CN102137715A - 平行的喷射环流反应器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及平行的喷射环流反应器，尤其是一种用于连续地转化一种液体和第二种流体的装置和方法，其中该装置具有至少两个相互平行连接的喷射环流反应器和一个共同的外部液体回路。

Description

平行的喷射环流反应器

技术领域

本发明涉及一种用于连续地转化一种具有至少另一种流体的液体的装置。

背景技术

液体是一种基本上不可压缩的可流动的介质。气体是一种可以压缩的可流动的介质。流体或者是一种液体，或者是一种气体。一种尤其是借助于一种气体或者一种液体而流化的，在一定条件下为粉末状的固体材料按照本发明同样也是一种流体。

按照本发明，输入的液体是指一种材料或者混合材料，它位于整套装置里在反应条件下处于流体的集合状态，并且具有至少一种反应物。所谓气体是指一种纯的气体或者一种混合气体，后者具有至少一种反应物和必要时一种惰性气体。具有两种反应物的气体的一种实例是由氢和一氧化碳组成的合成气体，它例如使用于加氢甲酰化。

对于喷射环流反应器(英语jet loop reactor)来说，按照本发明是指一种用于连续地转化一种液体和至少另一种流体的装置，其中液体在压力下经过一个喷嘴进入反应腔里，并纵向沿着主流动方向流过反应腔，在反应腔的位于喷嘴对面的端部反向，迎着主流动方向返回流动，并重新在主流动方向上加速，从而在反应腔之内形成一种内部的液体回路(环路)。第二种流体被液体流动一起带走，并对于沿着回路的行程作出反应。液体因此用作为工作射流介质。为了使动能传入液体，反应腔配置有一个外部液体回路，在这回路里一部分液体在反应腔之外的回路里运行。在外部液体回路里设有一个泵，它给液体流加上了用于在反应器里建立环路流动所必需的动能。喷嘴相应地从外部液体回路供给液体。已知的喷射环流反应器表示于图1a和1b中。

在喷射环流反应器技术方面良好的入门资料为：P.Zehner，M，Krause所著“泡罩塔”，Ullmann’s工业化学百科全书，电子释放，第7卷，4章，Wiley-VCH，Weinheim(2005)。

对于在气体/液体系统里或者也在气体/液体/液体-系统里有效地实施多相反应来说，为了避免材料运输的限制，所参与相的强烈混合具有重要意义。这在技术上通过一系列不同的反应器方案来实现，在搅拌压煮锅处开始，经过泡罩塔和装料体柱一直到具有静力混合器的管式反应器。[K.Schuegerl；”用于嗜氧微生物过程的生物反应器”；Chem-ing-Tech.52，(12)，1980，951-965]。这种系统的缺点在于：其材料转换系数(k_La)部分来说比较低。

为了改善材料的转换，特别是在多相催化器里，已经开发了各种不同的反应器方案，它们的共同的特征是回路流动大。[E.H.Stitt：“精细化工的可供选择的多相反应器-在搅拌槽那边的领域？”化学工程。J.90，2002，47-60]。通过相应的混合装置，如喷嘴或者孔板，产生必需的材料交流面。基于多料喷嘴的特殊反应器已经做过深入的试验。[N.Raebiger；“在射流驱动的环路反应器中的流体动力学和物料交换”；实践工艺技术：热工技术，TUEV出版社，Rheinland公司，科隆，1988]，并且，如在DE 19836807中所述的那样，成功地使用在一种加氢甲酰化的试验设备中。反应器的特征在于，高的空间-时间-增益和在气体-和液体相之间的物料转换速度。此外取消了通常对于气体反馈必需的环路压缩器，这是因为未转换的气体通过喷嘴在反应器里又重新分散成液体。在反应器里的气体含量可以通过料位和喷嘴的气体抽吸相对位置自由选择。在反应器里出现的大的循环流除此之外可以实现一种差不多无梯度的运行方式。

在一种单个的喷射环流-反应器里高度/直径比这里只能在从3至10的狭窄范围里变动，以便保证在可代表的反应器结构高度时充足的反应容积。混合性能和物料转换在敦实的实施形式中受到负面的影响，这只是可以有条件地通过在一个反应器里布置几个喷嘴和引导管来补偿【Y.Gan et al.；”具有低的高度-直径比的喷射环流反应器的配置研究”；化学反应器工程技术。15(3)，1999，268-274】。此外由于表面-容积比小更使排热变差。这可能使得在反应器里采用场管用于放大热交换面成为必要，例如在DE 19854637中所述的那样，因而除了内部的循环流动影响之外，还要考虑较高的结构费用。

具有一种长细比(反应器的高度与反应器的直径之比)H/D＞10的反应器可以实现比较更大的气体含量，然而并不适合于由于小的容积而按比例放大。根据得出的反应器高度，在反应器放大至至关重要的反应容积时越来越产生高的内部压力损失，并以此形成一种超高的能量消耗，这导致了反应器能力的明显变差。由于较小的直径这里然而可以实现一种充足的热交换功率，而没有附带的损失。

发明内容

由于上面所述的已知技术反应器的缺点，本发明的任务是，提出一种用于连续进行流体/液体-反应的、具有一种适宜的功率特征的反应器或者一种反应器装置。

这任务通过权利要求1的内容来解决。

本发明基于以下认识：在连续转换一种具有另一种流体的液体时，可以通过一种并联的，具有一个共同的外部回路的喷射环流反应器来利用一种喷射环流反应器的优点，用于高的生产能力。

本发明的主旨因此是一种用于连续地转化一种具有另一种流体的液体的装置，该装置具有至少两个相互平行连接的喷射环流反应器和一个共同的外部液体回路。

本发明的另一个主旨是一种用于连续地转化一种具有另一种流体的液体的方法，其中具有至少一种液体状反应物的至少一种气体状反应物被转化，这方法在按照本发明的装置里实施。

按照本发明的装置具有以下优点：可以利用一种喷射环流反应器的优点，如强烈的物料运输、高的排热或者热输入，差不多无梯度的运行方式，用于大的生产能力。

因为用于保持外回路的装置只具有一个泵，因此投资和运行成本都小于在一种由至少两个分别具有一种固有的外回路的喷射环流反应器组成的设备时。因而优选一种实施形式，此时在外部液体回路里正好布置了一个泵。

本发明的一种特别优选的实施形式的特征在于，每个喷嘴配有一个液体的出口；喷嘴和出口相对于液体内回路来说布置在反应器的直径上；而且液体外回路将喷嘴与出口连接。这种改进设计方案形成一种优秀的流动断面。

由于有共同的液体外回路，可能有利的是：在液体外回路里设有一个换热器，用于在液体外回路里流动的液体和载热体之间进行热交换。内部热交换器则可以取消，这改善了在反应器里面的流动。反应热的输入或者排出则特别有效地进行。

按照本发明的装置适合于转化一种具有至少另一种流体的液体(工作介质)。但是也可以除了工作介质之外转化两种或者更多的流体。因此可以实施以下的二相反应：

液体的/液体的，

液体的/气体状的，

三相反应可以如下实施：

液体的/液体的/液体的；

液体的/液体的/气体状的；

液体的/气体状的/气体状的；

附图说明

一些实例说明了按照本发明的装置和用其实施的按照本发明的方法。附图所示为：

图1a：喷射环流反应器，喷嘴在上(现有技术)；

图1b：喷射环流反应器，喷嘴在下(现有技术)；

图2：按照发明的喷射环流反应器的连接；

图3a：喷射环流反应器作为管束的平行化的实施形式，喷嘴在上；

图3b：喷射环流反应器作为管束的平行化的实施形式，喷嘴在下；

图4a试验设备实例1；

图4b试验设备实例2。

具体实施方式

按照本发明的用于实施一些反应的装置，在这些反应中将一种具有另一种流体的液体连续并且同流地转化，该装置主要由两个或者几个相互平行连接的喷射环流反应器组成，这些反应器具有一个共同的液体外回路。

在图1a中表示了一个通常的喷射环流反应器，在这反应器中喷射喷嘴位于反应器的上部，而离析物在反应器上部被输入。反应器由一个压力管组成，在这压力管里装有一个喷嘴(1)、一个导管(2)和一个挡板(3)。反应器具有一个加热-或冷却罩(4)。此外在反应器的上部气体腔里可以装有一个用于去除废气的阀门，用于放出惰性气体的成分。(在图1a中未示出).

导管优选与喷射管和压力物体同心地布置。喷射管这里可以是一个单料的-或多料的喷嘴，在另一种结构形式中这喷嘴此外可以分离地设置有脉冲交换管和/或扩散器。喷嘴在运行时完全或者局部地浸入在液体反应介质里，其中浸入深度可以达到几个导管直径。导管的直径为反应器直径的十分之一至一半，并且基本上布置在反应器的整个长度上，其中这导管向下设有一个适宜的距离通过挡板限制住，而上端在运行时位于液体表面之下。反应器的特征在于，由于大的内部循环流动，只有一小部分的液体通过外部回路又被输送给喷嘴。

在按照本发明的装置中，所应用的喷射环流反应器具有高的长细比(反应器的高度与反应器的直径之比)。长细比在5至15的范围里，优先在8至12的范围里，特别优选在10至12的范围里。

由于高的长细比可以不用装入在内部热交换器里，这是因为既可以通过外罩表面，也通过外回路的热交换器输入或输出足够的热量。

在图1b所示的另一种实施形式中，喷嘴(1)可以布置在反应器的底部。导管(2)这里优选地与喷射喷嘴和压力物体同心地布置，其中喷射喷嘴可以作为单料-或多料喷嘴那样实施。气体的输入在压力下进行。在一种优选的实施形式中，气体自动地通过喷嘴的喷射器运行进行抽吸。导管(2)的直径为反应器直径的1/10至8/10，优选从4/10至7/10，而且基本布置在反应器的整个长度上，其中运行时上端位于液体表面之下。反应器具有一个比较更大的内部循环流动，其中只是一小部分的液体通过外部回路又被输送给喷嘴。

按照本发明的装置至少由两个反应器组成。反应器的数目优选在2至20的范围，特别优选在2至14的范围。

反应器能够是不同的，或者优选是相同的。

图2表示了按照本发明的装置的一个例子，该装置由三个平行连接的反应器、在共同的液体外回路里的循环泵和热交换器组成，其中离析物输入上部的反应器腔里。从反应器上部排出废气的管路并没有表示出。在此图中有一个冷却-或加热回路。

然而也可以使每个热交换器分开地运行。

各个反应器可以集合成一个管束，如图3所示。

一个管束反应器至少由两个单一反应器组成。一个管束优先具有3至14个单一反应器。在管束反应器中各个分反应器优先具有相同的尺寸。

按照本发明的装置可以包括有一个或几个管束反应器，或者至少两个单一反应器，或者一种由一个或几个管束反应器与一个或几个单一反应器的组合。

在按照本发明的装置中，如上所述，喷嘴可以不同地布置在反应器里：

a)在所有的反应器里，喷嘴位于反应器的上部(图3a)

b)在所有的反应器里，喷嘴位于反应器的下部(图3b)

c)在反应器里至少一个喷嘴布置在反应器的下部，而至少一个喷嘴安装在反应器的上部(没有作为图形表示出)。

在所有所示的实施例中用于工作射流的喷嘴出口位于液体表面之下。

按照本发明的装置此外还可以用于转化一种具有一种气体的液体，其中无论是气体还是液体都具有至少一种反应物。

也可以选择使用一种液体，这种液体均匀地溶解或者悬浮状包含有催化剂，其先决条件是：其平均颗粒度小于200μm，特别优选地小于100μm。

反应产品用气相或者液相，优选用液相输出。

在按照本发明的成套装置中，可以在压力范围0.2至40Mpa和温度范围从0至350℃里进行反应。反应优选地在一种成液相均匀地溶解的催化剂处进行。

在按照本发明的装置中例如可以实施氧化，链烯烃的环氧化，加氢甲酰化，加氢胺化，加氢氨甲基化，加氢氰基化，加氢酯基化，胺化，胺氧化，肟基化和氢化。

在按照本发明的装置中优选实施这些反应，在这些反应中给催化器输送液体装入料，并均匀地溶解在液体产品/离析相，例如像在有钴-或铑-羰基化合物时，这化合物具有或者没有含磷配价，通过对具有链烯烃双键的化合物的加氢甲酰化，来制造乙醛和/或乙醇那样。

以下的实例说明了应用按照本发明的成套设备的按照本发明的方法，但阀门并不局限于此。

实例1

(比较例：喷射环流反应器H/D＝6)

在一种按照图4a的喷射环流反应器中，容积为10L，高度与直径之比(细长比)H/D＝6，而且喷嘴在上面，给2-(羟甲基)-丙烯酸甲基酯(THF)掺入有浓度为0.1mol/L，而催化器前级【Rh(COD)】BF₄，摩尔比基质(S)与催化器(C)S/C＝250，和配价(-)-2，3-至【(2R，5R)-2，5加氢二甲基磷兰】-N-甲基马来酰亚胺(1，5环辛二烯)四氟乙烯硼酸铑，C₂₅H₃₉BF₄NO₂P₂Rh，(

-MN(S)，Evonik Degussag股份公司)，并在5Mpa氢气压力和等候时间为90分钟，温度为25℃时进行反应。在完全转化时得到的产品(2-羟甲基丙酸甲基酯)具有95％的对映结构体剩余量。反应表明了相比于氢气分压力是敏感的，其中较低的压力导致了加大副产品的生成，以基质的低聚化和产品的去羟基化的形式。

实例2(按照本发明)

在按照本发明的、按图4b所示的、具有两个平行布置的喷射环流反应器的装置中，反应器的长细比为10，反应容积分别为5L，对应于在实例1中所说明的反应条件进行反应。在按照本发明的装置中在75分钟之后就可以实现完全的转化，其中得到对映结构体剩余量为95％。氢气压力可以被降到4Mpa，而并没有观察到明显的副产品生成。

实例表明，当按照本发明在一个具有两个并联的、长细比为10的喷射环流反应器的装置里实施反应时，可以在相比于长细比为6的单一反应器同时降低了氢气分压力时，明显提高反应速度。

标号表

1喷射喷嘴

2导管

3挡板

4双壳罩

8工作喷射介质的液体分配器

9新鲜输入气体的气体腔

10热载体转向用的壳罩腔

11工作喷射介质的液体收集器

A工作喷射介质的输入

B工作喷射介质的输出

C热载体的过程连接

D热载体的过程连接

E新鲜气体的输入

Claims (12)

1.用于连续地转化一种具有至少另一种流体的液体的装置，其特征在于，该装置具有至少两个相互平行连接的喷射环流反应器和一个共同的外部液体回路。

2.按权利要求1所述的装置，其特征在于，该装置具有一个或几个喷射环流管束状反应器。

3.按权利要求1或者2所述的装置，其特征在于，该装置具有至少一个喷射环流反应器和至少一个喷射环流管束状反应器。

4.按权利要求1至3中之一所述的装置，其特征在于，在所有反应器中喷嘴安装在反应器上部。

5.按权利要求1至3中之一所述的装置，其特征在于，在所有反应器中喷嘴安装在反应器下部。

6.按权利要求1至3中之一所述的装置，其特征在于，在反应器中至少有一个喷嘴装在反应器下部，和至少一个喷嘴装在反应器的上部。

7.按权利要求1至6中之一所述的装置，其特征在于，每个喷嘴配有一个液体的出口；喷嘴和出口相对于液体内回路来说布置在反应器的直径上；而且液体外回路将喷嘴与出口连接。

8.按权利要求1至7中之一所述的装置，其特征在于，在外部液体回路里正好布置一个泵。

9.按权利要求1至7中之一所述的装置，其特征在于，不装入内部热交换器的反应器，而在液体外回路里设有一个换热器，用于在液体外回路里流动的液体和载热体之间进行热交换。

10.用于转化一种具有至少第二种流体的液体的方法，其特征在于，转化在一种按照权利要求1至8中之一所述的装置中进行。

11.按权利要求10所述的方法，其特征在于，在该装置里进行氧化，链烯烃的环氧化，加氢甲酰化，加氢胺化，加氢氨甲基化，加氢氰基化，加氢酯基化，胺化，胺氧化，肟基化和氢化。

12.按权利要求11所述的方法，其特征在于，通过用合成气体的加氢甲酰化，使具有链烯烃双键的化合物转化成乙醛和/或乙醇。

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