氣液反應器的製作方法

2024-03-26 20:36:05

本申請為2013年06月05日遞交的申請號為201380030122.9，發明名稱為氣液反應器的分案申請。

本發明涉及用於進行氣液工藝技術設備領域，並且可在化學、石油化工等工業中使用。

背景技術：

大多數情況下，氣液催化工藝的獨特性在於反應發生在液相，其中一種反應物是液體，而另外一種反應物是溶解在液體中的氣體。發生在液體和液相中的氣體之間的化學反應，導致存在其中一種反應物從氣相(gasphase)進入溶液的過渡階段。這樣，反過來，導致工藝速率常常取決於作為速度限制階段的溶解速率的事實，這是工藝在擴散區進行的證據。

擴散區的存在作為一項規則，負面的影響了工藝速率和目標產品產量。在動力學區進行化學工藝的必要性導致尋找一種反應器，該反應器的結構適合於解決本問題。工藝在動力學區進行可以通過實現氣體反應物在液體的高溶解速率來實現，該溶解速率的值直接取決於氣相的接觸時間。氣相的接觸時間越長，氣體在液體中的溶解速率將進行得越快。因此，如何增加氣相的接觸時間，是增加氣液反應器操作效率的主要問題之一(timonina.s.machinesanddevicesofchemicalindustries.kaluga，publ.n.f.bochkareva，2008-872p.)。

增加接觸時間最有效的方法是增加氣體或者液體從反應物供給點到目標產品輸出點經過的路徑的長度。因此，美國專利(us7387769)公開了一種反應器結構，該反應器包括多個互相串接的部分，每個部分包括多個開口，這些開口交替地位於各部分的上面或者下面。該反應器中的氣體從沿著一條蛇形的(serpentine)路徑水平地從一個部分流到到另一個部分。並將氣體分開地送入各室。這種反應器用於由二氧化碳與氫氧化鈣溶液反應製備沉澱碳酸鈣。這種結構的不好之處在於氣體和液體是水平移動的，不能被很多化學工藝所接受，尤其是，對於從乙烯製備1-己烯(1-hexene)的工藝，由於這種情況下，氣體會積聚在裝置的上部，形成氣體填充的區域。氣體積聚在一些地方會導致在液相和氣相之間接觸面積減少，負面地影響氣體在液體中的溶解速率。

我們選擇另一種用於實施氣液化學工藝的反應器(美國專利號：us6444180)作為現有技術。這一反應器結構的主要特徵為使用了多個穿孔平板，在穿孔平板的邊緣附近具有開孔，該開孔為扇形並臨接反應器殼體內表面。其中，這些平板交替成對，以使得扇形開孔位於反應器中心軸的不同側，從而使得液相沿著z形軌跡流動。由於界面增大，並且液體和氣相之間的混合更充分，使得目標產品產量增加。

上述發明的一個組成部分是採用了使氣相的垂直運動的多個穿孔平板。其中，應注意的是，與邊孔在平板的布置方法無關(每個平板兩個孔，一個孔或無孔)，氣相運動將是垂直穿過平板中央的貫通口。按照這種氣流布置，使用該發明僅僅增加了液相的接觸時間，並不影響氣相的接觸時間。

對於化學和石油化工工業中的多數氣液工藝，包括由2-乙基己醇(2-ethylhexanal，簡稱2-eh)製備2-乙基己酸(2-ethylhexanoicacid，簡稱2-eha)以及由乙烯製備1-己烯的工藝，氣相接觸時間是用於定義反應器形成的目標產品產量的最重要的參數。例如，在從2-乙基己醇製備目標2-乙基己酸的工藝中，產品的形成速率取決於溶解氧的濃度。反過來，溶解氧的濃度通過溶解氧和氣相氧之間形成的平衡來定義。在氣體和液體的接觸時間不充足的情況下，氧氣的溶解速率較溶解氧和乙醛的反應速率慢。在這種情況，工藝將在擴散區進行，將負面影響目標產品產量。使得氣相接觸時間具有一個相對較高的值，將有助於增加氧氣溶解速率和進入動力學區過渡過程。

在預定的氣體和液體流動時，氣相的接觸時間值將通過在該裝置中氣體含量的值來定義。氣體的含量越高，氣相的接觸時間值越高，氣體溶解在液體中的速率也越高。可以通過兩種方式來實現增加氣體含量。第一種方式，歸功於所供給的氣體的量隨著裝置容積增加的同時一起增加。這種做法是與顯著的成本開銷有關的，並導致主要設備使用效率較低，尤其是，氣液反應器(lehtinenc.，brunovg.factorsaffectingtheselectivityofairoxidationof2-ethylhexanal，an[α]-branchedaliphaticaldehyde.org.proc.res.&dev.，2000，4(6)，pp.544-549)。

另一種方法在於提供一種反應器結構，該反應器結構提供最大化增加氣體從反應器的供給點到最終產品的輸出點所經過的路徑的長度。在這種情況下，無需改變反應器自身尺寸，而僅通過改進裝置的內部結構設計，來增加存在於反應器中的氣體容積。該反應器結構申請了美國專利(us6444180)，解決了如何增加目標產品產量的問題，尤其是，用於製備尿素的方法，但是是由於其增加的是液相的接觸時間。應用這種結構的速度限制階段為將反應物之一從氣體向溶液的轉變過程(具體是，在製備2-乙基己酸時溶解氧氣，以及在製備1-己烯時溶解乙烯)，由於氣相的接觸時間保持不變，並不能實現目標產品產量的類似增長。

在實施氣液工藝時，包括從2-乙基己醇製備2-乙基己酸以及從乙烯製備1-己烯，急需解決的另一個問題是必須排出由於化學反應放出的大量熱。反應器中的熱平衡計算表明，為了提供對化學反應熱量的有效排出，提供較大的熱交換面積是必要的，該熱交換面積只能通過使用配合到反應器中的導管束來實現，並且冷卻劑供給入管道之間的導管空間內。

通過以上模型說明的結構，僅可用於反應物料的加熱/冷卻通過保溫套進行的反應器。因此，我們可以總結，由於反應器內部無法布置管道束，美國專利us6444180提出的反應器結構不適用於化學反應伴隨大量熱量放出的氣液工藝。

技術實現要素：

本發明的目的在於開發一種反應器來提升氣液化工工藝的效率。

一個技術結果(效果)在於該技術方案提供了最大化目標產品產量和塞流區域。另一個技術結果(效果)在於提高了使用和維護反應器的便利性，以允許可操作性的控制反應過程，以及通過在數小時內可改變其結構，在最佳條件下實施反應過程。同時，技術結果(效果)還體現在，本發明使得在研製階段，即可高度準確地評估反應器的幾何參數及其在化學工藝的速度和目標產品的產量上的效果。進一步的技術結果(效果)在於，該技術方案提供了在溫度不斷升高和降低的情況下，有效維持恆溫區域的方法。

附圖說明

參照並如附圖中所示的，以下通過本發明的非限制性實施例對本發明的進一步特徵進行描述。附圖中：

圖1示出了本發明提供的氣液反應器的結構示意圖；

圖2示出了圖1所示反應器中包括的一個管道的結構示意圖。

具體實施方式

技術問題的解決方案以及技術效果的實現歸功於，為了實施氣液工藝，使用了帶有特殊內部結構的氣液反應器。該結構顯示在圖1中。

所述氣液反應器包括殼體，其具有用於引入反應物的進口管7和排出反應產品的出口管8。該反應器殼體1包含一個導管束2，該導管束2從上面和從下面連接到管陣列3，如此，所述導管之間的空間不會與所述導管的內部容積連通。所述反應器殼體還設置有輸入管9和輸出10管，與所述多個導管之間的空間連通，製冷劑或者熱載體被相應地通過該空間供給以排出化學反應發出的熱量或者在必要的時候加熱反應物料。

可移除的杆4被設置在至少一個所述導管內。多個板5被連接到所述杆，每一個板具有至少一個開口6。這些開口優選地但可選地設置在靠近板的邊沿。所述多個板以這樣的方式設置，即，相鄰板的所述開口彼此之間互相不共軸。優選地，相鄰板的開口被成對布置在相對於杆徑向相對的點。多個這種導管中的一個的結構如圖2所示。所述杆可以通過任意已知方法可移除地安裝在導管內，例如，通過螺紋或鉚接連接。多個板沿杆的高度方向安裝，其中可選擇允許改變板之間間距的任意安裝方法，例如，通過螺母安裝，必要的話，可進一步使用墊圈。

為了實施工藝，反應物通過原料引入連接管(流i)供給到反應器。其中氣態的組分可以與液相的組分一起供給，也可以分開供給。化學反應發生在管程內，其中氣-液流在管道中向上運動。在板的開口設置為不共軸的情況下，相比較從反應物的供給點到目標產品的輸出點的最短軌跡，提供了一種增長的反應物料的運動軌跡。這樣使得氣體從反應物的供給點(流i)到目標產品的輸出點(流ii)經過的路徑的長度增加了。氣體路徑的增加，反過來，使得反應器中的氣相容積增加，並且，因此，增加了氣相的接觸時間。當工藝速率僅由化學反應速率決定而不受限於氣體溶解速率時，由於工藝在動力學區進行，實現了目標產品產量的最大化。

鑑於該事實，即化學反應在不與導管之間的空間連通的管程中進行，導管之間的空間可以用於在其中供給冷卻劑或熱載體。在這種情況下，與冷卻/加熱經由保溫套進行的反應器相比，由於使用的是所有管道的外表面，而不僅是反應器殼體，熱交換表面積顯著增大。熱交換表面積可以通過在反應器內部設置不同數量的管道來調整，同時賦予了在研製階段選擇裝置結構的可能性。因此，由於較高的熱傳遞速率，提供了一種隨著溫度不斷升高或者降低維持恆溫的方式，並且提供了一種在裝置的研製階段可以改變熱交換表面積的可能性。

在包括用於實施氣液工藝反應器在內的化學反應器的研製過程中，在提出裝置的數學模型階段，最重要的問題之一為對反應器結構在工藝速率和目標產品產量上的影響的最高精度評估。為了避免在定義要求的反應器大小時出現錯誤，設計師常常需要增加反應器的尺寸，導致增加反應器的成本。由於預測氣液混合物沿著帶擱架(shelve)的管道運動的軌跡的可能性，本發明提出的結構允許高精度地計算反應器的幾何參數，包括配管數和管直徑，擱架的數量及擱架之間的距離。在實驗數據與計算數據之間存在差異的情況下，使用本結構允許，通過改變包括杆的管道數量，也可以通過增加或減少杆上平板，以及通過改變平板之間的間距，在反應器試驗開始後可立即輕易地消除現存的錯誤。因此，本發明提供了一種在研製階段，高精度地評估反應器的幾何參數及其在化學工藝的速率和目標產品的產量上的效果的可能性。

取決於工藝條件的改變(反應物流動速率，壓強，溫度)，包含杆的導管數量，以及平板之間的距離，安裝在杆上的平板的數量，都可以在反應器的研製階段或者反應器的操作過程中被改變。尤其是，在增加反應器的產量時，有必要增加反應物在裝置內的滯留時間，該滯留時間可以通過降低平板之間的距離，以及增加平板的數量來輕易實現。技術上，該操作可以在任意時刻實施，包括在反應器操作階段，通過移除安裝有平板的錨杆，以及沿杆移動平板以增加新的平板。因此，本發明提供了一種控制工藝的可能性，以及提供了不用替換整個反應器而僅需要通過對其結構的簡單改變，該改變可以輕易地在數小時內實現，使得在最佳條件下實施工藝的可能性。

本發明提出的反應器結構不僅可以在新裝置的研製階段被選擇。這種結構也可以用於在反應器容積內安放類似的管道的反應器設備，以提高現有的反應器設備的性能。例如，通過氧化2-乙基己醇製備2-乙基己酸的工藝，在帶有內置盤管的中空反應器中實現。有一個可能是裝置內部盤管的拐彎處設置本發明提出的帶有錨杆的管道。在這種情況下，化學反應將不會在管道之間的空間中進行，而是在管程(tubeside)中進行，其中，氣相的接觸時間增加使得允許將工藝從擴散區轉移到動力學區。因此，出現一種改善現有的氣液反應器，由於氣相接觸時間值較低，工藝發生在擴散區的可能性。

實施例一

在具有本發明提出的結構的反應器中進行乙烯製備1-己烯的生產。採用三段反應器進行該生產，每個室分別供給乙烯。每個室包括50個導管組成的導管束，導管直徑為40mm，化學反應在各室中進行。在每個管道中，設置有一個錨杆，錨杆上通過螺母安裝有多個平板。每個平板開有一個直徑為4mm的開口，其中，平板如此交替以至於相鄰平板上的開口分別位於錨杆中心軸徑向相對的點。在第一反應器段，管道包括39個平板，在第二管道包括26個平板，在第三管道包括20個平板。反應器管道部分的總長度為2.1m。熱交換面積為13m2。氣相接觸時間為3min。其中從乙烯到1-己烯的轉化率達到98.3％。在所有其他的值相同的情況下，本發明的反應器，具有更小的尺寸，更高的單位輸出。所獲得的輸出數據在表1中列出。

實施例二

氧化包含於c8醛氫化物(c8-aldehydeshydrogenate)中的2-乙基己醇來製備2-乙基己酸的實驗，在內部帶盤管的動力實驗室反應器中進行了4個小時，該動力實驗室反應器模擬工業可操作的裝置，尺寸比例為1∶0.9·10-5，溫度為45℃，大氣壓強為1atm，氫化物供給容積速率為0.45cm3/min，以及空氣的供給容積速率為235cm3/min，提供的恆摩爾比為氧化劑∶2-eha＝1.5∶1。

實施例三

對比實驗在具有和實施例二同等大小和同等條件的流體玻璃反應器中進行，該實驗與實施例二的區別僅在於該反應器的結構對應於本發明所要求保護的結構。通過實驗室方法，工業方法，以及實施例二和實施例三所獲得的靜態的非催化工藝的液相氧化2-乙基己醇的輸出參數在表2中列出。

表1