CN104607113A - 一种搅拌反应器及其在格氏试剂的缩合反应中的应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种搅拌反应器及其在格氏试剂的缩合反应中的应用，该反应器包括釜体、搅拌装置、冷却装置和加料装置，所述搅拌装置包括搅拌轴、用于驱动搅拌轴的驱动机构以及与搅拌轴固接的搅拌桨，所述搅拌桨由至少一组叶片组构成；所述叶片组包括中心设有通孔的轮毂、固定连接于所述轮毂外围的圆盘以及均匀连接于圆盘上的若干叶片；所述轮毂通过所述通孔套装在所述搅拌轴上，所述叶片的根部与端部形成5～90°的扭转角，叶片的根部的边沿与垂直于搅拌轴的平面之间的夹角为5～90°。通过对搅拌器混合效果好，能够避免混合死区的产生，使物质分布均匀，尤其适合于缩合反应。

Description

一种搅拌反应器及其在格氏试剂的缩合反应中的应用

技术领域

本发明涉及一种搅拌反应器，尤其涉及一种用于格氏试剂的缩合反应的搅拌反应器及其应用。

背景技术

缩合反应是两个或两个以上有机分子相互作用后以共价键结合成一个大分子，并常伴有失去小分子(如水、氯化氢、醇等)的反应，多数缩合反应是在缩合剂的催化作用下进行的，常用的缩合剂有碱、醇钠、无机酸等。格氏试剂的缩合反应进行时需要加入固体颗粒，固体颗粒的悬浮十分重要，工业上常用的是轴流式搅拌器。最常用的轴流式搅拌器是螺旋桨，螺旋桨的排出流和吸入液体的流动都是比较规整的轴向流动。为了达到较好的排出流量，螺旋桨需要比较高的转速，这使得搅拌设备的寿命不容易做到很长。另外，螺旋桨是铸造结构，由于叶轮铸造时会有偏差，因此精度和功率只能是一个大致的值。

为了改进这一点，又开发使用了三叶轴流桨，如图1和图2所示。三叶轴流桨靠近轮毂的叶片部分比较宽，与水平面的夹角更大，由轮毂至叶端，叶片角度逐渐减小，叶宽逐渐变窄，叶轮沿叶片长度上的各点接近等螺距，在整个叶片上产生的流速几乎是均匀的。相对的，斜叶开启涡轮的叶端的排出流体流速较大，靠近轴的部位流体流速较小。

三叶轴流桨可提供比螺旋桨更大的流量和更小的剪切作用，还克服了螺旋桨的一些缺点：

(1)三叶轴流桨的重量更轻。螺旋桨是铸件，比较重，高转速时临界转速较低。

(2)三叶轴流桨是装配式结构，表面光洁度比铸件高，价格便宜。

(3)叶片可做成可拆式，对设备开孔的要求不高。

通过三叶轴流桨可以改善缩合反应所需的固液悬浮能力，是缩合生产技术的一个提升。但缩合反应过程中只有固体悬浮尚不足够，固体颗粒表面的液体更新对反应效果影响也十分巨大，三叶轴流桨的固液悬浮能力很强，但表面更新能力不强，故提高搅拌的剪切能力成了缩合反应研究的一大课题。

缩合反应的另一个较大的问题是有物料逐渐滴加入釜内，滴加在反应液相表面的物料不容易被循环到主体流动中，会造成反应速度慢、副产物多，因此，找到一个可迅速混合滴加物料的方法就成为了当务之急。

另一方面，缩合反应是强放热反应，搅拌过程中温度会非常高。过高的温度会加剧物质的粘壁效应，产生副反应，因而，需要在搅拌的同时及时进行冷却，带走反应产生的热量，以确保反应的顺利进行。若仅从冷却效果的角度考虑，在搅拌反应器中设置冷却机构可以得到良好的冷却效果，但是，冷却机构的设置会影响物料的流动，使搅拌反应器中的构成变得复杂，从而在局部更容易出现副反应，造成产品无法达到要求。

发明内容

本发明提供一种搅拌反应器及其在格氏试剂的缩合反应中的应用，该搅拌反应器通过对搅拌器混合效果好，能够避免混合死区的产生，使物质分布均匀，尤其适合于缩合反应。

一种搅拌反应器，包括釜体、搅拌装置、冷却装置和加料装置，所述搅拌装置包括搅拌轴、用于驱动搅拌轴的驱动机构以及与搅拌轴固定连接的搅拌桨，其特征在于，所述搅拌桨由至少一组叶片组构成；

所述叶片组包括中心设有通孔的轮毂、固定连接于所述轮毂外围的圆盘以及均匀连接于圆盘上的若干叶片；

所述轮毂通过所述通孔套装在所述搅拌轴上，所述叶片的根部与端部形成0～90°的扭转角，叶片的根部的边沿与垂直于搅拌轴的平面之间的夹角为5～90°。

该反应搅拌器用于缩合反应时，搅拌效果好，能够提供良好的固液悬浮能力，同时有利于固体表面的液体更新，使物质分布均匀，得到较好的搅拌效果，能够起到降低副反应的效果。

作为优选，所述叶片的宽度为所述搅拌桨直径的10～30％。该叶片宽度能够提高搅拌能力，同时还不容易影响到物质的翻滚运动。所述的叶片宽度指轴向延伸的边的长度，所述的搅拌桨直径指的是叶片最外围所形成的圆的直径。

作为优选，所述叶片组为沿搅拌轴轴向排布的3～5组，每组叶片组含有3～6个叶片；

相邻两个叶片组的叶片错位布置。

作为优选，相邻两个叶片组的对应叶片之间错开的角度在30°以下。

作为优选，所述搅拌轴与所述轮毂之间设有轴套，所述轮毂通过轴套一体安装到所述搅拌轴上。此时，能够有效地减轻搅拌轴之间的磨损。

作为优选，所述釜体的内壁上固定设有大致成矩形的挡板；

该挡板的长边焊接在内壁上，此时，该挡板兼具阻挡和换热的作用，一方面能够起到改变搅拌反应器中物质的流动方向，起到加强搅拌效果的作用，另一方面还能对因搅拌产生的热量进行冷却。

作为进一步的优选，所述的挡板的长度为釜体高度的7/10～9/10，宽度为所述釜体直径的1/10～1/5。

作为优选，所述的加料装置为L型加料管，该L型加料管由竖直设置的进口段和水平设置的出口段组成；

所述出口段的出料口伸到两组叶片组之间。此时，所述的出料口位于搅拌器的排出流或吸入流处，能够使加入的物料迅速发生混合。

作为优选，所述的加料管与所述挡板设置在所述搅拌轴的不同侧。

作为优选，所述出料口与所述搅拌轴之间的距离为所述搅拌桨直径的0.2～0.3倍；

所述进口段与所述搅拌轴之间的距离为搅拌桨直径的1.2～1.5倍。

作为优选，所述的冷却装置包括设置于釜体内的盘管结构，该盘管结构贴紧所述挡板，既能够保持良好的冷却作用，又不会对物质的混合产生不利的影响。

可选地，所述搅拌反应器中，所述外冷却机构为设置在所述搅拌反应器外壁上的整体夹套、带螺旋导流板夹套或盘管。

本发明还提供了一种上述的搅拌反应器在格氏试剂的缩合反应中的应用。

作为优选，所述的缩合反应为对氯甲苯形成的格氏试剂和邻氯苯腈制备2-氰基-4’-甲基联苯的反应。

作为进一步的优选，所述的缩合反应过程如下：

(1)镁粉和对氯甲苯在引发剂存在下于四氢呋喃中反应得到对甲苯基氯化镁格氏试剂；

(2)对甲苯基氯化镁格氏试剂与邻氯苯腈的四氢呋喃溶液进行反应，得到2-氰基-4’-甲基联苯。

实验结果表明，将本发明的搅拌反应器应用于该缩合反应时，能够明显地减少副产物的产生，提高反应收率。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

通过优化设计的搅拌器，增强了固体颗粒表面的液体更新，提高了反应速率，降低了副反应，提高了产品质量。另一方面，本发明的搅拌反应器的搅拌能力强，快速地搅拌也可以促使物质充分、均匀地混合在一起，以得到较好的搅拌效果。

通过在搅拌反应器内优化设置冷却机构，可以得到非常好的冷却效果，及时带走反应中产生的热量，降低搅拌反应器中的温度，为例如格式反应等的反应提供良好的工作温度，同时避免因局部混合死区导致的混合不良。

通过优化设计的加料方式，使物料加入反应器之后可以迅速混合与分散，提高了反应速率，降低了副反应，提高了产品质量。

附图说明

图1为现有技术中的三叶轴流桨的结构示意图；

图2为本发明的搅拌反应器一种实施方式的结构示意图；

图3为图2所示的搅拌反应器的叶片组的结构示意图；

图4为图2所示的搅拌反应器的俯视示意图；

图5为本发明的搅拌反应器一种实施方式的盘管示意图；

图6为本发明的搅拌反应器一种实施方式的进料口示意图；

图7为本发明的搅拌反应器的具体尺寸标注；

图8为本发明的搅拌反应器的搅拌流场示意图；图中，1：叶片；2：轮毂；3：圆盘。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。下述具体实施方式仅为举例说明，本发明的保护范围并不仅限于具体实施方式中的方案，除此之外，本领域技术人员可以在现有技术范围内进行简单变换而得到的技术方案都在本发明的保护范围内。

由图2所示的搅拌反应器的结构示意图可知，该搅拌反应器包括釜体、搅拌装置和冷却装置。该釜体为筒形，顶盖上设有用于加料和观察的人孔；搅拌装置包括贯穿釜体的顶盖中心开口的搅拌轴、用于驱动搅拌轴转动的驱动装置、以及固定于搅拌轴上随着搅拌轴旋转的搅拌桨。驱动装置主要包括电机和减速机，其构成和作用与其他搅拌器、搅拌装置中的相似，已为本领域技术人员所熟知，故在此不做赘述。

该搅拌器还具有兼具挡板和冷却作用的换热挡板，即，其既具有作为挡板，使搅拌反应器内流体的流动方向从圆周运动变成翻滚运动，以加强搅拌效果的作用；又具有作为冷却机构对因搅拌产生的热量进行冷却的作用。在本实施方式中，所述换热挡板为板式换热器，其具有穿过搅拌反应器壁面伸出到所述搅拌反应器外部的冷却入口及冷却出口。该挡板长度比釜体高度略短，宽度大致为釜体直径的1/10左右，基本上与搅拌轴共平面。在实际应用中，还可以在所述搅拌器中设置其他兼具挡板和冷却作用的结构，例如冷却水管等。根据具体情况，例如为抑制搅拌死区的产生而尽量减小挡板体积的情况下，也可以将其设置为平板、角钢等仅具有挡板作用的结构。而且，在本实施方式中，根据搅拌反应器的直径等设置叶片，其所具有的搅拌能力非常大，因而在本实施方式的搅拌器中虽然设有挡板，但是搅拌过程中的搅拌死区非常小，故对搅拌效果的影响也比较小。

该实施方式的冷却装置为外冷却机构，具体为固定于釜体外壁的换热夹套或者焊接釜体外壁上的盘管结构，通过在盘管中流通的冷却水进行冷却，以带走搅拌反应器中的热量。但是，这仅是外冷却机构的一种实施方式，并不构成对本发明的限制，在实际应用中，所述外冷却机构还可以构成为例如整体夹套、带螺旋导流板夹套结构等其他结构；其与所述搅拌反应器的连接方式也可以为焊接之外的其他连接方式，例如还可以连接为分别在所述外冷却机构、搅拌反应器上设置连接件、通过所述连接件的配合进行连接。此外，所述外冷却机构的冷却方式也不限冷却水冷却，也可以根据实际情况选择其他冷却方式。

此外，在实际应用中，根据具体情况及需要，还可以在釜体上开设用于控制釜内压力的压力调节口、用于安装温度计的温度计口、用于安装压力计的压力计口等各附件安装口。

在本实施方式中，所述搅拌轴为一体形成的一整根轴，但是，这并不构成对发明的限制，在实际应用中，也可以通过例如联轴器等将分别形成的几段轴连接在一起构成搅拌轴，在例如搅拌轴的长度较长的情况下，这样可以降低搅拌轴的制造难度，降低搅拌轴的成本。

本实施方式的搅拌桨包括由上至下依次间隔设置的三个叶片组，每一个叶片组分别套装在搅拌轴上并能够与其呈一体转动，图2为其中一个叶片组的结构示意图，图3为A向图，由图2和图3可知，该叶片组包括：轮毂2、圆盘3、以及叶片1。其中，所述轮毂2呈筒形，具有沿其轴向贯通的通孔，通过该通孔将轮毂2套装并卡接到搅拌轴上，可随搅拌轴一起进行转动等运动，此外，也可以使轮毂2通过例如螺纹连接等方式连接到搅拌轴上。

圆盘3焊接在轮毂2上，能够与所述轮毂2呈一体地进行转动等运动，这里，将所述圆盘3与所述轮毂2相连的一个边沿称为“根部”，将与所述根部相对的一个边沿称为“端部”；在本实施方式中，所述圆盘3焊接在轮毂2上，但是，在实际应用中，根据具体情况，也可以使圆盘3通过例如卡接等方式连接到轮毂2上。

图2中的圆盘3的边沿开设有插槽，叶片1插接在圆盘3的插槽中，在叶片1上设有一个侧向延伸出的固定板，可以通过螺栓结构将该固定板固定到圆盘3上，提高稳定性，能够与所述圆盘3一体地进行转动等运动。叶片1也可以通过铆接或焊接的方式固定在圆盘3上，这里，将所述叶片1的根部边沿与端部边沿所构成的角度称为扭转角，所述扭转角的大小与叶片1的扭转程度存在对应关系，应根据搅拌强度等实际需求进行选择，扭转角越大则扭转程度越大，叶片1搅拌能力越强。然而，在搅拌过程中，叶片1的扭转角较大，所受到的流体阻力越大，对叶片1的强度等性能要求更高，剪切力也越强。图2中的扭转角为0°，优选所述扭转角角度小于等于90°，例如15°、30°、45°、60°、75°、90°。

叶片1的宽度越大，所述叶片1的面积越大，相应地搅拌能力就会越强，然而，叶片1宽度过大，也会阻碍被搅拌物质的翻滚运动，因此，在能够使被搅拌物质充分翻滚的情况下，应当尽量将叶片1的宽度设置得较大。本发明的发明人发现，叶片1的宽度也可以根据搅拌器的直径进行选择，优选叶片1的宽度为所述搅拌器直径的10％～30％，例如为所述搅拌器直径的10％、15％、20％、25％、30％。

在本实施方式中，每个叶片组具有六个叶片1，但是，在实际应用中可以根据实际需要改变每个叶片组所包含的叶片1的数量，例如，可以设置为每个叶片组具有四个叶片1。

特别地，在实际应用中，也可以将所述圆盘3与所述叶片1形成为一体，即在叶片1上一体形成用于与所述轮毂2连接的圆盘3。

此外，在本实施方式中，所述叶片组直接卡接在所述搅拌轴上，但是这并不构成对本发明的限制，在实际应用中，还可以在所述叶片组与搅拌轴之间设置用于保护搅拌轴、以减轻磨损等损耗的轴套，即使所述叶片组通过轴套一体安装到所述搅拌轴上并与其一起进行转动等运动。

另外，在实际应用中，在搅拌器的搅拌轴上的叶片组的数量可以根据搅拌反应器的大小、要求的搅拌能力等实际需要进行设置，例如，通常为2个～5个，因为叶片组过少则搅拌能力不足；叶片组过多，则搅拌轴所承受的扭矩等较大，磨损较大，寿命较短。

为了进一步提高热量的转移速率，在釜体中还设有内冷却机构(如图4所示)，在本实施方式中，所述内冷却机构，焊接在所述搅拌反应器的内壁上，并具有穿过搅拌反应器壁面伸出到所述搅拌反应器外部的冷却入口及冷却出口，所述内冷却机构通过在盘管中流通的冷却水进行冷却，以带走搅拌反应器中的热量。在本实施方式中，所述内冷机构，在搅拌器排出流的主体流动位置做出一定的空档，以降低流体流动的阻力。

而且，在本实施方式中，叶片是根据搅拌反应器的直径等进行设置的，其所具有的搅拌能力非常大，且内冷却机构为盘管结构，故本实施方式的搅拌器中虽然内冷却机构，但是搅拌过程中的搅拌死区非常小，故对搅拌效果的影响也比较小。

但是，这仅是内冷却机构的一种实施方式，并不构成对本发明的限制，在实际应用中，所述内冷却机构还可以构成为例如板式换热结构等其他结构；其与所述搅拌反应器的连接方式也可以为焊接之外的其他连接方式，例如还可以连接为分别在所述内冷却机构、搅拌反应器上设置连接件、通过所述连接件的配合进行连接。此外，所述内冷却机构的冷却方式也不限于冷却水冷却，也可以根据实际情况选择其他冷却方式。

加料口的设置也会对反应效果产生很大的影响，对在搅拌反应器中不同加料口位置对选择性的影响做了若干对比，加料口位置分别位于图中的若干位置。从对比的结果来看，对带挡板的径流桨来说，在搅拌器端部处湍流剧烈，物料可得到快速的微观混合，副产品最少，表面滴加和将物料通入釜底因局部流速太慢而效果不好。对带挡板的轴流式搅拌来说，表面滴加是效果最差的，搅拌器叶端处效果最好，物料通到搅拌器端部处靠釜底位置的效果也不算很差，因为轴向流可将物料翻起来。对不带挡板的搅拌器来说，会在中间形成一个漩涡，表面滴加效果不好，加料管稍伸入液面下效果更差，效果最好的是搅拌器端部。总之，如果有条件，加料口应尽量设置在搅拌器端部处，此处能量的湍流耗散最大，微观混合效果最好。

图6是本发明的搅拌反应器一种实施方式的进料口示意图，在图6中，加料管为L型结构，由依次连接的竖直段和水平段组成，通过该结构可以使出料口的开口通入相邻的两组叶片组之间，可以使物料快速混合，有效地降低副反应。在本实施方式中，所述加料口位于搅拌器的排出流或吸入流的主体流动中，故可达到快速混合。

图7为本发明一个具体的搅拌反应器的结构示意图，图7中标出来各个部件的尺寸关系，筒体直径为2400mm，筒体长度也为2400mm；搅拌桨的直径为600mm，搅拌桨由三组叶片组组成，各组之间的垂直距离为700mm，最底部的搅拌浆离釜底的距离为250mm，每一个叶片组的结构如图2所示；L型进料管的竖直段与搅拌轴之间的距离为840mm，L型进料管的水平段伸入最上端的叶片组和中间叶片组之间，出口与中间叶片组的距离为150mm，出口与搅拌轴的距离也为150mm。釜体的内壁上固定设有大致成矩形的挡板，挡板的宽度为250mm，长度与筒体的长度大致相等；盘管贴紧布置在挡板的内侧。

图8为该搅拌反应釜工作时的模拟图，虽然在搅拌反应器中设置了内冷却机构、挡板等机构，但是搅拌过程中搅拌反应器内的搅拌死区非常小，故对搅拌效果的影响也比较小。

另一方面，通过在搅拌反应器内设置冷却机构，可以得到非常好的冷却效果，及时带走反应中产生的热量，降低搅拌反应器中的温度，为例如格式、缩合等反应提供良好的工作温度。

此外，通过在搅拌器的排出流或吸入流处设置加料口，使加入的物料迅速循环到反应器内，且得到良好的剪切与混合，提高了反应速度，降低了副产品的产生。

下面通过具体实施例对本发明的搅拌器(所用的搅拌器为图7所示的搅拌器)的效果做进一步的描述。

实施例1～10：

(1)搅拌器中加入200kg镁屑与2000kg四氢呋喃，加入200Kg对氯甲苯，并加入2kg引发剂(1,2-二溴乙烷)，搅拌升温至50～55℃，待反应引发后，再缓慢滴加1000Kg对氯甲苯，滴加过程保持温度750～85℃，加毕，恒温反应2小时，取样GC检测合格，备用。

(2)将反应釜中加入2000Kg四氢呋喃，搅拌降温至0～10℃。加入800kg邻氯苯腈和1000kg四氢呋喃混合溶液。控制反应温度0～10℃，滴加上述格氏液，5小时内滴加完毕，恒温反应4小时后，取样GC检测，停止反应，进行后处理。重复操作十次，并将结果列于表1。

对比例1～10：

该对比例的操作过程与实施例1～10完全相同，不同之处在于反应器的不同，搅拌桨的叶片为现有技术中的三叶轴流桨，重复十次，得到的结构列于表1。

表1 不同搅拌器对缩合反应的影响结果

从对比数据中可以看出，使用新型反应器后，主含量提升十个百分点左右，副产品下降五个百分点以上，可见本发明搅拌反应器反应性能明显优于传统搅拌多层搅拌反应器。

虽然本发明己以较佳实施方式披露如上，但本发明并非限定于此。任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，均可作各种更动与修改，因此本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。

Claims (10)

1.一种搅拌反应器，包括釜体、搅拌装置、冷却装置和加料装置，所述搅拌装置包括搅拌轴、用于驱动搅拌轴的驱动机构以及与搅拌轴固定连接的搅拌桨，其特征在于，所述搅拌桨由至少一组叶片组构成；

所述叶片组包括中心设有通孔的轮毂、固定连接于所述轮毂外围的圆盘以及均匀连接于圆盘上的若干叶片；

所述轮毂通过所述通孔套装在所述搅拌轴上，所述叶片的根部与端部形成0～90°的扭转角，叶片的根部与垂直于搅拌轴的平面之间的夹角为5～90°。

2.根据权利要求1所述的搅拌反应器，其特征在于，所述叶片的宽度为所述搅拌桨直径的10～30％。

3.根据权利要求1所述的搅拌反应器，其特征在于，所述叶片组为沿搅拌轴轴向排布的3～5组，每组叶片组含有3～6个叶片；

相邻两个叶片组的叶片错位布置。

4.根据权利要求1所述的搅拌反应器，其特征在于，所述搅拌轴与所述轮毂之间设有轴套，所述轮毂通过轴套一体安装到所述搅拌轴上。

5.根据权利要求1～4任一项所述的搅拌反应器，其特征在于，所述釜体的内壁上固定设有大致成矩形的挡板；

该挡板的长边焊接在内壁上。

6.根据权利要求5所述的搅拌反应器，其特征在于，所述的挡板的长度为釜体高度的7/10～9/10，宽度为所述釜体直径的1/10～1/5。

7.根据权利要求5所述的搅拌反应器，其特征在于，所述的加料装置为L型加料管，该L型加料管由竖直设置的进口段和水平设置的出口段组成；

所述出口段的出料口伸到两组叶片组之间；

所述的加料管与所述挡板设置在所述搅拌轴的不同侧。

8.根据权利要求7所述的搅拌反应器，其特征在于，所述出料口与所述搅拌轴之间的距离为所述搅拌桨直径的0.2～0.3倍；

所述进口段与所述搅拌轴之间的距离为搅拌桨直径的1.2～1.5倍。

9.根据权利要求5所述的搅拌反应器，其特征在于，所述的冷却装置包括设置于釜体内的盘管结构，该盘管结构贴紧所述挡板。

10.一种如权利要求1～9任一项所述的搅拌反应器在格氏试剂的缩合反应中的应用。