CN102648043B - 分区的整体式反应器及相关方法 - Google Patents

Abstract

本发明揭示了一种在蜂窝状整体料内形成的反应器，所述整体料具有多条平行孔道，并且包含一条或多条位于整体料的封闭孔道内且从孔道到孔道横向延伸的工艺流体路径，所述整体料具有多孔壁，所述多孔壁在沿着所述一条或多条流体路径的至少第一区间涂覆无孔涂料，而在沿着所述一条或多条流体路径的至少第二区间保留多孔性，在所述第二区间的多孔壁适合使相应工艺流体路径里的渗透物穿过多孔壁。本发明还揭示了一种在蜂窝状整体料内形成反应器的方法，所述方法包括：提供多孔蜂窝状整体料，该整体料具有在共同方向上延伸、被孔道壁分隔的孔道；在整体料的封闭孔道内形成工艺流体路径，所述工艺流体路径从孔道到孔道横向延伸；用无孔涂料在至少第一区间内沿着整体料内的工艺流体路径涂覆整体料内的孔道壁；以及使第二区间内的至少一些整体料孔道壁沿工艺流体路径保持多孔性。

Description

分区的整体式反应器及相关方法

优先权声明

本申请要求2009年8月31日提交的题为“分区的整体式反应器及相关方法”(ZONED MONOLITHIC REACTOR AND ASSOCIATED METHODS)的美国专利申请第61/238680号的优先权。

背景技术

本发明一般涉及将多个不同的区间整合到基于蜂窝状挤出整体料的化学反应器中及其实现方法，具体涉及蜂窝状整体式反应器中的多个区间，所述区间提供了诸如整合的和分区的分离或热交换的独特功能，还涉及制造这种反应器的方法。

本发明人和/或其同事先前已提出过基于挤出的蜂窝状整体料的连续流动化学反应器的低成本制造方法，例如，如已转让给本发明的受让人的EPO公开第2098285号所述。参见图1，该图是这种设备的剖面透视图，在形成于整体料基材18中的这类反应器10里，流体在毫米级通道22、24中流动。形成至少一条流体路径28，该路径通常具有周期性的U形弯道，所述弯折这样形成：如图所示，先对反应器基材18的端面区域进行机械加工，然后用栓塞或堵塞材料26有选择地堵塞通道24。这种方法使被栓塞或堵塞材料26封闭的通道24内形成长长的、大容积的蛇形流体通路，如通路或路径28，供工艺流体使用，并且在包含路径28的通道24附近有许多毫米级开放通道22，用来供热交换流体30从其中通过。或者，反应物可在短直通道22内平行于挤出方向流动，而热交换流体通过路径28流动。当需要更长的停留时间或更高的热交换效率时，通常优选这两种构造中的第一种构造。如图2中类似的反应器10的截面图所示，该截面沿着用栓塞26或堵塞材料26封闭并包含路径28的通道截取，路径28通常是工艺流体的路径，它不必局限于一次仅沿着整体料基材18的单条通道行进，而是可以沿着两条或更多条平行通道的通道组25(在图示情况中是两条通道的通道组25)行进，其中的U形弯道29使流体可从一组通道流到下一组通道。如图3中类似的反应器10的截面图所示，该截面同样沿着用栓塞26或堵塞材料26封闭并包含路径28的通道截取，路径28根本不必沿着基材18中的通道的原方向行进，而是可以在不需要路径28中的弯道的情况下，沿着垂直于基材中的通道的方向通行。如本发明人和/或其同事在已转让给本发明的受让人的美国专利公开第20100135873号中所披露和描述的那样，这种结构可这样得到：先对基材18的孔道壁交替进行深机械加工，然后用栓塞26或堵塞材料26堵塞。

本发明的目的是在单块整体料中提供逐个控制和/或调节的区间，以改善反应性能，从而扩大此类反应器的应用范围。

发明内容

一个实施方式包括在蜂窝状整体料中形成的反应器，所述整体料具有多条平行孔道，并且包含一条或多条工艺流体路径，所述工艺流体路径位于整体料的封闭孔道内，从所述封闭孔道内的一条孔道延伸到另一条孔道。所述整体料还具有多孔壁，所述多孔壁：(1)至少在第一区间沿着一条或多条路径涂覆了无孔涂料；(2)至少在第二区间沿着工艺流体路径保持多孔性。所述第二区间里的多孔壁适合使相应工艺流体路径中的渗透物穿过多孔壁。另一个实施方式包括一种在蜂窝状整体料中形成反应器的方法，该方法包括：提供多孔蜂窝状整体料，该整体料具有在共同方向上延伸、被孔道壁分隔的孔道；在整体料的封闭孔道内形成工艺流体路径，所述工艺流体路径从孔道到孔道横向延伸；用无孔涂料在至少第一区间内沿着整体料内的工艺流体路径涂覆整体料内的孔道壁；以及使第二区间内的至少一些整体料孔道壁沿工艺流体路径保持多孔性。工艺流体路径的多孔壁部分可具有这样的结构，也就是使得高密度或低密度流体能够从相应工艺流体路径出来，以便于移出所需要的产物或不需要的产物。

在以下的详细描述中给出了本发明的其他特征和优点，其中的部分特征和优点对本领域的技术人员而言，根据所作描述就容易看出，或者通过实施包括以下详细描述、权利要求书以及附图在内的本文所述的各种实施方式而被认识。

应理解，前面的一般性描述和以下的详细描述都仅仅是示例性的，用来提供理解权利要求的性质和特性的总体评述或框架。所含附图供进一步理解本发明，附图被结合在本说明书中并构成说明书的一部分。附图说明了本发明的一个或多个实施方式，并与说明书一起用来解释各种实施方式的原理和操作。

附图说明

图1是本发明所涉种类的反应器10的一部分的剖面透视图；

图2是本发明所涉种类的另一反应器10的一部分的剖面透视图；

图3是本发明所涉种类的又一反应器10的一部分的剖面透视图；

图4是在蜂窝状整体料或基材18中形成的反应器10的示意性俯视图或端视图，显示了分区热交换在反应器中的应用；

图5是在多孔蜂窝状整体料或基材20中形成的反应器10的示意性俯视图或端视图，显示了反应器中分区热交换的应用和利用清扫流(sweep flow)进行的分离；

图6是在多孔蜂窝状整体料或基材20中形成的反应器10的示意性俯视图或端视图，显示了分区热交换的应用以及利用具体的渗透路径55和出口57进行的分离；

图7是在多孔蜂窝状整体料或基材20中形成的反应器10的示意性俯视图或端视图，显示了重复分区热交换的应用和利用多条渗透路径55进行的分离；

图8是在多孔蜂窝状整体料或基材20中形成的反应器10的示意性俯视图或端视图，显示了重复分区热交换的应用以及与单条渗透路径55和出口57协同进行的分离；

图9是与图6所示的反应器类似的反应器10的示意性俯视图或端视图，但它包含沿着工艺流体路径28的低密度旁路70；

图10是与图9所示的反应器类似的反应器10的示意性俯视图或端视图，但它包含沿着工艺流体路径28的高密度旁路72；

图11是反应器10的示意性俯视图或端视图，它具有沿着连续渗透路径的连续高密度旁路和低密度渗透路径，用来从产生液体的气相反应中不断地移出过量的液体。

具体实施方式

下面将详细参考附图，所述附图呈现了本文从总体上描述的方法和装置的某些例子。只要有可能，在所有附图中使用相同的附图标记来表示相同或类似的部分。

可以设计基于蜂窝状挤出基材的化学反应器，沿着一条或多条内部工艺流体路径提供多个功能区间。图4显示了在蜂窝状整体料或基材18内形成的反应器10的示意性端视图，该反应器具有穿过无孔基材18的单一工艺流体通道28，在无孔基材中提供了多个用于热交换的区间。工艺流体通道28可在顺着整体料孔道的走向的平面内具有蛇形图案，如图1和图2所示；也可不具有蛇形图案，如图3所示。工艺流体从基材18左侧的工艺流入口50进入第一区间36，以温度T1供应的热交换流体流在短直通道中沿着进入页面的方向流进去。然后，反应物流体沿着路径28流到基材18右侧，进入第二区间40，其中具有温度T2的热交换流体在短直通道中流动。对于沿着单一工艺流体路径28进行复杂的多阶段反应来说，这种沿着工艺流体路径分区控制温度的形式可能是重要的。

参考图5，用多孔基材20代替无孔基材，可在沿着工艺流体路径28的选定位置进行流体分离。在实际的化学反应器中，流体分离步骤可直接在保持固定温度的反应区之后借助热交换流体流进行。图5显示了此类反应器，它同样是直接向下看整体料20的孔道的示意性俯视图。在入口50，反应物流体直接从基材20左侧进入第一控温区间36。在此区间36，靠近反应物通路28的所有热交换通道均涂覆无孔涂料60(用孔道壁上的粗线表示)，以防反应物漏入热交换通道。当反应物流体沿着该第一区间36中的工艺流体路径28流动时，生成一种或多种反应产物。

接着，反应物流体进入基材20右侧的流体分离区。该第二区间40中的工艺流体路径的内部通道壁涂覆薄膜洗涂层(membrane washcoat)形式的薄膜62，以便能够实现所需的流体分离。或者，第二区间40内的渗透物或清扫流体(sweep fluid)通道58的内壁可涂覆薄膜层。渗透物流体沿箭头所示方向流过基材壁，进入邻近的短直通道，清扫流体流在此将其带出基材。剩下的渗余物流体继续沿着工艺流体路径28流动，直到从渗余物流体出口54离开基材20。根据渗透物流的应用和类型，热交换流体与渗透物清扫流体可以是相同的流体，也可以是两种不同的流体。

结合图2、图3所呈现和描述的连续热区间和分离区间可以合并到如图6所示的构造中。借助于在整体料20的短直通道中流动的热交换流体，反应物流体在基材20左侧第一区间36中保持在第一温度T1。在基材右侧第二区间40中的流体分离在第二温度T2进行。渗透物流体沿箭头56所示方向穿过基材壁，进入渗透物流体收集通道55，该收集通道靠近工艺通道28或工艺流体路径28，到达渗透物流体出口57。此实施方式使左侧反应区的温度与右侧分离区的温度不同，以优化两个区间36、40的反应和分离条件。

沿着工艺流体路径采用保持在不同温度的独立反应和/或流体分离区，这种方法可扩展到如图7所示的许多区间。可采用多个流体分离区36、40移出沿着工艺流体路径28生成的反应产物，从而提高反应器的选择性。此方法有助于防止在工艺流体路径中较早生成的反应产物参与副反应，产生不需要的产物，或者防止降低目标反应产物的总生成效率。

图8显示了多区间反应器的一种变化形式，其中设置了多个反应和流体分离区段，使所有反应区段可共享一个热交换流体区间36，而所有流体分离区段可共享另一个热交换流体区间40。虽然图中未示出，但如上所述，在流体分离区内构成工艺流体路径28的基材通道可以洗涂或通过其它方式提供薄膜，以提高分离的选择性。在图8所示的实施方式中，多路渗透物进料汇合在一个渗透物收集通道55中，最终从渗透物流体出口57离开。

当多孔蜂窝状挤出基材取水平方向时(也就是说，使基材的长直通道，即蜂窝体本身的通道具有水平走向，或者至少充分偏离竖直方向)，可实现另外的分离功能。图9显示了一种多区间反应器构造，其中第二区间或者说下面的区间(区间40)中的流体分离受到重力的辅助。高密度反应物流体被捕集在流体反应器U形转弯通道结构的下部，它们在此流过多孔基材20的壁，进入邻近的渗透物流体收集通道55。应当指出，U形转弯通道结构66是在垂直于整体料20的通道或孔道方向的平面内的U形转弯结构。这与图1和图2中看到的U形弯道29不同，后者是平行于整体料的孔道或通道方向的平面内的U形弯道。在图9所示的实施方式中，图1和图2所示的U形弯道29可在整体料20内用于通道与通道之间的过渡，但也可采用跨通道直接流动的方式，作为与图3相对应的另一种实施方式。无论是哪种情况，低密度反应物流体流过U形转弯结构66的低密度旁路70(旁路70是通路的形式，它从U形转弯结构66的最低部分的旁边通过并位于该最低部分的上方)，并继续沿着工艺流体路径28流动。此实施方式对反应产物的液-气分离特别有用，其中气相渗余物保留在工艺流体路径28中，直到从渗余物出口54或工艺流体出口54离开基材20。

作为类似的构造，图10显示了一个多区间反应器的实施方式，其中第二区间或上区间40中的流体分离受到重力的辅助。低密度反应物流体上升到每个U形转弯结构66的顶部，它在此流过多孔基材，进入邻近的渗透物流体收集通道55。高密度反应物流体流过U形转弯结构的高密度旁路72(旁路72是通路的形式，它从U形转弯结构66的旁边通过并位于其最高部分的下方)，在重力的约束下进入U形转弯的下部，因此不能进入渗透物通道55。高密度流体继续沿着工艺流体路径28流动，直到作为渗余物从渗余物流体出口54离开基材。

作为另一个例子，考虑气相反应，其中高速生成液相副产物，因此，液相副产物的存在阻碍反应的进行。如图11所示的多阶段流体分离构造提供了一系列控温反应区和流体分离区。对流体流过反应器的情况可描述如下：

气相反应物从入口50进入基材20。在基材20底部的第一区间或反应区36中生成了过多的液相反应副产物。在第二区间或第一流体分离区40(其工作温度任选不同于第一区间或反应区36的温度，以促进冷凝或沉淀)，低密度气相反应物和反应产物沿着箭头56所示的方向穿过多孔基材壁，进入邻近的第一渗透物流体收集通道55A。由于液相副产物比气体重，所以它在重力的约束下进入U形转弯结构66下部的高密度旁路72。液体副产物继续沿着流体收集通道流动，直到从渗余物流体出口54离开基材。通道55A中的第一气相渗透物流体流继续进入第二反应阶段，所述第二反应阶段位于后面变成第二段工艺流体路径的通道内。像在第一段一样，利用U形转弯结构的重力辅助高密度旁路72从通道中移出任何不需要的液相副产物，同时气相渗透物流入第二个(或任何后续的)渗透物流体收集通道55B。当流体流过任何所需数量的连续反应和流体分离区时，这种后面带有重力辅助液-气分离的反应过程继续进行下去。最后，所需的气相产物在右侧从第二个(或第n个或最后一个)渗透物流体出口57B离开基材20。

本发明所揭示的方法和/或装置通常可用来实施任何工艺，所述工艺涉及在微型结构中对流体或包括多相流体混合物在内的流体混合物——以及流体或包括还含有固体的多相流体混合物在内的流体混合物——进行混合、分离、萃取、结晶、沉淀或其它的处理。所述处理可以包括物理过程、化学反应、生物化学过程或者任意其它形式的处理过程，化学反应被定义为导致有机物、无机物、或者有机物和无机物发生相互转化的过程。以下列出了可以通过所揭示的方法和/或装置进行的反应的非限制性例子：氧化；还原；取代；消除；加成；配体交换；金属交换；以及离子交换。更具体来说，以下列出了可以通过所揭示的方法和/或装置进行的反应的任一非限制性例子：聚合；烷基化；脱烷基化；硝化；过氧化；磺化氧化；环氧化；氨氧化；氢化；脱氢；有机金属反应；贵金属化学/均相催化剂反应；羰基化；硫羰基化；烷氧基化；卤化；脱卤化氢；脱卤化；加氢甲酰化；羧化；脱羧；胺化；芳基化；肽偶联；醇醛缩合；环化缩合；脱氢环化；酯化；酰胺化；杂环合成；脱水；醇解；水解；氨解；醚化；酶合成；缩酮化(ketalization)；皂化；异构化；季铵化；甲酰化；相转移反应；甲硅烷化；腈合成；磷酸化；臭氧分解；叠氮化物化学；复分解；氢化硅烷化；偶联反应；以及酶反应。

对本领域的技术人员而言，在不偏离本发明的范围或精神的前提下，明显可以对本发明进行各种修改和变动。

Claims (15)

1.一种在蜂窝状整体料内形成的反应器，所述整体料具有多条平行孔道，并且包含一条或多条位于在整体料端部被封闭的孔道内且在整体料内从孔道到孔道横向延伸的工艺流体路径，所述整体料具有多孔壁，所述多孔壁在反应器内的至少第一区间沿着所述一条或多条流体路径涂覆无孔涂料，而在沿着所述一条或多条流体路径的至少第二区间保留多孔性，设置在所述第二区间的多孔壁可使相应的一条或多条路径里的渗透物穿过多孔壁。

2.如权利要求1所述的反应器，其特征在于，所述一条或多条工艺流体路径包含一条或多条蛇形工艺流体路径，所述蛇形工艺流体路径沿着首尾相接的整体料封闭孔道或封闭孔道组往复行进。

3.如权利要求1或2所述的反应器，其特征在于，所述第二区间内的多孔壁设置成适合使渗透物穿过并进入在整体料内沿着相应的一条或多条工艺流体路径设置的一条或多条清扫流通道。

4.如权利要求1或2所述的反应器，其特征在于，所述第二区间内的多孔壁设置成适合使渗透物穿过并进入在整体料内沿着相应的一条或多条工艺流体路径设置的多条清扫流通道。

5.如权利要求1或2所述的反应器，其特征在于，所述第二区间内的多孔壁设置成适合使渗透物穿过并进入渗透物通道，所述渗透物通道至少部分沿着相应的一条或多条工艺流体路径平行行进。

6.如权利要求5所述的反应器，其特征在于，所述渗透物通道设置用于相对于相应的工艺流体路径的逆向流的流动。

7.如权利要求5所述的反应器，其特征在于，所述渗透物通道设置用于相对于相应的工艺流体路径的同向流的流动。

8.如权利要求6或7所述的反应器，其特征在于，所述渗透物通道配有相对于反应物路径的清扫流。

9.如权利要求1所述的反应器，其特征在于，所述整体料孔道的排列方向不是重力方向，所述反应物路径在垂直于所述孔道的平面内包含一个或多个U形转弯结构，并且包含至少一个旁路通路形式的低密度旁路，所述旁路从所述一个或多个U形转弯结构之一的最低部分的旁边通过并位于该最低部分的上方。

10.如权利要求1所述的反应器，其特征在于，所述整体料孔道的排列方向不是重力方向，所述反应物路径包含一个或多个U形转弯结构，并且包含至少一个旁路通路形式的高密度旁路，所述旁路从所述一个或多个U形转弯结构之一的最高部分的旁边通过并位于该最高部分的下方。

11.如权利要求9或10所述的反应器，其特征在于，所述整体料的孔道排列成垂直于重力方向。

12.如权利要求1所述的反应器，其特征在于，所述反应器还包含一条或多条位于所述整体料内并邻近所述一条或多条工艺流体路径的热控制流体路径。

13.如权利要求1所述的反应器，其特征在于，所述一条或多条热控制流体路径包含所述反应器的所述第一区间内的至少第一热控制流体路径和第二区间内的至少第二热控制流体路径。

14.如权利要求1所述的反应器，其特征在于，所述反应器包含沿着所述工艺流体路径相继排列的多个连续的第一和第二区间。

15.一种在蜂窝状整体料内形成反应器的方法，所述方法包括：

提供多孔蜂窝状整体料，该整体料具有在共同方向上延伸、被孔道壁分隔的孔道；

封闭整体料的一些孔道，在整体料的封闭孔道内形成工艺流体路径，所述工艺流体路径从孔道到孔道横向延伸；

用无孔涂料在至少第一区间内沿着所述路径涂覆整体料的孔道壁；以及

使第二区间内的至少一些整体料孔道壁沿所述路径保持多孔性。