CN111167385B - 利用醛原料和空气制备酸的喷射型气液反应器 - Google Patents

Abstract

一种利用醛原料和空气制备酸的喷射型气液反应器，其中所述气液反应器包括醛进料管、空气进料管、两相射流混合喷嘴及换热元件。醛原料沿所述醛进料管，加压空气沿所述空气进料管被引入到所述的两相射流混合喷嘴中，醛原料和加压空气混合物通过所述的两相射流混合喷嘴高度分散后进入所述的气液反应器中。所述醛原料和所述空气在所述气液反应器中发生氧化反应形成酸，氧化反应放出的热量通过所述气液反应器中设置的所述的换热元件被移出所述的气液反应器。

Description

利用醛原料和空气制备酸的喷射型气液反应器

技术领域

本公开内容涉及一种气液反应器，特别涉及一种利用醛原料和空气制备酸的喷射型气液反应器。

背景技术

利用空气或氧气氧化法通过醛制备酸的过程是一种以气相为分散相，液相为连续相的气液反应。适用的反应器型式主要有鼓泡塔式反应器、搅拌釜式反应器、塔式反应器等。工业上最常见的是鼓泡塔式反应器和搅拌釜式反应器。

鼓泡塔式反应器是气相从塔底进入，经气体分布器自下而上以气泡形式通过液层，液相既可以从反应器顶部进料也可以从反应器底部进料，形成气液两相的逆流或并流流动，气液相接触进行反应。鼓泡塔式反应器结构简单，没有运动部件，适用于高压反应或腐蚀性物质。鼓泡塔式反应器的缺点是液体返混严重，气泡尺寸较大且易产生聚并，故传质效率低(传质效率定义为气相与液相之间物质的传递速度)并且反应物转化为目标产物的比例低，即反应选择性低。

搅拌釜式反应器由于增加了搅拌装置，相比于鼓泡塔式反应器而言强化了传热和传质，但在工程上存在搅拌轴的密封问题，特别对于高温高压强腐蚀操作状况下的大型反应器而言，这一问题会更加突出。同时在动力消耗上也比一般的鼓泡塔要大。另外，搅拌釜式反应器也存着了传质效率较低并且反应物转化为目标产物的比例低，即反应选择性低的问题。

发明内容

为了解决现有技术中的上述一个或多个缺陷，基于本公开内容的一个方面提供一种利用醛原料和空气制备酸的气液反应器，其中所述气液反应器包括醛进料管、空气进料管、两相射流混合喷嘴及换热元件。

醛原料沿所述醛进料管被引入到所述气液反应器中。

加压空气沿所述空气进料管被引入到所述气液反应器中。

所述醛进料管和所述空气进料管设置成所述加压空气从所述空气进料管排出后冲击从所述醛进料管排出的所述醛原料并且与被排出的醛原料在所述气流反应器中充分混合。

混合在一起的所述醛原料和所述空气通过氧化反应形成酸。

根据本公开内容的上述方面，在所述气液反应器中，所述醛进料管套设置在所述空气进料管中。

一空气通道形成在所述醛进料管的外表面和所述空气进料管的内表面之间。

一醛原料通道形成在所述醛进料管中。

根据本公开内容的上述各个方面，在所述气液反应器的下部中，所述气液反应器还包括与所述醛进料管和所述空气进料管连接的两相射流混合喷嘴。

所述两相射流混合喷嘴包括连接在所述醛进料管上的醛排出通道、连接在所述空气进料管上的空气排出通道和连接在所述醛排出通道和所述空气排出通道之间的连接通道。

所述连接通道和所述空气排出通道呈Y字形布置。

从所述醛排出通道排出的所述醛原料在通过所述连接通道后与在所述空气排出通道中的空气汇合并且混合。

混合在一起的所述醛原料和所述空气形成高度分散的两相流体从所述空气排出通道排出到所述气液反应器中。

根据本公开内容的上述各个方面，在所述气液反应器的下部中还设置有底部挡板。

所述两相射流混合喷嘴距离所述底部挡板100至200mm。

根据本公开内容的上述各个方面，在所述气液反应器的上部中设置有上管板。

在所述气液反应器的下部中设置有下管板。

由所述上管板、所述下管板和所述气液反应器的壳体限定一反应液腔体，其用于容纳由所述醛原料和所述空气通过氧化反应所形成的反应液。

所述两相射流混合喷嘴位于所述反应液腔体中。

根据本公开内容的上述各个方面，在所述气液反应器的上部中，由所述上管板和所述气液反应器的壳体限定上管箱。

在所述气液反应器的下部中，由所述下管板和所述气液反应器的壳体限定下管箱。

所述反应液腔***于所述上管箱和所述下管箱之间。

根据本公开内容的上述各个方面，在所述反应液腔体中设置多个换热管。

在所述上管箱中设置有换热介质出口。

在所述下管箱中设置有换热介质入口。

换热介质从所述换热介质入口进入所述下管箱，然后通过所述换热管进入所述上管箱之后，从换热介质出口离开所述上管箱。

根据本公开内容的上述各个方面，所述气液反应器还设置有从所述壳体外部延伸穿过所述上管箱、所述上管板进入到所述反应液腔体中的循环液进入管。

在所述下管箱中还设置有与所述反应液腔体连通的循环液排出管。

所述循环液进入管的开口位置处于所述两相射流混合喷嘴的上方。

根据本公开内容的上述各个方面，所述气液反应器在其外部设置有离心泵。

所述反应液在所述离心泵的泵送下在所述循环液进入管、所述循环液排出管和所述反应液腔体中循环。

所述离心泵在出口设置成从所述反应液中采出一部分酸作为产物。

根据本公开内容的上述各个方面，所述气液反应器在其外部还设置有循环液冷却装置，其用于冷却所述反应液。

根据本公开内容的上述各个方面，在所述上管箱中还设置有与所述反应液腔体连通并且延伸出所述气液反应器的壳体的尾气排出管。

根据本公开内容的上述各个方面，所述醛排出通道、所述空气排出通道和所述连接通道的孔径范围为1至10mm。

根据本公开内容的上述各个方面，所述空气排出通道中的气体流速的范围为40至120m/s，气体压力降的范围为0.1至0.5MPa；所述醛排出通道中的液体流速的范围为2至10m/s，液体压力降的范围为0.05至0.5MPa。

所述反应液在所述气液反应器中的反应停留时间1-5小时，反应转化率≧90％。

根据本公开内容的上述各个方面，所述空气排出通道的射流角α的范围为0至30°。

根据本公开内容的上述各个方面，所述尾气排出管、所述循环液进入管、所述空气进料管和所述醛进料管依次嵌套在一起并且同轴设置。

根据本公开的上述内容提出了一种喷射混合型气液反应器用于醛类空气氧化制备酸的反应。通过该气液反应器将原料醛类和作为氧化气体的空气引入两相射流混合喷嘴，气液从反应器的上部送入，再从气液反应器下部的两相射流混合喷嘴高速射流而出，不需要搅拌即可有较大的湍动能，使气体充分破碎成细小的气泡，并利用流体的强烈湍动使得气泡分散到整个反应区内。该喷射混合型气液反应器不仅结构简单，同时传质效率又高，并且没有运动部件，几乎不需要维护和保养。喷嘴的位置、喷嘴的孔径尺寸、喷嘴的射流角度等结构参数影响气泡尺寸、气含率、气液分散传质效果，最终决定了气液反应器的不同性能来适应不同的生产需要。

本发明提供的用于醛类氧化制取酸的反应器，优先用于低碳醛类空气氧化法制取低碳酸的工艺。本发明所提供的气液反应器核心在于采用了两相射流混合喷嘴，在装置内形成了一个高能量射流两相区，使气液两相得到有效的混合和分散，气液比表面积高，并产生剧烈湍动，极大地强化了气液传质。

在强烈的湍流运动中气液两相充分混合并发生化学反应，放出反应热，强烈的气液两相湍动强化了传热，通过在气液反应器的内部设置多个换热管(换热介质循环在其中)使反应热能够被及时且快速地移出。

气液反应器的上部设置循环液进入管，气液反应器的下部设置循环液排出管，反应液中一部分通过离心泵再从气液反应器下部通过气液反应器上部被送回到气液反应器内部，形成反应器的外循环***，其目的在于减小气液反应器内的温度梯度。

至此，为了本发明在此的详细描述可以得到更好的理解，以及为了本发明对现有技术的贡献可以更好地被认识到，本公开已经相当广泛地概述了本发明的内容。当然，本发明的实施方式将在下面进行描述并且将形成所附权利要求的主题。

同样地，本领域技术人员将认识到，本公开所基于的构思可以容易地用作设计其它结构、方法和***的基础，用于实施本发明的数个目的。因此，重要的是，所附权利要求应当认为包括这样的等效结构，只要它们没有超出本发明的实质和范围。

附图说明

通过下面的附图本领域技术人员将对本发明有更好的理解，并且更能清楚地体现出本发明的优点。这里描述的附图仅为了所选实施例的说明目的，而不是全部可能的实施方式并且旨在不限定本发明的范围。

图1示出根据本公开内容的一种利用醛原料和空气制备酸的气液反应器的剖面图；

图2示出根据本公开内容的两相射流混合喷嘴的剖面图；

图3示出根据本公开内容的气液反应器的外部循环。

具体实施方式

以下结合上述各个附图1至3，具体描述本公开内容的实施方式。

如图1所示，本公开内容的一个实施例提供一种利用醛原料和空气制备酸的气液反应器7，其中所述气液反应器7包括醛进料管1、空气进料管2、两相射流混合喷嘴3及换热元件。

醛原料沿所述醛进料管1从所述气液反应器7的上部被引入到所述气液反应器7中。

加压空气沿所述空气进料管2从所述气液反应器7的上部被引入到所述气液反应器7中。

所述醛进料管1和所述空气进料管2设置成所述加压空气从所述空气进料管2排出后冲击从所述醛进料管1排出的所述醛原料并且与被排出的醛原料在所述气流反应器7中充分混合。

混合在一起的所述醛原料和所述空气通过氧化反应形成酸。

根据本公开内容的上述实施例，如图2所示，在所述气液反应器7中，所述醛进料管1嵌套设置在所述空气进料管2中。

一空气通道2-1形成在所述醛进料管1的外表面和所述空气进料管2的内表面之间。

一醛原料通道1-1形成在所述醛进料管1中，其中所述醛原料通道1-1的底部是封闭的，而所述空气通道2-1的底部被所述醛进料管1封闭。

根据本公开内容的上述各个实施例，在所述气液反应器7的下部中，所述气液反应器7还包括由所述醛进料管1和所述空气进料管2形成的两相射流混合喷嘴3。

两相射流混合喷嘴如图2所示，所述两相射流混合喷嘴3包括设置在所述醛进料管1上的醛排出通道1-2、设置在所述空气进料管2上的空气排出通道2-2和连接在所述醛排出通道1-2和所述空气排出通道2-2之间的连接通道2-3。

所述连接通道2-3形成在所述空气进料管2中。

所述连接通道2-3和所述空气排出通道2-2呈Y字形布置。

从所述醛排出通道1-2排出的所述醛原料在通过所述连接通道2-3后与在所述空气排出通道2-2中的空气汇合并且混合。

混合在一起的所述醛原料和所述空气形成高度分散的两相流从所述空气排出通道2-2排出到所述气液反应器中。

根据本公开内容的上述各个实施例，所述醛排出通道1-2、所述空气排出通道2-2和所述连接通道2-3的孔径范围为1至10mm。

根据本公开内容的上述各个实施例，所述空气排出通道中的气体流速的范围为40至120m/s，气体压力降的范围为0.1至0.5MPa；所述醛排出通道中的液体流速的范围为2至10m/s，液体压力降的范围为0.05至0.5Mpa；所述反应液在所述气液反应器中的反应停留时间1-5小时，反应转化率≧90％。

根据本公开内容的上述各个实施例，所述空气排出通道2-2的射流角α的范围为0至30°。

根据本公开内容的上述各个实施例，在所述气液反应器的下部中还设置有底部挡板4。

所述两相射流混合喷嘴3距离所述底部挡板4为100至200mm。

根据本公开内容的上述各个实施例，在所述气液反应器的上部中设置有上管板5。

在所述气液反应器7的下部中设置有下管板6。

由所述上管板5、所述下管板6和所述气液反应器7的壳体8限定一反应液腔体9，其用于容纳由所述醛原料和所述空气通过氧化反应所形成所述的反应液。所述反应液在在所述气液反应器7中的反应停留时间1-5小时，反应转化率≧90％。

所述两相射流混合喷嘴3位于所述反应液腔体9中。

根据本公开内容的上述各个实施例，在所述气液反应器的上部中，由所述上管板5和所述气液反应器7的壳体8限定上管箱10。

在所述气液反应器7的下部中，由所述下管板6和所述气液反应器7的壳体8限定下管箱11。

所述反应液腔体9位于所述上管箱10和所述下管箱11之间。

根据本公开内容的上述各个实施例，在所述反应液腔体9中设置多个换热管12(换热元件)。

在所述上管箱10中设置有换热介质出口10-1。

在所述下管箱11中设置有换热介质入口11-1。

换热介质循环往复从所述换热介质入口11-1进入所述下管箱11，然后通过所述换热管12进入所述上管箱10之后，从换热介质出口10-1离开所述上管箱10。

根据本公开内容的上述各个实施例，所述气液反应器7还设置有从所述壳体8外部延伸穿过所述上管箱10、所述上管板5进入到所述反应液腔体9中的循环液进入管13。所述循环液进入管13的开口位置处于所述两相射流混合喷嘴3的上方。

在所述下管箱11中还设置有与所述反应液腔体9连通的循环液排出管14。

如图3所示，所述气液反应器7在其外部设置有离心泵15。所述反应液在所述离心泵15的泵送下在所述循环液进入管13、所述反应液腔体9和所述循环液排出管14中循环。

所述离心泵15在出口设置成从所述反应液中采出一部分酸作为产物。

根据本公开内容的上述各个实施例，所述气液反应器7在其外部还设置有循环液冷却装置16，其用于冷却所述反应液。

根据本公开内容的上述各个实施例，在所述上管箱10中还设置有与所述反应液腔体9连通并且延伸出所述气液反应器的壳体的尾气排出管17。

根据本公开内容的上述各个实施例，所述尾气排出管17、所述循环液进入管13、所述空气进料管2和所述醛进料管1依次嵌套在一起并且同轴设置。

本发明所提供的喷射混合型气液反应器主要包括醛进料管1、空气进料管2及两相射流混合喷嘴3。在气液相流体高速通过喷嘴3的射流效应下，在反应器局部形成高能量的射流两相区，使气液两相充分的分散和混合，同时可以通过控制气液两相喷射速度，改变反应器内的气泡大小和气含率。

醛氧化制取酸的氧化反应过程会释放大量的反应热，必须采用合理及时的降温手段移出热量，维持反应温度的稳定。本发明内容采用内冷技术，其结构近似于列管式换热器，在气液反应器的上部和下分别设置了上管箱10、上管板5和下管箱11、下管板6。换热介质自下管箱11引入，经换热管12进入上管箱10流出，从而带走热量。均匀布置的换热管12浸没在反应液中，能及时快速地移出反应热。同时气液两相流的强烈湍动，强化了换热管12外的传热，大大提高了换热能力。

本发明的气液反应器的下部设置了循环液排出管14。抽出的反应液(反应混合物)一部分作为循环液经离心泵增压后返回气液反应器，沿着循环液进入管13被送至气液混合区的上部，形成液相向下的流动速度，增加气含率。也可根据工艺需要，在外部循环管路上增加一个循环液冷却装置16，将循环液冷却降温后再送回气液反应器。为配合反应液的抽出，在气液反应器的下部区域设置了底部挡板4，使反应器的底部形成镇静区，防止抽出的反应液中夹带气泡。

利用本发明所提供的喷射混合型气液反应器，并且结合如图3所示的内部气液流体流动状态，下面以低碳醛的空气氧化反应制备低碳酸过程为例说明本发明的生产工艺。

首先，提供一种如上所述的气液反应器，其主要包括醛进料管1、空气进料管2及两相射流混合喷嘴3。

然后，将醛类原料和加压空气(例如压缩空气)分别从醛进料管1和空气进料管2进入气液反应器7，气液在反应器进料管内自上而下同向流动，在设置于反应器下部区域中各进料管末端的两相射流混合喷嘴3处进行气液混合。由于两相射流的作用在喷嘴处产生剧烈的湍动，气体以细小气泡的形式喷入气液反应器7内从下部自下而上流动，与液相相互接触发生氧化反应生成产物，尾气从气液反应器7的上部排出。

由于喷嘴3位于气液反应器7的下部，反应放出的热量会使气液反应器7的下部温度升高，从而高于气液反应器7上部的物料温度，使气液反应器内的温度梯度增大，不均匀的温度场不利于氧化反应的进行。因此，本发明所述的气液反应器7在下部设置了循环液排出管14，反应后的反应液经过离心泵15增压，反应液的一部分自气液反应器7的下部的循环液排出管14采出，再从气液反应器7上部的循环液进入管13送入气液反应器7内，在循环液进入管13内自上而下流动。这样可降低温度梯度，维持气液反应器内部的温度场的均匀和稳定。同时，从气液反应器7的上部送入的循环液自上而下流动，在循环液进入管13的底部端口、靠近喷嘴3的上方位置流出。由于循环液进入管13的出口指向喷嘴3的外部，喷出的循环液可冲击从喷嘴3快速喷出的气液两相混合流，加强射流区内的两相扰动，使气液混合区形成涡流，增强扰动，气泡与反应液充分接触，保证充足的反应时间。最后，反应液的另一部分作为该气液反应器的产品(酸)被送出反应***。

醛氧化生成酸的反应为强放热反应，在反应过程中为了维持气液反应器7内的温度稳定，需及时从气液反应器内移走多余的反应热。本发明所提供的喷射混合型气液反应器内设有换热管12，换热介质在管程内自下而上流动，与反应器内部的物料进行换热，带走反应热。

本发明所提供的喷射混合型气液反应器为减小气液反应器内部的温度梯度，设置了外循环***。当在内部设置的上述换热手段无法满足要求时，可在外部增加一个循环液冷却装置16，将从反应器下部采出的循环液通过外部设置的循环液冷却装置16降温后再送回到气液反应器，维持气液反应器的内部温度的稳定。

参考具体实施例，尽管本发明已经在说明书和附图中进行了说明，但应当理解，在不脱离权利要求中所限定的本发明范围的情况下，所属技术领域人员可做出多种改变以及多种等同物可替代其中多种元件。而且，本文中具体实施例之间的技术特征、元件和/或功能的组合和搭配是清楚明晰的，因此根据这些所公开的内容，所属技术领域人员能够领会到实施例中的技术特征、元件和/或功能可以视情况被结合到另一个具体实施例中，除非上述内容有另外的描述。此外，根据本发明的教导，在不脱离本发明本质的范围，适应特殊的情形或材料可以做出许多改变。因此，本发明并不限于附图所图解的个别的具体实施例，以及说明书中所描述的作为目前为实施本发明所设想的最佳实施方式的具体实施例，而本发明意旨包括落入上述说明书和所附的权利要求范围内的所有的实施方式。

Claims (13)

1.一种利用醛原料和空气制备酸的喷射型气液反应器，其中所述气液反应器包括醛进料管和空气进料管；

醛原料沿所述醛进料管被引入到所述气液反应器中；

加压空气沿所述空气进料管被引入到所述气液反应器中；

所述醛进料管和所述空气进料管设置成所述加压空气从所述空气进料管排出后冲击从所述醛进料管排出的所述醛原料并且与被排出的醛原料在所述气液 反应器中充分混合；

混合在一起的所述醛原料和所述空气通过氧化反应形成酸；

在所述气液反应器中，所述醛进料管套设置在所述空气进料管中；

一空气通道形成在所述醛进料管的外表面和所述空气进料管的内表面之间；

一醛原料通道形成在所述醛进料管中；

在所述气液反应器的下部中，所述气液反应器还包括与所述醛进料管和所述空气进料管连接的两相射流混合喷嘴；

所述两相射流混合喷嘴包括连接在所述醛进料管上的醛排出通道、连接在所述空气进料管上的空气排出通道和连接在所述醛排出通道和所述空气排出通道之间的连接通道；

所述连接通道和所述空气排出通道呈Y字形布置；

从所述醛排出通道排出的所述醛原料在通过所述连接通道后与在所述空气排出通道中的空气汇合并且混合；

混合在一起的所述醛原料和所述空气形成高度分散的两相流体从所述空气排出通道排出到所述气液反应器中。

2.根据权利要求1所述的气液反应器，其中

在所述气液反应器的下部中还设置有底部挡板；

所述两相射流混合喷嘴距离所述底部挡板100至200mm。

3.根据权利要求1所述的气液反应器，其中

在所述气液反应器的上部中设置有上管板；

在所述气液反应器的下部中设置有下管板；

由所述上管板、所述下管板和所述气液反应器的壳体限定一反应液腔体，其用于容纳由所述醛原料和所述空气通过氧化反应所形成的反应液；

所述两相射流混合喷嘴位于所述反应液腔体中。

4.根据权利要求3所述的气液反应器，其中

在所述气液反应器的上部中，由所述上管板和所述气液反应器的壳体限定上管箱；

在所述气液反应器的下部中，由所述下管板和所述气液反应器的壳体限定下管箱；

所述反应液腔***于所述上管箱和所述下管箱之间。

5.根据权利要求4所述的气液反应器，其中

在所述反应液腔体中设置多个换热管；

在所述上管箱中设置有换热介质出口；

在所述下管箱中设置有换热介质入口；

换热介质从所述换热介质入口进入所述下管箱，然后通过所述换热管进入所述上管箱之后，从换热介质出口离开所述上管箱。

6.根据权利要求4所述的气液反应器，其中

所述气液反应器还设置有从所述壳体外部延伸穿过所述上管箱、所述上管板进入到所述反应液腔体中的循环液进入管；

在所述下管箱中还设置有与所述反应液腔体连通的循环液排出管；

所述循环液进入管的开口位置处于所述两相射流混合喷嘴的上方。

7.根据权利要求4所述的气液反应器，其中

所述气液反应器在其外部设置有离心泵；

所述反应液在所述离心泵的泵送下在循环液进入管、循环液排出管和所述反应液腔体中循环；

所述离心泵在出口设置成从所述反应液中采出一部分酸作为产物。

8.根据权利要求7所述的气液反应器，其中

所述气液反应器在其外部还设置有循环液冷却装置，其用于冷却所述反应液。

9.根据权利要求4所述的气液反应器，其中

在所述上管箱中还设置有与所述反应液腔体连通并且延伸出所述气液反应器的壳体的尾气排出管。

10.根据权利要求1所述的气液反应器，其中

所述醛排出通道、所述空气排出通道和所述连接通道的孔径范围为1至10mm。

11.根据权利要求3所述的气液反应器，其中

所述空气排出通道中的气体流速的范围为40至120m/s，气体压力降的范围为0.1至0.5MPa；

所述醛排出通道中的液体流速的范围为2至10m/s，液体压力降的范围为0.05至0.5MPa；

所述反应液在所述气液反应器中的反应停留时间1-5小时，反应转化率≧90％。

12.根据权利要求1所述的气液反应器，其中

所述空气排出通道的射流角α的范围为0至30°。

13.根据权利要求9所述的气液反应器，其中

所述尾气排出管、循环液进入管、所述空气进料管和所述醛进料管依次嵌套在一起并且同轴设置。

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