CN1380135A

CN1380135A - 一种反应与分离的耦合装置

Info

Publication number: CN1380135A
Application number: CN 02115536
Authority: CN
Inventors: 毕亚凡; 吴元欣; 李庆新; 王为国
Original assignee: Wuhan Chemistry College
Current assignee: Wuhan Chemistry College
Priority date: 2002-02-07
Filing date: 2002-02-07
Publication date: 2002-11-20
Anticipated expiration: 2022-02-07
Also published as: CN1166449C

Abstract

本发明是一种双循环喷射反应—分离偶合装置,其包括反应器(1)和与之连接的循环泵(9)、喷射器(12)及作为化学反应循环的液相循环管路,还设有作为分离循环的气相循环管路,其连接化工分离设备和反应器。本装置的操作过程是:先将反应器内加热后的原料,由循环泵抽出,经液相循环管路、喷射器高速喷入反应器内,形成液相循环;同时,反应器内的气体经气相循环管路、化工分离设备,由喷射器带入反应器内,形成气相循环;液相循环管路将原料进行化学反应,气相循环管路将副产物分离出;反应与分离同步进行,使化学反应体系处于非平衡状态。本发明实用性强,可连续同步进行反应与分离两过程,具有高效、节能、集成化和清洁生产等优点。

Description

一种反应与分离的耦合装置

技术领域

本发明涉及石油化工、精细化工、制药和轻纺化工等行业的化工清洁生产技术装备领域，特别是一种连续同步进行反应与分离两过程的耦合装置。

背景技术

目前，工业反应器的种类繁多，按照其结构特点可分为：釜式反应器、管式反应器(包括环管反应器)、塔式反应器、固定床式反应器、喷射反应器、流化床反应器、移动床反应器和滴流床反应器等，这些反应器的作用主要是作为实现化学反应的设备，而实际的化学反应大都是可逆反应，有其一定的反应平衡常数，因此，流出反应器的反应物料目标产品的转化率不高，反应后期的逆反应速率加快，正反应速率很低，有时其转化率很低。每一种产品的生产中都有它们各自的反应过程以及与之相适应的反应设备，但其中也有很多共同的特性，通常工业化学反应过程一般都是经过前处理、反应和后分离三个过程，即在反应进行到接近平衡后，再对复杂的反应混合物进行分离，其结果是既造成了产品质量不高，分离过程复杂和资源的浪费，又造成大量“三废”的产生。

为避免反应平衡对反应转化率和速率的限制，化学反应工程研究者设法制造出将反应与分离两过程进行耦合的设备，使整个反应过程处于非平衡状态，以提高反应转化率和反应速率。如：精馏反应器，它由釜式反应器和精馏塔组成，釜式反应器在一定的温度下进行反应，当副产物较反应物为轻组分，或与某一反应物形成共沸时，反应物和副产物以气态形式进入精馏塔分离，移出副产物(较轻组分)，反应物回流至反应釜，使反应在非平衡状态下进行，从而获得较高的主产品收率。但是，当副产物较反应物为重组分，或不能与某一反应物形成共沸时，则上述过程难以实现；若副产物是不易液化的气体，同样，该过程难以实现；对于气液反应、气液固三相反应，上述过程也无法进行。另外，其选用的釜式反应器，存在传热、传质和混合效率不高的缺陷。总之，精馏反应器的应用具有一定的局限性。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供一种基于反应与分离两过程的耦合为目的耦合装置，对于可逆化学反应，该装置可同步进行和有效进行化学反应过程与副产物或产物的分离过程，使反应体系中的副产物或产物处于较低浓度的水平，反应始终处于非平衡状态。在一定的反应物浓度条件下，正反应速率始终保持较高，逆反应速率因副产物或产物的浓度较低而受抑制，从而大幅提高反应的转化率。同时，利于化工清洁生产工艺的开发。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：包括反应器和与之连接的循环泵、喷射器及作为化学反应循环的液相循环管路。还设有作为分离循环的气相循环管路，其连接化工分离设备和反应器。

本装置的操作过程是：先将反应器内加热后的反应物，由循环泵抽出，经液相循环管路、喷射器高速喷入反应器内，形成液相循环；同时，反应器内的气体经气相循环管路、化工分离设备，由喷射器带入反应器内，形成气相循环。液相循环管路进行化学反应，气相循环管路分离出副产物；反应与分离同步进行，使化学反应体系处于非平衡状态。

本发明由于采用了在非平衡状态进行化学反应，所以具有如下主要优点：

一是实现了反应与分离两过程连续同步进行，使化学反应的目标产品的转化率高，能够维持较高的反应速率，同时抑制副反应。

二是传质传热效果好：在操作中，由于喷射器作用而形成双循环回路，这是实现反应与分离耦合的关键，并且，高速喷射液气流加速了气液的微观混合及气液之间的传质和传热，也使得能量利用率提高。

三是可实现清洁生产：由于反应气体及惰性气体封闭循环，气体副产物得到吸收(或吸附)回收，从而减少了甚至消除了废气污染的问题。在提高反应转化率的同时，降低了副反应产物，也减少了废物的产生量，提高了资源的利用率，这对石油化工、精细化工、制药和轻纺化工等行业实现化工清洁生产有重大的积极作用。

总之，本发明实用性强。在提高反应转化率、反应速率的同时，可有效地抑制产生杂质的副反应，实现高效、节能、集成化和减少废杂物排放的清洁生产的目的。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

图2是图1中A-A剖视图。

图3是图1中反应器的另一个实施例结构示意图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步说明。

本发明包括反应器和与之连接的循环泵、喷射器及作为化学反应循环的液相循环管路和作为分离循环的气相循环管路，气相循环管路连接化工分离设备和反应器。

本发明的操作过程是：先将反应器内加热后的反应物，由循环泵抽出，经液相循环管路、喷射器高速喷入反应器内，形成液相循环；同时，由于喷射器内的高速喷射液体形成低压，致使反应器内的气体经气相循环管路、化工分离设备，由喷射器带入反应器内，形成气相循环，总体形成气液双循环回路。其中，液相循环管路进行化学反应，气相循环管路分离出副产物；反应与分离同步进行，使化学反应体系处于非平衡状态。

例1.用于化学反应(1)的装置：

aA_(l)+bB_(l)＝cC_(l)+dD_(g)……(1)

式中：A、B为反应物(在反应温度、压力下是液体)，

C为反应主产物(反应温度、压力下为液体)，

D为反应副产物(反应温度、压力下为气体，如HCl、NO₂、H₂S、HF、NH₃等)。

图1所示的装置是针对化学反应(1)而设计的，其包括反应器和与之连接的循环泵9、喷射器12和作为化学反应循环的液相循环管路及其填有固定床催化剂柱，还包括作为分离循环的气相循环管路，气相循环管路通过气相循环喷射器进口管14、气相循环分离设备进气管16连接化工分离设备15和反应器。反应器可选用反应釜1，与反应釜配套的化工分离设备可选用通用的冷凝器和吸收塔或吸附塔。冷凝器将反应釜中带出的反应物冷凝回流至反应釜，不冷凝的副产物D经吸收塔或吸附塔分离出；其目的是在反应过程中连续性地分离出副产物D，使整个体系反应过程始终保持非平衡状态。

本装置的特点是：首先，经脱除副产物D的惰性气体不断地被吸入喷射器后与反应物料充分地接触，以达到连续性的分离副产物D的目的，使分离与反应同步进行。其次，气液混合物自釜顶的喷射器入釜内过程中，促进了气液间的传质与传热，也使得釜内的反应物料微观混合更加充分，省去了机械搅拌。另外，反应可以在釜内进行也可在液相循环管内进行，在此以釜内为主反应区，同时釜设计气液分离器是为了利于提高气液分离面积及提供足够的气体与液体分离时间。最后，由于该装置液体循环管线上设有换热套8，因此，设备的可利用传热面较大，有利于放热反应或吸热反应的温度的控制。

反应釜的结构如图1、图2所示：釜体内设有下流导流筒2、上流导流分离器5，前者通过支撑板固定在后者的中部，且其筒体上设有旋流导板3，上流导流分离器由支撑柱固定在釜体内壁上，其与釜体内壁的间隙是反应物物流的通道。反应釜可通过与之釜盖连接的喷射器12，经液相循环排出管10连接循环泵9(离心泵)，循环泵又经液相循环吸入管7连接釜体底部的物料排除管道。液相循环排出管、液相循环吸入管，各装有一个换热套管8。序号6是反应釜加热套。

上述部件中：旋流导板3有三个，位于同一个水平面，相互之间的角度是120度，均与下流导筒的内壁焊连，每个旋流导板的宽度等于下流导筒的筒体内径的一半，其向下螺旋旋转的角度可以是20-45度，一般是30度。下流导筒2，其底部和中部可分别通过三个导流支撑板固定在上流导流分离器5的中部，其筒体直径为反应釜1内径的1/6至1/8倍，其筒体外壁上焊接有蛇管换热器4。蛇管换热器的进孔11、出孔13，分别位于反应釜的釜盖上。上流导流分离器5，其底部呈半椭球面或其它形面，其筒体直径为反应釜1内径的4/5至7/8倍，其下部和中部各通过3个支撑柱与釜体内壁接触相连。

例2.用于化学反应(2)的装置：

aA_(l)+bB_(l)＝cC_(l)+dD_(l)…….(2)

式中：A、B、C、D在反应条件下均为液体，但A或B为饱和液体状态。

A、B、D挥发度高于C。

C为主产物，D为副产物(H₂O、CH₃OH、CH₃CH₂OH等)在操作温度下可挥发为气体。

本装置与例1装置相似，区别在于：只是化工分离设备15改为精馏塔。反应釜1为主反应区，其上设有加热套6，液体循环管上也设有换热套8，若传热面不够，则可将液体循环管改成两根以上的管并联使用，以增加传热面积，以利于加热或移走热量。

反应物在反应釜内升温到一定温度和一定压力下进行反应，反应在接近液体A、B饱和温度、或副产物D的饱和温度下进行，并赶走部分惰性气体；循环泵将反应釜内加热后的反应物抽出，经液相循环管路、喷射器高速喷入反应釜内循环，同时气体循环管因喷射泵工作而吸入混合蒸气而进入精馏塔，为防止喷射器因喷射掖体的温度过高而吸气量下降，在喷射器的入口可增加一小轴流风机。如果副产物D的挥发度大于A和B液体的挥发度，或副产物D与液体A(或B)形成共沸，其沸点较液体B(或A)的沸点低，则可从精馏塔顶的冷凝器中取出副产物D；若副产物D的挥发度小于液体B(A的沸点大于B)液体，且副产物D与液体A或液体B不形成共沸，则从塔进气口下塔底部取出D组分与少部分A组分，含有浓度较高的B组分从塔顶冷凝器冷凝液部分回流精馏塔内，部分回流至主反应釜。塔顶的不凝气体(惰性气体)被吸入喷射器而再进入主反应釜，经与反应物料充分地接触、传质和传热，使主反应区物料中的副产物D较彻底地被移入气相，然后，气相中的D组分经精馏塔而分离。不凝气体(惰性气体)在其循环和混合过程中，对D组分的分离起着传质、传热的媒介作用。

本装置的特点是液体强制循环带动气体循环，不仅能提供较大的传热面积，而且强化了传热、传质及微观混合强度，并且在气体循环管路中经精馏塔与反应同步地分离出副产物D，使得逆向反应受到抑制，使正反应得以维持较高的速率和转化率。从而保证整个反应在较高的速率和转化率的条件下顺利进行。

例3.用于化学反应(3)的装置：

aA_(G)+bB_(L)cC_(l)+dD_(G)……(3)

式中：在反应条件下，反应物A为气体(如H₂、HN₃、CI₂、CO等)，

反应物B为液体；

主产物C为液体；

副产物D为气体(可以被酸液或碱液或吸附剂所分离出)；

反应的催化剂是均相或固定床催化剂。

本装置与例1装置的区别在于：只是反应器是一体积和筒体直径较小的反应塔17(图3)，因此，气液混合物在塔内的停留时间较短，气液分离的时间也较短，使得进入液相循环管的液相中的气含率维持较高。喷射器设置在此塔顶。循环泵可选用轴流泵，或再串联一台离心泵，以利于液气混合输送和提高液相循环管操作压力。对于选用固定床催化剂的反应体系，若液相为连续相、气体为分散相，则液相循环管路可设置填充固体催化剂的反应塔，必要时可装设两个以上的反应柱，该反应塔及循环管路设有换热套，其作为主反应区。塔作为气相分布或辅助反应区；作为气相分布，大气泡破裂进入塔上部气体空间而作为循环气体，微小气泡随液体进入液相循环管路而作为反应气体。

本装置是针对气—液反应而设计的。对于气液反应来说，增加系统压力有利于正反应进行，同样，及时移走产物或副产物也利于正反应的进行。装置在运行过程中，液相(液气混合物，液相为连续相，气相为分散相)循环管路上循环泵的出口至喷射器的进口处操作压力比较高，即反应区，以便于反应在高压区进行。而气相循环管路及喷射器喷口至循环泵的进口处(包括扩散管内和塔内)操作压力较低，即分离区，使得气体副产物更容易在低压下脱出而除去。分离气体副产物D的原理同例1的原理。

例4.用于化学反应(4)的装置：

aA_(g)+bB_(l)cC_(l)+dD_(l)……(4)

式中：在反应条件下，反应物A为气体，反应物B为液体；

主产物C和副产物D均为液相；

催化剂为均相或固定床催化剂。

在反应操作温度下，反应物B和副产物D及产物C在高压区是液态，在低压区可汽化或部分汽化。

本装置与例3装置的区别在于：只是化工分离设备是精馏塔。装置运行时，同样形成高压和低压两个区。为防止液体温度过高而影响喷射器的抽气功能，可在喷射器的气体吸入管(位于冷凝器之后)加一小型轴流风机，以适当地增加喷射口的压力。其他作用机理同例2一样。

上述反应塔及所述的冷凝换热器、吸收塔、吸附塔、精馏塔，其结构同现有技术。

本发明的工作过程如下：

1.反应釜：釜体内存在有一定量的氮气或空气等惰性气体。当循环泵9工作时，喷射器12将流体(含惰性气体)高速喷入釜体内，经下流导流筒2及旋流导板3混合，使流体高速旋转进入釜体底部，然后作旋转向上运动。此时，由于离心力和重力(密度差)在纵向和径向上的双重作用，加上上流导流分离器5的通道较宽，气、液有较充分的分离时间和分离力。

靠近上流导流分离器器壁的流体中气体含率很低，其经过反应物物流的通道(即釜壁与上流导流器外壁的通道)下流至釜体下部的液相循环吸入管7，再由循环泵打入循环。经上流导流分离器分离的气体(含有副产物)逸出液面后，被喷射泵工作时形成的负压而吸入气相循环管路，再由分离设备将副产物及部分带出的反应物分离，分离出的惰性气体进入喷射泵继续循环，分离出的反应物回流至反应釜。惰性气体在此起分离副产物的载体的作用，使反应与分离过程同步进行，从而保证了反应在非平衡条件下进行。

在液体和气体经喷射、下流导流筒以及上流导流分离器的过程中，由于气、液充分混合接触，故可基本上消除混合死区，同时，液相中的易挥发的组分(主要是副产品)迁移入气相而被移出反应器，所需的热量由导流筒上的加热蛇管4提供。

2.气液双循环：当循环泵9运行时，形成液相循环回路，同时，喷射器12工作时，其中高速喷射液体形成低压而引起气相循环回路，总体形成气液双循环回路。

对于气—液反应的装置，其反应塔是直径不大的锥形塔，高速喷射的气液混合物在塔内的停留时间较短，容易挟带大量的气体，因此循环液相保持较高的气含率。可以以液相(含有分散的气相)回路作为主反应回路(作为环管反应器)，其中包括填充固定床催化剂而作为环管催化反应器，气相回路作为分离部分；也可以以反应塔作为主反应区，液相循环回路为辅反应区，气相回路作为分离部分。喷射器工作时形成气液混合物，能提供极大的气液相接触面，有利于气—液传质。

对于液--液反应的装置，其反应釜直径较大，其中设置有气液分离器。装置持有一定量的惰性气体，在工作时，惰性气体在气相循环回路中循环，在反应釜中得到气液分离，因此，惰性气体可将反应的副产物从反应区中移出至气相循环回路中的分离设备中除去，惰性气体起传质和分离的媒介作用。

另外，装置利用喷射流体力学气液混合，微观混合均匀，消除混合死区。

Claims

1.一种反应与分离的耦合装置，包括反应器和与之连接的循环泵(9)、喷射器(12)和作为化学反应循环的液相循环管路及其填有固定床催化剂柱，其特征是设有作为分离循环的气相循环管路，其连接化工分离设备(15)和反应器，

本装置的操作过程是：先将反应器内加热后的反应物，由循环泵抽出，经液相循环管路、喷射器高速喷入反应器内，形成液相循环；同时，反应器内的气体经气相循环管路、化工分离设备，由喷射器带入反应器内，形成气相循环，总体形成气液双循环回路，

液相循环管路进行化学反应，气相循环管路分离出副产物；反应与分离同步进行，使化学反应体系处于非平衡状态。

2.根据权利要求1所述的反应与分离的耦合装置，其特征是所述的反应器是反应釜(1)，化工分离设备(15)是冷凝器或吸收塔或吸附塔或精馏塔；反应釜的结构是，釜体内设有下流导流筒(2)、上流导流分离器(5)，前者通过支撑板固定在后者的中部，且其筒体上设有旋流导板(3)，上流导流分离器由支撑柱固定在釜体内壁上，其与釜体内壁的间隙是反应物物流的通道。

3.根据权利要求2所述的反应与分离的耦合装置，其特征是所述的旋流导板(3)，有3个，位于同一个水平面，相互之间的角度是120度，均与下流导筒(2)的内壁焊连，每个旋流导板的宽度等于下流导筒的筒体内径的一半，其向下螺旋旋转的角度是20-45度。

4.根据权利要求2所述的反应与分离的耦合装置，其特征是所述的旋流导板(3)，向下螺旋旋转的角度是30度。

5.根据权利要求2所述的反应与分离的耦合装置，其特征是所述的下流导筒(2)，其底部和中部分别通过三个导流支撑板固定在上流导流分离器(5)的中部，其筒体直径为反应釜(1)内径的1/6至1/8倍，其筒体外壁上焊接有蛇管换热器(4)。

6.根据权利要求2所述的反应与分离的耦合装置，其特征是所述的上流导流分离器(5)，其底部呈半椭球面，其筒体直径为反应釜(1)内径的4/5至7/8倍，其下部和中部各通过3个支撑柱与釜体内壁接触相连。

7.根据权利要求2所述的反应与分离的耦合装置，其特征是所述的上流导流分离器(5)，其底部呈半椭球面，其筒体直径为反应釜(1)内径的4/5至7/8倍，其下部和中部各通过3个支撑柱与釜体内壁接触相连。

8.根据权利要求1所述的反应与分离的耦合装置，其特征是所述的反应器是反应塔(17)，化工分离设备(15)是冷凝器或吸收塔或吸附塔或精馏塔。