專利名稱：用于氣/液或氣/液/固反應的反應器的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種用于氣/液或氣/液/固反應的反應器及其用途。
在多相反應中，各相的良好混合是得到高轉化率的先決條件。為此通常使用攪拌容器。然而，攪拌容器的缺點是，它們需要活動部件并且攪拌容器必須具有非常大的容積以進行緩慢的平衡反應，該類平衡反應要進行到高最終轉化率，并且在反應中副產物作為蒸氣而連續(xù)地被汽提除去。攪拌容器級聯(lián)公知用于進行這類反應，但是這些級聯(lián)的缺點是必需相應大量的單個設備。
在反應蒸餾塔中進行多相反應也是公知的。然而，滯留在塔板上的液體會局限在這里。特別是在緩慢平衡反應的情況下，液體滯留一定會很大，以至于使橫跨塔板的氣體側壓力降變得非常大。結果在塔中的若干塔板上產生大的溫度跨度，從而伴隨差異非常大的反應速率。在敏感性產物的情況下，這可能導致產物在塔下部發(fā)生分解或受到損害，同時由于溫度太低，反應在上部終止。
本發(fā)明的目的是提供一種用于氣/液或氣/液/固反應的反應器，該反應器甚至在液相或液/固相的長停留時間下也因非常良好的相混合而確?；窘咏鼰崃W氣/液平衡，并且確保在混合和反應后，氣相與液相基本分離。
此外，對于上升的氣相，所述反應器的操作應該能使壓力降非常小。
所述目的從用于氣/液或氣/液/固反應的反應器開始來實現，該反應器具有垂直的縱向軸，位于該反應器上部區(qū)的供液體或液體/固體原料流進入的入口和位于在該反應器下部區(qū)的供氣態(tài)料流進入的入口。
根據本發(fā)明，-該反應器具有至少兩個沿縱向一個位于另一個之上的室，-所述室由液密底板相互隔開，
-每個室經由液體溢流與緊鄰其下方的室相連，液體產物料流通過最底室的液體溢流排出，-每個室中液面上的氣體空間經由一個或多個導管與緊鄰其上方的室相連，所述導管各自通向帶有供液面下氣體排出的開孔的氣體分配器，-以及每個室均具有至少一個垂直地位于每個氣體分配器周圍的導向隔板，其上端位于液面以下，下端位于該室的液密底板之上，它將每個室劃分成一個或多個氣體流過的空間和一個或多個氣體不流過的空間。
因此，我們發(fā)現了一種設備，該設備確保多相反應中各相的優(yōu)異混合以及反應混合物在每個室的整個空間上，即在其橫截面上并尤其是在液體的高度方向上基本保持組成恒定，并且同時在反應完成后借助液體的氣升循環(huán)使液相和氣相簡單分離，而無需使用活動部件。相對于氣體不流過的液體空間而言，氣體從氣體分配器排出進入位于氣體分配器和垂直地位于該氣體分配器周圍的導向隔板之間的液體空間使該液體空間中的靜壓降低，結果產生壓力梯度，該壓力梯度轉化成動能。該壓力梯度以流動流體的形式驅動氣升循環(huán)，該流體在氣體流過的空間中，即在位于氣體分配器和位于該氣體分配器周圍的導向隔板之間的空間中向上流動，它受導向隔板的影響在該導向隔板的最頂端和液面以下之間的區(qū)域中發(fā)生偏轉，由頂部往下流過導向隔板上的氣體不流過的液體空間，并在該室的液密底板以上且在導向隔板的最底端以下再次偏轉成向上流，從而閉合環(huán)路。
本發(fā)明反應器是具有垂直縱向軸的設備，即直立設備，并且在其上部區(qū)具有供液體或液體/固體原料流進入的入口，在其下部區(qū)具有供氣態(tài)料流(原料和/或惰性氣體)進入的入口，即液體或液體/固體料流和氣態(tài)料流呈逆流形式輸送。
反應器由一個位于另一個之上的多個室，尤其是2-200個室，特別優(yōu)選3-50個室組成。
反應器的幾何形狀通常為圓筒形，但其它幾何形狀，尤其是立方形也是可行的。
各室通過液密底板相互隔開，其中每個室經由液體溢流與緊鄰其下方的室相連。液體溢流例如可以呈管或豎井的形式，并且可位于反應器內或反應器外。兩個疊加室的液體溢流尤其可位于反應器的對側。液體產物料流經由其液體溢流從最底室中排出。
每個室中液面上的氣體空間通過一個或多個導管與緊鄰其上方的室相連，所述導管各自通向帶有供液面下氣體排出的開孔的氣體分配器。對于導管的數量和排布原則上沒有限制同樣可以提供單一中心導管或多個分布在反應器橫截面上的導管。同樣也可提供多個各自經由一個或多個用于每個室的導管來供應氣體的單獨氣體分配器，而不是單個氣體分配器。氣態(tài)料流經由一個或多個導管從反應器外部引入反應器最底室的氣體分配器中。
因此，同樣也可提供經由一個或多個導管供應氣體的單個氣體分配器或者多個不相連且各自經由一個或多個導管來供應氣體的氣體分配器。
在優(yōu)選實施方案中，每個室中的液體溢流位于用于氣體供應的氣體供應管的上端以下。該實施方案保證了防止液體經由氣體供應管流向位于下面的室中的靜態(tài)阻隔。
對于可用于本發(fā)明目的的氣體分配器原則上沒有限制重要的是氣體分配器能使經由導管向其供應的氣體在氣體分配器位于其中的室的液面以下從緊鄰所述室下方的室的氣體空間排出。該氣體應該優(yōu)選非常均勻地排出。作為氣體分配器，原則上可使用任何市購氣體引入裝置，例如呈管形式的氣體分配器，它們帶有供排氣的開孔且例如可水平排布，即排布在與該室的液密底板相平行的平面。也可提供環(huán)形的氣體分配器。然而，供排氣的開孔總是必須位于該室的液面以下，優(yōu)選到液面的距離為該室中液體總高度的約10％，優(yōu)選約30％，特別優(yōu)選約50％。已經發(fā)現，供排氣的開孔在該室液面下的特別有利的浸沒深度為至少50mm。供排氣的開孔僅供氣體通過，也就是說僅供一相通過。
氣體分配器的下端優(yōu)選與該室底部隔開設置，這意味著氣體分配器不完全潛入液體中。盡管如此，由于氣升作用，也能保證液體的優(yōu)異混合。
氣體分配器中供排氣的開孔優(yōu)選與該室底部隔開設置，優(yōu)選位于該室中液體高度的40-90％處，該液體高度由該室底部到液體溢流之間的距離測得。
在優(yōu)選實施方案中，供排氣的開孔位于氣體供應管上端以下。通過該特定的構造實施方案，得到了類似虹吸的勢壘效應，以防止液體經由氣體供應管向下流。
在優(yōu)選變體中，氣體分配器具有呈罩形式的虹吸管狀結構，該罩頂端封閉且在其下部帶有供排氣的開孔。
所述罩除其下部帶有用于供應氣體的導管的開孔和供排氣的開孔之外可完全封閉。
同樣，罩的下部也可以是敞口的。
罩的上部封閉端可位于液面以下，但它也可伸展到液面以上而進入氣體空間。
虹吸管狀的氣體分配器的罩原則上可具有任何幾何形狀；它例如可以包括多個相互連接且在橫截面上優(yōu)選以交叉和/或平行或同心或輻射形式排布的部件。
供排氣的開孔的數量、橫截面和距該室液面的距離優(yōu)選使氣態(tài)料流在氣體分配器中經歷的壓力降為0.1-50毫巴。
氣體分配器的開孔優(yōu)選相互位于同一高度。
開孔原則上可具有任何幾何形狀，例如圓形、三角形或呈縫形式。
開孔的中心線優(yōu)選距罩的下端約1-15cm。作為選擇，罩的下端也可具有鋸齒邊，而不是開孔。在另一替代方案中，罩的下端可呈環(huán)形分配器形式。
相互位于不同高度的開孔的排布在有兩個或更多個裝載區(qū)的操作的情況下可能是有利的。
供排氣的開孔的高度按需要根據反應器中待進行的特定反應來進行選擇，使得首先對于特定的氣/液或氣/液/固反應可獲得足夠的傳質面積，其次使得可獲得足夠的用于液體的氣升循環(huán)的推動力。
在本發(fā)明反應器中的每個氣體分配器的周圍，設置至少一個其上端位于該室液面以下的垂直導向隔板，該隔板與該室底板具有一定距離，并且將每個室劃分成一個或多個氣體流過的空間和一個或多個氣體不流過的空間。
在優(yōu)選實施方案中，導向隔板可為具有中空圓柱體形狀的推入式管。然而，導向隔板例如也可具有簡單平板的形狀。
導向隔板距該室的液面和底板的距離優(yōu)選使得基本不發(fā)生由導向隔板產生的液體流的節(jié)流。因而，優(yōu)選選擇導向隔板到該室的液面和底板的距離，使得液體的流速不因導向隔板導致的偏轉而改變或只輕微改變。
導向隔板的總高度原則上沒有限制。它的尺寸可適當地選擇，尤其是在確?；旌铣浞值耐瑫r是每個室的所需停留時間的函數。
在優(yōu)選實施方案中，固體催化劑可裝在反應器的一個或多個，優(yōu)選所有室中，尤其作為固體顆粒床或催化劑包覆的規(guī)則填料形式，例如整塊式。
此外，優(yōu)選在一個或多個，優(yōu)選所有室中安裝離子交換樹脂。
因此，本發(fā)明反應器的優(yōu)點是它確保了氣/液或氣/液/固反應中液相的非常良好的混合，還確保了氣相的分離。由于唯一必要的是，氣體從室中液面下的氣體分配器中排出使氣升循環(huán)起作用，以及氣體出口到液面的距離原則上能夠在非常寬的范圍內變化，因此本發(fā)明反應器提供了一種其中液體的停留時間和氣體的壓力降大大降低的設備，尤其當潛入深度小時。
進行緩慢的平衡反應特別有利，該反應將產生通常為90-99.9％的高轉化率。此外，本發(fā)明反應器可設定每板(室底板)非常寬的液體滯留范圍，因而可設定幾分鐘至數小時的非常寬的停留時間范圍。
反應器特別可用于進行其中不僅僅傳質面積代表速率限制步驟的氣/液或氣/液/固反應。該反應器還適于屬于一級或更高級且將產生高轉化程度的連續(xù)反應，例如氧化丙烯與二氧化碳形成碳酸亞丙酯的反應，以及氫化反應，例如色數氫化反應。
本發(fā)明反應器尤其可用于進行將產生高轉化率并且其中借助惰性氣體或借助反應物之一使副產物作為蒸氣連續(xù)從反應混合物中除去以使反應平衡朝所需方向移動的平衡反應。這些反應的實例是酯化，例如鄰苯二甲酸或鄰苯二甲酸酐與醇形成優(yōu)選用作增塑劑的鄰苯二甲酸酯的酯化，或者己二酸或丙烯酸與醇形成它們的酯的酯化。所有這些反應的特征是，所生成的水借助惰性氣體的逆流或優(yōu)選醇蒸氣的逆流而連續(xù)地從反應混合物中除去，以使反應平衡移動。其它實例是酯交換反應，尤其是具有末端酰基的聚四氫呋喃在低級醇，優(yōu)選甲醇存在下產生具有末端羥基的聚四氫呋喃的酯交換。
本發(fā)明下面借助附圖和實施例來說明。
在附圖中

圖1顯示穿過本發(fā)明反應器的第一優(yōu)選實施方案室的縱向截面，其橫截面在圖1a中，以及圖2顯示穿過本發(fā)明反應器的第二優(yōu)選實施方案室的縱向截面，其橫截面在圖2a中。
圖1以舉例方式表示在反應器1中沿縱向一個位于另一個之上的兩個或多個室4之一，該反應器1在上部區(qū)具有供液體或液體/固體原料流進入的入口2，在該反應器1的下部區(qū)具有供氣態(tài)料流進入的入口3，其中每個室4具有底板5、以舉例方式表示的在反應器1內部的液體溢流6和在每個室4液面以上的氣體空間7，該氣體空間7例如經由導管8與位于其上的室4相連接并通向呈頂端封閉的且在其下部帶有供排氣的開孔11的罩形式的虹吸管狀氣體分配器9。在虹吸管狀氣體分配器9的周圍，排布有導向隔板12，它們距該室4的液面和底板有一定距離，并且將室4劃分成多個氣體流過的空間13和多個氣體不流過的空間14。
圖1a中的橫截面繪圖顯示氣體分配器9的罩10的形狀，在這種情況中，該罩10例如由呈交叉形狀排布的部件和平行排布的部件構成。
在圖2的另一示例性實施方案的縱向截面中，其參考數字所指特征與圖1中的相同。
圖2a中的橫截面繪圖顯示虹吸管狀氣體分配器9的罩10的各部件的輻射狀排布(作為舉例)。
實施例將3重量份的平均分子量為1880的聚四氫呋喃二乙酸酯以熔體形式與2重量份的甲醇在混合段混合，并加熱至65℃。加入300ppm(重量)的甲醇鈉的甲醇溶液作為催化劑，將混合物引入具有10個室的本發(fā)明反應器的最頂室中，并反應。將相當于0.3kg/kg所用的聚四氫呋喃二乙酸酯的甲醇蒸氣料流以逆流方式引入最底室中以汽提除去副產物乙酸甲酯。僅在最頂室中得到約96％的轉化率。
乙酸甲酯從反應溶液中的進一步除去和相關的其它酯交換反應一起發(fā)生在位于本發(fā)明反應器中再往下一點的室中。來自每個室的液體反應混合物經由液體溢流被送入位于下面的下一室中，其中在每個室中的平均停留時間為14分鐘。
在最底室中，乙酸甲酯從反應溶液中除去，使殘余含量下降到＜0.1重量％。
以與反應液體呈逆流上升的甲醇蒸氣從一個室到另一個室越來越富含乙酸甲酯，同時各室中液相的乙酸甲酯含量從頂部到底部相應降低。由于在15分鐘/室的停留時間下乙酸甲酯的含量降低，結果在最后的最底室中，所用聚四氫呋喃二乙酸酯的轉化率達99.9％。
每個室中液體的高度為25cm。每個室在距液面以下10cm處具有帶有供排氣的開孔的氣體分配器。由于該較小的靜壓差，在每個室中沿沸騰的液體反應混合物的高度方向只有非常小的溫度擴展，為約65℃-約68℃。結果沒有得到著色成分，因而得到優(yōu)異的產物質量。
將每個氣體分配器置于距離該室的液面和底板有一定距離并將該室劃分成橫截面積比為60∶40的氣體流過的空間和氣體不流過的空間的推入式管內。由于各室中的良好混合，結果甲醇蒸氣對乙酸甲酯的富集達到蒸氣/液體平衡的約85-95％。
對比例為了對照，在攪拌釜的四階級聯(lián)中進行相同的酯交換反應。這要求平均停留時間為約8小時，而對于在本發(fā)明反應器中進行的方法，總停留時間為2.5小時。副產物乙酸甲酯的汽提需要0.8-0.9kg甲醇蒸氣/kg所用的聚四氫呋喃二乙酸酯，即為在本發(fā)明反應器中進行的方法所需的甲醇蒸氣量的約3倍。
權利要求
1.一種用于氣/液或氣/液/固反應的反應器(1)，具有垂直的縱向軸，位于該反應器上部區(qū)的供液體或液體/固體原料流進入的入口(2)和位于該反應器(1)下部區(qū)的供氣態(tài)料流進入的入口(3)，其特征在于-至少兩個沿縱向一個位于另一個之上的室(4)，其中-所述室(4)由液密底板(5)相互隔開，-每個室(4)經由液體溢流(6)與緊鄰其下方的室(4)相連，液體產物料流通過最底室(4)的液體溢流(6)排出，-每個室(4)中液面上的氣體空間(7)經由一個或多個導管(8)與緊鄰其上方的室(4)相連，所述導管(8)各自通向具有供液面下氣體排出的開孔(11)的氣體分配器(9)，-以及每個室均具有至少一個垂直地位于每個氣體分配器(9)周圍的導向隔板(12)，其上端位于液面以下，下端位于該室(4)的液密底板(5)之上，它將每個室(4)劃分成一個或多個氣體流過的空間(13)和一個或多個氣體不流過的空間(14)。
2.如權利要求1所述的反應器(1)，其中氣體分配器(9)的下端與該室(4)的液密底板(5)隔開設置。
3.如權利要求1或2所述的反應器(1)，其中氣體分配器(9)的供排氣的開孔(11)與該室(4)的底板(5)隔開設置，優(yōu)選位于該室(4)中液體高度的40-90％處，該液體高度由該室(4)的底板(5)到液體溢流之間的距離測得。
4.如權利要求1-3任一項所述的反應器(1)，其中氣體分配器(9)的供排氣的開孔(11)位于氣體供應管(8)的上端以下。
5.如權利要求1-4任一項所述的反應器(1)，其中氣體分配器(9)具有呈頂端封閉的罩(10)形式的虹吸管狀結構。
6.如權利要求5所述的反應器(1)，其中虹吸管狀氣體分配器的罩在其下部是敞口的。
7.如權利要求5或6所述的反應器，其中虹吸管狀氣體分配器(9)的罩(10)由兩個或更多個相互連接且在橫截面上以交叉和/或平行或同心或輻射形式排布的部件構成。
8.如權利要求1-7任一項所述的反應器(1)，其中選擇供排氣的開孔(11)的數量和尺寸以及它們距該室(4)液面的距離，使得氣態(tài)料流在氣相分配器(9)中的壓力降為0.1-50毫巴，優(yōu)選0.5-10毫巴。
9.如權利要求1-8任一項所述的反應器(1)，其中供排氣的開孔(11)各自相互位于同一高度。
10.如權利要求5-8任一項所述的反應器(1)，其中供排氣的開孔(11)位于罩(10)的下部且距該罩(10)下端1-15cm。
11.如權利要求1-10任一項所述的反應器(1)，其中導向隔板各自距室(4)距液面和底板的距離使得基本不發(fā)生由導向隔板(12)產生的液體流的節(jié)流。
12.如權利要求1-11任一項所述的反應器(1)，其中至少一個垂直地位于每個氣體分配器(9)周圍的導向隔板(12)呈推入式管的形式。
13.如權利要求1-12任一項所述的反應器(1)，其中導向隔板和氣體分配器(9)的排布使得氣體不流過的橫截面積占氣體流過和氣體不流過的橫截面積的總和的10-80％，優(yōu)選40-60％，特別優(yōu)選50％。
14.如權利要求1-13任一項所述的反應器(1)，其中液密底板(5)和/或氣體分配器(9)和/或導向隔板(12)呈換熱器板的形式。
15.如權利要求1-14任一項所述的反應器(1)，其中在氣體不流過的空間(14)中具有一個或多個室(4)，該室(4)具有容納催化劑體的插件(15)，一個或多個垂直地，優(yōu)選對稱排布的頂部敞開、底部封閉且其側面可滲透液體的排液豎井(16)以及位于導向隔板(12)區(qū)中的液體可滲透的壁(17)。
16.如權利要求15所述的反應器(1)，其中排液豎井(16)被頂部敞開且底部封閉的垂直多孔管(18)代替。
17.一種在如權利要求1-16任一項所述的反應器(1)中進行氣/液/固反應的方法，其中將固體催化劑安裝在反應器(1)的一個或多個，優(yōu)選所有室(4)中的氣體不流過的空間(14)中，尤其作為固體顆粒床和/或催化劑包覆的規(guī)則填料形式或作為催化劑包覆的整塊。
18.一種在如權利要求1-14任一項所述的反應器(1)中進行氣/液/固反應的方法，其中將懸浮的固體催化劑安裝在反應器(1)的一個或多個，優(yōu)選所有氣體不流過的室(4)中。
19.一種在如權利要求1-16任一項所述的反應器(1)中進行氣/液/固反應的方法，其中將離子交換樹脂安裝在一個或多個，優(yōu)選所有氣體不流過的室(4)中。
20.如權利要求1-16任一項所述的反應器(1)或如權利要求17-19任一項所述的方法在進行平衡反應，尤其是含有酰氧端基的聚四氫呋喃的酯交換，酯化，尤其是鄰苯二甲酸與高級醇的酯化，醚化，重排，水解和半縮醛形成反應中的用途。
21.如權利要求20所述的用途，其中將反應物作為單相存在于其中的反應器安裝在上游。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于氣/液或氣/液/固反應的反應器(1)，該反應器包括垂直的縱向軸，位于該反應器上部區(qū)的供液體或液體/固體原料流進入的入口(2)和位于該反應器(1)下部區(qū)的供氣態(tài)料流進入的入口(3)。該反應器還包括至少兩個沿縱向一個位于另一個之上的室(4)，其中室(4)由液密底板(5)相互隔開。每個室經由液體溢流(6)與緊鄰其下方的室(4)相連，液體產物料流通過最底室(4)的液體溢流(6)排出。每個室(4)中液面上的氣體空間(7)經由一個或多個氣體進料管(8)與緊鄰其上方的室(4)相連，每一導管(8)通向帶有供液面下氣體排出的開孔的氣體分配器(9)。該反應器還包括至少一個垂直地位于每個氣體分配器(9)周圍的擋板(12)，其上端終止于液面以下，下端終止于室(4)的液密底板(5)之上。另外擋板將每個室(4)劃分成一個或多個氣體流過的空間(13)和一個或多個氣體不流過的空間(14)。
文檔編號B01J8/04GK1505540SQ02808984
公開日2004年6月16日 申請日期2002年4月26日 優(yōu)先權日2001年4月27日
發(fā)明者R·本福爾, M·尼勒斯, W·魏因勒, P·策納, R 本福爾, 蚶 , 賬 申請人:巴斯福股份公司