CN104507562A - 气液反应器 - Google Patents

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Abstract

气液反应器涉及用于实现气液工艺的化工设备领域，并且可在化学、石油化工等工业中使用。本发明的技术效果在于，提供了最大化目标生成物产品产量和塞流方式的事实，进一步的技术效果在于提高反应器使用和维护过程中的便利性，再一个技术效果在于本发明使得在研制阶段，使得有可能高精度地评估反应器的几何参数及其在化学工艺的速度和目标产品的产量上的效果的事实。该气液反应器包括一个壳体，该壳体上带有多个用于引入反应物和排出反应产品的导管。该反应器壳体包括导管束，该导管束以导管之间的空间不会与导管的内部容积连通的方式设置。杆可移除地安装在至少一个所述导管上。多个平板，连接在所述杆上，各平板包含至少一个开口。所述多个平板以相邻平板的至少一个开口彼此之间互相不共轴的方式设置。

Description

气液反应器
技术领域
本发明涉及用于进行气液工艺技术设备领域，并且可在化学、石油化工等工业中使用。
背景技术
大多数情况下，气液催化工艺的独特性在于反应发生在液相，其中一种反应物是液体，而另外一种反应物是溶解在液体中的气体。发生在液体和液相中的气体之间的化学反应，导致存在其中一种反应物从气相(gasphase)进入溶液的过渡阶段。这样，反过来，导致工艺速率常常取决于作为速度限制阶段的溶解速率的事实，这是工艺在扩散区进行的证据。
扩散区的存在作为一项规则，负面的影响了工艺速率和目标产品产量。在动力学区进行化学工艺的必要性导致寻找一种反应器，该反应器的结构适合于解决本问题。工艺在动力学区进行可以通过实现气体反应物在液体的高溶解速率来实现，该溶解速率的值直接取决于气相的接触时间。气相的接触时间越长，气体在液体中的溶解速率将进行得越快。因此，如何增加气相的接触时间，是增加气液反应器操作效率的主要问题之一(Timonin A.S.Machines and devices of chemical industries.Kaluga,Publ.N.F.Bochkareva,2008–872p.)。
增加接触时间最有效的方法是增加气体或者液体从反应物供给点到目标产品输出点经过的路径的长度。因此，美国专利(US7387769)公开了一种反应器结构，该反应器包括多个互相串接的部分，每个部分包括多个开口，这些开***替地位于各部分的上面或者下面。该反应器中的气体从沿着一条蛇形的(serpentine)路径水平地从一个部分流到到另一个部分。并将气体分开地送入各室。这种反应器用于由二氧化碳与氢氧化钙溶液反应制备沉淀碳酸钙。这种结构的不好之处在于气体和液体是水平移动的，不能被很多化学工艺所接受，尤其是，对于从乙烯制备1-己烯(1-hexene)的工艺，由于这种情况下，气体会积聚在装置的上部，形成气体填充的区域。气体积聚在一些地方会导致在液相和气相之间接触面积减少，负面地影响气体在液体中的溶解速率。
我们选择另一种用于实施气液化学工艺的反应器(美国专利号：US6444180)作为现有技术。这一反应器结构的主要特征为使用了多个穿孔平板，在穿孔平板的边缘附近具有开孔，该开孔为扇形并临接反应器壳体内表面。其中，这些平板交替成对，以使得扇形开孔位于反应器中心轴的不同侧，从而使得液相沿着Z形轨迹流动。由于界面增大，并且液体和气相之间的混合更充分，使得目标产品产量增加。
上述发明的一个组成部分是采用了使气相的垂直运动的多个穿孔平板。其中，应注意的是，与边孔在平板的布置方法无关(每个平板两个孔，一个孔或无孔)，气相运动将是垂直穿过平板中央的贯通口。按照这种气流布置，使用该发明仅仅增加了液相的接触时间，并不影响气相的接触时间。
对于化学和石油化工工业中的多数气液工艺，包括由2-乙基己醇(2-ethylhexanal，简称2-EH)制备2-乙基己酸(2-ethylhexanoic acid，简称2-EHA)以及由乙烯制备1-己烯的工艺，气相接触时间是用于定义反应器形成的目标产品产量的最重要的参数。例如，在从2-乙基己醇制备目标2-乙基己酸的工艺中，产品的形成速率取决于溶解氧的浓度。反过来，溶解氧的浓度通过溶解氧和气相氧之间形成的平衡来定义。在气体和液体的接触时间不充足的情况下，氧气的溶解速率较溶解氧和乙醛的反应速率慢。在这种情况，工艺将在扩散区进行，将负面影响目标产品产量。使得气相接触时间具有一个相对较高的值，将有助于增加氧气溶解速率和进入动力学区过渡过程。
在预定的气体和液体流动时，气相的接触时间值将通过在该装置中气体含量的值来定义。气体的含量越高，气相的接触时间值越高，气体溶解在液体中的速率也越高。可以通过两种方式来实现增加气体含量。第一种方式，归功于所供给的气体的量随着装置容积增加的同时一起增加。这种做法是与显著的成本开销有关的，并导致主要设备使用效率较低，尤其是，气液反应器(Lehtinen C.,Brunov G.Factors affecting the Selectivity of Air Oxidationof 2-ethylhexanal,an[α]-Branched Aliphatic Aldehyde.Org.Proc.Res.&Dev.,2000,4(6),pp.544-549)。
另一种方法在于提供一种反应器结构，该反应器结构提供最大化增加气体从反应器的供给点到最终产品的输出点所经过的路径的长度。在这种情况下，无需改变反应器自身尺寸，而仅通过改进装置的内部结构设计，来增加存在于反应器中的气体容积。该反应器结构申请了美国专利(US 6444180)，解决了如何增加目标产品产量的问题，尤其是，用于制备尿素的方法，但是是由于其增加的是液相的接触时间。应用这种结构的速度限制阶段为将反应物之一从气体向溶液的转变过程(具体是，在制备2-乙基己酸时溶解氧气，以及在制备1-己烯时溶解乙烯)，由于气相的接触时间保持不变，并不能实现目标产品产量的类似增长。
在实施气液工艺时，包括从2-乙基己醇制备2-乙基己酸以及从乙烯制备1-己烯，急需解决的另一个问题是必须排出由于化学反应放出的大量热。反应器中的热平衡计算表明，为了提供对化学反应热量的有效排出，提供较大的热交换面积是必要的，该热交换面积只能通过使用配合到反应器中的导管束来实现，并且冷却剂供给入管道之间的导管空间内。
通过以上模型说明的结构，仅可用于反应物料的加热/冷却通过保温套进行的反应器。因此，我们可以总结，由于反应器内部无法布置管道束，美国专利US 6444180提出的反应器结构不适用于化学反应伴随大量热量放出的气液工艺。
发明内容
本发明的目的在于开发一种反应器来提升气液化工工艺的效率。
一个技术结果(效果)在于该技术方案提供了最大化目标产品产量和塞流区域。另一个技术结果(效果)在于提高了使用和维护反应器的便利性，以允许可操作性的控制反应过程，以及通过在数小时内可改变其结构，在最佳条件下实施反应过程。同时，技术结果(效果)还体现在，本发明使得在研制阶段，即可高度准确地评估反应器的几何参数及其在化学工艺的速度和目标产品的产量上的效果。进一步的技术结果(效果)在于，该技术方案提供了在温度不断升高和降低的情况下，有效维持恒温区域的方法。
附图说明
参照并如附图中所示的，以下通过本发明的非限制性实施例对本发明的进一步特征进行描述。附图中：
图1示出了本发明提供的气液反应器的结构示意图；
图2示出了图1所示反应器中包括的一个管道的结构示意图。
具体实施方式
技术问题的解决方案以及技术效果的实现归功于，为了实施气液工艺，使用了带有特殊内部结构的气液反应器。该结构显示在图1中。
所述气液反应器包括壳体，其具有用于引入反应物7和排出反应产品8的多个导管。该反应器壳体1包含一个导管束2，该导管束2从上面和从下面连接到管阵列3，如此，所述导管之间的空间不会与所述导管的内部容积连通。所述反应器壳体还设置有输入管9和输出10管，与所述多个导管之间的空间连通，制冷剂或者热载体被相应地通过该空间供给以排出化学反应发出的热量或者在必要的时候加热反应物料。
可移除的杆4被设置在至少一个所述导管内。多个板5被连接到所述杆，每一个板具有至少一个开口6。这些开口优选地但可选地设置在靠近板的边沿。所述多个板以这样的方式设置，即，相邻板的所述开口彼此之间互相不共轴。优选地，相邻板的开口被成对布置在相对于杆径向相对的点。多个这种导管中的一个的结构如图2所示。所述杆可以通过任意已知方法可移除地安装在导管内，例如，通过螺纹或铆接连接。多个板沿杆的高度方向安装，其中可选择允许改变板之间间距的任意安装方法，例如，通过螺母安装，必要的话，可进一步使用垫圈。
为了实施工艺，反应物通过原料引入连接管(流I)供给到反应器。其中气态的组分可以与液相的组分一起供给，也可以分开供给。化学反应发生在管程内，其中气-液流在管道中向上运动。在板的开口设置为不共轴的情况下，相比较从反应物的供给点到目标产品的输出点的最短轨迹，提供了一种增长的反应物料的运动轨迹。这样使得气体从反应物的供给点(流I)到目标产品的输出点(流II)经过的路径的长度增加了。气体路径的增加，反过来，使得反应器中的气相容积增加，并且，因此，增加了气相的接触时间。当工艺速率仅由化学反应速率决定而不受限于气体溶解速率时，由于工艺在动力学区进行，实现了目标产品产量的最大化。
鉴于该事实，即化学反应在不与导管之间的空间连通的管程中进行，导管之间的空间可以用于在其中供给冷却剂或热载体。在这种情况下，与冷却/加热经由保温套进行的反应器相比，由于使用的是所有管道的外表面，而不仅是反应器壳体，热交换表面积显著增大。热交换表面积可以通过在反应器内部设置不同数量的管道来调整，同时赋予了在研制阶段选择装置结构的可能性。因此，由于较高的热传递速率，提供了一种随着温度不断升高或者降低维持恒温的方式，并且提供了一种在装置的研制阶段可以改变热交换表面积的可能性。
在包括用于实施气液工艺反应器在内的化学反应器的研制过程中，在提出装置的数学模型阶段，最重要的问题之一为对反应器结构在工艺速率和目标产品产量上的影响的最高精度评估。为了避免在定义要求的反应器大小时出现错误，设计师常常需要增加反应器的尺寸，导致增加反应器的成本。由于预测气液混合物沿着带搁架(shelve)的管道运动的轨迹的可能性，本发明提出的结构允许高精度地计算反应器的几何参数，包括配管数和管直径，搁架的数量及搁架之间的距离。在实验数据与计算数据之间存在差异的情况下，使用本结构允许，通过改变包括杆的管道数量，也可以通过增加或减少杆上平板，以及通过改变平板之间的间距，在反应器试验开始后可立即轻易地消除现存的错误。因此，本发明提供了一种在研制阶段，高精度地评估反应器的几何参数及其在化学工艺的速率和目标产品的产量上的效果的可能性。
取决于工艺条件的改变(反应物流动速率，压强，温度)，包含杆的导管数量，以及平板之间的距离，安装在杆上的平板的数量，都可以在反应器的研制阶段或者反应器的操作过程中被改变。尤其是，在增加反应器的产量时，有必要增加反应物在装置内的滞留时间，该滞留时间可以通过降低平板之间的距离，以及增加平板的数量来轻易实现。技术上，该操作可以在任意时刻实施，包括在反应器操作阶段，通过移除安装有平板的锚杆，以及沿杆移动平板以增加新的平板。因此，本发明提供了一种控制工艺的可能性，以及提供了不用替换整个反应器而仅需要通过对其结构的简单改变，该改变可以轻易地在数小时内实现，使得在最佳条件下实施工艺的可能性。
本发明提出的反应器结构不仅可以在新装置的研制阶段被选择。这种结构也可以用于在反应器容积内安放类似的管道的反应器设备，以提高现有的反应器设备的性能。例如，通过氧化2-乙基己醇制备2-乙基己酸的工艺，在带有内置盘管的中空反应器中实现。有一个可能是装置内部盘管的拐弯处设置本发明提出的带有锚杆的管道。在这种情况下，化学反应将不会在管道之间的空间中进行，而是在管程(tube side)中进行，其中，气相的接触时间增加使得允许将工艺从扩散区转移到动力学区。因此，出现一种改善现有的气液反应器，由于气相接触时间值较低，工艺发生在扩散区的可能性。
实施例一
在具有本发明提出的结构的反应器中进行乙烯制备1-己烯的生产。采用三段反应器进行该生产，每个室分别供给乙烯。每个室包括50个导管组成的导管束，导管直径为40mm，化学反应在各室中进行。在每个管道中，设置有一个锚杆，锚杆上通过螺母安装有多个平板。每个平板开有一个直径为4mm的开口，其中，平板如此交替以至于相邻平板上的开口分别位于锚杆中心轴径向相对的点。在第一反应器段，管道包括39个平板，在第二管道包括26个平板，在第三管道包括20个平板。反应器管道部分的总长度为2.1m。热交换面积为13m2。气相接触时间为3min。其中从乙烯到1-己烯的转化率达到98.3％。在所有其他的值相同的情况下，本发明的反应器，具有更小的尺寸，更高的单位输出。所获得的输出数据在表1中列出。
实施例二
氧化包含于C8醛氢化物(C8-aldehydes hydrogenate)中的2-乙基己醇来制备2-乙基己酸的实验，在内部带盘管的动力实验室反应器中进行了4个小时，该动力实验室反应器模拟工业可操作的装置，尺寸比例为1:0.9·10-5，温度为45℃，大气压强为1atm，氢化物供给容积速率为0.45cm3/min，以及空气的供给容积速率为235cm3/min，提供的恒摩尔比为氧化剂：2-EHA＝1.5:1。
实施例三
对比实验在具有和实施例二同等大小和同等条件的流体玻璃反应器中进行，该实验与实施例二的区别仅在于该反应器的结构对应于本发明所要求保护的结构。通过实验室方法，工业方法，以及实施例二和实施例三所获得的静态的非催化工艺的液相氧化2-乙基己醇的输出参数在表2中列出。
表1

Claims (3)

1.一种气液反应器，包括壳体，该壳体上具有用于引入反应物和移除反应产品的多个导管，以及多个板，每个板带有至少一个开口，其中所述板以相邻板的所述至少一个开口彼此之间互相不共轴的方式设置，其特征在于：
在反应器的壳体内设置有导管束，其中所述多个导管按照使所述导管之间的空间不会与所述导管的内部容积连通的方式，从上面和从下面连接到管阵列；
杆，可以移除地设置在至少一个所述导管内，其中所述多个板连接到所述杆上。
2.根据权利要求1所述的气液反应器，其特征在于，所述反应器壳体包括用于冷却剂或者热载体的输入管和输出管，其中所述输入管和输出管与所述多个导管之间的空间连通。
3.根据权利要求1所述的气液反应器，其特征在于，所述杆带有用于固定所述多个板的螺纹。
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