸的底部進料也是可能的。例如，如果只有一種反應物從空心軸進料，第二種氣體或液體反應物可經由一根附加的管線(tube line)進料到氣體攪拌器或液體混合器中。這可通過裝有吸入口的氣體攪拌器或液體混合器和裝在吸入口區域用於反應物進料的管線來實現。該管線可以連在吸入口上或與之有一定距離。
在本發明的攪拌裝置的第一個具體實施例中，安裝在軸上的氣體攪拌器在液體混合器的上方。軸做成空心的並當作氣體攪拌器的進料口。液體混合器有一個吸入口，優選位於它的下側中央，即背離氣體攪拌器的一側。管線是用作液體混合器的進料口，它的一個開口(例如，末端開口)在吸入口區域。在本文中「吸入口區域」是指距離aA(吸入口和管線開口的距離)和直徑dA(吸入口的直徑)的比率aA/dA不大於3，優選1到2。管線大體上可以從任何角度到達吸入口，例如，從底面或側面。
按照本發明，氣體攪拌器和液體混合器的出料口或各液體混合器的出料口之間的距離a與氣體攪拌器或液體混合器的直徑d的比率a/d為0.02到0.5，優選0.05到0.3。此外，按照本發明，兩個攪拌器外沿之間的距離b與氣體攪拌器或液體混合器直徑d的比率b/d為0.01到0.4，優選0.02到0.2。在攪拌裝置有一個氣體攪拌器和一個液體混合器的情況下，氣體攪拌器的直徑dG就視作直徑d。如果攪拌裝置有兩個液體混合器，直徑較大的那個液體攪拌器的直徑dF就視作直徑d。
對於本發明所述的距離，兩個攪拌器的出料口並排放置得相當近。只要兩個相鄰的出料口之間存在本發明所述的距離，原則上就可以以希望的方式相對於其中一個出料口安裝另一個出料口。例如，一個可以垂直地安裝在另一個上方。然而，它們也可以彼此替換，因此一個攪拌器(氣體攪拌器或液體混合器)的出料口在攪拌裝置的轉動方向上可以在第二個液體混合器的出料口的前面或後面。此外，例如，如果兩個攪拌器的直徑不同，出料口在徑向上可以用另一個替換。優選的是，兩個攪拌器的出料口相互垂直放置。
兩個攪拌器的直徑可以一致或不同。液體混合器的直徑dF優選是氣體攪拌器直徑dG的50到150％，更優選是80到120％。
按照本發明，攪拌裝置中的液體混合器的高度優選是氣體攪拌器的2到25％，更優選5到20％。
在管式攪拌器的構造形式中，液體混合器的管子末端在對著管軸流動的一邊可以呈一定角度，該角度優選30到90°，更優選40到60°。
氣體攪拌器和液體混合器的葉片的數目優選2到10，更優選4到8。氣體攪拌器和液體混合器或兩個液體混合器的葉片數目可以相同或不同。對於給定氣體攪拌器的葉片數目nG，液體混合器的葉片的數目nF優選nF＝1到nF＝2nG。尤其優選nG等於nF，並且，在使用兩個液體混合器的情況中，優選兩者具有相同的葉片數目nF。
本發明還提供了利用本發明的攪拌裝置進行氣-液反應的方法。這樣的氣-液反應的例子有氧化反應、氫化反應、氯化反應或耗氧的生化反應。
本發明的攪拌裝置的輸入功率優選0.5到15kW/m3，更優選1到10kW/m3。氣體攪拌器的外周速度優選1到25m/s，更優選5到20m/s。
液體混合器的輸送能力優選協調為進料反應物的體積流的1到50倍，更優選2到20倍。
在一個具體實施例中，本發明的攪拌裝置用於芳香族硝基化合物的氫化反應，尤其是硝基苯和二硝基甲苯的氫化反應。
本發明裝置的優點在於，對兩種液體或一種液體和一種氣體反應物的混合在各自情況中都是利用安裝在軸上的它們各自的兩個混合器或攪拌器進行，而該攪拌器或混合器要被最優化用於進行特定的攪拌任務。通過使用本發明的攪拌裝置實現對反應物的混入(mixing in)，同時混合過程中的互相影響或幹擾也最小。本發明的攪拌裝置可以做到更好的微混合，並從而顯著減少副產物的形成。
圖1是攪拌裝置10的第一個具體實施例的示意圖，它包括一渦輪攪拌器形式的氣體攪拌器12和一泵推進器形式的液體混合器13。氣體攪拌器12和液體混合器13安裝在空心軸11上，並且氣體攪拌器12處於液體混合器13的上方。空心軸11用作氣體反應物1的進料口17。氣體反應物1從出料開口14排出氣體攪拌器12。液體反應物2從管子形式的進料口16加入液體混合器13。進料口16位於液體混合器13的吸入開口(未圖示)區域。液體反應物2從出料口15排出液體混合器13。
圖1中，a是指氣體攪拌器12的出料口14和液體混合器13的出料口15之間的距離。該距離是出料口14和15的中心之間的距離。dG是氣體攪拌器12的直徑。dF是指液體混合器13的直徑。b指氣體攪拌器12和液體混合器13的外沿之間的距離。
圖1a是圖1中的攪拌裝置10的氣體攪拌器12沿A-B線的剖視圖。所示的例子具有4個用於氣體反應物的出料口14。圖1b類似地顯示了圖1中的液體混合器13沿C-D線的剖視圖。液體混合器13也有4個用於液體反應物的出料口15。兩個攪拌器12、13的出料口14、15是一個處於在另一個之上。
圖2是攪拌裝置20的的第二個具體實施例的示意圖，它包括一氣體攪拌器22和一液體混合器23。氣體攪拌器22和液體混合器23製造成管式攪拌器。氣體攪拌器22和液體混合器23安裝在空心軸21上，並且氣體攪拌器22處於液體混合器23的上方。空心軸21用作氣體反應物1的進料口27。氣體反應物1從出料開口24排出氣體攪拌器22。液體反應物2從管子形式的進料口26加入液體混合器23。進料口16位於液體混合器23的吸入開口(未圖示)區域。液體反應物2從出料口25排出液體混合器23。
圖2a是圖2中的攪拌裝置20的氣體攪拌器22沿A-B線的剖視圖。所示的例子具有4個用於氣體反應物的出料口24。圖2b類似地顯示了圖2中的液體混合器23沿C-D線的剖視圖。液體混合器23也有4個用於液體反應物的出料口25。兩個攪拌器22、23的出料口24、25是一個處於另一個上方。
圖3是按照本發明的方法進行氣-液反應的反應器30的示意圖。反應器30有氣體反應物的入口31、32和殘留氣體的出口33。反應產物經由產物出口34排出反應器30。還可在反應器30中提供排熱裝置35。可在氣體攪拌器12的上方提供附加的攪拌葉片18，用於對反應器的內含物進行徹底混合。攪拌軸11在產物出料口34上方的氣體空間36中有一氣體吸入開口17，氣體從那裡被吸出氣體空間36並通過氣體攪拌器12循環。
圖3顯示的反應器30適用於芳香族硝基化合物尤其是硝基苯和二硝基甲苯的氫化反應。在本反應中，所使用的氫氣在反應器中的壓力為10到40巴。新鮮的氫氣經由加料管31、32加料。通過氣體攪拌器12循環氫氣。芳香族硝基化合物經由加料管16加入液體混合器13，並經由出料口15排出液體混合器13。合適的催化劑如貴金屬或固定在支持顆粒(例如炭、二氧化矽或氧化鋁)上的鎳，或是鎳鉻催化劑作為固體催化劑被分散在反應物中。形成的產物連續地從溢出口34排出，從而維持了恆定的液面。反應的熱量由熱交換器35消除。反應溫度的範圍在80到250℃，優選120到180℃，這取決於熱量排出和催化劑的性質。
實施例在內徑為390mm的模型反應器中進行了兩個使用模型物質系統的試驗。該模型物質系統含有三種離析物(開始物質)NaOH、二甲氧基丙烷和HCl。在第一個試驗(對照實施例)中，如EP 784 505 A(淤漿反應器)所述，HCl經由一固定安裝的噴槍加料。在第二個試驗(具體實施例)中，HCl經由本發明的液體混合器加料。
由於混合不良，計量加入的HCl組分非常快速地與第一種離析物NaOH反應(離子反應)，而與第二種離析物二甲氧基丙烷的反應只能發生在第一種離析物NaOH已經消耗盡的區域。在第二個反應中形成的產物的量是衡量混合質量的標準。模型物質系統可以代表很多有副產物或次級產物形成的化學反應。
兩個試驗中的氣體攪拌器是一樣的。它通過空心軸連接在注入物水平面上方的氣體空間中。其直徑(6×60°彎角葉片攪拌器)是100mm，高度為25mm。
在對比實施例中，選擇一根6×1mm的管子作為固定安裝的噴槍。該噴槍的開口安裝在氣體攪拌器外沿上方5mm處。
用在按照本發明(具體實施例)進行的試驗中、製造成管式攪拌器的液體混合器的直徑也是100mm，高度是3.2mm(管子是3.2×0.6mm)並且距離氣體攪拌器較低一邊的內部距離是5mm。氣體攪拌器的葉片數目和液體混合器的管子數目是6，並且邊緣之間的切角是0°。液體混合器的出料口以與管軸呈45°對準流動的方向(攪拌器轉動的方向)。
出料口之間的距離a是5mm，氣體攪拌器的直徑dG是100mm。
攪拌裝置的轉動速度在600到1400rpm的範圍內變動。經由氣體攪拌器進行的空氣的輸送從約800rpm開始。輸入功率是0.5到4kW/m3。外周速度是3到8m/s。
NaOH最初以0.105摩爾的水溶液加入試驗容器(直徑390mm)，而二甲氧基丙烷以0.1摩爾的水溶液加入。HCl以8摩爾的溶液加入直至多餘的NaOH只有5mol％。由於在其他條件相同的情況下，在2到10分鐘計量供給時間未觀察到對所有混合結果的影響，所以在兩個試驗中均選取這樣的計量供給速率，使得可獲得大約6分鐘的計量供給時間(metering time)。
在用固定的噴槍的比較實施例中，按照EP 784 505 A，噴槍安裝在氣體攪拌器的外部的外緣上方5mm處。在比較實施例中，不管轉速是多少，檢測到的丙酮重量含量大約是2.2g/kg。
在發明的實施例中，在其他條件相同的情況下，HCl經由一起轉動的液體混合器加入。在轉速達到800rpm時，檢測到的丙酮重量含量大約是1.9g/kg。而在更高的轉速時，丙酮重量含量值明顯下降，在1,200rpm時僅有1.43g/kg。
在所研究的模型系統中，在其它條件相同的情況下，相比於現有技術使用裝在氣體攪拌器的上緣上外徑5mm處的固定加料管(噴槍)計量供給，通過改變本發明內容中的酸的計量供給能夠令人吃驚地將在第二個反應中形成的反應產物濃度降低65％。
雖然為了說明的目的在前面內容中對本發明進行了詳細的描述，但這些細節應理解為僅是為了說明該目的，在不偏離本發明的精神和範圍的情況下，本領域技術人員可做出各種修改(除非已受到權利要求的限定)。
權利要求
1.一種攪拌裝置，包括安裝在一根軸上具有一個進料口和至少一個出料口的一氣體攪拌器和一液體混合器或兩個液體攪拌器，其中攪拌器和混合器的出料口之間或各混合器的出料口之間有一定距離，使得各出料口之間的距離a與攪拌器和混合器或各混合器的直徑d的比值a/d約為0.02-0.5，各外沿之間的距離b與攪拌器或混合器的直徑d之間的比值b/d約為0.01-0.4。
2.如權利要求1所述的攪拌裝置，其中，所述軸製造成空心，用於向氣體攪拌器進料；其中所述液體混合器有一吸入開口，並有一根管線裝在其吸入開口區域，用於向所述液體混合器進料。
3.如權利要求1所述的攪拌裝置，其中，所述液體混合器的直徑dF是所述氣體攪拌器的直徑dG的大約50％到大約150％。
4.如權利要求1所述的攪拌裝置，其中，所述液體混合器的高度是所述氣體攪拌器高度的大約2％到大約25％。
5.如權利要求1所述的攪拌裝置，其中，所述氣體攪拌器和液體混合器的葉片的數目是2到10。
6.如權利要求1所述的攪拌裝置，其中，所述氣體攪拌器是管式攪拌器或渦輪攪拌器。
7.如權利要求1所述的攪拌裝置，其中，所述液體混合器是空心攪拌器。
8.一種進行氣-液反應的方法，其改進包括該方法包括權利要求1所述的攪拌裝置。
9.一種芳香族硝基化合物進行氫化反應的方法，其改進包括該方法包括權利要求1所述的攪拌裝置。
10.如權利要求1所述的攪拌裝置，其中，所述液體混合器的直徑dF是氣體攪拌器的直徑dG的大約80％到大約120％。
11.如權利要求1所述的攪拌裝置，其中，所述液體混合器的高度是氣體攪拌器高度的大約5％到大約20％。
12.如權利要求1所述的攪拌裝置，其中，所述氣體攪拌器和液體混合器的葉片的數目是4到8。
13.如權利要求7所述的攪拌裝置，其中，所述空心攪拌器是一管式攪拌器或泵推進器。
全文摘要
本發明描述了一種由一氣體攪拌器和一液體混合器或兩個液體混合器製造成的攪拌裝置，這些攪拌器被安裝在一根軸上並且各自具有一個進料口和至少一個出料口，其中攪拌器和混合器的出料口之間或兩個混合器的出料口之間有一定距離，距離的比率a/d在大約0.02到大約0.5，其中a指出料口之間的距離，而d指攪拌器或混合器的直徑；比率b/d在大約0.01到大約0.4，其中b指兩攪拌器外沿之間的距離，而d指攪拌器或混合器的直徑。
文檔編號B01F3/04GK1915480SQ20051009243
公開日2007年2月21日 申請日期2005年8月15日 優先權日2004年8月18日
發明者R·布希, B·凱根霍夫, J·芒尼格, F·斯特芬斯, J·裡特 申請人:拜爾材料科學股份公司