CN1208123C - 管式反应器、在管式反应器中进行液/液多相反应的方法、和一种在管式反应器中环－硝化芳烃化合物的方法 - Google Patents

管式反应器、在管式反应器中进行液/液多相反应的方法、和一种在管式反应器中环－硝化芳烃化合物的方法 Download PDF

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Abstract

一种具有被连合区分隔开的短小的静态混合元件的管式反应器用来进行多相液/液反应。通过所述静态混合元件，一种相的小微滴分散到其它相之中。当所述混合物流过随后的连合区时，这些微滴进行结合并至少部分相分离。所述管式反应器特别适合于硝化有机化合物，同时形成低含量的不适当硝化的副产物和低含量的硝基苯酚。

Description

管式反应器、在管式反应器中进行液/液多相反应的方法、和一种在 管式反应器中环-硝化芳烃化合物的方法
技术领域
本发明涉及一种管式反应器和在管式反应器中进行液/液多相反应特别是芳烃化合物的硝化反应的方法。
背景技术
不溶混或稍微溶混的液体之间的反应是经常发生的。典型的这类反应包括一种含水相，它能与一种不溶混的有机相进行反应。由于希望的化学反应通常主要发生在液相界面处，为了获得完全反应或工业可接受的反应速率，一个重要因素是剧烈地混合这些液相。存在有多种实现此目的的方法。一种常用方法是在机械混合下实施所述反应，如通过采用一种搅拌叶片。阶梯式反应也是已知的。这些类型的装置具有多种不同的缺点。运动部件易于磨损，需要维修或更换。通常地，所述装置是相对昂贵的。经常发生的反混会导致形成不希望的副产物，或者，在有些情形时，会导致原料发生过度反应。
与不溶混液体间反应相关的问题，可由芳烃化合物的硝化反应得到很好的说明。两种工业上重要的芳烃化合物为单硝基苯(MNB)和二硝基甲苯，它们是分别通过硝化苯和甲苯而制备得到的。MNB是一种常用的溶剂，它可转化为另一种工业上重要的化合物，苯胺。相似地，硝化甲苯产物如二硝基甲苯，可用来制备如甲苯二胺等衍生物，甲苯二胺还可进一步转化为甲苯二异氰酸酯，它是一种用来制备聚氨酯聚合物的重要原料。
芳环硝化反应通常是在硫酸存在下通过混合芳烃化合物与硝酸而进行的。在Castner的US2256999中描述了一种用来制备单硝基苯的绝热过程。在Castner的方法中，与所有相似的苯硝化方法一样，酸形成一种与芳烃化合物不溶混的物相。因此，为了获得工业可接受的反应速率，Castner描述了采用一连串的搅拌罐用来实施所述反应。但是，所述Castner方法，存在多个问题，主要是低收率和形成高含量的硝基苯酚类杂质。而且，所述Castner方法形成了不希望的高含量的过度硝化的产物，主要为二硝基苯。
相信高的切变混合能够处理不溶混原料也反映在其它硝化方法中。在US4021498和US4091042中，Alexanderson等人描述了采用一种“剧烈搅拌”管式反应来实施所述反应。但是，这种反应器单独不足以令人满意地制备想要的产物。因此，Aleexanderson等人需要仔细地选择起始原料的比例，以降低产物中杂质的含量。这种常用的降低杂质的方法延续在Guenkel等人的US5313009之中，在其中，杂质形成量的降低据说是通过采用一种特定设计的混合器(它可在所述酸相中制成非常细小的苯气泡)，其后连接一个管式反应器(它可包括附加的静态混合元件)而实现的。象Alexanderson等人一样，Guenkel等人也发现，起始原料的非常特定的比例，对于获得具有低含量杂质的产物是非常必要的。
其它的参考资料也是相似的。在Engelbert等人的US3431312中，硝化反应是在一连串的阶梯式反应器中进行的，它们都配置有混合器或搅拌器。在Evans的US4973770中，所述反应是通过形成一种硝酸和硫酸的湍流，以形成混合酸的微滴，其尺寸大小为小于1-10μm。在US5963878中，一种管道硝化器流注到一个搅拌罐式反应器中。
在Morisaki的US5763687所述的方法中，所述反应是在一种配置有多个专门设计的静态混合元件的管式或管道反应中进行的。
这样，芳烃化合物的硝化反应典型地体现了伴随多相液/液反应存在的问题。一方面，基于经济原因，必需要获得一种可接受的反应速率，而这通常是通过提高所述物相之间的接触而得到促进的。另一方面，物相的过度接触会引起形成杂质，特别是硝基苯酚类和甲酚类。相似地，物相的反混或过度接触也可能使想要的反应走得太远。对于硝化反应来说，这可由产生的过度硝化产物如二硝基苯(在MNB生产中)看出。在这种方法中形成的杂质，降低了收率，从而降低了所述方法的整体经济效率。
因此，人们希望提供一种装置，采用它可进行多相液/液反应，它能很好控制反应并能有效地混合所述物相。人们还希望提供一种用来有效地进行多相液/液反应的方法，它具有良好的收率和形成低含量的杂质和副产物。特别地，人们希望提供一种使用相对廉价设备硝化芳烃化合物的方法，它具有良好的收率，低含量的硝基苯酚类杂质和低含量的不想要的副产物。
发明内容
在第一方面，本发明是一种管式反应器，它包括一个管道，所述管道具有一个用于反应混合物进入所述管式反应器的入口端、一个用于产物物流排出的出口端、和设置在所述入口端和出口端之间管道之中的一系列被连合区(coalescing zone)分隔开的短小的静态混合元件(static mixing element)，其中，(a)每个静态混合元件的长度不大于该静态混合元件直径的6倍，(b)每个所述连合区的长度至少为该连合区直径的4倍。
所述第一方面的管式反应器，提供了一种简单的装置，多相液/液反应可以在其中高收率地进行，并具有低含量的杂质和副产物。
在第二个方面，本发明是一种用来进行多相液/液反应的方法，包括(1)引入一种多相液体反应混合物到一个具有一系列被连合区分隔开的短小的静态混合元件的管式反应器的入口端，其中，(a)选择每个连合区长度以及所述反应混合物的流率，使得所述反应混合物流过所述连合区时，所述多相反应混合物的至少一种液相的微滴发生结合，且至少部分地相分离所述反应混合物的至少一种其它液相，形成一种所述反应混合物富含于一个相中的上层部分，和一种所述反应混合物贫乏于所述相中的下层部分，并且，当所述反应混合物从一个连合区流过一个静态混合元件时，所述反应混合物的上层和下层部分被剪切并混合以再分散所述结合的微滴，以更小的微滴存在于所述至少一种其它液相中，(2)在反应条件下，使所述反应混合物流过所述管式反应器，和(3)从所述管式反应的出口端排放出一种含有想要的反应产物的物流。
在第三个方面，本发明是一种用来硝化芳烃化合物的方法，包括：在反应条件下，使一种含有芳烃化合物和一种含有硫酸或磷酸、硝酸和水的酸相的反应混合物，流过一个具有一系列被连合区分隔开的短小的静态混合元件的管式反应器，其中，(a)选择每个所述连合区的长度以及所述反应混合物的流率，使得所述反应混合物流过一个连合区时，所述芳烃化合物的微滴发生结合，且至少部分地相分离所述酸相，在所述有机化合物中形成富含所述反应混合物的上层部分，和在所述有机化合物中贫乏的所述反应混合物的下层部分，且当所述反应混合物从一个连合区流过一个稳态混合物元件时，所述上层和下层部分被剪切并混合以再分散所述芳烃化合物以更小的微滴存在于所述酸相中。
这种方法可得到具有良好收率的想要的硝化产物，并具有低含量的不足硝化和过度硝化的产物和硝基苯酚杂质。而且，所述管式反应器中低的压降，可允许采用更小的泵送设备，从而可降低成本费用和能量消耗。
附图说明
图1所示为本发明一种管式反应器的一种实施方案的截面侧视图(不是按比例的)。
图2和3所示为两个穿孔板实施方案的正视图，它们是优选的用于本发明所述管式反应器中的静态混合元件。
本发明的管式反应器是一种具有一个入口端和一个出口端的管道或导管。在所述管道中，有一系列被连合区分隔开的间断地间隔的短小的静态混合元件。所述“连合区”，它是表示所述管式反应器的这样一个区域，混合物的混合在其中是最低限度的。所述连合区是设计成这样的，当所述反应混合物流过它时，重力支配着液体动力，这样，所述分散液相的微滴就发生结合，并至少部分相分隔开。
所述静态混合元件剪切并混合这些部分，使得所述分散相微滴形成更小的微滴分散在至少一种其它相中。所述混合反应混合物接着流过一个随后的连合区，并重复所述微滴结合和相分离的步骤。这样，所述反应混合物流过一系列的混合和结合步骤，直到所述反应基本上完成。
采用短小长度的静态混合元件，这样，反应混合物在每个静态混合元件中的停留时间就不会明显地超过为获得需要的所述反应混合物的剪切和混合所需要的停留时间。所述稳态混合的长度，可用长度/直径比来表示，或用停留时间来表示。当然，停留时间依赖于流率。所述静态混合元件合适地具有的长度/直径比不大于6，优选是不大于2，更优选是不大于1，更加优选是不大于0.5，最优选是不大于0.2。就停留时间来说，选择所述静态混合元件的长度以及操作流率，使得反应混合物在每个静态混合元件中的停留时间不大于2秒，更优选是不大于0.25秒，最优选是不大于0.1秒。
对于所述静态混合元件设计的选择不是特别关键性的，只要能够获得需要的剪切和混合即可。因此，所述静态混合元件可以包括：插脚、挡板、管式插入物(包括US5763687中所述类型的螺旋形管式插入物)。但是，可使经过所述静态混合元件的压降最小化的设计，是优选的。优选地，在用于该方法的所述流率时，经过每个静态混合元件的压降不大于1.0巴(105Pa)，更优选是不大于0.7巴(7×104Pa)，最优选是不大于0.4巴(1×104Pa)。
一种优选的静态混合元件，是一种与流动方向近似垂直地放置的平板，它仅在其表面的一部分上具有穿孔。一般地，当平板是按所述管式反应器取向时，平板的非穿孔部分，将主要处于接近于所述平板的顶部或底部。穿孔更优选地是仅仅位于所述平板的顶部或底部的1/2-2/3之间。这类穿孔平板的两种合适的设计，如图2和3所示。在图2中，平板200具有多个小孔201，它们位于所述平板的底部2/3中。小孔201的直径沿着所述平板底部方向是增大的。在图3中，平板300具有均匀直径的小孔301，它们位于所述平板底部2/3中。平板200和300是处于所示取向，它们最优选地是按这种方式进行安装，平板200和300的非穿孔部分是处于顶部。但是，在某些情形中，安装平板200或300使所述非穿孔部分接近底部，也可能是更为合适的。这种情形的一个实例是这样一种情况，其中的高密度液相也是所述反应混合物中的低容积相。所述平板优选具有至少一个穿孔接近于所述底部，以便有利于排干所述管式反应器。
优选的平板混合器是便利地安装在所述管式反应器相邻部分之间的法兰上。此外，它们可在在反应器中作为插件插入。
在管式反应器中由连合区将单个的静态混合元件分隔开。一般来说，连合区取向，可使得所述反应混合物从一个静态混合元件运行到下一个静态混合元件时，在所述反应混合物中发生一定程度的重力相分离。这样，当所述反应混合物流过一个连合区并达到下一个静态混合元件时，它分离为一个上层部分(它相对富含有所述反应混合物的低密度成分)和一个下层部分(其低密度成分相对来说是贫乏的)。所述连合区通常基本不含有混合元件。
所述连合区的长度可用长度/直径比或停留时间来表示。而且，停留时间依赖于流率。在为特定方法设计管式反应器时，有多种不同的因素如设计流率、反应剂的粘度、在反应器条件下所述相进行分离的速率等等，都将会影响所述连合区的长度。一般地，选择每个连合区的长度以及设计操作流率，使得当所述反应混合物流过一个特定连合区时，所述分散相能够有时间结合，并且在其到达下一个静态混合元件之前，至少部分地相分离其它相。
为了实现想要的相分离，所述连合区合适地具有的长度/直径比至少为4，优选至少为6，还优选至少为9，更优选至少为15，可高达1000或更大，优选是高达200，更优选是高达120。就停留时间来说，合适选择的所述连合区的长度，可使得所述反应混合物的停留时间是自1秒，优选是自2秒，更优选是自3秒至100秒，优选为50秒，更优选为30秒。
在许多反应体系中，其产物(或副产物或杂质)可能倾向于有些混溶于所述分离液相。因此，当所述反应混合物通过所述管式反应器时，相分离所需要的时间可能会提高。为了适应这种情况，所述管式反应器一种优选的变化是这样的，其中所述连合区的长度沿着所述反应器出口端方向是增大的。这样，所述反应混合物就可在沿着所述反应器出口端方向的连合区停留较长的时间，这样就可允许所述混合物有更多的时间进行相分离。这种延长可以在整个反应器中连续地进行，这样，每个相继的连合区比其前面的连合区是更长的。另一种替代方案是，具有更短长度的连合区组，其后可连接一个或多个具有较长长度的连合区，等等，从而逐步提高所述连合区的长度。
相反地，在有些反应体系中，当所述反应混合物通过所述管式反应器时，相分离可能会提高。在这类情形中，所述连合区沿着所述反应器出口端方向可能会渐逐地变得更短。
无论怎样，对于所有连合区来说，延长超过该结合和相分离已经完成的地点都是不必要的。当这种相分离已经发生时，所述反应混合物就可流过另一个静态混合元件，如前所述。
当在所述连合区中发生重力相分离时，片刻就选择了所述连合区的取向，以有利于分离的进行。通常地，这意味着所述连合区将一般是水平放置的。但是，所述连合区可能还包括上升段和下降段，如图1中的标记30和31所示，这样，所述反应器就可适应周围结构的几何形状。
所述管式反应器可由一系列短小片段组成，它们通过例如法兰，连接在一起，形成整个反应器。而且，所述管式反应器可用来处理绝热反应，以及需要加热和/或进行冷却的放热以及吸热反应。加热和冷却可采用已知技术便利地进行，例如加热套、热交换器或其它用来施加或移走热量的装置。
图1图示说明了一种合适的管式反应器。管式反应器1包括一个入口端40(反应混合物11、12在此处进料到所述反应器中)和一个出口端41(产物物流13从此流出)。在这些原料进入所述管式反应器之前，对反应剂进行预混合是不必要的。流动方向如箭头所示。管式反应器1包括相继的稳态混合部分2、3、4、5、6、7、8、9和10，它们被相继的连合区20、21、22、23、24、25、26和27隔离开来。如图1所示，最先的三个连合区(20、21和22)，基本是等长度的。在如图1所示的优选实施方案中，每个相继的连合区23、24、25、26和27，都是长于其前的连合区，这样，在每个相继的连合区23、24、25、26和27中提供有更长的停留时间。
选择所述管式反应器的长度以及设计流率，使所述反应基本在反应器中完成。一般地，停留时间为10秒是适当的，优选为30秒，更优选为50秒至200秒，优选为150秒，更优选为80秒。对于典型的工业流率0.25-5米/秒来说，所述管式反应器的合适长度为2.5米，优选为10米，更优选为25米至800米，优选为300米，更优选为150米。
如果对于一种特定反应体系合适的话，所述反应混合物可从所述管式反应器排放到一个分离的反应容器中(所述反应在其中完成)。
所述管式反应器的合适直径范围为2.5cm，优选为10cm，更优选为15cm至50cm，优选为40cm，更优选为25cm。
本发明的管式反应器含有至少两个静态混合元件，每个元件(任意性地最后一个元件除外)之后连接一个连合区。优选地，所述管式反应器含有至少5个静态混合元件，更优选至少7个，更加优选至少10个，每个元件(任意性地最后一个元件除外)之后连接一个连合区。静态混合元件的最大数目取决于进行的特定的化学反应，理论上，静态混合元件数目不存在最大值。但是，对于多达50个静态混合元件来说，许多反应就可有效且经济地进行，优选是多达25个，更优选是多达15个。
多相液/液反应在本发明所述管式反应器中是通过以适当流率使所述反应混合物流过反应器而进行的。进料这类反应混合物到所述管式反应器可由图1中的第一原料物流11(它可能为一种酸混合物)和第二原料物流12(它可能为一种芳烃化合物)示意性图示说明。合适的流率这样的，当所述反应混合物流过所述静态混合元件时，它足以产生所述分散相变为更小微滴所需要的剪切和混合，并且能够为所述微滴在所述连合区中提供足够的停留时间进行结合且至少部分地相分离，如前所述。尽管合适的流率可能会显著地受众多因素的影响，但是，流率为0.25m/s，优选为0.5m/s至5m/s，优选为3m/s，更优选为1.5m/s，对于广泛范围的反应是合适的。
柱塞流(plug-flow condition)条件是优选的。当反应混合物流过所述管式反应器时，它到达所述反应器的出口端，并被排出。对于特定的工艺来说，回收想要的产物、纯化(如果需要的话)和循环任意的工艺物流都是可以进行的。
当本发明所述管式反应器用来处理多相液体反应混合物时，所述反应混合物优选含有至少两种部分不混溶相。为了有利于所述相在连合区中的重力分离，所述相优选具有一定程度不同的密度，例如，差值至少为0.01g/cc，更优选至少为0.03g/cc，更加优选至少为0.05g/cc。典型地，在合适的混合下，所述相中的一种(通常为低容积相)将会以微滴形式分散在其它相中。
本发明所述管式反应器特别适合用来硝化多种不同的芳烃化合物和用来进行单硝化反应和/或双硝化反应。因此，合适的芳烃化合物包括苯、甲苯、一氯代苯。该方法尤其适合于苯的单硝化反应。
在这些反应中，所述反应混合物包括将要被硝化的芳烃化合物、硫酸、硝酸和水。硝酸可以全部或部分地以硝鎓离子(NO2 +)形式存在，但是，对于本文本来说，它将常常由简写的“硝酸”来表示，而不管其实际的存在形式。对于单硝化反应来说，所述芳烃化合物通常是以较所述硝酸略微过量的化学计量存在的。对于单硝化反应来说，芳烃化合物与硝酸的优选摩尔比为1.0-1.5∶1，更优选为1.05-1.3∶1，最优选为1.05-1.15∶1。在双硝化反应中，芳烃化合物与硝酸的优选摩尔比0.4-0.75∶1，更优选为0.4-0.55∶1，最优选为0.42-0.48∶1。
硝酸在所述酸混合物中的浓度，以重量计，有利地为1％，优选为2.5％，更优选为4％至8％，优选为6％，更优选为4.5％。在所述酸混合物中硫酸浓度有利地为50％，优选为60％，更优选为62％至75％，优选为68％。在所述酸混合物中水含量有利地为20％，优选为25％，更优选为28％至40％，优选为35％。
在进行所述方法时，所述酸、水和芳烃化合物是以正确的相对比例并以足以得到想要的流率引入到所述管式反应器中。所述酸和水可以进行预混合，或单独地引入到所述管式反应器中。如果需要的话，所述酸和芳烃化合物可以预先进行混合。流率是足以在通过所述静态混合元件时能提供充分的剪切和混合，以分散所述芳烃化合为更小的微滴存在于所述酸相之中。在所述酸和芳烃化合物进行混合之前，所述原料有利地可加热到50-120℃的温度，优选为60-100℃的温度。所述反应器有利地可进行加压，以避免闪蒸所述芳烃化合物。为了使在所述静态混合元件处的反混最小化，在反应器中保持柱塞流。据信反混有利于形成如硝基苯酚和甲酚之类的杂质。
所述硝化反应是放热反应，为了限制温升，如果需要的话，可对所述管式反应器进行冷却。优选地，所述反应是以绝热方式进行的，不移走热量。当以绝热方式进行时，反应条件优选地选择用来控制最高温度低于160℃，优选是120-150℃之间。
反应过程中产物中的热量，可为确定所述静态混合元件的最佳放置提供有利的基准，特别是在绝热过程中。当反应混合物流过所述管式反应器的连合区时，所述酸和有机相分离开来。在该处，反应速率明显地变慢，只产生少量的温升或没有温升。通过测量反应混合物的温度(或者，优选地，所述管式反应器的外表面温度)以及连合区的长度，对于一个特定的反应条件来说，人们就可以确定连合区中已经发生相分离的地点，和下一个静态混合元件可以放置的地点。这样，对于任意设定的反应条件，所述静态混合元件的最佳间距都可根据实验得到确定(或通过适当的模型)。
对于芳烃化合物的硝化反应来说，连合区的长度取决于多种因素，包括具体的进行硝化的芳烃化合物、反应剂比例、流率。在这些反应中，硝化产物倾向于充当所述有机和酸相的配伍剂。因此，当形成更多的硝化产物时，反应混合物变得更加难以进行相分离，而且，进行相分离所需要的时间随着反应的进行而增加。所以，在所述管式反应器的下游部分可能需要更长的连合区。
对于许多重要的工业产品来说，如单硝基苯和二硝基甲苯，接近过程开始之初，在硝化产物大量产生之前，获得必要的相分离需要的时间至少为1秒，优选至少为2秒，更优选至少为3秒。因此，选择接近过程开始处的连合区的长度，使得能够提供具有至少1秒的停留时间，优选至少2秒，更优选至少3秒。随着硝化产物在所述体系中增大，相分离进行所需要的时间，可能会提高到5秒、10秒，甚至更长时间。所以，沿着所述过程的中间或末尾方向的连合区的长度，有利地选择能提供至少5秒的停留时间，更优选至少为10秒。另一种合适的变动，是提供具有间断地提高长度的连合区，这样，连合区中的停留时间随着反应混合物在所述管式反应器中行进而提高。这样，例如，可提供这样一种管式反应器，在其先前的连合区中的停留时间相对较短，如1-7秒，优选为3-5秒，在其后续连合区中的停留时间逐渐提高到10秒或更长。
合适的流率处于前述的通常范围之内，即，自0.25m/s，优选为0.5m/s至5m/s，优选为3m/s，更优选为1.5m/s。
所述反应优选在所述管式反应器中基本上进行完全(即，90％或更多，更优选97％或更多，更加优选98％或更多，最优选98.5％或更多)。处于上述通常范围之内的所有停留时间和管式反应器长度，都适合于硝化反应。反应混合物接着从所述管式反应器的出口端排放到适当装置中，从所述酸相中回收所述产物。废弃硫酸优选地进行重新浓缩并循环回到所述过程之中。在优选的绝热过程中，硝化反应热量可用于所述酸浓缩步骤之中。
由于所述反应混合物的腐蚀性，所述管式反应器和静态混合元件是由一种在酸性环境中能耐腐蚀的材料所制成的。对于其中使用过量芳烃化合物的反应来说，钽装置、或内衬有玻璃或一种在苛刻条件下稳定的含氟聚合物的装置，是合适，例如，内衬有TEFLON(商标为E.I.du Pont de Nemours and Company)工业涂料如聚四氟乙烯、氟化乙烯丙烯共聚物或聚氟烷氧非粘性涂料的装置。对于其中使用过量硝酸的反应来说，Teflon内衬的碳钢或不锈钢装置是能够胜任的。对于用来处理所述酸的所有必要的泵来说，铁-硅是一种合适的构造材料。
这种方法具有多种显著的优点。所述短小的稳态混合部分产生很小至中等压降。因此，标准尺寸的商业可得的泵设备，可以经常地用来建造单列的世界规模的硝化工厂，从而降低所述方法的整体成本费用。能量消耗也相应地得到降低。
所述方法还提供了一种含有低含量杂质的粗制品。对于苯单硝化反应来说，二硝基苯含量可容易地保持在低于300ppm，经常地是低于200ppm，可在50-200ppm之间变动，即使是在工业规模生产中。这些低二硝基苯经常是伴随着非常高的收率(98.5％或更多的硝酸转化为单硝基苯)。而且，所述粗制品通常含有低于2000ppm的硝基苯酚杂质，优选是低于1800ppm，更优选是低于1650ppm，特别优选是低于1500ppm。对于苯硝化反应来说，所述粗制品通常含有低于1000ppm的苦味酸，优选低于500ppm，更加优选低于200ppm。
具体实施方式
下述实例是用来例证性说明本发明的，不能理解为是对本发明范围的限定。除非另有说明，所有份量和百分比都是以重量计的。
实例
通过泵送硫酸和硝酸物流到一个三通管中，制备一种含有65.7wt％硫酸、4.0wt％硝酸和30.3wt％水的硫酸和硝酸的混合物。一旦达到稳定状态，所述硫酸是一路循环物流(它已经加热到95℃)。在与所述硫酸物流混合之前，所述硝酸物流加热到60℃。通过泵送所述混合物经过一个混合平板(它对应于图2所示，放置在管式反应器入口处)，将得到的酸混合物和一路苯物流，以重量比大约为18.5∶1(摩尔比苯/硝酸为1.10∶1)进行混合。流率为98cm/s。所述管式反应器含有12个附加混合平板(依次标记为1-12)，它们被连合区分隔开。此外，一个连合区把用来混合所述酸和苯物流的平板与标记为1的平板分离开。标记1和2对应于如图2所示，其余10个对应于图3所示。所述连合区的长度可足以提供下述的停留时间：
连合区的位置 停留时间(秒)
初始酸/苯混合板和板1之间 1.6
板1和板2之间 5.3
板2和板3之间 3.2
板3和板4之间 2.9
板4和板5之间 3.1
板5和板6之间 2.3
板6和板7之间 7.1
板7和板8之间 6.9
板8和板9之间 6.9
板9和板10之间 6.9
板10和板11之间 20.4
板11和板12之间 6.9
板12之后 64.5
所述连合区一般是水平取向的。由于所述连合区的长度原因，它们中的许多含有肘管和弯管。
所述反应是以绝热方式进行的，由于放热，提高了反应混合物的温度。反应混合物在出口处的温度为135℃。总停留时间为138秒。
产物收率为98.8％。粗制品在洗涤和精加工之前，含有120pm二硝基苯(3种异构体)、1200ppm二硝基苯酚、1480ppm总硝基苯酚和110ppm苦味酸。

Claims (21)

1、一种管式反应器，它包括一个管道，所述管道具有一个用于反应混合物进入所述管式反应器的入口端、一个用于产物物流排出的出口端、和设置在所述入口端和出口端之间的所述管道之中的一系列被连合区分隔开的短小的静态混合元件，其中，
(a)每个静态混合元件的长度不大于该静态混合元件直径的6倍，和
(b)每个所述连合区的长度至少为该连合区直径的4倍，而且，其中至少一个所述静态混合元件是一种穿孔板，它是以与所述反应混合物流动方向基本垂直的方向放置在所述管式反应器之中的，且所述穿孔板仅在其表面的顶部或底部部分含有穿孔。
2、权利要求1所述管式反应器，其中所述静态混合元件每个具有的长度/直径比不大于1。
3、权利要求1或2任一所述管式反应器，其中所述连合区每个具有的长度/直径比至少为9。
4、权利要求1所述管式反应器，其中所述连合区的长度沿着反应器出口端方向是增长的。
5、一种用来进行多相液/液反应的方法，包括
(1)将一种多相液体/液体反应混合物的物流引入到权利要求1所述的管式反应器的入口端，其中，
(a)选择每个连合区长度以及所述反应混合物的流率，使得所述反应混合物流过所述连合区时，所述多相反应混合物的至少一种液相的微滴发生结合，且至少部分地相分离所述反应混合物的至少一种其它液相，形成一种所述反应混合物富含于一种相中的上层部分，和一种所述反应混合物贫乏于所述相中的下层部分，和
(b)当所述反应混合物从一个连合区流过一个静态混合元件时，所述反应混合物的上层和下层部分被剪切并混合以再分散所述结合的微滴，以更小的微滴存在于所述至少一种其它液相中，
(c)至少一个所述静态混合元件是一种穿孔板，它是以与所述反应混合物流动方向基本垂直的方向放置在所述管式反应器之中的，且所述穿孔板仅在其表面的的顶部或底部部分含有穿孔；
(2)在反应条件下，使所述反应混合物流过所述管式反应器，和
(3)从所述管式反应的出口端排放出一种含有想要的反应产物的物流。
6、权利要求5所述方法，其中所述静态混合元件每个具有的长度/直径比不大于1。
7、权利要求5或6任一所述方法，其中所述连合区每个具有的长度/直径比至少为9。
8、权利要求7所述方法，其中，所述反应混合物在每个静态混合元件中的停留时间不大于0.1秒。
9、权利要求8所述方法，其中，所述反应混合物在每个连合区中的停留时间至少为1秒。
10、权利要求9所述方法，其中所述连合区的长度沿着反应器出口端方向是增长的。
11、权利要求9所述方法，其中所述连合区的长度沿着反应器出口端方向是减小的。
12、权利要求11所述方法，其中所述反应混合物是以0.25-5m/s的速率流过所述管式反应器。
13、一种用来硝化芳烃化合物的方法，包括：在反应条件下，使一种含有芳烃化合物和一种含有硫酸或磷酸、硝酸和水的酸相的反应混合物，流过权利要求1所述的的管式反应器，其中，
(a)选择每个所述连合区的长度以及所述反应混合物的流率，使得所述反应混合物流过一个连合区时，所述芳烃化合物的微滴发生结合，且至少部分地相分离所述酸相，在所述有机化合物中形成富含所述反应混合物的上层部分，和在所述有机化合物中贫乏的所述反应混合物的下层部分，和
(b)当所述反应混合物从一个连合区流过一个稳态混合物元件时，所述上层和下层部分被剪切并混合以再分散所述芳烃化合物以更小的微滴存在于所述酸相中，和
(c)至少一个所述静态混合元件是一种穿孔板，它是以与所述反应混合物流动方向基本垂直的方向放置在所述管式反应器之中的，且所述穿孔板仅在其表面的的顶部或底部部分含有穿孔。
14、权利要求13所述方法，其中所述反应混合物在每个静态混合元件中的停留时间不大于0.1秒。
15、权利要求13或14任一所述方法，其中，所述反应混合物在每个连合区中的停留时间至少为1秒。
16、权利要求15所述方法，其中，其中所述连合区的长度沿着反应器出口端方向是增长的。
17、权利要求15所述方法，其中所述连合区的长度沿着反应器出口端方向是减小的。
18、权利要求17所述方法，其中所述反应混合物是以0.25-5m/s的速率流过所述管式反应器。
19、权利要求18所述方法，其中所述芳烃化合物为苯，所述酸相含有62-68％硫酸、2.5-6％硝酸和28-35％水，且苯与硝酸的摩尔比为1.05-1.15∶1。
20、权利要求19所述方法，包括一个以收率至少为98.5％从所述管式反应器中回收粗单硝基苯物流的步骤。
21、权利要求20所述方法，其中所述芳烃化合物为甲苯，所述酸相含有硫酸、硝酸和水，且甲苯与硝酸的摩尔比为0.4-0.55∶1。
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