CN105008037A - 用于液体与气体的连续反应的装置和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于液体与气体的连续反应(尤其用于氢化、氧化或乙酰化，例如，用于通过二硝基甲苯的氢化制备甲苯二胺)的环路文丘里管反应器类型的装置，以及一种用于液体反应物与气体反应物在所述装置内连续反应的方法。在此，冷却介质围绕本发明的装置的热交换器的管，而反应在所述管中进行。

Description

用于液体与气体的连续反应的装置和方法
本发明涉及一种用于液体与气体的连续反应(尤其用于氢化、氧化或乙酰化，例如，用于通过二硝基甲苯的氢化制备甲苯二胺)的环路文丘里管反应器类型的装置，以及一种用于液体反应物与气体反应物在所述装置内连续反应的方法。在此，冷却介质围绕本发明的装置的热交换器的管，而反应在所述管中进行。
在许多化学方法中，气体-液体质量转移和热量排除性能是决定速率的步骤。因此，通过相应的硝基化合物与氢气的反应在工业上广泛制备芳香族一元胺和/或多胺时,释放相当大量的热量。这同样适用于许多其他氢化、氧化或乙酰化。用于改善热量排除性能的措施本身是从现有技术已知的。
EP-A-634391描述了一种用于芳香族多硝基化合物的氢化的方法，其中使用具有喷射器的环路文丘里管反应器(具有文丘里管喷嘴的环路反应器)。实施该方法的方式是基于特定条件(诸如，精确地再循环容积比、能量输入、精确设定的氢气体积流动)，借助于此方式，首先，避免了副产物，其次，释放的热量可以被用于生成蒸汽。在此方法中，用于排除环路反应器外部、喷射器内以及反应器内的反应热量的热交换器的布置可能导致局部过热同时立即开始次级反应(诸如，环氢化、氢解裂解反应和占据催化剂表面的高分子量的焦油状产物的形成)。此外，由于具有相当低的热量转移性能的小体积漩涡和大体积漩涡的随机发生，因此，在喷射器外部的反应器体积内建立与流动和停留时间行为相关的纯泡罩塔特性。实际上，在此方法中未实现氢化产率、氢化选择性以及时空产率的显著增加。此外，整个反应混合物的泵送循环使催化剂经受强机械应力，这进而导致催化剂的工作寿命缩短。
因此，在WO00/35852中提出了特别适合于排除反应热量的反应器，具有内部循环流动和外部循环流动(被称为内部环路和外部环路)的反应器，所述反应器被配置为在其上端具有驱动射流喷嘴的竖直直立的装置，经由外部环路从反应器的底部除去的反应混合物通过该驱动射流喷嘴被喷射到反应器的上区域中且随后流动到在该反应器的纵向方向上布置的中央插入式管内，从上部向下流经此且再次在插入式管的外部以内部环路运动向上流动。提出反应器内部的场管用于反应热量的排除。
众所周知的场管热交换器是具有一束平行双壁管的热交换器，其中外管的在反应器空间内突出的端部被封闭且内管的相应端部被打开，以使得冷却介质经由布置在反应器空间外部的供给空间流动到内管内且经由内管和外管之间的空间以及排放空间流动出。它们的特性在于，具有高的热量转移面积与反应空间的体积比，且因此特别适合于排除释放的反应热量。
EP-A1140349公开了一种用于气体-液体反应或气体-液体-固体反应的反应器，该反应器具有一个高的圆柱形空间和一个布置在反应器的上区域中的向下定向的射流喷嘴和一个布置在反应器的下区域中的排出口(Abzug)，经由该射流喷嘴引入起始材料和反应混合物，经由该排出口除去反应混合物且借助于泵经由一个外部回路将反应混合物传送回到该射流喷嘴。同心导引管基本上在除反应器的端部以外的反应器的整个长度上延伸且具有的横截面面积在反应器的横截面面积的1/10至1/2的范围内，该同心导引管被布置在反应器内。
然而，已经发现在根据现有技术的反应器中可能发生硝基芳香化合物的含量增加，特别是在向外部环路过渡处(即，在反应器出口附近)的内部环路以下的流中。
根据现有技术的上述反应器和相应的方法尤其具有的缺点是，当它们被设计成用于大循环容量时，它们导致短回路流，该短回路流不期望地导致来自反应器的流在未通过该反应器内的反应所必须的距离的情况下进入外部循环流动内。因此，在液体反应物离开反应器之前，液体反应物的浓度未明显减小。
在强放热反应和期望的高时空产率的情况下，大量的热交换器管是移除反应热所必需的，且出于有限反应器容量中的具体表面面积的原因，这些热交换器管必须彼此非常紧挨地布置。因此，该流流经热交换器管以及通过冷却介质的热量吸收由此受到极大限制。
本发明的一个目的是避免上述缺点。尤其，应发现一种用于实施气体-液体反应的装置，该装置特别适合用于大量的热量和用于高空时产率。
此目的是通过用于液体与气体的连续反应(尤其用于通过二硝基甲苯的氢化制备甲苯二胺)的装置实现的，该装置包括：
-一个竖直伸长的反应器，在该竖直伸长的反应器内存在一个反应空间，
-至少一个热交换器，包括布置在该反应器内的多个热交换器管，
-用于将冷却介质引入到该热交换器内的至少一个入口，
-用于将冷却介质从该热交换器除去的至少一个出口，
-用于将气体反应物引入到该反应空间内的至少一个入口，
-用于将液体反应物引入到该反应空间内的至少一个入口，
-至少一个混合室，
-用于引入反应介质的至少一个向下定向的驱动射流喷嘴，该驱动射流喷嘴的出口被布置在该至少一个混合室以上，且该驱动射流喷嘴与该反应室流体连通，
-用于将反应介质从该反应器除去的至少一个出口，以及
-至少一个装置，被布置在该热交换器以下且在该混合室以下，用于以使得反应介质再次向上流经该热交换器的方式导流向下流经该混合室的反应介质，
其特征在于，
-围绕热交换器管的区域与用于引入冷却介质的入口和用于将冷却介质除去的出口处于流体连通，以及
-热交换器管的内区域形成反应空间的一部分且与至少一个驱动射流喷嘴和用于将反应介质除去的出口处于流体连通。
此外，此目的是通过用于液体反应物与气体反应物在上述装置内连续反应的方法实现的。
本发明的装置的反应器包括一个有界空间(由一个容器限定)且被设计成允许在限定条件下进行特定反应且能够控制这些反应。术语“反应器”包括该有界空间内的所有区域，即，反应空间、气体空间和由冷却介质占据的空间(冷却区域)。
出于本发明的目的，竖直伸长的反应器是一种在竖直方向(反应器的纵向方向)上具有的尺度大于在水平方向(反应器的横向方向)上具有的尺度的反应器。在操作期间，反应器是竖直直立的。出于本发明的目的，“在操作期间”是指在实施本发明的方法期间。
出于本发明的目的，术语“顶部”、“底部”、“旁边”、“以上”、“以下”涉及反应器的竖直方向(纵向方向)，即，它们涉及一个伸长的布置。
反应器的反应空间是反应器内被设置用于容纳反应介质的空间，且因此包括反应器内在操作期间与反应介质流体连通的所有区域。
流体连通是指反应器内任何两个位置或元件之间的空间连接，经由该空间连接流体(即，尤其是反应介质或冷却介质)可以从一个位置到另一个位置或从一个元件到另一个元件。
反应空间尤其表示反应器内的一个区域，在操作期间在该区域中进行反应且在该区域中设置有冷却装置。因此，在反应空间内可以基本上没有显著温度变化地(即，基本上等温地)进行反应。
热交换器是一个用于将热量转移到冷却介质以移除释放的反应热量的装置。
根据本发明，热交换器包括多个热交换器管。热交换器被定位在反应器内且确定反应空间和冷却区域之间的热交换面积。热交换器管的内区域是反应空间的一部分。
热交换器管在此情况下是中空体，所述中空体被设置成在端部处有开口且尤其是伸长的，即，具有的长度大于内部直径。尤其，长度与内部直径的比是至少10，优选地至少20，特别优选地至少50，尤其至少100。热交换器管还将反应介质与冷却介质分开且允许热量在所述两种介质之间转移。所述管的横截面优选地是基本上圆形的。然而，原则上有可能偏离圆形形状以实现特定流动配置。
单个热交换器管的直径优选地是从10mm到100mm，尤其从20mm到50mm。热交换器管优选地被竖直地安装在反应器内，即，在反应器的纵向方向上。
热交换器管优选地被布置为一束管。出于本发明的目的，一束管是指至少两个平行设置的热交换器管。多束管特别适合于吸收大量的热量。本领域技术人员将基于反应空间的体积选择该束管中与所需的热量转移面积相应的管的数目。反应器内的热交换器管的数目优选地是至少100，尤其至少200，更优选地至少300，非常特别优选地至少500。此外，反应器内的热交换器管的数目优选地是至多10000，特别至多7000，特别优选地至多5000，非常特别优选地至多4000。
该束管优选地被安装在竖直伸长的反应器内且在至少一个混合室周围，且如果存在的话，在扩散器周围(即，该束管完全围绕混合室且如果可适用的话在竖直方向上围绕扩散器)且优选地占据反应器的内部水平横截面的面积的至少20面积％，尤其至少30面积％，特别优选地至少40面积％，非常特别优选地至少50％面积％。
该束管中的管的数目优选地是从100到10000，特别优选地从500到5000。本领域技术人员将选择热交换器管的数目、长度和直径作为尤其每单位时间和每单位体积释放的反应热量的函数，其确定热量排除所需要的温度差和热量转移面积。
热交换器管的数目与反应器内的喷射器的数目的比优选地是至少100，尤其至少200，特别优选地至少500。热交换器管与喷射器的上述比优选地是至多10000，尤其至多7500，特别优选地至多5000。
关于反应器内的热交换器管的数目的上述措施确保内部循环流动与多个热交换器管流体连通。在上述比的范围内，在操作中实现了一个有利的内部循环流动且同时转移了大量的热量。
根据本发明，反应器被设计成以使得，在操作期间，冷却介质围绕热交换器管且反应介质流经热交换器管的内部。术语“反应介质”指起始材料和反应器中的产物的混合物，即，起始材料、反应混合物和/或反应产物。反应介质尤其是由反应液体、分散的气体和可能悬浮的固体催化剂组成的多相混合物。
根据本发明，这是通过围绕热交换器管的区域与用于引入冷却介质的入口和用于除去冷却介质的出口流体连通实现的，以使得在反应器的操作期间所述热交换器管由冷却介质围绕。同时，热交换器管的内区域是反应空间的一部分且与至少一个驱动射流喷嘴和用于除去反应介质的至少一个出口流体连通，以使得在反应器的操作期间反应介质流经热交换器管的内部。
具体地，热交换器管与至少一个驱动射流喷嘴和用于将反应介质从反应器除去的出口处于流体连通，使得在操作期间，反应混合物首先流经该驱动射流喷嘴，然后流经混合室和扩散器，随后流经热交换器管且最终流经用于将反应介质从反应器除去的出口。
以此方式，避免了在释放大量热量的情况下的局部温度增加且优化了反应器体积的空间利用或热量排除和在反应器内的停留时间分布。尤其，可以以这样的方式实现在紧密空间邻近的大量热交换器管，而在所述管之间没有出现收缩的流动路径(例如，在使用场管的情况下)，否则由于空间非均匀的热量转移这种收缩的流动路径导致局部温度增加。
基于反应体积的热量转移面积优选地是从20m2/m3到400m2/m3，尤其从25m2/m3到300m2/m3，特别优选地从40m2/m3到100m2/m3。
此外，本发明的装置在操作期间在反应器的上区域中具有至少一个气体空间。反应器的上区域中的气体空间是反应器内的位于反应介质的液体的表面以上的空间。此外，该气体空间在操作期间填充有气体反应物且可能地是惰性气体。
本发明的装置附加地包括用于将冷却介质引入到热交换器内的至少一个入口。
出于本发明的目的，入口是指任何被设置用于允许相应的介质进入的装置。因此，出于本发明的目的，出口是指任何被设置用于允许相应的介质离开的装置。上述装置尤其可以是开口、管、阀或喷嘴。
本发明的装置附加地包括用于将冷却介质从热交换器除去的至少一个出口。用于将冷却介质引入到热交换器内的入口优选地被安装在反应器的低区域中，在竖直方向上在反应空间的下端以上且在用于除去冷却介质的出口以下。在此情况下，冷却介质从底部向上流动到热交换器内。
出口优选地在竖直方向上安装在反应空间的上端以下的水平处。
本发明的装置附加地包括用于将气体反应物引入到反应器内的至少一个入口。用于引入气体反应物的入口优选地在竖直方向上定位在热交换器以下的水平处但在用于导流向上流经混合室的反应介质的装置以上。因为上述导流以反应介质向上再次流经热交换器这样的方式发生，在该装置的操作期间建立一个内部循环流动，以使得可以讨论一个内部循环流动的导流。
在热交换器以下的安装使得有可能最小化用于引入气体反应物的能量消耗，因为内部循环流动可以最佳地用于混合且可以通过浮力而被附加地增强。
为了在操作期间实现反应介质的快速和均匀混合，有利地是将气体反应物分布在热交换器管以下的反应空间的水平横截面的横截面面积的一部分，优选地至少50％，尤其至少70％，特别优选地至少80％。原则上，任何具有足够大量的适当布置的出口开口的装置适合于此目的。此外，出口开口的横截面是重要的。在这方面，具有直径从1mm到20mm、尤其从3mm到10mm的出口开口是有利的。在这方面，也有利的是，出口开口中的速率从5m/s到300m/s，尤其从10m/s到200m/s。
由于使用一束管作为热交换器，一个特别匹配于热交换器的实施方案是优选的，因为在操作期间在所述管的内部区域中存在反应介质。
在一个替代实施方案中，从上方引入气体反应物，即，用于引入气体反应物的入口被定位在热交换器以上，优选地，在气体空间内。在此处的一个缺点是，为了引入气体反应物将不得不采用更多的能量。然而，一个优点是，可以特别简单地实现气体反应物在反应空间内的均匀分布。然而，上述在热交换器管的下端以下且在用于导流内部循环流动的装置以上的引入是优选的。
在一个特别优选的替代实施方案中，除了在热交换器以上引入的上述实施方案以外，用于引入气体反应物的另一个入口被设置在热交换器管的下端以下且在用于导流内部循环流动的装置以上。以此方式，可以通过用于引入的低能量消耗实现气体反应物的均匀分布。
本发明的装置附加地包括用于将液体反应物引入到反应器内的至少一个入口。该用于引入液体反应物的至少一个入口优选地是安装在混合室以上(尤其在气体空间内)的至少一个管。在一个替代实施方案中，可以使用液体喷嘴。用于液体反应物的入口优选地被安装成空间上紧邻驱动射流喷嘴。以此方式，液体反应物与反应介质的更快速且更完全的混合是可能的。
用于液体反应物的供给管线可以被冷却一直到入口，优选地在反应器内，以防止热敏反应物被太强烈地加热。这在二硝基甲苯的氢化中是特别有利的。在此情况下，反应物被维持在从60℃到150℃的温度下，优选地从70℃到110℃。用于二硝基甲苯的供给管线特别优选地是由两个同心套管围绕：冷却介质流经内套管到供给管线路的尖端且再次向外退回外套管中。液体反应物优选地以这样的方式被引入，使得在操作期间它不空间地紧邻反应介质。
本发明的装置附加地包括被竖直地布置在反应器的气体空间内的至少一个向下定向的驱动射流喷嘴。该向下定向的安装使得有可能将气体反应物自动吸入到该气体空间内，即，借助于驱动射流喷嘴。借助于液体(反应介质)操作该驱动射流喷嘴且因此该驱动射流喷嘴是液体喷嘴。
该驱动射流喷嘴或该多个驱动射流喷嘴在每种情况下可以被配置为单孔口喷嘴或多孔口喷嘴。单孔口喷嘴具有一个喷嘴底部，该喷嘴底部确切地具有一个开口(被称为嘴)。相应地，多孔口喷嘴具有一个带多个开口的喷嘴底部。
单孔口喷嘴是容易生产的。多孔口喷嘴使得气体反应物的特别有效的吸入是可能的，以使得液体的表面可以被保持距驱动射流喷嘴一段最小距离。如果多孔口喷嘴的各个嘴被布置在不同的水平平面，液体的表面可以被特别稳定地保持距驱动射流喷嘴一段最小距离。
特别有利的是，具有圆形横截面开口且该开口的直径从5mm到100mm、优选地从10mm到80mm、特别优选地从20mm到50mm的多孔口喷嘴。
在一个特别优选的实施方案中，单孔口喷嘴或多孔口喷嘴包括多个开口，所述开口不是旋转对称的，尤其星形或环形横截面。十字形或有沟槽的开口也可以是有利的。在这样的非圆形实施方案的情况下，重要的是，与旋转对称开口比较，液压直径被减小。出于本发明的目的，液压直径是由开口的圆周划分的开口的横截面面积的四倍。有利的是每个开口使用从5mm到100mm、优选地从10mm到80mm、特别优选地从20mm到50mm的液压直径。
一个驱动射流喷嘴或多个驱动射流喷嘴作为多孔口喷嘴的配置是特别优选的。
每个驱动射流喷嘴在竖直方向上布置在一个混合室以上。在一个优选的实施方案中，每个驱动射流喷嘴被分配一个单独的混合室，其中特别优选的是使用多孔口喷嘴。
在本发明的操作期间，动量交换在混合室内进行。
驱动射流喷嘴优选地被安装成使得，在操作期间，该喷嘴的下端距反应介质的表面的距离为驱动射流喷嘴的直径的0到10倍，优选地驱动射流喷嘴的直径的0.5倍到2倍。这实现了关于气体反应物的一个最佳吸入动作。
在一个替代实施方案中，驱动射流喷嘴的长度的一个特定部分通过气液相界面浸入到液体内。气体的引入然后仅经由热交换器以下的新鲜气体供给管线发生。
为了进一步改善反应物和反应介质之间的混合，每个驱动射流喷嘴可以被设置用于液体反应物的至少一个入口。
本发明的装置附加地包括用于将反应介质从反应器除去的至少一个出口。该用于将反应介质从反应器除去的出口优选地被安装在反应器的下端。在一个优选的实施方案中，该出口被定位在用于导流内部循环流动的装置以下。因此，在操作期间，该出口优选地被定位在该内部循环流动外部。通过与用于将反应介质从反应器除去的出口不同的另一个装置将反应介质从该内部循环流动除去。
在本发明的装置的操作期间，用于将反应介质从反应器除去的出口和用于引入反应介质的至少一个驱动射流喷嘴经由一个外部回路彼此流体连通。
在将反应介质从反应器除去之前将反应介质从内部循环流动除去的方式在此是重要的。优选地在用于液体反应物的入口之前直接进行反应介质从内部循环流动的除去。因此，在基于液体反应物的最大转换存在的地方将内部循环流动的反应产物除去。
因此，优选地，紧邻用于引入液体反应物的入口将反应介质从内部循环流动除去。
因此，优选的是此反应介质被从反应器除去之前，它在被从内部循环流动除去之后在沿着反应器的外壁的一个层中向下流动。反应介质在此特别优选地向下流经布置在反应空间的外区域中的热交换器管的内部且因此沿着此路径被进一步冷却。
在一个替代实施方案中，用于将反应介质从反应器除去的出口被定位在反应器的上区域中。在此实施方案中，用于将反应介质从反应器除去的出口被定位成空间地紧邻将反应介质从内部循环流动除去的位置。
在另一个替代实施方案中，反应介质被从反应器的下区域中的内部循环流动除去且随后向下流经用于导流内部循环流动的装置且然后被从反应器除去且被供给到外部循环流动(即，通过泵送流吸入)。然而，此实施例不是那么优选的。
在本发明的装置的操作期间，至少一个泵被布置在形成用于将反应介质从反应器除去的出口和至少一个驱动射流喷嘴之间的流体连通的外部回路内，以使得反应介质相应地被从用于将反应介质从反应器除去的出口泵送到该驱动射流喷嘴。因此本发明的装置优选地包括至少一个泵，该至少一个泵被安装在一个外部回路中且将用于将反应介质从反应器除去的出口流体地连接到所述至少一个驱动射流喷嘴。因此借助于至少一个泵实现用于外部循环流动的能量输入，出于此原因，在此可以讨论泵送流。内部循环流动由驱动射流喷嘴驱动，出于此原因，在此可以讨论吸入流。
每个混合室与以上布置的一个驱动射流喷嘴或多个驱动射流喷嘴一起形成一个射流泵，该射流泵被称为喷射器。在一个优选的实施方案中，该喷射器附加地包括一个扩散器，该扩散器被连接到混合室的下端。这尤其意味着扩散器和混合室物理地连接至彼此(即，彼此直接邻接)且因此形成一个单元。因此，在本发明的上下文中，该扩散器不同于混合室。
扩散器是通过使横截面相比于混合室变宽(优选地，漏斗形变宽)形成的。该混合室优选地是由一个圆柱形插入式管形成的。
当使用一个扩散器时，由于具有高速率的液体射流的动能被用于抽吸和分散气相，因此出现相界面处的质量转移中的改进。由于高能量输入，在喷射器内生成高湍流和高剪切力，因此气体以非常小的气泡的形式分散，即因此生成非常高的特定容量的气-液界面。扩散器的总体功能是增加内部循环流动的效率。
在一个优选的实施方案中，该混合室优选地是由一个插入式管形成的
该混合室或多个混合室优选地每个在其下端处连接到一个扩散器。在扩散器以下的竖直方向上，在一个优选的实施方案中，该扩散器存在一个具有恒定直径的管的形式的圆柱形延长部。
在一个特别优选的实施方案中，在驱动射流方向上从顶部向下布置的、且由一个或多个驱动射流喷嘴、一个混合室、可选地一个扩散器以及可选地另一些圆柱形区段形成的喷射器包括在驱动射流喷嘴下面的至少三个区段：一个上区段，其具有基本上圆形横截面，该圆形横截面具有的直径为d1；一个扩散器，其作为中间区段，该中间区段的横截面与上区段比较从顶部向下变宽；以及，一个下区段，该下区段具有一个基本上圆形的横截面，该横截面具有的直径为d2，其中d2＞d1。
在一个优选的实施方案中，作为混合室的插入式管在上端处具有一个圆形进气口，即，该插入式管在上端的区域中的内部直径稍微变宽。这导致关于反应介质的改进的吸入作用以避免流动损失。
在一个优选的实施方案中，使用多个喷射器。这加速了供给流的混合。此外，此实施方案与下文所描述的横流过滤结合是特别有效率的，因为这导致多个流的预划分。此预划分的各个管因此可以有利地被相应地连接到一个驱动射流喷嘴。
基本上，充分混合所需要的混合距离一般是混合室的直径的5倍到10倍。在多个喷射器的情况下，混合的效率因此总体增加，即，在流动中更快速地建立充分的混合。因为气体和液体之间的接触面积增加，所以以此方式还提高了通过驱动射流喷嘴的直接气体输入。
在另一个实施方案中，布置在反应器的上区域中的驱动射流喷嘴被配置为一个环形间隙喷嘴且气体反应物(优选地，氢气)经由被配置为双射流喷嘴的驱动射流喷嘴的外壁处的一个环形间隙而被供给到反应器内。
为了在反应器的操作期间建立一个内部循环流动，提供了侧向导流热交换器以下的流动的装置，其结果是在反应器内获得一个内部循环流动。
因此，本发明的装置包括用于导流内部循环流动的至少一个装置，其中所述至少一个装置被安装在反应器内且在热交换器下面。用于导流反应介质的流动的装置优选地是导流盘。
导流盘具有一个在反应器的横向方向上取向的表面和一个在反应器的纵向方向上延伸的侧向边界，该边界指向上(即，在喷射器的方向上)。在一个替代实施方案中，用于导流反应介质的流动的装置是冲击板。冲击板具有一个在反应器的横向方向上取向的表面，但不具有在反应器的纵向方向上延伸的侧向边界。导流盘是优选的。这使得有可能避免反应器的低区域中的短回路流动且在用于将反应介质从反应器除去的出口处特别有效地设置非常低的产物浓度。
导流盘优选地在反应器的横向方向上的一个水平平面内在热交换器管的大部分上延伸，但优选地不是在热交换器管的整个横截面上延伸。因此，反应器的外区域中的反应介质只有在它已经向上流动到导流盘以上的管内之后，才可以到达用于将反应介质从反应器除去的出口。反应介质优选地在导流盘以上的管内向上流动且然后一个支流在导流盘的横截面外部的管内再次向下流动。
导流盘的水平横截面积优选地是从反应器的横截面中由热交换器的下端占据的面积的60％到98％，尤其从70％到95％，特别优选地从75％到90％。
导流盘的边界的高度是导流盘的最大直径的1％到30％，尤其从2％到20％，特别优选地从3％到15％。边界相对于导流盘的内表面的角度优选地从90°到170°，尤其从90°到150°，特别优选地从90°到120°。
在一个优选的实施方案中，导流盘具有多个排空开口，所述排空开口尤其可以被至少部分地关闭。在操作期间，所述开口被至少部分地或优选地完全地关闭，然而，当未操作时，它们可以被打开。
在一个替代的实施方案中，反应器底部是用于导流向下流经混合室的反应介质的装置。在此情况下，用于将反应介质从反应器除去的出口被安装在该反应器的热交换器的底侧以上。
根据本发明，围绕热交换器管的区域与用于引入冷却介质的入口和用于除去冷却介质的出口连接，使得在反应器的操作期间热交换器管由冷却介质围绕。
根据本发明，所述热交换器管的内区域与驱动射流喷嘴和用于除去反应介质的出口附加地连接，使得在反应器的操作期间反应介质流经热交换器管的内部。
在本发明的一个实施方案中，一个热交换器被设置在外部回路中，该外部回路也可以被称作外部环路流动。因此可以经由一个布置在该外部回路中的热交换器排除反应热量的任何剩余部分。在此优选地使用壳管式热交换器。
气体空间也可以被称作气体脱离空间。在一个优选的实施方案中，用于气体脱离的装置(优选地金属板，其在水平平面中未延伸到反应器的边缘，以使得反应介质可以在外区域中从反应器未受干扰地流动到出口)被定位在热交换器以上且在液体表面以下。在中间处，用于气体脱离的装置具有至少一个开口，以使得气体可以在驱动射流喷嘴的区域中上升。在反应空间内升起的气体收集在所述金属板处且通过内部循环流动(吸入流)再次被部分地向下吸。
在操作期间，基于反应介质的体积，反应介质中的气体的体积应根据材料性质在5体积％至20体积％进行设定。
如果反应器中的液体的表面的水平保持恒定(例如，通过使用多孔口喷嘴)，优选地通过调整排放的反应产物的量来调节气体含量。作为一个替代方案，也可以通过调整排放的反应产物的量来调节反应器中的液体表面的水平且然后可以影响气体含量，例如，经由在热交换器下面引入的新鲜气体的量。
原则上，反应器可以是由具有必要的机械和热稳定性且与产物兼容的任何材料制成的。反应器优选地是由钢(例如，1.0037或1.0565)制成的，特别优选地是由不锈钢(例如，1.4541或1.4571)和/或由双炼钢(例如，1.4462)制成的。不言而喻，组合也是可能的，其中例如，与产物接触的部分由不锈钢和/或双炼制成，不与产物接触的部分由非合金钢制成的。
方法
本发明的装置优选地被用于气体与液体的反应。该反应优选地是氢化、氧化或乙酰化，特别优选地是氢化。在此，优选地是氢化硝基芳香族化合物。
在本发明的方法中，优选地是使用具有一个或多个硝基和6至18个碳原子的芳香族硝基化合物，例如硝基苯，诸如硝基苯,1,3-二硝基苯,硝基甲苯诸如2,4-二硝基甲苯,2,6-二硝基甲苯,2,4,6-三硝基甲苯,硝基二甲苯,诸如1,2-二甲基-3-硝基苯,1,2二甲基-4-硝基苯,1,4-二甲基-2-硝基苯,1,3-二甲基-2-硝基苯,2,4-二甲基-1-硝基苯和1,3-二甲基-5-硝基苯,硝基萘诸如1-硝基萘,2-硝基萘,1,5-二硝基萘和1,8-二硝基萘,硝基氯苯诸如2-氯-1,3-二硝基苯,1-氯-2,4-二硝基苯,o-硝基氯苯,m-硝基氯苯,p-硝基氯苯,1,2-二氯-4-硝基苯,1,4-二氯-2-硝基苯,2,4-二氯-1-硝基苯和1,2-二氯-3-硝基苯,氯硝基甲苯诸如4-氯-2,4-氯-3-硝基甲苯,2-氯-4-硝基甲苯和2-氯-6-硝基甲苯,硝基苯胺诸如o-硝基苯胺,m-硝基苯胺,p-硝基苯胺；硝基醇诸如三(羟甲基)硝基甲烷,2-硝基-2-甲基-丙二醇,2-硝基-2-乙基-1,3-丙二醇,2-硝基-1-丁醇和2-硝基-2-甲基-1-丙醇以及所提及的硝基化合物中的两种或更多种的混合物。
优选地是通过本发明的方法使芳香族硝基化合物氢化成相应的胺类，所述芳香族硝基化合物优选地是一硝基苯、一硝基甲苯或二硝基甲苯且尤其2,4-二硝基甲苯或其与2,6-二硝基甲苯的工业混合物，其中基于总混合物计，这些混合物优选地具有多达35重量％的2,6-二硝基甲苯和比例为1％至4％的邻二硝基甲苯以及比例为0.5％至1.5％的2,5-二硝基甲苯和3,5-二硝基甲苯。优选地是在异构体组合物中使用工业二硝基甲苯混合物，在异构体组合物中工业二硝基甲苯混合物在甲苯的两阶段硝化中获得。
尤其，在二硝基甲苯异构体到相应的甲苯二胺衍生物(TDA)的氢化中、在从邻-一硝基甲苯或对-一硝基甲苯到邻-甲苯胺或对-甲苯胺的氢化中以及在一硝基苯到苯胺的氢化中可以有利地使用本发明的方法。
下文更详细地描述了二硝基甲苯的氢化的优选实施方案。
优选地，在反应器的上端处供给二硝基甲苯，优选地在反应器内的液体表面以上的气体空间内。出于均匀引入的目的，二硝基甲苯有利地被直接引入到混合室内，特别优选地引入到由来自驱动射流喷嘴的射流生成的漩涡中。优选地是以纯净形式使用一硝基和/或多硝基化合物、作为一硝基和/或多硝基化合物与相应的一元胺和/或多胺的混合物、作为一硝基和/或多硝基化合物与相应的一元胺和/或多胺和水的混合物或作为一硝基和/或多硝基化合物与相应的一元胺和/或多胺、水和溶剂(尤其是醇类溶剂)的混合物使用一硝基和/或多硝基化合物。芳香族一硝基和/或多硝基化合物被引入精细地分散到混合物内。
在本发明的方法的一个优选的实施方案中，通过供给管线和计量设备实现硝基芳香化合物的引入，而不存在死空间形成的几何学可能性。相应的单元或装置本身是本领域技术人员已知的。有利的是，在无论是处于工作状态还是停止的反应器的常规填充高度情况下，可以实现用于硝基芳香化合物的入口和优选地包括芳香族胺类(即，相应的反应产物、水和催化剂)的液相之间在反应器内和/或在泵送回路中的直接空间接触。尤其，这是通过用于硝基芳香化合物的入口和液相之间的距离例如从0.01m到3m、优选地从0.05m到1.0m实现的。
在本发明的方法的另一个优选的实施方案中，通过一个或多个独立管道实现硝基芳香化合物的引入，可以通过测量仪器检测所述管道的部分阻塞或完全阻塞。
此类型的管道本身是本领域技术人员已知的。优选地使用的管道是例如由金属(例如，黑钢或不锈钢)制成的。所述管道优选地具有根据供给的硝基芳香化合物的量而设定尺度的直径。
一般而言，优选地使用的管道可以具有任何合适的横截面。优选地使用具有DN50或更小、特别优选地DN40或DN25的管道，因为这些充当一个爆炸屏障。
在一个优选的实施方案中，在一个或多个独立的管道的端部处的用于硝基芳香化合物的入口的出口横截面具有一个收缩部或一个偏离旋转对称形状的形状。离开的硝基芳香化合物射流可以具有层流或湍流性能。例如在WO2012/123469中描述了此类型的一种配置。
二硝基甲苯向液体表面以上的气相内的引入可以防止反应产物回流到用于二硝基甲苯的供给管线路内和由此导致的二硝基甲苯的分解或爆炸。纯二硝基甲苯具有大约260℃的分解温度，但是一混合入甲苯二胺和催化剂该分解温度急剧降低到100℃。
因此，还有利的是，当生产中断或工厂停工时，用热水冲洗用于二硝基甲苯的供给管线。
以从反应器输出的产物的液相的总重量计，在反应器和下游产物分离单元之间的区域中，从反应器输出的产物的液相中的硝基的浓度优选地被设定到按重量计从0到2000ppm、优选地按重量计从0.5ppm到1000ppm、特别优选地按重量从计1ppm到200ppm、且非常特别优选地按重量计从1ppm到50ppm的范围内的一个值，其中硝基的浓度即产物所包含的所有硝基芳香化合物在各种情况下乘以每个分子的硝基的数目，例如，在二硝基甲苯(DNT)的氢化的情况下，c(硝基芳香化合物)＝c(DNT)·2+c(ANT)·1(ANT＝氨基硝基甲苯(Amino-nitro-toluol))或在邻硝基甲苯(o-NT)的氢化的情况下，c(硝基芳香化合物)＝c(o-NT)·1。这既可以减少副产物形成又可以在很大程度上避免催化剂失活。在WO2011/144481中描述了此类型的方法。在这种情况下，可以更容易地实现上述浓度范围，使得液体反应物的较快速混合(例如，借助于具有扩散器的高效率的驱动射流喷嘴)并且更好地防止短回路流(尤其借助于导流盘)。与不具有这样的辅助装置的反应器比较，这些浓度可以在较高的时空产率或较低的温度(且因此常常较高的选择性)下使用更少的催化剂实现。
有利的是，通过合适的措施确保从内部循环流动流动到外部回路内的反应混合物中的氢气的浓度不低于1体积％，优选地3体积％，以流动到外部回路内的反应混合物的总体积计。出于此目的，有可能的是相应地设计反应器的直径或来自反应器的反应混合物的流出速率或热交换器以上可能存在的气体脱离板。
在另一个实施方案中，有可能的是，尽可能靠近反应器，通过向从内部循环流动流动到外部环路内的反应混合物内引入氢气来确保从内部循环流动流动到外部环路内的氢气的最小浓度。
优选地，将反应产物从外部回路除去。为了能够驱动外部循环，必须安装一个不仅能够泵送液体而且还能够泵送气体和悬浮固体的泵。在此，应该可以泵送高达20体积％的气体和20重量％的悬浮固体。为了在含Ni的催化剂的情况下避免Ni沉积或为了避免负载型催化剂的过度分解，有用的是安排多个(优选地两个)串联连接的泵或使用一个多级泵。
冷却介质优选地是水。在一个优选的实施方案中，以液体形式供给水且作为蒸汽除去水。蒸汽可以被用于在任何化学工厂综合结构内供应热量或能量。此外，蒸汽还可以被供给到工厂地点处的现有蒸汽网络内。
可以通过下述两种方式由释放的反应热量在内部热交换器内或可能存在的外部热交换器内生成蒸汽，所述两种方式：1)通过蒸发冷却管内的冷却水的一部分(直接生成蒸汽)或2)通过将冷却水加热到在用于生成蒸汽的压力以上的一个压力且随后降压到生成蒸汽的压力水平(闪蒸发)。在此降压中，冷却水的一部分蒸发且蒸汽/水混合物被冷却到相应于该蒸汽压力的沸点温度。
既可以在内部热交换器中也可以在一个外部热交换器中采用两种蒸发类型。两种蒸发类型的组合(即，内部热交换器内的直接蒸发和外部热交换器内的闪蒸发或反之亦然)同样是可能的。
在一个替代实施方案中，来自次级冷却回路的水至少部分地用作冷却介质。在一个优选的替代实施方案中，蒸汽在内部热交换器中以所描述的两种蒸发类型中的一种生成且借助于来自次级冷却水回路的水冷却外部热交换器。
优选地在存在悬浮或溶解的催化剂时、特别优选地在存在悬浮催化剂时进行本发明的方法中的反应。
已经为二硝基甲苯到甲苯二胺的氢化开发了许多催化剂，其中在新催化剂的开发中，反应的产率和选择性以及催化剂甚至在相对高的反应温度下的稳定性的提高是优先目的。
在本发明的第一总的实施方案中，如上文指示的，在存在催化剂时、尤其是在存在负载型催化剂时实施本发明的方法，所述负载型催化剂单独包括作为活性成分的镍或包括连同周期表的过渡族I、V、VI和/或VIII中的至少一种金属。可以通过将镍和可选地上述附加金属中的至少一种应用到合适的载体来在工业上生产优选使用的催化剂。
作为周期表的过渡族I、II、V、VI和/或VIII中的金属，优选地是使用钯、铂、铑、铁、钴、锌、铬、钒、铜、银或所述金属中的两种或更多种的混合物。
已经发现包括作为活性物质的一个或多个选自铂、钯、铑和钌的金属和附加地另一种或多种选自镍、钴、铁和锌的金属的催化剂是特别合适的，且该金属已经被施加到一种惰性载体。
在本发明的一个优选的实施方案中，所述催化剂具有的镍含量从0.1重量％到99重量％，优选地从1重量％到90重量％，特别优选地从25重量％到85重量％且非常特别优选地从60重量％到80重量％，基于催化剂的总重量计。
在本发明的一个优选的实施方案中，催化剂包括镍和铂。在本发明的另一个优选的实施方案中，催化剂包括镍和铝；在本发明的另一个特别优选的实施方案中，催化剂包括镍、钯和铁。
在载体上以合金形式包括铂和镍的氢化催化剂是特别有利的，所述合金其内具有的镍与铂的原子比例是从30:70到70:30，这是借助于EDXS(能量散射的x射线光谱法)确定的。镍与铂的原子比例尤其是从45:55到55:45，这是借助于EDXS(能量散射的x射线光谱法)确定的。
优选的是使用下述材料作为载体材料：活性碳、炭黑、石墨或氧化载体组分，诸如，二氧化硅、碳化硅、硅藻土、氧化铝、氧化镁、二氧化钛、二氧化锆和/或二氧化铪或它们中的两种或更多种的混合物,特别优选地，二氧化锆、ZrO2、HfO2和/或SiO2、ZrO2和/或SiO2、ZrO2、HfO2。
使用的载体优选的是介孔的且具有从35nm到50nm的平均孔隙直径和从50m2/g到250m2/g的特定表面面积。载体的表面面积是通过借助于N2吸附的BET方法(尤其是根据DIN66131)确定的。平均孔隙直径和孔隙尺寸分布是借助于水银孔率法(尤其是根据DIN 66133)确定的。
可以通过催化剂技术领域的技术人员已知的通常合适的方法实现镍和可选地至少另一种金属的应用。通过共沉淀而涂敷或浸渍有金属或金属盐的载体随后通过已知的方法而被烘干或焙烧。通过在包括自由氢气的气体流中处理随后使涂敷的载体活化。此活化通常在从30℃到600℃的范围内、优选地在从80℃到150℃的范围内且特别优选地在100℃的温度进行。所述气体流优选地包括从50体积％到100体积％的氢气和从0体积％到50体积％的氮气。为优选使用而生产的催化剂在于100℃还原一小时之后具有至少70％的还原程度。
以此方式获得的负载型催化剂一般具有的镍金属表面面积是从大约10m2/g到大约50m2/g，优选地从大约20m2/g到大约60m2/g。在本发明的方法中使用的催化剂的镍含量一般是在从0.1重量％到99重量％的范围内，优选地在从1重量％到90重量％的范围内，特别优选地在从25重量％到85重量％的范围内，基于使用的催化剂的总重量计。
例如，在文献EP 1161297 A1和EP 1165231 A1中描述此实施方案的合适的催化剂。
在本发明的第二实施方案中，在本发明的方法中使用例如在WO2008/145179 A1中所描述的活化的镍催化剂。因此，根据本发明的一个优选的实施方案使用基于Ni/Al合金的活化的镍催化剂，其可以包括一种或多种选自Mg、Ce、Ti、V、Nb、Cr、W、Mn、Re、Fe、Ru、Co、Rh、Ir、Pt、Cu、Ag、Au和Bi的金属。对于每种掺杂元素，掺杂程度在从0.05重量％到20重量％的范围内。使用的催化剂的平均颗粒大小＜25μm。
在本发明的第三实施方案中，在本发明的方法中使用例如在WO2008/138784 A1中所描述的催化剂。因此，在本发明的一个优选实施方案中，本发明还提供了下述氢化催化剂用于通过相应的硝基化合物的催化氢化制备芳族胺、尤其是用于通过二硝基甲苯的氢化制备甲苯二胺的用途，所述氢化催化剂在载体上包括镍、钯和一种选自钴、铁、钒、锰、铬、铂、铱、金、铋、钼、硒、碲、锡和锑的作为活性组分的附加元素的混合物。所述附加元素优选地是选自钴、铁、钒、铋和锡。
作为用于催化剂的载体，能够使用已知的和常用的材料。优选的是使用活性碳、炭黑、石墨或金属氧化物，优选地水热稳定的金属氧化物，诸如，ZrO2、TiO2、Al2O3。在石墨的情况下，具有的表面面积从50m2/g到300m2/g的HSAG(高表面面积石墨)是特别优选的。特别优选的是活性碳，尤其是物理地或化学地活化的活性碳，或炭黑(诸如，乙炔黑)。
优选的催化剂例如是通过将载体放置在反应容器内且使它与钯盐和镍盐连同附加元素的水溶液反应生产的。溶解所述盐所使用的水的量应该被定量为使得形成可搓捏的糊状物。优选地使用的水的量是从载体组分的100重量％到200重量％。尤其是利用硝酸盐或氯化物作为金属盐，其中因为硝酸盐的腐蚀性较低，所以硝酸盐是优选的。糊状物被混合且水然后在低压力且在从50℃到100℃的范围内的温度下被蒸发，例如在旋转蒸发器或烤箱内。出于安全原因，可以在氮气流中进行蒸发。当使用氯化物作为金属盐时，通过借助于氢气的还原实现金属到载体的固定。然而，在此可能出现腐蚀。因此优选地在碱性条件下固定金属。这尤其是通过添加碱金属碳酸盐的水溶液且随后洗涤载体直到无阴离子为止来实现的。作为一个替代方案，还可以在碱性条件下(尤其是在从8到9的范围内的pH值下)使金属从上清液沉淀到载体上。然后该载体被烘干，优选地如上文所描述的，且借助于氢气被还原。这例如可以在旋转窑炉(Drehkugelofen)中发生。在催化剂被取出之前，催化剂被钝化，例如，在惰性气体(诸如，包括优选地不多于10体积％的微量空气的氮气)下。
通过此方法生产的优选的氢化催化剂优选地包括从0.5重量％到5重量％的钯、从10重量％到20重量％的镍和从0.5重量％到5重量％的附加元素。
在优选使用的氢化催化剂的生产的另一个实施方案中，催化剂的还原是通过添加具有还原作用的盐(例如，羧酸铵盐或碱金属羧酸盐，例如，甲酸铵或甲酸钠)实现的。出于此目的，载体被悬浮在水中且同时或在悬浮液之后添加所述金属盐的溶液。尤其利用硝酸盐或氯化物作为金属盐，其中因为硝酸盐的腐蚀性较低，所述硝酸盐是优选的。具有还原作用的盐被添加到此溶液且悬浮液被加热，例如，通过在回流下煮沸。随后洗涤所述催化剂直到无阴离子为止，且例如借助于压滤机或离心机被过滤，且被用作潮湿糊状物。可以在WO 2005/037768 A1中找到优选使用的催化剂的生产的另一些实施例。
可以在溶液中进行二硝基甲苯的氢化、一硝基甲苯的氢化和一硝基苯的氢化。使用的溶剂是通常用于此目的的材料，尤其是低级醇类，优选地乙醇或甲醇。由于最佳流动条件和根据本发明所使用的反应器内的反应热量的立即排除，还有可能在无溶剂的情况下进行氢化。这具有的优点是反应混合物的体积较小，这允许反应器的较小尺度以及泵和管道的较小尺度，使得溶剂和起始材料之间的次级反应被排除以及使得用于最后产物的处理(Aufarbeitung)费用被减少。
在内部环路流动中传送反应混合物的主要部分；仅小比例的反应混合物向外部泵送且因此用于驱动环路流动。内部环路流动的体积流与外部环路流动的体积流的比例是从1:1到15:1，优选地从3:1到10:1。由于基于总反应混合物计的外部环路流动的小比例，因此每单位时间循环通过循环泵的催化剂的量明显小于仅仅借助于一个外部热交换器冷却的情况。这导致催化剂上的机械应力减小且因此使催化剂的寿命更长。此外，与集成热交换器结合，此实施方案确保高等温反应，即，在反应器的高度上具有非常小的温度梯度(通常在从1k到10k的范围内)，因为氢化实质上完全在内部环路流动内进行且因此在反应热量出现的地方将反应热量排除。通过质量转移和热量转移对反应速率的限制在此实质上完全被消除。由反应系统内的温度梯度促进的次级反应实质上完全被抑制。然后仅通过反应动力学限制反应速率。此外，与外部回路中的冷却比较该方法的安全性被提高，这是因为当用于外部回路的泵停机时，反应器的冷却仍运行。
优选地，通过测量气体空间与圆柱形混合空间之间的压力差直接监控内部回路流动的体积流。在不充足的环路流动且因此反应器内不充分混合的情况下，液体起始材料的供给被中断以防止催化剂的失活。
各个反应物的分散结合其他反应参数，导致所有组分在低基质浓度、高传质系数和高特定容量的相界面下的强烈混合。反应器内的冷却管平行于反应器壁的布置导致反应器内容物在很大程度上无反应温度梯度。大体上抑制了次级反应且通过避免局部过热在很大程度上避免了催化剂失活。因此，实现了高时空产率以及甚至在低催化剂浓度下的高选择性。
由于反应混合物中的硝基芳香化合物的低浓度，因此在很大程度上避免了催化剂失活且可靠地防止了硝基芳香化合物的热分解。
优选地在从80℃到200℃、更优选地从110℃到190℃的温度和在从10巴到50巴、更优选地从15巴到35巴的范围内的压力下进行二硝基甲苯的氢化。
催化剂优选地悬浮在反应介质中。为了能够除去反应产物而不除去催化剂颗粒，在外部回路中将反应产物与催化剂分离。产物和催化剂分离单元一般是一个过滤器(例如，膜过滤器/横流过滤器)、静态倾析器(Dekanter)(例如，重力分离器或沉淀器，常常是薄片状澄清器)或动态倾析器(例如，离心机或喷嘴分离器)。将催化剂与产物分离且随后(一般作为增稠的悬浮液)将其返回到反应器。优选地通过保留催化剂实现产物的排放。然后通过常用的且已知的方法(例如，通过蒸馏和萃取)纯化胺类。
反应产物与催化剂的分离优选地是借助于膜过滤实现的。
膜过滤的优点是，它使得快速，完全且温和地保留催化剂成为可能。
优选地，在悬浮液侧上从5巴到50巴(优选地从20巴到35巴)的压力下进行膜过滤，悬浮液侧与渗透侧之间的压力差是从0.3巴到5巴且悬浮液侧上的流动速率是从1m/s到6m/s。出于本发明的目的，悬浮液侧是膜过滤器的一侧，包括催化剂的混合物位于该侧，而渗透侧是膜过滤器的一侧，无催化剂的混合物位于该侧。
可以连续或分批地进行所述膜过滤。
在连续膜过滤中，使反应混合物的至少一个支流连续地通过膜过滤器。在本发明的方法的此实施方案中，优选地是将该膜过滤器布置在一个环路反应器的外部回路中。本发明的方法的此实施方案是优选的。
当分批地进行所述过滤时，使已经被排放的反应混合物通过一个可以被切换的纯化阶段，包括一个膜过滤器和一个专用循环泵。在分批过滤的另一个实施方案中，使反应混合物在反应之后穿过一个膜过滤器。此实施方案不是那么优选的，因为在此情况下分离的催化剂不得不在更大程度上被浓缩。
所述方法所使用的过滤器膜例如可以由陶瓷(例如，α-Al2O3)或不锈钢(例如，1.4404)组成且根据使用的催化剂的颗粒大小优选地具有在从10nm到20μm的范围内的数加权的平均孔隙直径，数加权的平均孔隙直径尤其是在从50nm到10μm且优选地从100nm到1μm的范围内。
例如，膜过滤的合适的实施方案(尤其是横流过滤)是本领域技术人员已知的且在例如WO2010/125025中被描述，WO2010/125025的内容以引用的方式纳入本申请中。
尽管反应条件最佳，但不能够完全防止催化剂的温和失活。因此外部环路优选地具有一个用于引入优选地是在水中悬浮的新鲜催化剂的连接部，且还具有另一个连接到催化剂排放单元的用于含有催化剂的反应产物排放的出口。这进而优选地包括一个收集容器，该收集容器包括至少一个泵送回路，该泵送回路包括至少一个膜过滤器。
将通过实施例和附图详细阐述本发明。在此，在不限制本发明的情况下，描述了优选的实施方案。
附图示出了根据本发明的一个装置，其中为反应介质设置的区域由剖面线表示；为冷却介质设置的区域未由剖面线表示。在图1到图4中，特定含义是：
1-竖直伸长的反应器
2-布置在反应器内的热交换器
3-反应空间
4-用于将冷却介质引入到热交换器内的入口，
5-用于将冷却介质从热交换器除去的出口，
6-用于将气体反应物引入到反应空间内的入口，
7-用于将液体反应物引入到反应空间内的入口，
8-混合室，
9-用于引入反应介质的向下定向的驱动射流喷嘴
10-用于将反应介质从反应器除去的出口
11-在热交换器(2)下方且在混合室(8)下方布置的用于使向下流经混合室(8)的反应介质导流的装置(11)
12-扩散器
13-圆柱形区段
14-泵
15-外部回路
16-内部循环流动
17-产物分离单元
18-产物
20-热交换器管
21-围绕热交换器管的区域
22-热交换器管的内区域
图1示出根据本发明的具有一个喷射器的装置(纵向方向上的截面)。
图2示出不是根据本发明的具有一个喷射器的装置(纵向方向上的截面)，其中使用场管作为热交换器管。
图3示出根据本发明的具有四个喷射器的装置(横向截面)。围绕热交换器管的区域(21)与用于引入冷却介质的入口(4)以及用于除去冷却介质的出口(5)流体连通。热交换器管(22)的内区域形成反应空间的一部分，并与至少一个驱动射流喷嘴(9)和用于将反应介质从反应器除去的出口(10)流体连通。
图4示出不是根据本发明的具有四个喷射器的装置(横向截面)。热交换器管(22)的内区域与用于引入冷却介质的入口(4)以及用于除去冷却介质的出口(5)流体连通。围绕热交换器管的区域(21)形成反应空间的一部分，并与至少一个驱动射流喷嘴(9)和用于将反应介质从反应器除去的出口(10)流体连通。在此实施方案中，热交换器管(22)通常是场管。
实施例
实施例1(本发明)
在按照图1和图3(如在图1中一个喷射器)反应器中，该反应器具有：10m3的填充体积和从10m直到用于导流向下流经混合室(8)的反应介质的装置(11)的填充高度，直径为0.08m的射流喷嘴，直径为0.32m的插入式管，喷嘴口和插入式管之间的距离为0.16m，一束管，该束管围绕该插入式管，并且经由该束管产生从底部向上的流动且该束管由475个管组成，管具有9.5m的长度且具有50mm的外直径以及46mm的内直径，在一个模拟中，大于驱动射流体积流的四倍的液体，其在喷嘴口内驱动射流速率为20m/s时具有10-6m2/s的粘度，其可以被吸入和循环。
实施例2(比较例)
如实施例1，但是使用按照图2和图4的反应器(如在图2中1个喷射器)。反应介质位于由场管组成的一束管的外部空间中，该场管具有50mm的外直径、相同的反应体积和62mm的管间距。
在一个模拟中，循环的体积流减小到小于驱动射流体积流的三倍。

Claims (21)

1.一种用于液体与气体的连续反应(尤其用于通过二硝基甲苯的氢化制备甲苯二胺)的装置，包括：
-一个竖直伸长的反应器(1)，在所述反应器内存在一个反应空间(3)，
-至少一个热交换器(2)，包括被布置在所述反应器(1)内的多个热交换器管(20)，
-用于将冷却介质引入到所述热交换器(2)内的至少一个入口(4)，
-用于将冷却介质从所述热交换器(2)除去的至少一个出口(5)，
-用于将气体反应物引入到所述反应空间(3)内的至少一个入口(6)，
-用于将液体反应物引入到所述反应空间(3)内的至少一个入口(7)，
-至少一个混合室(8)，
-用于引入反应介质的至少一个向下定向的驱动射流喷嘴(9)，所述驱动射流喷嘴的出口被布置在所述至少一个混合室(8)以上且所述驱动射流喷嘴与所述反应空间(3)流体连通，
-用于将所述反应介质从所述反应器除去的至少一个出口(10)；以及
-至少一个装置，被布置在所述热交换器(2)以下且在所述混合室(8)以下，用于以使得所述反应介质再次向上流经所述热交换器(2)的方式导流向下流经所述混合室(8)的反应介质，
其特征在于，
-围绕所述热交换器管(20)的区域(21)与所述用于引入冷却介质的入口(4)和所述用于除去冷却介质的出口(5)流体连通，且
-所述热交换器管(20)的内区域(22)形成所述反应空间(3)的一部分且与所述至少一个驱动射流喷嘴(9)和用于将所述反应介质从所述反应器除去的至少一个出口(10)流体连通。
2.根据权利要求1所述的装置，其中所述热交换器管(20)被布置成一束管。
3.根据权利要求1或2所述的装置，其中所述用于导流向下流经所述混合室(8)的反应介质的装置(11)是导流盘。
4.根据权利要求1至3中的一项或多项所述的装置，其中一个用于将所述反应介质从内部循环流除去的出口位于所述热交换器(2)以上。
5.根据权利要求1至4中的一项或多项所述的装置，其中所述至少一个混合室(8)是由插入式管形成的。
6.根据权利要求1至5中的一项或多项所述的装置，其中用于将所述气体反应物引入到所述反应空间(3)内的入口(6)被安装在所述热交换器(2)以下，且同时在所述用于导流向下流经所述混合室(8)的反应介质的装置(11)以上。
7.根据权利要求6中所述的装置，其中一个用于将所述气体反应物引入到所述反应空间内的另外的入口被附加地设置在所述热交换器(2)以上。
8.根据权利要求1至7中的一项或多项所述的装置，其中所述混合室(8)中的每个均在其下端处连接到一个扩散器(12)。
9.根据权利要求1至8中的一项或多项所述的装置，其中在所述反应器的纵向方向上从顶部向下布置的、且由一个驱动射流喷嘴(9)、一个混合室(8)、可选地一个扩散器(12)以及可选地另一些圆柱形区段(13)形成的每个喷射器在所述驱动射流喷嘴(9)以下包括至少三个区段：一个上区段，所述上区段具有一个基本上圆形的横截面，所述基本上圆形的横截面具有直径d1；一个扩散器(12)，作为中间区段，所述中间区段的横截面相比于所述上区段从顶部向下变宽；以及，一个下区段，所述下区段具有一个基本上圆形的横截面，该基本上圆形的横截面具有直径d2，其中d2＞d1。
10.根据权利要求9所述的装置，其中使用多个喷射器。
11.根据权利要求1至10中的一项或多项所述的装置，其中多孔口喷嘴被用作驱动射流喷嘴(9)。
12.根据权利要求1至11中的一项或多项所述的装置，其中为每个驱动射流喷嘴(9)设置用于将所述液体反应物引入到所述反应空间内的至少一个入口(7)。
13.根据权利要求1至12中的一项或多项所述的装置，其中一个外部回路(15)产生用于将所述反应介质从所述反应器除去的所述出口(10)和用于将所述反应介质引入到所述反应器(1)内的至少一个驱动射流喷嘴(9)之间的流体连通。
14.根据权利要求13所述的装置，其中一个泵(14)被布置在所述外部回路内。
15.一种用于液体反应物与气体反应物在根据权利要求1至14中的一项或多项所述的装置内连续反应的方法。
16.根据权利要求15所述的方法，其中所述反应介质流经所述热交换器管(20)且所述冷却介质围绕所述热交换器管(20)。
17.根据权利要求15或16所述的方法，其中在存在一种悬浮的或溶解的催化剂时进行所述反应。
18.根据权利要求15至17中的一项或多项所述的方法，其中所述液体反应物是硝基芳香化合物且所述气体反应物是氢气。
19.根据权利要求15至18中的一项或多项所述的方法，其中通过至少一个驱动射流喷嘴(9)驱动内部循环流动(16)。
20.根据权利要求15至19中的一项或多项所述的方法，其中反应产物被从外部回路(15)除去。
21.根据权利要求15至20中的一项或多项所述的方法，其中所述催化剂悬浮在所述反应介质中且借助于横流过滤被保留在所述外部回路(15)中。
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