CN109562343A - 用于生产二羟基化合物的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种上流式反应器用于生产二羟基化合物的用途、涉及一种用于生产二羟基化合物的方法，以及涉及一种用于制造聚碳酸酯的方法。本发明的用于生产二羟基化合物的上流式反应器包括：容器；设置在所述容器中的催化剂床；与入口流体连通的分布器，反应物通过该入口引入至所述分布器，所述分布器设置在所述容器的下端处并且包括设置在所述分布器中的分布器穿孔，该分布器穿孔的至少一部分在远离所述催化剂床的方向上；和收集器，通过该收集器取出所述产物二羟基化合物，所述收集器设置在所述容器的上端处。

Description

用于生产二羟基化合物的方法
技术领域
本发明涉及一种上流式反应器(升流式反应器，upflow reactor)用于生产二羟基化合物的用途、涉及一种用于生产二羟基化合物的方法以及涉及一种用于制造聚碳酸酯的方法。更具体地，本发明涉及通过在上流式反应器中引入酮和酚化合物来生产酚A。
背景技术
二羟基化合物，特别是双酚，被用作制备诸如环氧树脂和聚碳酸酯的化学产品的原料。它们通常通过酮和酚的缩合来制备。典型的双酚包括2,2-双(4-羟苯基)丙烷(也被称为双酚A)，其可以通过在酸存在下使丙酮(也称为二甲基酮)和苯酚反应来制备。
用于生产双酚的填充床反应器系统通常包括填充材料(诸如例如催化剂)床，该填充材料可以是颗粒状(例如，珠状)，向其中引入液体反应物。使反应物流动通过该床，在床中在催化剂存在下它们彼此接触并且反应形成最终产物，在床的下游点取出该最终产物。在这种填充床反应器系统中，与床相关的压力通常对反应器的物理性能有影响。作为填充床高度上流动阻力量度的差压随着床高度的增加而增加。填充床高度上的压差可以压缩并使催化剂珠粒变形，导致由于床中自由空隙体积损失引起的压降增加而导致液体通过量减少。
用于制造双酚A的反应器通常以下降流模式操作，其中在酸性离子交换树脂催化剂存在下和可选地在助催化剂促进剂的存在下发生苯酚和丙酮的放热缩合。当以下降流模式生产双酚A时，某些离子交换树脂催化剂的交联度直接影响反应器的物理性能以及该反应器的反应性、选择性和产率。事实上，增加在下降流配置中操作的双酚A反应器的吞吐量涉及压降的增加和珠粒将变形和/或填充床将被压缩并且损失自由空隙体积的风险增加。还已经观察到水压限制，特别是在离子交换树脂催化剂具有低交联度(例如小于或等于约2.5％)的情况下。尽管在具有较高交联度的离子交换树脂催化剂中水压问题不太显著，但是这种树脂在双酚A合成中的反应性、选择性和寿命(每吨使用的催化剂产生的吨)也显著降低。因此，更高度交联的催化剂通常更能抵抗可归因于颗粒形状的水压冲击和抵抗由于压力引起的颗粒珠的压缩机制。
然而，较高交联的催化剂的特征还在于较低的反应性、较低的选择性和较短的寿命。
为了补偿具有较低交联度的催化剂的水压限制同时保持具有较高交联度的催化剂的益处，可以在如US-A-5 395 857中公开的“组合床”装置中生产双酚A。组合床装置通过在同一反应器床中组合两种催化剂，优化了双酚A的高生产率，表明了具有高交联度的催化剂以及具有低交联度(小于或等于约2％)的催化剂的反应性、选择性和寿命增加。尽管如此，组合床装置的能力在寿命和最大允许吞吐量方面仍然受到限制。
在进一步尝试减轻与催化剂床中的水压限制相关的问题时，反应器也被构造成具有增加的直径同时保持床高度降低，从而允许反应器利用具有较低交联度的催化剂，同时在使得能够维持可接受的反应器吞吐量的压降下操作。在又进一步尝试减轻与水压限制相关的问题时，可以以上升流模式将反应物加入双酚A反应器中以减少压降对反应器性能的影响并克服吞吐量限制。
例如，WO-A-2004/033084中公开了一种用于生产二羟基化合物的上流式反应器，其内容通过引证完全并入本文。该文描述了一种反应器，其包括容器、设置在容器内的催化剂床以及设置在容器内的反应物分配/产物收集系统。该反应物分配/产物收集系统包括设置在反应器下端处的分布器(分配器，distributor)和设置在反应器上端处的收集器。分布器和收集器均包括穿孔。筛网设置在穿孔上方。在使用中，分布器将反应物从分布器向上引导通过催化剂床。
US 4,618,418公开了一种单个单元流化床反应器，其具有用于净化废水的反应空间，其中生物质附着在载体颗粒上，其包括在反应空间底部上方的液体分配装置，该液体分配装置特别适合于在宽反应器中引入废水以在其中实现均匀的流化，所述装置由许多基本上水平的管道组成，每个管道在下表面具有多个规则分布的用于向下引入液体的开口，并且在反应空间的顶部连接有一个多功能分离室以用于完全分离离开反应空间的气-液-固混合物以及用于使附着的生物质完全返回到反应空间中，该分离室是便于操纵涉及不同宽度的反应器中大或小气体馏分的处理的结构。
发明人发现，由于压降限制，用于生产二羟基化合物的现有反应器受到有限吞吐量等的影响。此外，发明人发现，贯穿现有反应器的流量分布不够均匀。
发明内容
因此，本发明的一个目的是改进用于生产二羟基化合物的反应器的吞吐量。
本发明的另一个目的是改进用于生产二羟基化合物的整个反应器中的均匀流动分布。
发明人惊奇地发现，这些目标中的一个或多个可以至少部分地通过上流式反应器来满足，其中将反应物以特定方向引入反应器中。
因此，在第一方面，本发明涉及上流式反应器用于生产二羟基化合物的用途，所述上流式反应器包括：
-容器；
-设置在所述容器中的催化剂床；和
-与入口流体连通的分布器，反应物通过该入口引入到所述分布器，所述分布器设置在所述容器的下端处并且包括设置在所述分布器中的一个或多个分布器穿孔，该分布器穿孔的至少一部分处于远离所述催化剂床的方向上；和
-收集器，通过该收集器取出所述产物二羟基化合物，所述收集器设置在所述容器的上端处。
发明人认为，当分布器穿孔朝向分布器上方(即面向催化剂床)时，从那些分布器穿孔出来的液体射流影响该分布器上方的流动分布。不希望受任何理论束缚，发明人认为，那些液体射流的动量是分布器上方较高不良分布(定义为通过反应器横截面切片的流动的不均匀分散)的原因，并且耗散该动量将有助于减少该不良分布。为了耗散该动量，在远离催化剂床的方向上提供分布器穿孔(例如，在朝向容器底部的方向上)。当液体射流撞击容器壁(例如底壁)时，动量被耗散。
根据本发明的反应器包括催化剂床，反应物流动通过该催化剂床以反应并产生最终的二羟基化合物。反应物在大致垂直的方向上并流地通过床从较低的高度向较高的高度流动。为了获得有利的选择性、产率和反应物转化率，设计反应器使得可以实现类似于或至少近似活塞流的流动概况。如本文所述的上流式反应器非常适合于生产双酚化合物。尽管该方法适用于生产双酚的任何异构体，但优选的异构体是通过在催化剂的存在下以及可选地在助催化剂(例如反应促进剂)的存在下使酮(例如丙酮)与酚反应生产的双酚A。可以使用的典型的酚包括但不限于邻甲酚、间甲酚、2,6-二甲基苯酚、邻仲丁基苯酚、1,3,5-二甲苯酚、四甲基苯酚、2-甲基-6-叔丁基苯酚、邻苯基苯酚、邻-和间-氯苯酚、邻溴苯酚、2,6-二氯苯酚和它们的任何组合。在本发明的上下文中的反应物优选地是丙酮和苯酚，它们的反应产生双酚A作为主要和所需的反应产物。最终的双酚A产物可进一步与光气或碳酸二苯酯组合以产生聚碳酸酯。
图(图)1示出了用于生产优选的双酚异构体的上流式化学反应器10的一个示例性实施方式。反应器10包括催化剂床12、分布器20和收集器40。筛网可以在反应区域内提供催化剂的容纳，使得反应混合物可以流动通过反应器。可以在反应器10的上部中催化剂床12的上方限定自由液体空间13。反应物(优选地丙酮和苯酚)通过分布器20沿向下远离催化剂床的方向喷射到反应器中。该实施方式中的反应器的底壁用作耗散动量的撞击板。在反应物向上行进并通过催化剂床12到达自由液体空间13之前，反应物从分布器向下行进并撞击反应器底壁，动量被耗散。这种配置使得流动的不良分布最小化并且在催化剂床12的任何间隙切片上保持基本上均匀的流动分布。为了使反应器10的最具成本效益的操作所需的催化剂量最小化，催化剂床12在高度h上延伸，使得在催化剂床12的最高水平处的产物双酚异构体具有所需的产率和选择性。
催化剂床12由容器14容纳。容器14可具有任何能够促进净上升流配置中的反应物流动的几何形状。例如，容器14可以是基本上圆柱形、平行六面体或球形的结构。因为圆柱形容器在化学工业中广泛可用，并且因为现有的罐或反应器可以通过相对简单的修改而转换成根据本发明所述的上流式反应器，所以优选容器14具有圆柱形几何形状。容器14的下端优选是平坦的(如图1所示)。然而，下端可以是圆形、圆锥形或其任何组合。分布器20设置在容器14的下端处。在本文中使用的术语“下端”是指容器的下半部分。这意味着分布器20上方的容器容积大于分布器20下方的容器容积。收集器40设置在容器14的上端处。在本文中使用的术语“上端”是指容器的上半部分。这意味着收集器40上方的容器容积小于收集器40下方的容器容积。
设置在容器14中的催化剂优选是至少部分交联的离子交换树脂催化剂。离子交换树脂催化剂的交联度通常保持在一定水平，以保持球形颗粒的完整性。特别地，该交联度可最高达约4％。然而，较低的交联水平改进了催化剂寿命，因此交联度优选为约2％。更优选的是，催化剂是磺化芳香族树脂，如聚苯乙烯，其含有一定程度的二乙烯基苯交联和一定程度的磺酸官能度。交联密度最优选为2.5％或更低，并且酸毫当量优选为4毫当量/克(meq/g)或更高。可选地，还可以使用助催化剂。典型的助催化剂(它可以连接或不连接)包括但不限于巯基和硫醇(thiols and mercaptans)。本发明的反应器作为固定床操作，也称为填充床反应器，因此其应区别于流化床，在流化床中催化剂处于流化状态。相反，本发明中使用的反应器中的催化剂颗粒不会处于这种流化状态。然而，本领域技术人员将理解的是，在固定床或填充床操作模式中，可能存在由反应物流动通过催化剂床引起的一些无意的催化剂位移。这种位移不被认为是流化状态。
本发明的反应器可包括设置在所述分布器20和所述催化剂床12之间的分布器筛网17。分布器筛网17优选地包括基本上对应于容器14的横截面几何形状的网状材料或平板。优选地，分布器筛网17直接放置在分布器20上方。因此，分布器筛网17可以与分布器20直接接触，但优选地是分布器筛网17和分布器20之间存在一些距离，诸如5-300mm或10-200mm的距离。
在通过分布器20的一个或多个分布器穿孔引入反应物时，反应物的液体射流撞击容器壁(诸如底壁)并且使动量耗散。随后，反应物流动通过分布器筛网17，在通过催化剂床12之前产生高度均匀的流动分布。筛网17中的开口尺寸可以合适地为反应混合物中催化剂珠粒的最小粒径的2/3至1/6，诸如反应混合物中催化剂珠粒的最小粒径的1/2至1/4，优选小于该最小直径的1/3，以阻止在分布器20中接收催化剂颗粒。对于直径为400-800μm粒径的催化剂，筛网17中的开口优选为100-200μm，优选150μm或更小。分布器筛网可以具有50-300μm的开口，并且可以具有10-50％开口面积的孔隙率(孔隙度，porosity)。根据本发明可以采用不同类型的分布器筛网，包括网眼型分布器筛网、槽型分布器筛网、阵列型分布器筛网、管型分布器筛网及其组合。分布器筛网可具有不同的形状，诸如扁平形状、圆锥形状或管状形状。
在第一分布器筛网和收集器之间提供的至少一个进一步分布器筛网的使用可有助于减少反应器顶部区域中的死空间，从而提供更好的流动分布。
填充材料(未示出)可以可选地设置在容器14内并散布在催化剂内。通常为刚性的填充材料承载散布有该填充材料的催化剂的重量，从而通过抑制催化剂在其自身重量下的压缩而在催化剂床12内提供催化剂额外的结构支撑。由于催化剂与填料分离所遇到的困难，填料通常与具有低交联的催化剂一起使用。典型的填充材料包括倾倒在反应器容器内的多个离散物体，导致表面的随机排列并为反应物材料的流动提供曲折路径。该物体可以由任何刚性的化学惰性且热稳定的材料制成，当反应物材料流动通过催化剂床时，它们允许反应物材料彼此以及与催化剂的最佳接触。通常通过具有大空隙率的物体(体积小且具有大表面积的物体)来实现最佳接触。优选的填充材料包括但不限于Pall环、Tellerette环、Raschig环、Berl鞍、Intalox鞍以及它们的组合。
入口18设置在催化剂床12的下端处，以便于将反应物引入反应器10。入口18可以是配管、管道、喷嘴或类似装置形成接合点的节点，允许反应物流入由催化剂床12限定的反应区。优选地，入口18接收反应混合物并通过分布器20将其引导到反应器10中。当通过催化剂床12时，产生所需的二羟基化合物。出口22设置在催化剂床12的上端处，直接在催化剂床12中、在自由液体空间13中，或在其组合中，优选在筛网47上方。出口22通过收集器40接收异构体而从反应器10中取出产物异构体。
分布器20包括在远离催化剂床的方向上的分布器穿孔。因此，分布器穿孔可以例如在朝向容器14底部的方向上指向下方。然而，分布器穿孔可指向远离催化剂床的任何方向。可以限定由催化剂床限定的平面下的半球，其代表分布器穿孔指向的可能方向。虽然由这种半球限定的这些方向的任何一者都是可能的，但优选的是，分布器穿孔向下指向容器14的底部。
分布器中分布器穿孔的量可以变化，但优选50个穿孔/m2或更多，诸如80个穿孔/m2或更多，优选100-200个穿孔/m2。
分布器穿孔的尺寸优选使得通过每个穿孔的质量流量基本上相同。为了在反应容器的横截面上实现良好的流动分布，需要将进料均匀地引入穿过横截面。分布器中不同长度的流动路径可导致通过这些分布器穿孔的流的显著变化。这是因为不同途径中对流动的阻力是不同的。因此，优选通过每个穿孔的质量流量基本上相同。例如，这可以通过调节(play with)该穿孔直径以维持均匀的流动阻力来实现。
可选地，该反应器还可在所述第一分布器和所述收集器之间包括至少第二分布器，其中所述第二分布器与第二入口流体连通，反应物通过该第二入口引入到所述第二分布器。与第一分布器类似，第二分布器可包括设置在所述第二分布器中的一个或多个穿孔。在一个实施方式中，催化剂床包括催化剂床的两个或更多个区段，其中在每个区段下面可以提供分布器。在这种情况下，例如，该一个或多个附加分布器可以具有侧向导向的穿孔，使得从分布器穿孔出来的液体射流撞击容器的侧壁，使动量耗散。以这种方式，可以避免每个附加分布器下方催化剂床区段的相当大的干扰。
该反应器还可在所述第一分布器筛网和收集器之间包括一个或多个进一步的分布器筛网37。优选地，该进一步的分布器筛网包括直径为50-300μm的开口并且具有10-50％开口面积的孔隙率。与该分布器筛网一样，可以采用不同类型的进一步的分布器筛网，包括网眼型分布器筛网、槽型分布器筛网、阵列型分布器筛网、管型分布器筛网及其组合。分布器筛网可具有不同的形状，诸如扁平形状、圆锥形状或管状形状。
图2A和2B示出了提供反应混合物在反应器区段上均匀流动分布的构造的实例。分布器20包括歧管28，反应物材料通过歧管入口30接收到歧管28中，歧管入口30设置成与反应器的入口流体连通。在分布器20的一个示例性实施方式中，分配臂32从歧管28横向延伸。设置在歧管28相对端附近的分配臂32的尺寸通常比靠近歧管28中心设置的臂短。如此，分布器20的外限定边缘优选地对应于圆柱形反应器的横截面几何形状。特别地，如果反应器的横截面尺寸是圆形的，分配臂32的尺寸通常使得每个臂的外端从反应器的内表面延伸大致相同的距离，以促使当安装到反应器中并从反应器的上端或下端观察时，分布器20接近圆形。
歧管28以及分配臂32优选地由具有分配穿孔34的管道制成，该分配穿孔34使得能够在入口歧管30和设置在反应器床中的催化剂之间保持流体连通。
聚集层可以可选地设置在催化剂床12的下端处。聚集层为催化剂床12提供支撑并且包括对反应物和反应器10中产生的产物基本上惰性的材料。包括聚集层16的材料可以是但不限于硅砂、硅藻土、陶瓷球及其组合。
图3示出了收集器40的实例。收集器40可以是简单的流出物管道，但优选地在结构上类似于在图2中示出的分布器，以便减少与当从反应器中流出的流体减少时从催化剂床到该流出物管道可能出现的死体积相关的问题。在必须对容器施加下降流模式的情况下，它还允许良好的流体分布。收集器40位于靠近反应器上端的位置，与反应器的出口流体连通。通过收集器40从反应器中取出由丙酸与苯酚反应产生的反应产物(二羟基化合物，例如双酚A和异构体)(以及未反应的组分)。
收集器40优选地包括歧管42，歧管42具有从其延伸的收集臂44。优选地，收集臂44以及歧管42包括收集器穿孔46，使得二羟基化合物产品可以在其中接收并通过产物引出线48取出。在收集器40的示例性实施方式中，收集臂44从歧管42横向延伸。设置在歧管42相对端附近的收集臂44的尺寸通常比设置在歧管42中心附近的臂短。如此，收集器40的外部限定边缘可对应于圆柱形反应器的横截面几何形状。与分布器一样，收集臂44的端部可以近似反应器内表面的几何形状。
优选地，收集器40包括设置在所述收集器中的一个或多个收集器穿孔。这些收集器穿孔可以在远离所述催化剂床的方向上设置在所述收集器中。因此，该收集器穿孔可以例如在朝向容器14顶部的方向上指向向上。然而，分布器穿孔可指向远离催化剂床的任何方向。可以限定由催化剂床限定的平面上方的半球，其代表了收集器穿孔优选指向的可能方向。虽然由这一半球限定的任何这些方向都是可以的，但优选的是，收集器穿孔朝向容器14的顶部指向向上。
可以在所述收集器处设置一个或多个第二筛网47(收集器筛网)。可以在分布器筛网17和收集器40之间的任何点处设置所述第二筛网47。第二筛网47优选地包括平板网状材料，其基本上对应于容器14的横截面几何形状并且优选地直接放置在收集器40下方，如图1所示。筛网47中的开口尺寸合适地为反应混合物中催化剂珠粒的最小粒径的2/3至1/6，诸如反应混合物中催化剂珠粒的最小粒径的1/2至1/4，优选小于该最小直径的1/3，从而阻止在收集器40中接收催化剂颗粒。对于粒径为400-800μm的催化剂，一个或多个收集器筛网47中的开口可以为100-200μm，优选150μm或更小。收集器筛网47可以具有50-300μm的开口并且可以具有10-50％开口面积的孔隙率。根据本发明可以采用不同类型的收集器筛网47，包括网眼型筛网、槽型筛网、阵列型筛网、管型筛网及其组合。该一个或多个分布器筛网47可具有不同的形状，诸如扁平形状、圆锥形状或管状形状。
在操作中，通过入口18将包含酮与新鲜和/或再循环的苯酚的反应混合物(例如丙酮和苯酚)引入反应器10中。反应器的操作可以是“单程”，例如，可以将酮和苯酚加入反应器中，并且在反应器出口处取出二羟基化合物和过量的反应物。然而，优选地，反应器的操作包括再循环回路，例如，在反应器出口处取出二羟基化合物，并将过量的酮和苯酚再循环回到反应器进料中。引入反应物的压力足以迫使反应物离开分布器20，通过催化剂床12，并到达收集器40。可以监测进料反应物的组成，以确保满足生产所需二羟基化合物的适当规格。反应物的监测可以在线进行或通过从入口流中取出样品来进行。
可以在入口18处、在催化剂床12内的各个点、在自由液体空间13(如果有的话)和在出口22处监测温度和压力。还可以监测流动速率。如果反应器10的操作是自动化的，则可以利用测量来控制反应物至入口18的进料速率以及系统的其它参数。
优选的是，催化剂床12顶部处的温度高于二羟基化合物的结晶温度。为了避免与产物结晶相关的问题，或者在反应器绝缘不充分的情况下，可以通过使热流体流通过反应器夹套来加热反应器10，特别是在其顶部处。然后，通过夹套的热流体流可以将热量传递给反应混合物并防止二羟基化合物在催化剂床中结晶。作为替代，可以使用电伴热来保持足够高的壁温，以防止结晶。
在进一步方面中，本发明涉及一种在根据本发明所述的上流式反应器中用于生产二羟基化合物的方法，所述方法包括：
-通过所述入口将反应物引入至所述分布器；
-使所述反应物流动通过所述催化剂床；和
-从所述收集器中回收所述二羟基化合物。
该用于生产二羟基化合物的方法优选是一种用于生产双酚化合物(诸如特别是双酚A)的方法。
在又进一步的方面中，本发明涉及一种用于制造聚碳酸酯的方法，所述方法包括：
-根据上述用于生产二羟基化合物的方法生产二羟基化合物，和使所述二羟基化合物与碳酸酯源(诸如光气或碳酸二苯酯)反应。
该用于制造聚碳酸酯的方法优选地包括生产双酚化合物诸如双酚A，和使该双酚化合物与光气、碳酸二苯酯或它们的组合反应。
本文引用的所有参考文献在此通过引证完全并入，其程度如同每篇参考文献被单独且具体地指示通过引证并入并且在本文中完整地阐述。
在描述本发明的上下文中(特别是在权利要求的上下文中)使用术语“一(a)”和“一(an)”和“该/所述(the)”以及类似的指代物应被解释为涵盖单数和复数，除非本文另有说明或明显与上下文相矛盾。术语“包含(comprising)”、“具有(having)”、“包括(including)”和“含有(containing)”应被解释为开放式术语(即意味着“包括但不限于”)，除非另作说明。除非本文另有说明，否则本文中对数值范围的描述仅旨在用作单独提及落入该范围内的每个独立值的简写方法，并且每个独立值被并入本说明书中如同其在本文中被单独叙述一样。除非另有声明，否则本文提供的任何和所有实例或示例性语言(例如，“诸如”)的使用仅旨在更好地说明本发明，并不构成对本发明范围的限制。说明书中的任何语言都不应被解释为表明任何未要求保护的要素对于本发明的实践是必不可少的。出于说明书和所附权利要求的目的，除非另有说明，否则表达量、数量、百分比等的所有数字应理解为在所有情况下均被术语“约”修饰。此外，所有范围包括所公开的最大点和最小点的任何组合，并且包括其中的任何中间范围，该中间范围可能或可能未在本文中具体列举。
本文描述了本发明的优选实施方式。在阅读了前面的描述后，那些优选实施方式的变化对于本领域普通技术人员来说可变得显而易见。本发明人期望本领域技术人员适当地采用这些变化，并且本发明人意图以不同于本文具体描述方式的其它方式实施本发明。因此，本发明包括适用法律所允许的所附权利要求中所述主题的所有修改和等同物。此外，除非本文另有说明或因其它方式与上下文明显矛盾，否则本发明涵盖上述元素的所有可能变化的任何组合。权利要求应被解释为包括现有技术允许的范围内的替代实施方式。
出于清楚和简明描述的目的，在本文中将特征描述为相同或单独实施方式的一部分，然而，应当理解的是，本发明的范围可以包括具有所描述特征的全部或一些的组合的实施方式。
现在通过以下非限制性实施例进一步说明本发明。
附图说明
图1：上流式化学反应器的一个示例性实施方式的示意图。
图2：反应物分布器的示意图。
图3：产物收集器的示意图。
图4：上流式反应器中单阶段绘图的快照。
图5：上流式反应器绘图的快照。
图6：分布器筛网下方侧进料管的快照。
图7：具有底部分布器筛网(左)和顶部分布器筛网(右)的3D建模几何形状的等轴视图快照。
图8：基础壳体设计的截面中心平面(左)处的速度分布图和中间横截面(右)处的速度分布图的快照。
图9：位于分布器筛网上方10mm的横截面上的速度分布图的快照。
图10：在进料管底面有穿孔的改进几何形状的快照。
图11：在截面中心平面处的速度分布图(左)和低部分布器筛网上方10mm处横截面平面的速度分布图(右)的快照。
图12：位于分布器筛网上方10mm处横截面上的速度分布图的快照比较：穿孔朝上(左)和穿孔朝下(右)。
图13：中心截面上的速度分布图的快照比较：具有两个分布器筛网(左)和具有一个分布器筛网(右)。
图14：管网模型的几何模型。
图15：管网模型表面上的速度分布图(左)和截面上的速度分布图(右)。
具体实施方式
实施例
反应器几何形状
设计上流式测试套件反应器以具有三个催化剂床区段。反应器的总高度约为4.4米且直径约为0.74米。有两个固体隔板将整个反应器分成三个区段。图4中示出了一个这样的区段的示意图(示出了分布器20、分布器筛网27、催化剂床12、收集器筛网47和收集器40)，并且图5示出了附图的完整示意图(显示了具有三个反应区段的反应器：第一阶段反应区、第二阶段反应区和第三阶段反应区，每个区具有催化剂床12)。具有分布器20和分布器筛网27的分布器系统，具有催化剂床12的第一阶段反应区，具有收集器40和收集器筛网47的收集器系统，具有催化剂床12的第二阶段反应区，和具有催化剂床12的第三阶段收集器区)。反应器的每个区段设置有分布器系统和收集器系统，该分布器系统包括分布器20和分布器筛网27，该收集器系统包括收集器40和收集器筛网47。分布器系统设置在区段的底部，且收集器系统设置在区段的顶部。在分布器筛网27下方，分布器20以一系列侧进料管的形式提供，以分配液体进料。这些侧进料管的布置如图6所示。作为图6中所示实施方式的替代，每个侧进料管可以是分配臂32，其附接至进入反应器的单个歧管28，而不是单独进入反应器(如在图2B的实施方式中)。每个侧进料管设有一组穿孔，以将进料分配在横截面上。图7示出了建模几何形状的等轴视图。
工艺条件
用于双酚A制造的原料是苯酚和丙酮。根据表1中给出的条件将苯酚和丙酮的预混合进料送至反应器。
表1：入口和出口处的工艺条件
当前问题所需的最重要信息是流动分布。将与均匀流动分布的偏差(称为不良分布)定义为如下表示。
在底部分布器板上方10mm的距离处，计算不良分布并将其用作度量以横跨比较各种设计可替代方案。在横跨不同的设计/场景中比较这些横截面处的不良分布数，以了解流动行为(或反应器行为)。
实施例1：具有两个分布器的基础壳体反应器(比较的)
基础壳体设计包括四个侧进料管和两个分布器。该四个进料管建模有46个穿孔，穿孔直径为10mm。较长的管建模有以5cm间隔开的13个穿孔，并且较短的管建模有具有相同间隔的10个穿孔。最初，在管的上侧(朝上)进行穿孔。分布器板建模有3825个具有5mm直径的较小的穿孔。分布器筛网的厚度为7mm。
对具有如前一段落中说明的设计的几何形状进行冷流模拟，结果示出在图8和9中。图8示出了基础壳体设计在中轴截面(左)上和中间横截面(右)处的速度分布图。轴截面上的速度分布图显示为展开流(developing flow)，并且横截面处的速度分布图显示为抛物线型流动模式。这些结果正如预期的通管道的典型流动情况。发现中间横截面处的不良分布为151％，并且这是由具有抛物线流动概况的展开流动模式引起的。均匀流动分布的目标平面恰好位于较低的分布器筛网上方。较低分布器筛网上方10mm平面处的速度分布图如图9所示。不良分布为189％，并且这种高非均匀性归因于图9中突出显示的高速度斑块。可以认为，该高速率斑块是由更多量的流体试图穿过它遇到的第一个穿孔而行进的事实引起的。这些高速度斑块还可能在催化剂床中导致沟流(channelling)。
实施例2：改变穿孔面向方向以耗散动量
基于实施例1中讨论的模拟结果，得出结论，高速度斑块是由于更多流体试图穿过第一个穿孔的事实，因为它是较低的阻力路径。这导致第一孔处的高局部速度。通过用撞击板耗散动量，可以使高速斑块对催化剂床的影响最小化。决定使用区段的底壁作为撞击板以耗散该动量。这需要在侧管的底面上放置穿孔，使得流体从这些管道向下行进并撞击在底壁上并耗散动量。对几何形状模型进行了修改以实现这一点并且推进计算流体动力学(CFD)模拟。在进料管底面带有穿孔的改进几何形状的快照如图10所示。
CFD模拟结果如图11和图12所示。据观察，当穿孔朝下时，流体以较高的速度向下进入反应器，并且这些较小的射流的动量由于它们撞击在区段的底壁上而在进料管下方的区域中耗散。失去动量后的流体向上行进而不会干扰反应区段(其中将放置催化剂床)。由于这个原因，不良分布显著减少，并且发现较高速度的斑块在下部分布器筛网上方的速度分布图中消失了。如图11和图12所示，这是明显的。如图12所示，不良分布已经显著降低。
实施例3：分布器筛网数量的影响
使用一个和两个分布器筛网开发几何形状模型并且进行CFD模拟以了解附加分布器筛网的作用。图13示出了模拟结果。明显的是，底部的分布器筛网主要用于支撑催化剂床并且也有助于重新分配流体。但是，如果没有CFD建模的支持，顶部分布器筛网的作用/需求就会受到质疑。基于模拟结果，发现顶部分布器筛网即使在反应区段后也起到维持均匀流动的作用。因此，反应器中的死空间显著减小。这对于良好的停留时间分布非常关键。在图13中，将单个分布器筛网的模拟结果与两个分布器筛网的结果进行了比较，并且当添加了顶部分布器筛网时，死空间更小是显而易见的。
实施例4：管网模型
在进料分配系统中，理想的是在整个反应器横截面上具有均匀的流动。为了横跨横截面实现良好的流动分布，需要将进料均匀地引入横跨横截面。为了有效地分配进料，选择了具有50个穿孔的四个进料管(在之前的模拟中为46个)。当以这种方式对分配系统进行建模时，发现流动通过这些孔的进料量显著变化。据了解，不同长度的流路是造成这种行为的原因。后来认为即使不同穿孔的流路长度不同，但通过调整穿孔直径也可以实现相同的流动。此处，详细讨论了通过这些穿孔实现均匀流动的CFD模拟工作。
为了提高计算效率，将管网模型建模为几何形状，以便可以操纵穿孔直径以确保每个穿孔流动通过相同的液体。可视化管网模型几何体如图14所示。
在网状几何形状上进行模拟，并且监测通过两个管(M1和S1)的每个穿孔的流速。假设剩余的两个管(M2和S2)与前两个(M1和S1)相同。通过反复试验改变穿孔直径，以保持通过这些穿孔的流动或多或少均匀。管网模型的速度分布图如图15所示。根据颜色图例，四个管中的速度大小完全相同。然而，数值结果列于表2。0.2kg/s的总流速大致均匀地分配到所有进料管。由于较长的管(M1)和较短的管(S1)的穿孔数量不同，因此这些不同的管的每个穿孔的进料流速是不同的。M1管穿孔的平均进料流速为0.00362kg/s且S1管为0.00438kg/s。需要注意的另一点是，通过反复试验模拟方法可以使沿每根管的变化最小化。例如，M1管中的所有穿孔都传送了几乎相同的流速，并且S1管也是如此。还计算了标准偏差数字并制成表格以突出这一结论。假设剩余的两个管相同以降低计算强度。
表2：优化的穿孔直径和流速
以下阐述的是本文公开的上流式反应器的一些实例。
实施方式1：一种上流式反应器用于生产二羟基化合物的用途，所述上流式反应器包括：容器；设置在所述容器中的催化剂床；与入口流体连通的分布器，反应物通过该入口引入至所述分布器，所述分布器设置在所述容器的下端处并且包括设置在所述分布器中的分布器穿孔(优选分布器穿孔，例如多个分布器穿孔)，该分布器穿孔的至少一部分处在远离所述催化剂床的方向上；和收集器，通过该收集器取出所述产物二羟基化合物，所述收集器设置在所述容器的上端处。
实施方式2：根据实施方式1所述的用途，其中所述反应器进一步包括设置在所述分布器和所述催化剂床之间的分布器筛网，其中所述分布器筛网优选包括直径为50-300μm的开口并且具有10-50％开口面积的孔隙率。
实施方式3：根据前述实施方式中任一项所述的用途，其中所述反应器包括设置在所述收集器处的第二筛网，优选地其中所述第二筛网具有10-50％开口面积的孔隙率。
实施方式4：根据实施方式3所述的用途，其中所述第二筛网包括直径为50-300μm的开口。
实施方式5：根据前述实施方式中任一项所述的用途，其中所述收集器包括设置在所述收集器中的一个或多个收集器穿孔。
实施方式6：根据前述实施方式中任一项所述的用途，其中所述收集器穿孔的至少一部分在远离所述催化剂床的方向上。
实施方式7：根据前述实施方式中任一项所述的用途，其中该分布器穿孔的尺寸是使得通过每个穿孔的质量流量基本上相同。
实施方式8：根据前述实施方式中任一项所述的用途，包括50个穿孔/m2或更多，诸如80个穿孔/m2或更多，优选100-200个穿孔/m2。
实施方式9：根据前述实施方式中任一项所述的用途，进一步包括在所述第一分布器筛网和所述收集器之间的至少一个进一步的分布器筛网，其中所述进一步的分布器筛网优选包括直径为50-300μm的开口。
实施方式10：根据实施方式9所述的用途，其中所述进一步的分布器筛网具有10-50％开口面积的孔隙率。
实施方式11：根据前述实施方式中任一项所述的用途，其中所述容器具有基本上圆柱形、基本上平行六面体、基本上球形或它们的组合的结构几何形状。
实施方式12：根据前述实施方式中任一项所述的用途，其中所述分布器包括与所述入口流体连通的歧管，反应物被接收至该歧管中，并且其中从所述歧管横向延伸多个臂，其中所述一个或多个分布器穿孔设置在所述多个臂中。
实施方式13：根据前述实施方式中任一项所述的用途，其中所述收集器包括歧管，其中从所述歧管横向延伸多个臂，其中所述一个或多个收集器穿孔设置在所述多个臂中。
实施方式14：根据实施方式12或13所述的用途，其中所述多个臂包括设置在所述歧管的相对端处的臂以及设置在所述歧管的所述相对端之间的臂，其中设置在所述歧管的所述相对端处的所述臂比设置在所述歧管的所述相对端之间的所述臂短。
实施方式15：一种用于在实施方式1-13中任一项所限定的上流式反应器中生产二羟基化合物的方法，所述方法包括：通过所述入口将反应物引入至所述分布器；使所述反应物流动通过所述催化剂床；以及从所述收集器中回收所述二羟基化合物。
实施方式16：一种用于制造聚碳酸酯的方法，所述方法包括：根据实施方式15所述的方法生产二羟基化合物；以及使所述二羟基化合物与碳酸酯源(诸如光气或碳酸二苯酯)反应。
实施方式17：根据实施方式1-14中任一项所述的用途，或根据实施方式15或16所述的方法，其中所述二羟基化合物是双酚，优选地双酚A。

Claims (15)

1.一种上流式反应器用于生产二羟基化合物的用途，所述上流式反应器包括：
-容器；
-设置在所述容器中的催化剂床；
-与入口流体连通的分布器，反应物通过该入口引入至所述分布器，所述分布器设置在所述容器的下端处并且包括设置在所述分布器中的分布器穿孔，该分布器穿孔的至少一部分在远离所述催化剂床的方向上；和
-收集器，通过该收集器取出所述产物二羟基化合物，所述收集器设置在所述容器的上端处。
2.根据权利要求1所述的用途，其中所述反应器进一步包括设置在所述分布器和所述催化剂床之间的分布器筛网，其中所述分布器筛网优选地包括直径为50-300μm的开口并且具有10-50％开口面积的孔隙率。
3.根据前述权利要求中任一项所述的用途，其中所述反应器包括设置在所述收集器处的第二筛网，其中所述第二筛网优选地包括直径为50-300μm的开口并且具有10-50％开口面积的孔隙率。
4.根据前述权利要求中任一项所述的用途，其中所述收集器包括设置在所述收集器中的收集器穿孔。
5.根据前述权利要求中任一项所述的用途，其中所述收集器穿孔的至少一部分在远离所述催化剂床的方向上。
6.根据前述权利要求中任一项所述的用途，其中所述分布器穿孔的尺寸是使得通过每个穿孔的质量流量基本上相同。
7.根据前述权利要求中任一项所述的用途，包括50个穿孔/m2或更多，诸如80个穿孔/m2或更多，优选地100-200个穿孔/m2。
8.根据前述权利要求中任一项所述的用途，进一步包括在所述第一分布器筛网和所述收集器之间的进一步的分布器筛网，其中所述进一步的分布器筛网优选地包括直径为50-300μm的开口并且具有10-50％开口面积的孔隙率。
9.根据前述权利要求中任一项所述的用途，其中所述容器具有基本上圆柱形、基本上平行六面体、基本上球形或其组合的结构几何形状。
10.根据前述权利要求中任一项所述的用途，其中所述分布器包括与所述入口流体连通的歧管，反应物被接收至所述歧管中，并且其中多个臂从所述歧管中横向延伸，其中所述分布器穿孔设置在所述多个臂中。
11.根据前述权利要求中任一项所述的用途，其中所述收集器包括歧管，其中多个臂从所述歧管中横向延伸，其中所述收集器穿孔设置在所述多个臂中。
12.根据权利要求10或11所述的用途，其中所述多个臂包括设置在所述歧管的相对端处的臂和设置在所述歧管的所述相对端之间的臂，其中设置在所述歧管的所述相对端处的所述臂比设置在所述歧管的所述相对端之间的所述臂更短。
13.一种用于在权利要求1至11中任一项所限定的上流式反应器中生产二羟基化合物的方法，所述方法包括：
-通过所述入口将反应物引入至所述分布器；
-使所述反应物流动通过所述催化剂床；以及
-从所述收集器中回收所述二羟基化合物。
14.一种用于制造聚碳酸酯的方法，所述方法包括：根据权利要求13所述的方法生产二羟基化合物，以及使所述二羟基化合物与碳酸酯源诸如光气或碳酸二苯酯反应以形成聚碳酸酯。
15.根据权利要求1至12中任一项所述的用途、或根据权利要求13或14所述的方法，其中所述二羟基化合物是双酚，优选地双酚A。
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