使液態、氣態或超臨界態的介質計量進入到壓力反應器的方法
2023-07-13 04:38:46
專利名稱：使液態、氣態或超臨界態的介質計量進入到壓力反應器的方法
技術領域：
本發明涉及使液態、氣態或超臨界態介質計量進入到壓力反應器的方法，按照本發明方法的用途和實施所述方法的裝置。
本發明受到在超臨界介質中反應的激勵。這些反應已變得越來越重要。它不僅包括化學反應，還包括在超臨界介質如超臨界二氧化碳、超臨界丙烷或超臨界水中的聚合反應。
超臨界態的特徵在於，對於許多物質，通過相當高的壓力使液體不存在，物質以類似於集合體的氣體狀態的形式存在。結果是超臨界相充填整個反應裝置的氣體可達到容積。因此，反應混合物也能夠完全到達與反應容器相連接的所有空腔。
在不同的反應中處理可壓縮的或固體物質，這種空腔的汙染已被觀察到。例如在磁性離合攪拌驅動器中產生了一個特殊的問題，在其中沉澱物可能在對開式籠子中形成，攪拌器可能最終被破壞。
在圓形攪拌室和反應室之間密封封接在技術上不可能實現，因為壓力均衡必須是可能的。這意味著即使採用相對緊的裝配擴散阻擋層，例如以滑動軸承的形式，但是在反應室中的擴散或輕微的壓力波動也將不可避免的引起反應混合物到達密封的空腔中。
因此本發明的一個目的是提出一種方法，在與氣態或臨界態的介質進行反應時，該方法保護壓力反應器使其不會因汙染而遭破壞，並提供可以實施該方法的裝置。
通過一種使氣態或超臨界態介質計量進入到壓力反應器的方法，可實現該目的，壓力反應器具有反應室，反應室通過進料裝置與圓形攪拌室連接，計量預定體積流量或質量流量的介質進入到圓形攪拌室中，使圓形攪拌室中的壓力比反應室中的壓力大。
根本點在於介質的計量逐漸產生了相對於反應室的高壓，在鄰接於反應室的區域增強，通常通過一個密封元件與反應室連接。計量的介質從空腔流入到反應室和額外增強的高壓抵消了反應混合物從反應室的擴散，從而也抵消了反應產物如粉末的形成或進入到壓力反應器的空腔或其他死區中。
DE-AS-1045989公開了一種方法，該方法在壓力反應器中進行，在其中，通過計量進入到反應室中的預定的體積流量或物質流量，帶來高於反應室的壓力，防止了在進行化學反應的同時，物質逃離出反應室。
但是該方法特別涉及在高溫下與高腐蝕性溶液例如高濃度氯化氫溶液的反應。在耐化學腐蝕的插入容器形式的反應室中，進行這些反應，插入容器放置在壓力反應器例如反應釜中，與壓力反應器的內壁有自由間隙。對於這個自由間隙定義了一個中空的區域。
在高溫下進行這些反應過程中，為了防止例如鹽酸蒸汽從插入容器上必要的小孔釋放出來，而沉積在反應釜的鐵壁上，從而腐蝕鐵壁，惰性氣體形式的氣體介質被計量以這樣的體積流量進入反應釜的中空區域，使微量的惰性氣體流進插入容器的小孔，這樣就阻止了HCl出來。
但是，在例如與氣體介質反應中，特別是當介質是超臨界狀態時，這樣簡單的裝置不適合通過保護經給料裝置與反應室相連接的圓形攪拌室來使攪拌器免受破壞。
根據本發明方法的一個實施方案，在反應室壓力增加的情況下，體積流量或質量流量的計量可以通過一控制元件被重新調節。這樣，即使在反應或裝置引起壓力波動的情況下，也可以防止反應物從反應器進入到空腔。
根據優選的實施方案，作為圓形攪拌室和反應室連接的給料裝置由氣密軸承構成。
根據另一個的實施方案，介質的體積流或質量流可以具有高於或低於反應室的溫度。也可以計量一種介質或多種介質的混合物。而且，從反應器抽出的介質可以被循環，並可以被重新供給到壓力反應器。例如，循環的介質可以通過壓力反應器提供的釋壓管路被抽出。
本發明還涉及上述提及方法的特定用途。
例如，該方法可以用來淨化壓力反應器。在這種情況下，計量的液態的，較好的是氣態的，最好的是超臨界態的介質，用來保護使用的壓力反應器的攪拌驅動器。同時，淨化能夠確保去除在壓力反應器中進行反應所不符合要求的氣體部分或剩餘氣體部分，這樣壓力反應器不會發生化學反應。所述的淨化也可以通過在釋壓管路中產生的高壓而擴展到釋壓管路。
一個顯著的優點是本發明的方法可以防護在反應器的壓力室中存在的工程元件，該反應器具有益於極寬範圍的反應工程的更多的用途。特別是，本方法適用於在超臨界介質中的反應。
而且，該方法可同時用於冷卻或加熱反應室中的內容物。為此目的，溫度不同於反應器的計量或淨化介質被引入到反應器中。若計量或淨化介質具有低於反應室的溫度，則引入的介質的體積流或質量流同時用於冷卻，從而防護壓力反應器的工程元件的功能。這樣的工程元件的功能防護包括，如磁性驅動器磁體的必要冷卻。
同時，本發明的方法能夠用來調節和調整需要的恆定反應速率，這對壓力反應器的時空產率有積極的效果。在供給的介質是反應物時尤其適用。
相應的，在化學反應過程中，反應物可以經過控制被計量進入反應室中，以便對反應產生作用。化學反應可以是例如氫化反應。在這種情況下，氫氣作為一種反應物被計量。一個顯著的優點是，氫氣經計量加入，一方面，為反應本身所需，另一方面，也可淨化壓力反應器的元件。這不僅僅涉及到反應室，還涉及到空腔、給料裝置和釋壓管路。
從經濟或其他方面考慮，除了作為反應物的氣體或介質，其他的介質例如CO2也可以被計量加入，可以用其他的介質部分代替較昂貴的反應物。
本發明的方法也可以用於反應器的控制加料或壓力釋放。例如，因為體積流或質量流，甚至使現有的釋壓管路不受到反應引起的汙染物的影響。這樣的釋壓管路一般包括一個閥門。關閉閥門，連續控制的壓力釋放使釋壓管路不會因為汙染物的沉積而堵塞。
在實施本發明方法的挑戰之一是控制高壓和反應混合物的超臨界狀態。因此需要一個特別的裝置來實施本發明的方法。該裝置包括下面裝置的組合合適的給料裝置、控制閥門、質量流量儀、提供計量或淨化介質的壓力緩衝器，和，若需要，電子控制元件。若壓力反應器包括圓形攪拌室，則給料裝置是氣密軸承。
下面參照附圖
所描述的特定實施例和由此進行的試驗詳細地說明本發明。
僅有的圖表示裝置的示意圖，用於實施符合本發明方法的在超臨界介質中的聚合反應。
在僅有的圖中所描述的裝置包括壓力反應器，整個用1表示，它配有一個加熱器(沒有詳細示出)，一個釋壓管道，一個套管冷卻系統和一個攪拌設備，攪拌設備包括一個位於圓形攪拌室5中的磁性驅動器3。該壓力反應器用於進行化學反應，如在超臨界二氧化碳中的聚合反應。在這種情況下，反應物由使用的單體和用於聚合反應的引發劑組成，它溶解在超臨界相中，因此在反應開始僅形成一相。在反應過程中，聚合體形成沉澱物作為第二個固相。為了防止反應混合物擴散進入包括磁性驅動器的圓形攪拌室5中，從而防止固體聚合物在圓形攪拌室5中形成，建立了符合本發明的裝置。該裝置包括一個壓縮氣體貯存器7，它與氣體流量計9直接相連，它的出口通過控制閥11連接到圓形攪拌室5，介質被引入圓形攪拌室5。CO2通過管路12被輸送到氣體貯存器7中，通過支線輸送到閥門7』。若需要，打開閥門7』，則CO2流通過支線直接輸送到反應室13。
氣體流量計9決定當前氣體流速。該已知數據用於驅動閥門11使氣體流速有一恆定數值，不考慮反應器回壓。因介質流入而在圓形攪拌室5中產生的微量過剩壓力使淨化介質流經底部攪拌軸承或者作為密封元件的氣密軸承15，進入到反應室13中，這樣防止了物質顆粒和(或)反應混合物從反應室13進入到圓形攪拌室5中。此外，還防止了在反應室13中已存在的粉末被輸送到攪拌軸承或氣密軸承15。
下面的表通過舉例，給出在反應室中作為CO2體積流量的一個函數的壓力增量，根據本德(Bender)狀態方程式計算。
表1
實施例1帶有攪拌器淨化的聚合反應使用上述根據本發明有計量的二氧化碳體積流量的壓力反應器，進行下面的聚合反應為進行聚合反應，在反應器中裝入約1800g二氧化碳，150g丙烯酸和2g引發劑偶氮二異丁腈(AIBN)。在80℃進行聚合反應，壓力設在約160巴。以250rpm攪拌使反應混合物均勻。使用的攪拌裝置是錨式攪拌器。在反應過程中，形成的聚合物沉澱為粉末。反應時間約90分鐘。
為了淨化攪拌軸承，二氧化碳體積流量設為300ml(s.t.p.)/h。雖然計算出1巴的壓力增量值，但是在壓力表上沒有觀察到反應器中壓力增加。即使進行超過30次的這種聚合試驗，也沒有發現在圓形攪拌室內的攪拌軸承上有沉澱物，攪拌器的功能也沒有任何損壞。
對比例1沒有攪拌器掙化的聚合反應在僅配備有一個磁性離合錨式攪拌器和一個用於調節反應混合物溫度的加熱/冷卻套筒的壓力容器中，再次進行實施例1所述的聚合反應。為進行聚合反應，在反應器中裝入約1800g二氧化碳，150g丙烯酸和2g AIBN。在80℃進行聚合反應，壓力設在約150巴。以250rpm攪拌使反應混合物均勻。在反應過程中，形成的聚合物沉澱為粉末。反應時間約90分鐘。
在該聚合反應中，在圓形攪拌室底部區域的攪拌軸承上觀察到由聚合物粉末組成的相當大的沉澱物。這些沉澱物變硬，並在約10次試驗後導致攪拌器失效或甚至於被破壞。進一步的研究表明，聚合物也進入到圓形攪拌室的頂部，在那裡根據反應條件而產生沉澱物。
實施例2帶有攪拌器淨化的氫化反應按照實施例1在壓力容器中進行氫化反應，按照本發明使用淨化攪拌器的技術裝置。使用的攪拌裝置仍是錨式攪拌器。
為了進行反應，在反應器中裝入約2500g二氧化碳，460g檸檬醛和2.25gHO/50型鈀催化劑。在70℃進行反應，壓力設在約200巴。然後用10巴氫氣進行額外加壓，為氫化反應提供必要的氫氣。在反應過程中，氫氣的消耗使容器的壓力降低。反應時間是12小時。
為掙化攪拌軸承，二氧化碳的體積流量設為300ml(s.t.p.)/h。形式上由於供給二氧化碳引起的壓力增加是1巴，但是實際上因為氫氣被消耗而壓力稍有下降。
這些反應中，即使在產物改變，可能導致汙染下一批的情況下，在圓形攪拌室中也沒有發現反應物或生成物。
權利要求
1.一種使氣態或超臨界態介質計量進入壓力反應器(1)的方法，壓力反應器(1)具有通過給料裝置與圓形攪拌室(5)相連接的反應室(13)，預定的體積流量或質量流量被計量進入圓形攪拌室(5)，使圓形攪拌室(5)中的壓力高於反應室(13)中的壓力。
2.權利要求1所述的方法，其中在反應室(13)的壓力升高的情況下，體積流量或質量流量的計量通過控制元件被重新調整。
3.權利要求1所述的方法，其中圓形攪拌室(5)的給料裝置由氣密軸承(15)構成。
4.權利要求1所述的方法，其中介質的體積流或質量流的溫度相對於反應室(13)的溫度高或低。
5.權利要求1所述的方法，其中一種介質或多種介質的混合物被計量。
6.權利要求1所述的方法，其中從反應器(1)抽出的介質被循環並被重新供給到壓力反應器(1)中。
7.權利要求1所述的方法的用途，用於淨化壓力反應器(1)。
8.權利要求7所述的用途，用於保護攪拌驅動器。
9.權利要求7或8所述的用途，在超臨界介質中進行反應。
10.權利要求4所述的方法的用途，用於冷卻或加熱反應室(13)中的內容物。
11.權利要求4所述的方法的用途，其中介質的體積流或質量流的溫度低於反應室(13)的溫度，用於冷卻壓力反應器(1)的工程元件。
12.權利要求4所述的方法的用途，用於調節反應速率。
13.權利要求1所述的方法的用途，在化學反應中，用於計量進入反應室(13)的反應物。
14.權利要求12或13所述的用途，其中進行的化學反應是氫化反應，計量的反應物是氫氣。
15.權利要求1所述的方法的用途，用於壓力反應器(1)的控制給料或釋壓。
16.一種以預定的體積流量或質量流量、不考慮回壓、使氣態或超臨界態介質計量進入壓力反應器(1)的裝置，該壓力反應器具有通過給料裝置與圓形攪拌室(5)相連接的反應室(13)，所述的裝置包括一個控制閥門(11)，一個質量流量儀(9)，一個壓力緩衝器以及，若需要，一電子控制元件。
全文摘要
本發明涉及一種使氣態或超臨界態介質計量進入壓力反應器(1)的方法。壓力反應器具有與圓形攪拌室相連接的反應室(13),預定體積流量或質量流量的介質被計量進入到圓形攪拌室,使圓形攪拌室的壓力比反應室的壓力大。這防止了反應混合物從反應室擴散到空腔中。本發明還涉及該方法的用途。如它可以用於淨化壓力反應器,保護攪拌驅動器,冷卻或加熱反應器的內容物,調節反應速率,計量進入到反應室的反應物和壓力反應器的控制給料或釋壓。本發明還涉及計量氣體介質或在超臨界狀態介質的裝置。
文檔編號B01J4/00GK1249207SQ9911951
公開日2000年4月5日 申請日期1999年8月7日 優先權日1998年8月7日
發明者V·希爾德布蘭德特, K·布雷德, W·赫拉維特施卡 申請人:Basf公司