本申請為2013年06月05日遞交的申請?zhí)枮?01380030122.9，發(fā)明名稱為氣液反應(yīng)器的分案申請。

本發(fā)明涉及用于進(jìn)行氣液工藝技術(shù)設(shè)備領(lǐng)域，并且可在化學(xué)、石油化工等工業(yè)中使用。

背景技術(shù)：

大多數(shù)情況下，氣液催化工藝的獨(dú)特性在于反應(yīng)發(fā)生在液相，其中一種反應(yīng)物是液體，而另外一種反應(yīng)物是溶解在液體中的氣體。發(fā)生在液體和液相中的氣體之間的化學(xué)反應(yīng)，導(dǎo)致存在其中一種反應(yīng)物從氣相(gasphase)進(jìn)入溶液的過渡階段。這樣，反過來，導(dǎo)致工藝速率常常取決于作為速度限制階段的溶解速率的事實(shí)，這是工藝在擴(kuò)散區(qū)進(jìn)行的證據(jù)。

擴(kuò)散區(qū)的存在作為一項(xiàng)規(guī)則，負(fù)面的影響了工藝速率和目標(biāo)產(chǎn)品產(chǎn)量。在動力學(xué)區(qū)進(jìn)行化學(xué)工藝的必要性導(dǎo)致尋找一種反應(yīng)器，該反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)適合于解決本問題。工藝在動力學(xué)區(qū)進(jìn)行可以通過實(shí)現(xiàn)氣體反應(yīng)物在液體的高溶解速率來實(shí)現(xiàn)，該溶解速率的值直接取決于氣相的接觸時間。氣相的接觸時間越長，氣體在液體中的溶解速率將進(jìn)行得越快。因此，如何增加氣相的接觸時間，是增加氣液反應(yīng)器操作效率的主要問題之一(timonina.s.machinesanddevicesofchemicalindustries.kaluga，publ.n.f.bochkareva，2008-872p.)。

增加接觸時間最有效的方法是增加氣體或者液體從反應(yīng)物供給點(diǎn)到目標(biāo)產(chǎn)品輸出點(diǎn)經(jīng)過的路徑的長度。因此，美國專利(us7387769)公開了一種反應(yīng)器結(jié)構(gòu)，該反應(yīng)器包括多個互相串接的部分，每個部分包括多個開口，這些開口交替地位于各部分的上面或者下面。該反應(yīng)器中的氣體從沿著一條蛇形的(serpentine)路徑水平地從一個部分流到到另一個部分。并將氣體分開地送入各室。這種反應(yīng)器用于由二氧化碳與氫氧化鈣溶液反應(yīng)制備沉淀碳酸鈣。這種結(jié)構(gòu)的不好之處在于氣體和液體是水平移動的，不能被很多化學(xué)工藝所接受，尤其是，對于從乙烯制備1-己烯(1-hexene)的工藝，由于這種情況下，氣體會積聚在裝置的上部，形成氣體填充的區(qū)域。氣體積聚在一些地方會導(dǎo)致在液相和氣相之間接觸面積減少，負(fù)面地影響氣體在液體中的溶解速率。

我們選擇另一種用于實(shí)施氣液化學(xué)工藝的反應(yīng)器(美國專利號：us6444180)作為現(xiàn)有技術(shù)。這一反應(yīng)器結(jié)構(gòu)的主要特征為使用了多個穿孔平板，在穿孔平板的邊緣附近具有開孔，該開孔為扇形并臨接反應(yīng)器殼體內(nèi)表面。其中，這些平板交替成對，以使得扇形開孔位于反應(yīng)器中心軸的不同側(cè)，從而使得液相沿著z形軌跡流動。由于界面增大，并且液體和氣相之間的混合更充分，使得目標(biāo)產(chǎn)品產(chǎn)量增加。

上述發(fā)明的一個組成部分是采用了使氣相的垂直運(yùn)動的多個穿孔平板。其中，應(yīng)注意的是，與邊孔在平板的布置方法無關(guān)(每個平板兩個孔，一個孔或無孔)，氣相運(yùn)動將是垂直穿過平板中央的貫通口。按照這種氣流布置，使用該發(fā)明僅僅增加了液相的接觸時間，并不影響氣相的接觸時間。

對于化學(xué)和石油化工工業(yè)中的多數(shù)氣液工藝，包括由2-乙基己醇(2-ethylhexanal，簡稱2-eh)制備2-乙基己酸(2-ethylhexanoicacid，簡稱2-eha)以及由乙烯制備1-己烯的工藝，氣相接觸時間是用于定義反應(yīng)器形成的目標(biāo)產(chǎn)品產(chǎn)量的最重要的參數(shù)。例如，在從2-乙基己醇制備目標(biāo)2-乙基己酸的工藝中，產(chǎn)品的形成速率取決于溶解氧的濃度。反過來，溶解氧的濃度通過溶解氧和氣相氧之間形成的平衡來定義。在氣體和液體的接觸時間不充足的情況下，氧氣的溶解速率較溶解氧和乙醛的反應(yīng)速率慢。在這種情況，工藝將在擴(kuò)散區(qū)進(jìn)行，將負(fù)面影響目標(biāo)產(chǎn)品產(chǎn)量。使得氣相接觸時間具有一個相對較高的值，將有助于增加氧氣溶解速率和進(jìn)入動力學(xué)區(qū)過渡過程。

在預(yù)定的氣體和液體流動時，氣相的接觸時間值將通過在該裝置中氣體含量的值來定義。氣體的含量越高，氣相的接觸時間值越高，氣體溶解在液體中的速率也越高?？梢酝ㄟ^兩種方式來實(shí)現(xiàn)增加氣體含量。第一種方式，歸功于所供給的氣體的量隨著裝置容積增加的同時一起增加。這種做法是與顯著的成本開銷有關(guān)的，并導(dǎo)致主要設(shè)備使用效率較低，尤其是，氣液反應(yīng)器(lehtinenc.，brunovg.factorsaffectingtheselectivityofairoxidationof2-ethylhexanal，an[α]-branchedaliphaticaldehyde.org.proc.res.&dev.，2000，4(6)，pp.544-549)。

另一種方法在于提供一種反應(yīng)器結(jié)構(gòu)，該反應(yīng)器結(jié)構(gòu)提供最大化增加氣體從反應(yīng)器的供給點(diǎn)到最終產(chǎn)品的輸出點(diǎn)所經(jīng)過的路徑的長度。在這種情況下，無需改變反應(yīng)器自身尺寸，而僅通過改進(jìn)裝置的內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計，來增加存在于反應(yīng)器中的氣體容積。該反應(yīng)器結(jié)構(gòu)申請了美國專利(us6444180)，解決了如何增加目標(biāo)產(chǎn)品產(chǎn)量的問題，尤其是，用于制備尿素的方法，但是是由于其增加的是液相的接觸時間。應(yīng)用這種結(jié)構(gòu)的速度限制階段為將反應(yīng)物之一從氣體向溶液的轉(zhuǎn)變過程(具體是，在制備2-乙基己酸時溶解氧氣，以及在制備1-己烯時溶解乙烯)，由于氣相的接觸時間保持不變，并不能實(shí)現(xiàn)目標(biāo)產(chǎn)品產(chǎn)量的類似增長。

在實(shí)施氣液工藝時，包括從2-乙基己醇制備2-乙基己酸以及從乙烯制備1-己烯，急需解決的另一個問題是必須排出由于化學(xué)反應(yīng)放出的大量熱。反應(yīng)器中的熱平衡計算表明，為了提供對化學(xué)反應(yīng)熱量的有效排出，提供較大的熱交換面積是必要的，該熱交換面積只能通過使用配合到反應(yīng)器中的導(dǎo)管束來實(shí)現(xiàn)，并且冷卻劑供給入管道之間的導(dǎo)管空間內(nèi)。

通過以上模型說明的結(jié)構(gòu)，僅可用于反應(yīng)物料的加熱/冷卻通過保溫套進(jìn)行的反應(yīng)器。因此，我們可以總結(jié)，由于反應(yīng)器內(nèi)部無法布置管道束，美國專利us6444180提出的反應(yīng)器結(jié)構(gòu)不適用于化學(xué)反應(yīng)伴隨大量熱量放出的氣液工藝。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于開發(fā)一種反應(yīng)器來提升氣液化工工藝的效率。

一個技術(shù)結(jié)果(效果)在于該技術(shù)方案提供了最大化目標(biāo)產(chǎn)品產(chǎn)量和塞流區(qū)域。另一個技術(shù)結(jié)果(效果)在于提高了使用和維護(hù)反應(yīng)器的便利性，以允許可操作性的控制反應(yīng)過程，以及通過在數(shù)小時內(nèi)可改變其結(jié)構(gòu)，在最佳條件下實(shí)施反應(yīng)過程。同時，技術(shù)結(jié)果(效果)還體現(xiàn)在，本發(fā)明使得在研制階段，即可高度準(zhǔn)確地評估反應(yīng)器的幾何參數(shù)及其在化學(xué)工藝的速度和目標(biāo)產(chǎn)品的產(chǎn)量上的效果。進(jìn)一步的技術(shù)結(jié)果(效果)在于，該技術(shù)方案提供了在溫度不斷升高和降低的情況下，有效維持恒溫區(qū)域的方法。

附圖說明

參照并如附圖中所示的，以下通過本發(fā)明的非限制性實(shí)施例對本發(fā)明的進(jìn)一步特征進(jìn)行描述。附圖中：

圖1示出了本發(fā)明提供的氣液反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2示出了圖1所示反應(yīng)器中包括的一個管道的結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實(shí)施方式

技術(shù)問題的解決方案以及技術(shù)效果的實(shí)現(xiàn)歸功于，為了實(shí)施氣液工藝，使用了帶有特殊內(nèi)部結(jié)構(gòu)的氣液反應(yīng)器。該結(jié)構(gòu)顯示在圖1中。

所述氣液反應(yīng)器包括殼體，其具有用于引入反應(yīng)物的進(jìn)口管7和排出反應(yīng)產(chǎn)品的出口管8。該反應(yīng)器殼體1包含一個導(dǎo)管束2，該導(dǎo)管束2從上面和從下面連接到管陣列3，如此，所述導(dǎo)管之間的空間不會與所述導(dǎo)管的內(nèi)部容積連通。所述反應(yīng)器殼體還設(shè)置有輸入管9和輸出10管，與所述多個導(dǎo)管之間的空間連通，制冷劑或者熱載體被相應(yīng)地通過該空間供給以排出化學(xué)反應(yīng)發(fā)出的熱量或者在必要的時候加熱反應(yīng)物料。

可移除的桿4被設(shè)置在至少一個所述導(dǎo)管內(nèi)。多個板5被連接到所述桿，每一個板具有至少一個開口6。這些開口優(yōu)選地但可選地設(shè)置在靠近板的邊沿。所述多個板以這樣的方式設(shè)置，即，相鄰板的所述開口彼此之間互相不共軸。優(yōu)選地，相鄰板的開口被成對布置在相對于桿徑向相對的點(diǎn)。多個這種導(dǎo)管中的一個的結(jié)構(gòu)如圖2所示。所述桿可以通過任意已知方法可移除地安裝在導(dǎo)管內(nèi)，例如，通過螺紋或鉚接連接。多個板沿桿的高度方向安裝，其中可選擇允許改變板之間間距的任意安裝方法，例如，通過螺母安裝，必要的話，可進(jìn)一步使用墊圈。

為了實(shí)施工藝，反應(yīng)物通過原料引入連接管(流i)供給到反應(yīng)器。其中氣態(tài)的組分可以與液相的組分一起供給，也可以分開供給?；瘜W(xué)反應(yīng)發(fā)生在管程內(nèi)，其中氣-液流在管道中向上運(yùn)動。在板的開口設(shè)置為不共軸的情況下，相比較從反應(yīng)物的供給點(diǎn)到目標(biāo)產(chǎn)品的輸出點(diǎn)的最短軌跡，提供了一種增長的反應(yīng)物料的運(yùn)動軌跡。這樣使得氣體從反應(yīng)物的供給點(diǎn)(流i)到目標(biāo)產(chǎn)品的輸出點(diǎn)(流ii)經(jīng)過的路徑的長度增加了。氣體路徑的增加，反過來，使得反應(yīng)器中的氣相容積增加，并且，因此，增加了氣相的接觸時間。當(dāng)工藝速率僅由化學(xué)反應(yīng)速率決定而不受限于氣體溶解速率時，由于工藝在動力學(xué)區(qū)進(jìn)行，實(shí)現(xiàn)了目標(biāo)產(chǎn)品產(chǎn)量的最大化。

鑒于該事實(shí)，即化學(xué)反應(yīng)在不與導(dǎo)管之間的空間連通的管程中進(jìn)行，導(dǎo)管之間的空間可以用于在其中供給冷卻劑或熱載體。在這種情況下，與冷卻/加熱經(jīng)由保溫套進(jìn)行的反應(yīng)器相比，由于使用的是所有管道的外表面，而不僅是反應(yīng)器殼體，熱交換表面積顯著增大。熱交換表面積可以通過在反應(yīng)器內(nèi)部設(shè)置不同數(shù)量的管道來調(diào)整，同時賦予了在研制階段選擇裝置結(jié)構(gòu)的可能性。因此，由于較高的熱傳遞速率，提供了一種隨著溫度不斷升高或者降低維持恒溫的方式，并且提供了一種在裝置的研制階段可以改變熱交換表面積的可能性。

在包括用于實(shí)施氣液工藝反應(yīng)器在內(nèi)的化學(xué)反應(yīng)器的研制過程中，在提出裝置的數(shù)學(xué)模型階段，最重要的問題之一為對反應(yīng)器結(jié)構(gòu)在工藝速率和目標(biāo)產(chǎn)品產(chǎn)量上的影響的最高精度評估。為了避免在定義要求的反應(yīng)器大小時出現(xiàn)錯誤，設(shè)計師常常需要增加反應(yīng)器的尺寸，導(dǎo)致增加反應(yīng)器的成本。由于預(yù)測氣液混合物沿著帶擱架(shelve)的管道運(yùn)動的軌跡的可能性，本發(fā)明提出的結(jié)構(gòu)允許高精度地計算反應(yīng)器的幾何參數(shù)，包括配管數(shù)和管直徑，擱架的數(shù)量及擱架之間的距離。在實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與計算數(shù)據(jù)之間存在差異的情況下，使用本結(jié)構(gòu)允許，通過改變包括桿的管道數(shù)量，也可以通過增加或減少桿上平板，以及通過改變平板之間的間距，在反應(yīng)器試驗(yàn)開始后可立即輕易地消除現(xiàn)存的錯誤。因此，本發(fā)明提供了一種在研制階段，高精度地評估反應(yīng)器的幾何參數(shù)及其在化學(xué)工藝的速率和目標(biāo)產(chǎn)品的產(chǎn)量上的效果的可能性。

取決于工藝條件的改變(反應(yīng)物流動速率，壓強(qiáng)，溫度)，包含桿的導(dǎo)管數(shù)量，以及平板之間的距離，安裝在桿上的平板的數(shù)量，都可以在反應(yīng)器的研制階段或者反應(yīng)器的操作過程中被改變。尤其是，在增加反應(yīng)器的產(chǎn)量時，有必要增加反應(yīng)物在裝置內(nèi)的滯留時間，該滯留時間可以通過降低平板之間的距離，以及增加平板的數(shù)量來輕易實(shí)現(xiàn)。技術(shù)上，該操作可以在任意時刻實(shí)施，包括在反應(yīng)器操作階段，通過移除安裝有平板的錨桿，以及沿桿移動平板以增加新的平板。因此，本發(fā)明提供了一種控制工藝的可能性，以及提供了不用替換整個反應(yīng)器而僅需要通過對其結(jié)構(gòu)的簡單改變，該改變可以輕易地在數(shù)小時內(nèi)實(shí)現(xiàn)，使得在最佳條件下實(shí)施工藝的可能性。

本發(fā)明提出的反應(yīng)器結(jié)構(gòu)不僅可以在新裝置的研制階段被選擇。這種結(jié)構(gòu)也可以用于在反應(yīng)器容積內(nèi)安放類似的管道的反應(yīng)器設(shè)備，以提高現(xiàn)有的反應(yīng)器設(shè)備的性能。例如，通過氧化2-乙基己醇制備2-乙基己酸的工藝，在帶有內(nèi)置盤管的中空反應(yīng)器中實(shí)現(xiàn)。有一個可能是裝置內(nèi)部盤管的拐彎處設(shè)置本發(fā)明提出的帶有錨桿的管道。在這種情況下，化學(xué)反應(yīng)將不會在管道之間的空間中進(jìn)行，而是在管程(tubeside)中進(jìn)行，其中，氣相的接觸時間增加使得允許將工藝從擴(kuò)散區(qū)轉(zhuǎn)移到動力學(xué)區(qū)。因此，出現(xiàn)一種改善現(xiàn)有的氣液反應(yīng)器，由于氣相接觸時間值較低，工藝發(fā)生在擴(kuò)散區(qū)的可能性。

實(shí)施例一

在具有本發(fā)明提出的結(jié)構(gòu)的反應(yīng)器中進(jìn)行乙烯制備1-己烯的生產(chǎn)。采用三段反應(yīng)器進(jìn)行該生產(chǎn)，每個室分別供給乙烯。每個室包括50個導(dǎo)管組成的導(dǎo)管束，導(dǎo)管直徑為40mm，化學(xué)反應(yīng)在各室中進(jìn)行。在每個管道中，設(shè)置有一個錨桿，錨桿上通過螺母安裝有多個平板。每個平板開有一個直徑為4mm的開口，其中，平板如此交替以至于相鄰平板上的開口分別位于錨桿中心軸徑向相對的點(diǎn)。在第一反應(yīng)器段，管道包括39個平板，在第二管道包括26個平板，在第三管道包括20個平板。反應(yīng)器管道部分的總長度為2.1m。熱交換面積為13m²。氣相接觸時間為3min。其中從乙烯到1-己烯的轉(zhuǎn)化率達(dá)到98.3％。在所有其他的值相同的情況下，本發(fā)明的反應(yīng)器，具有更小的尺寸，更高的單位輸出。所獲得的輸出數(shù)據(jù)在表1中列出。

實(shí)施例二

氧化包含于c8醛氫化物(c8-aldehydeshydrogenate)中的2-乙基己醇來制備2-乙基己酸的實(shí)驗(yàn)，在內(nèi)部帶盤管的動力實(shí)驗(yàn)室反應(yīng)器中進(jìn)行了4個小時，該動力實(shí)驗(yàn)室反應(yīng)器模擬工業(yè)可操作的裝置，尺寸比例為1∶0.9·10^-5，溫度為45℃，大氣壓強(qiáng)為1atm，氫化物供給容積速率為0.45cm³/min，以及空氣的供給容積速率為235cm³/min，提供的恒摩爾比為氧化劑∶2-eha＝1.5∶1。

實(shí)施例三

對比實(shí)驗(yàn)在具有和實(shí)施例二同等大小和同等條件的流體玻璃反應(yīng)器中進(jìn)行，該實(shí)驗(yàn)與實(shí)施例二的區(qū)別僅在于該反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)對應(yīng)于本發(fā)明所要求保護(hù)的結(jié)構(gòu)。通過實(shí)驗(yàn)室方法，工業(yè)方法，以及實(shí)施例二和實(shí)施例三所獲得的靜態(tài)的非催化工藝的液相氧化2-乙基己醇的輸出參數(shù)在表2中列出。

表1