CN107537434B - 一种固液相反应器及使用该反应器进行固液相反应的方法 - Google Patents

Abstract

一种固液相反应器，包括一个封闭的反应器壳体(1)，所述反应器壳体内的下部水平设置有带进料孔(23)的进料板(2)，进料板(2)的一端固定于反应器壳体(1)的侧壁上，另一端固定在垂直放置的立式溢流板(3)的下部，所述立式溢流板(3)的上部设有溢流孔(24)，所述进料板(2)和立式溢流板(3)相互垂直，并将反应器壳体(1)内部分成反应区(A)和液相产物收集区(B)，进料板(2)的下方设有进料分配管(14)，其上带有进料喷出口，所述的反应器壳体(1)上部设有固相进料口(5)和排气口(8)，液相产物收集区(B)底部设有液相产物排出管(19)。该反应器结构简单，可保证固液相平稳反应，出料易控，所得液相产物均匀。

Description

一种固液相反应器及使用该反应器进行固液相反应的方法

技术领域

本发明涉及一种固体和液体接触反应器及应用方法，具体地说，是一种适用于固液相反应的反应器及使用该反应器进行固液相反应的方法。

背景技术

液体和固体相互接触发生的反应是工程上常见的反应之一，这类反应的主要难点在于如何使参加反应的固体和液体充分接触反应，如何实现原料的连续进料，产物的连续出料，同时生成的产物如何能做到浓度均匀且很好地与参与反应的原料固体和液体分开，都是固体液体反应器设计的难点。固液相反应的另一个难点在于对于较为剧烈的反应，如强放热反应，如何在反应过程很好地控制反应的进行，同时在反应过于剧烈难于控制时能够迅速终止反应，避免出现操作事故，保证过程安全。

在过去的三十年里，有许多专利都围绕上述问题提出了各自的设计。

US4590289公开了一种用C₃-C₁₀醇和金属铝反应持续生产醇铝的设备和方法，该设备包括一个带有外壳的反应器，金属铝从反应器的顶部加入，和醇铝/醇的混合物反应，醇铝和醇的混合物在一带有开孔的板或者带有筛网的托盘之上。这一区域构成反应区域，反应区域的下部是贮存液体的贮液槽，反应后的液体从反应区域四周的侧壁开孔板落入这一区域后，一部分被外送作为产品，大部分则和冷凝回流的醇混合，打回反应区域，一部分从反应器上方和金属铝混合后进入反应器，另一部分则从槽板的下方进入反应区域，这种大量的醇铝/醇混合液回流的模式造成极高的能耗。同时为了保证金属铝颗粒能和液体充分混合接触，金属铝颗粒采用针状，直径为0.5-0.8mm，长度为5-12mm，制造如此细小的金属铝颗粒十分昂贵，这也极大地增加了成本。由于金属铝颗粒长期可能对金属网造成堵塞，而这一反应又是强放热反应，筛网堵塞后，不易于将固液相即时分开。

US6428757B1针对上述反应器的缺点提出了一种改进型的固液相反应器，将反应区域的固定的开孔板/筛网改进为一个可以旋转的格栅，这一改进使得反应的固体在反应区域容易分布均匀且可以和液体更加充分地接触，也使得可以使用较大的金属铝团块来进行反应，但是这一装置仍然需要较大的液体循环量，同时旋转的反应区域也增加了较大的能耗。

US6017499则提出了一种滚筒式反应器，包括一种带孔的筛式滚筒。筛网是一个转动的滚筒筛，滚筒筛安装在一个空心轴上，空心轴带有用于输送固体的装置，输送的固体通过空心轴进入滚筒筛的内部；运行期间滚筒筛在一个底槽内转动，底槽盛放着与固体发生反应的液体介质。所述的底槽能下降，即滚筒内的固体和底槽内的液体在必要时可以彼此分离，可以根据需要改变或者中断反应。该设备可以使固体和液体充分接触，不需大量液体的循环。该设备的另一个优点在于可以使用较大质量的金属铝块，降低了原料的成本。该反应器的底槽能下降，当反应过于剧烈时，可以使处于底槽的液体和滚筒筛之内的固体实现不同程度的分离，从而有效控制反应。但是这一设备在实际运行中也存在许多问题，由于反应在滚筒内进行，且滚筒内存在一输送固体的中心轴，导致实际的反应区间非常小；另外固体通过中心轴输送，使得对于固体的形状大小也有较为严格的要求；固液体的分离实际是通过一台用于降低底槽的绳索绞车，增加了实际操作及维护的难度。滚筒网由于结构相对复杂，维修维护也相对困难。

US2010/0152471提出了一种固液相或者气固相反应器，反应器包含一个封闭的部分充满液体的容器，容器内有一个金属篮，固体被容纳在金属篮内，金属篮相对于容器可以运动，固体在篮子内与液体接触。为了实现液体与固体的均匀接触，液体从反应器上部通过多个喷淋口喷入容器中，固体则通过两个分配器分配到容器内的金属篮内的反应区域，这一设计有利于固液相的混合与接触，加快反应。但是该反应器上反应产物的出口位于反应器的底部，出料速率通过液位检测来控制，摆动的金属篮以及可能的较为剧烈的固液相反应都会导致反应器内液相介质的液面的不稳定，影响出料速率控制的准确性。此外，由于反应器出料在反应器的底部，进料在反应器上部，反应过程中固体颗粒会逐渐在金属篮的底部发生沉积，导致金属篮底部的开孔堵塞。

发明内容

本发明的目的是提供一种固液相反应器及使用该反应器进行固液相反应的方法，该反应器结构简单，易于操作，可保证固液相平稳反应，出料易控，得到的液相产物均匀。

本发明提供的固液相反应器，包括一个封闭的反应器壳体，所述反应器壳体内的下部水平设置有带进料孔的进料板，进料板的一端固定于反应器壳体的侧壁上，另一端固定在垂直放置的立式溢流板的下部，所述立式溢流板的上部设有溢流孔，所述进料板和立式溢流板相互垂直，并将反应器壳体内部分成反应区和液相产物收集区，进料板的下方设有进料分配管，其上带有进料喷出口，所述的反应器壳体上部设有固相进料口和排气口，液相产物收集区底部设有液相产物排出管。

本发明在反应器壳体内设置相互垂直的进料板和立式溢流板，将反应器壳体分成反应区和液相产物收集区，并通过固液相逆流接触及反应放热引起的气体蒸发起到搅拌作用，不需任何形式的外加搅拌器，且反应所用的液相物质可用于清洗进料板和立式溢流板。反应器结构简单，用于固液相反应，可使其连续、平稳地进行，并易于控制。

附图说明

图1为本发明反应器的结构示意图。

图2为进料板朝向反应器壳体底部一面的视图。

图3为本发明进料板的开孔剖面示意图。

图4为本发明溢流板朝向液相产物收集区一面的视图。

图5为本发明立式溢流板的开孔剖面示意图。

具体实施方式

本发明在反应器壳体内设置相互垂直的进料板和立式溢流板，将反应器壳体分成反应区和液相产物收集区，进料板还起到筛板作用，可将较大块的固相反应物保留在进料板上，与液相反应物接触，立式溢流板还起到分隔作用，将反应壳体内分成两个区。在反应器壳体上部设置固相进料口，使固液相反应逆流接触，再通过溢流口流入液相产物收集区，反应产生的气体在反应热的作用下挥发可起到搅拌作用。反应器结构简单，易于控制，无任何搅拌部件。另，液相反应物从反应器底部进料，还可起到清洗被固相反应物堵塞的进料口的作用，液相产物也可用于冲洗溢流口，避免其堵塞。

本发明所述反应器壳体的底部优选设有立式管，立式管下部设有紧急放料管，紧急放料管与紧急储料罐相连。所述立式管可收集液相中沉降的固体小颗粒，固相反应物反应后生成的极为细小的可以穿过进料孔的颗粒在立式管底沉降，可避免这部分细颗粒进入到下游产物中，累积的细颗粒可以从立式管底部定期排放。

立式管上设置的紧急放料管，可用于反应过于剧烈难于控制时，将反应器中的液体排出至紧急储料罐，以及时终止反应。所述紧急储料罐可设置一个，也可有多个，其总体积不小于正常操作时反应器内所盛液体的体积。实际操作时，可以依据需要放出反应器中全部或部分的液相物料。紧急状态卸出的物料可以与新鲜液相反应物混合后返回到反应区。

本发明所述的进料分配管位于进料板下，通过管线与反应器壳体外部的液相进料管相连。所述进料分配管上优选设多个进料喷出口，所述进料喷出口优选喷嘴。

所述反应器壳体上部的排气口优选与冷凝器相连，冷凝器设有冷凝液排出管和气体排出管。通过冷凝可使汽化的液体原料冷凝，降低反应体系的温度，还可避免液相反应物被生成的气体夹带排出系统造成的损失。冷凝后所得的液相反应物可直接返回反应器中，也可与新鲜液相反应物混合后由进料泵送入反应器。所述的冷凝器可以是风冷式冷凝器，也可以是水冷式冷凝器，优选水冷式冷凝器。水冷式冷凝器可以是立式、卧式或蒸发式，优选立式或卧式。

所述的固相进料口优选包括上下两个阀门，两阀门之间的腔体壁上设置吹扫气体进入管和吹扫气体排出管。固相反应物由反应器顶部的固相反应物进料口引入，先通过上部阀门进入固相反应物进料口，此时下部阀门关闭，固体进入后，上部阀门关闭，开始采用惰性气体，如氮气置换阀门空腔内的气体，以除去固相反应物携带的氧气，置换完毕后，打开下部阀门，保持上部阀门关闭，固相反应物通过下部阀门进入反应器内。

优选地，所述的固相进料口可设有两个或两个以上，分布在排气口两边或周围。

本发明反应器中，所述立式溢流板的上部设有溢流孔，溢流孔的开口高度为溢流孔与溢流板底的距离，溢流孔的最低开孔高度是指溢流板上有多个溢流孔时，最低的溢流孔与溢流板底的距离。本发明中，所述溢流孔的最低开孔高度与立式溢流板的高度比优选0.4～0.8、更优选0.4～0.6。

为对溢流孔进行冲洗，防止其被固相反应物堵塞，优选在对应立式溢流板的溢流孔处设溢流孔冲洗喷头，该冲洗喷头与溢流孔冲洗管相连，喷头上带有喷嘴，喷嘴可有多个。

所述进料板的进料孔和立式溢流板的溢流孔可为任意形状的柱形孔，孔截面可圆形、长方形、正方形，孔体可为正柱形孔，也可为锥形孔，正柱形孔两端开口面积相等，锥形孔一端开口大，一端开口小。本发明所述的进料孔和溢流孔优选锥形孔，溢流孔开口较大的一侧优选朝向液相产物收集区，进料孔开口较大的一侧优选朝向反应器壳体底部。

所述进料板的进料孔可采用均匀布置，也可以是不均匀布置，优选均匀布置，布置方法可采用阵列式布置，也可采用圆形、半圆形、弧形等排列方式。立式溢流板上的溢流孔优选位于立式溢流板上部，优选采用阵列式布置。所述进料孔和溢流孔的孔直径为0.1～10mm，优选0.1～5mm、更优选0.2～3mm。若为锥形孔，立式溢流板上的溢流孔孔口较小一侧的孔直径可为0.1～5mm、优选0.2～3mm。进料板上的进料孔孔口较小一侧的孔直径为0.1～5mm、优选0.2～2mm。

所述的液相产物收集区底部的液相产物排出管可直接作为产物排放管，优选地，在液相产物排出管分出一个支路管线，其上接入一个循环泵，循环泵与溢流孔冲洗管相连，通过其上冲洗喷头上喷嘴喷出的液体产物冲洗溢流孔。这样，可使部分液体产物回流至液相产物收集区，冲洗溢流孔，以免被固相反应物堵塞。

所述进料板优选采用进料板支架固定在反应器内，优选固定在反应器壳体侧壁和立式溢流板上。

本发明反应器壳体内，进料板和立式溢流板互相垂直，将反应器壳体分成反应区和液相产物收集区，使反应区体积大于液相产物收集区体积，优选地，反应区体积为液相产物收集区体积的1～20倍、优选2～10倍。

本发明所述反应器壳体的形状优选为柱体，柱体的横截面可为圆形、椭圆形或多边形，所述多边形可为等边形，也可为不规则的多边形，如正方形、长方形、梯形。所述柱体可为圆柱体、椭圆柱体、多边形柱体。所述多边形柱体可以是立方体、长方体、梯形体，优选圆柱体。

本发明提供的固液相反应的方法，包括将固相反应物加入本发明所述反应器的固相进料口，使其落入反应区内，液相反应物从进料分配管上的进料喷出口进入反应区与固相反应物接触反应，液相产物从立式溢流板的溢流孔排出进入液相产物收集区，并由底部的液相产物排出管排出，气体由排气口排出。

所述的固相反应物为铝、镁或锌的团块，所述团块可具有各种不同的形状，如立方体、长方体、圆球状、椭球状、丸状、片状、棒状、不规则粒状，同时也可以是上述形状的混合物。固体团块的重量可为1克到15千克，优选3克至5千克，更优选10克至2千克。所述的液相反应物为C₃～C₁₂的链烷醇，即醇中的烷基为链烷基的醇，优选C₃至C₁₂正构链烷醇，如正丙醇、正丁醇、正戊醇、正己醇、正庚醇、正辛醇、正壬醇、正癸醇、正十一醇、正十二醇。所述醇可为单一碳数的醇，也可为各种碳数醇的混合物。

上述固液相反应过程中产生的气体经冷凝器冷凝后，所得液体优选回流至反应器内。这些液体物是被气体夹带的液相反应物，经冷凝回收后可继续用于反应。

本发明所述的反应器及使用该反应器进行固液反应的方法适用于金属铝、镁、锌与过量的链烷醇反应生产金属烷氧基化合物。

下面通过附图进一步详细说明本发明。

附图中各标号代表部件如下：

1.反应器外壳， 2.进料板， 3.立式溢流板，

4.进料板支架， 5.固相进料口， 6.吹扫气进入管，

7.吹扫气排出管， 8.排气口， 9.冷凝器，

10.气体排出管， 11.冷凝液排出管， 12.进料泵，

13.液相进料管， 14.进料分配管， 15.喷嘴，

16.立式管， 17.紧急放料管， 18.紧急储料罐，

19.液相产物排出管， 20.循环泵 21.溢流孔冲洗管

22.液相产物出料管 23.进料孔 24.溢流孔

25.上阀门a和下阀门b 26.溢流孔冲洗喷头 27.管线

28.管线

图1为反应器结构示意图，其中反应器壳体1为圆柱体，其顶部设有两个固相进料口5(a，b)，排气口8位于两个固相进料口5之间。排气口8通过管线与冷凝器9相连，冷凝器上设有冷凝液排出管11和气体排出管10，所述固相进料口5的上、下部设有上阀门25a和下阀门25b，中间有一个空腔，空腔处设有吹扫气进入管6和吹扫气排出管7。吹扫气排出管7均接入管线27。

反应器壳体1内下部水平设置一个进料板2，其上带有多个进料孔23，进料板2的一端由进料板支架4固定在反应器壳体1的侧壁上，另一端则由进料板支架4固定于立式溢流板3的下部，立式溢流板3与进料板2相互垂直，其上部设有溢流孔24，溢流孔的最低开孔高度与立式溢流板高度的比为0.4～0.8。相互垂直的进料板2与立式溢流板3将反应器壳体1分成反应区A和液相产物收集区B，反应区A的体积为液相产物收集区B体积的1～20倍。进料板2下方设有进料分配管14，其上有多个喷嘴15，进料分配管14与反应器壳体外部的液相进料管13通过两根管线28相连。液相产物收集区B底部设有液相产物排出管19，液相产物经管19与循环泵20相连，部分液相产物经溢流孔冲洗管21返回反应器，对溢流口进行冲洗，溢流孔冲洗管21上设有溢流孔冲洗喷头26，其上有多个喷嘴。反应器壳体1底部设有立式管16，其下部设有紧急放料管17，紧急放料管17与紧急储料罐18相连。

图2为进料板2朝向反应器壳体底部一面的视图，可以看到多个进料孔23阵列式排列在进料板2上。从图3可知，进料孔23呈锥形，其较大的开口朝下，即朝向反应器壳体底部。

图4为本发明溢流板朝向液相产物收集区一面的视图，可以看到多个溢流孔24阵列式排列在立式溢流板3的上部。从图5可知，溢流孔24呈锥形，其较大的开口朝向液相产物收集区B。

使用本发明所述反应器进行固液相反应的方法是：将液相反应物，如醇自反应器壳体1底部的进料泵12送入液相进料管13，再由管线28进入进料分配管14，并从其各喷嘴15中喷出，进入反应区A，固相反应物，如金属块自反应器壳体顶部的固相进料口5(a，b)加入。加入固相反应物时，先将固相进料口5下部阀门25b关闭，打开上部阀门25a，使固相反应物进入固相进料口5的空腔内，由吹扫气进入管6通入惰性气体，优选氮气进行吹扫，再由吹扫气排出管7排出，进入管线27排出系统，以吹扫固相反应物携带的氧气，吹扫后，关闭上部阀门25a，打开下部阀门25b，固相反应物进入反应器壳体内，落在进料板上。为了保证反应的效率，金属块重量优选为3克-5千克。在反应区内，醇与金属反应物接触发生反应，反应过程中产生大量的热和氢气，对整个反应体系起到了良好的搅拌作用，可使整个液相保持均匀的浓度，由于液相反应物向上流动进料，可对进料板上的进料孔进行冲洗，防止其堵塞。另外，固液相逆流进料，有利于两者充分接触反应。

反应产物从液相产物溢流孔24排出进入液相产物收集区B，然后从底部的液相产物排出管19排出，一部分经管线22排出系统外，另一部经溢流孔冲洗管21，并经溢流孔冲洗喷头26的喷嘴中喷出，冲洗溢流板上的溢流孔24。

反应产生的气体由排气口8排出进入冷凝器9冷凝，冷凝后所得的液体由冷凝液排出管11排出，可循环回反应器重新利用，气体，主要为氢气则由气体排出管10排出。反应产物中可穿过进料孔23的细小金属颗粒沉积在立式管16的底部，可定期排出。

立式管16上设置的紧急放料管17和紧急储料罐18用于在反应过于剧烈时使用。一旦发生剧烈反应，可打开紧急放料管17，将反应液相物通过紧急放料管17排至紧急储料罐18中而迅速终止反应。正常反应时紧急放料管17关闭。

Claims (14)

1.一种固液相反应器，包括一个封闭的反应器壳体(1)，所述反应器壳体内的下部水平设置有带进料孔(23)的进料板(2)，进料板(2)的一端固定于反应器壳体(1)的侧壁上，另一端固定在垂直放置的立式溢流板(3)的下部，所述立式溢流板(3)的上部设有溢流孔(24)，所述进料板(2)和立式溢流板(3)相互垂直，并将反应器壳体(1)内部分成反应区(A)和液相产物收集区(B)，进料板(2)的下方设有进料分配管(14)，其上带有进料喷出口，所述的反应器壳体(1)上部设有固相进料口(5)和排气口(8)，液相产物收集区(B)底部设有液相产物排出管(19)，所述立式溢流板(3)的溢流孔(24)的最低开孔高度与立式溢流板(3)高度的比为0.4～0.8。

2.按照权利要求1中所述的反应器，其特征在于所述反应器壳体(1)的底部设有立式管(16)，立式管(16)下部设有紧急放料管(17)，紧急放料管(17)与紧急储料罐(18)相连。

3.按照权利要求1所述的反应器，其特征在于进料分配管(14)通过管线与反应器壳体(1)外部的液相进料管(13)相连。

4.按照权利要求1所述的反应器，其特征在于所述进料分配管(14)上设多个进料喷出口，所述进料喷出口为喷嘴(15)。

5.按照权利要求1所述的反应器，其特征在于所述反应器壳体(1)上部的排气口(8)与冷凝器(9)相连，冷凝器(9)设有冷凝液排出管(11)和气体排出管(10)。

6.按照权利要求1所述的反应器，其特征在于所述的固相进料口(5)包括上下两个阀门，两阀门之间的腔体壁上设置吹扫气体进入管(6)和吹扫气体排出管(7)。

7.按照权利要求1所述的反应器，其特征在于所述的固相进料口(5)有两个或两个以上，分布在排气口(8)两边或周围。

8.按照权利要求1所述的反应器，其特征在于对应立式溢流板(3)的溢流孔(24)处设有溢流孔冲洗喷头(26)，该冲洗喷头(26)与溢流孔冲洗管(21)相连。

9.按照权利要求1所述的反应器，其特征在于所述的液相产物排出管(19)分出一个支路管线，其上接入一个循环泵(20)，循环泵(20)与溢流孔冲洗管(21)相连。

10.按照权利要求1所述的反应器，其特征在于所述进料板(2)的进料孔(23)和立式溢流板(3)的溢流孔(24)为锥形孔。

11.按照权利要求1所述的反应器，其特征在于反应区(A)的体积为液相产物收集区(B)体积的1～20倍。

12.一种固液相反应的方法，包括将固相反应物加入权利要求1所述反应器的固相进料口(5)，使其落入反应区内，液相反应物从进料分配管(14)上的进料喷出口进入反应区与固相反应物接触反应，液相产物从立式溢流板(3)的溢流孔(24)排出进入液相产物收集区(B)，并由底部的液相产物排出管(19)排出，气体由排气口(8)排出。

13.按照权利要求12所述的方法，其特征在于所述的固相反应物为铝、镁或锌的团块，所述的液相反应物为C₃～C₁₂的链烷醇。

14.按照权利要求12所述的方法，其特征在于所述的气体经冷凝器冷凝后，所得液体回流至反应器内。

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