專利名稱：改進(jìn)的反應(yīng)器系統(tǒng)的制作方法
許多在商業(yè)操作中進(jìn)行的液相氧化和加氫反應(yīng)在本質(zhì)上是強(qiáng)放熱的。在這類操作中排除反應(yīng)熱的能力常常限制了自給定的反應(yīng)器容積可以得到的產(chǎn)量。需要排熱的放熱反應(yīng)一般是在有冷卻夾套的攪拌釜反應(yīng)器，有內(nèi)冷卻盤管的攪拌釜反應(yīng)器，有外側(cè)線冷卻系統(tǒng)的攪拌釜反應(yīng)器，或有傳熱管的鼓泡塔反應(yīng)器中進(jìn)行的。在所有情況下，反應(yīng)熱都是自熱反應(yīng)液體經(jīng)固體表面?zhèn)鞯揭环N例如冷卻水的冷卻器流體，一種制冷劑中，或是將水蒸發(fā)來(lái)發(fā)生蒸汽。
在所有這些系統(tǒng)中傳熱是由下列公式表述的Q＝rHrV(1)；Q＝UAΔT(2)；以及因此rHr＝(A/V)UΔT (3)；其中Q是總熱負(fù)荷，r是容積反應(yīng)速率，Hr是反應(yīng)熱，V是反應(yīng)器容積，U是總傳熱系數(shù)，A是傳熱表面積，以及ΔT是反應(yīng)器液體和傳熱流體間的溫度差。式3的左側(cè)是容積反應(yīng)熱或反應(yīng)器的發(fā)熱量，而右側(cè)則是容積傳熱能力。
式3表明發(fā)熱量隨反應(yīng)速率而提高，以及為了實(shí)現(xiàn)穩(wěn)態(tài)操作，當(dāng)反應(yīng)速率提高時(shí)，系統(tǒng)的傳熱能力也必須提高。該式還表明當(dāng)(1)傳熱表面積與反應(yīng)器容積之比達(dá)到最大，(2)總傳熱系數(shù)U達(dá)到最大，以及3)溫差推動(dòng)力ΔT達(dá)到最大時(shí)，傳熱能力也達(dá)到最大。
面積與容積比A/V是由反應(yīng)器和熱交換系統(tǒng)的幾何尺寸決定的。
傳熱系數(shù)U是流體性質(zhì)，以及在較小程度上是換熱器結(jié)構(gòu)材質(zhì)的函數(shù)。增加或減少反應(yīng)流體和/或傳熱流體的流量可以提高或降低U。冷卻流體的流量通常受到壓降，以及在某些情況下受到溫度的限制。依傳熱系統(tǒng)不同，反應(yīng)液體的流量受到攪拌器的功率消耗或壓降的限制。
溫度差ΔT可通過(guò)提高反應(yīng)溫度和/或降低冷卻流體溫度來(lái)增加。反應(yīng)溫度通常被固定，以提供一個(gè)給定的反應(yīng)速率和/或使副產(chǎn)物的生成降至最低。因此通常不希望提高反應(yīng)溫度。冷卻流體的溫度通常由可獲得的冷卻水的溫度，制冷的成本或蒸發(fā)系統(tǒng)的蒸汽品質(zhì)限定。
在進(jìn)行放熱反應(yīng)的傳統(tǒng)的反應(yīng)器系統(tǒng)中，帶夾套的反應(yīng)容器的一個(gè)基本特點(diǎn)是它們的A/V比較低。由于A隨著D增加，在此D是反應(yīng)器直徑，而V隨著D2增加，因此A/V隨著反應(yīng)器尺寸的增加而降低。所以帶夾套的反應(yīng)器一般用于至多100加侖的小容積的場(chǎng)合。
有內(nèi)冷卻盤管的攪拌釜反應(yīng)器的A/V比值一般比帶夾套的容器大，尤其當(dāng)容器尺寸變大時(shí)。但是盤管受到一些限制。使盤管直徑最小時(shí)傳熱面積達(dá)到最大，但是盤管內(nèi)的壓降為盤管直徑規(guī)定了一個(gè)下限。有可能通過(guò)在反應(yīng)器內(nèi)裝設(shè)一些盤管來(lái)提高A/V比。然而這往往會(huì)在反應(yīng)器內(nèi)造成不均勻的流動(dòng)分布，從而導(dǎo)致反應(yīng)物混合不良，和形成不合乎需要的副產(chǎn)物。從設(shè)備角度看，在反應(yīng)容器內(nèi)支撐多組盤管也是困難的。因此有內(nèi)冷卻盤管的反應(yīng)器一般用在100和20,000加侖之間的中等尺寸的場(chǎng)合。在如食用油生產(chǎn)的加氫系統(tǒng)和如將銅氧化成硫酸銅的無(wú)機(jī)氧化反應(yīng)中，這種反應(yīng)器構(gòu)型是十分常見(jiàn)的。
消除幾何尺寸和流動(dòng)對(duì)A/V比的限制的一種方法是采用進(jìn)行外冷卻的側(cè)線冷卻系統(tǒng)。這種反應(yīng)器構(gòu)型通常被用于在苯酚生產(chǎn)中將異丙基苯氧化成過(guò)氧化氫異丙苯的反應(yīng)，以及某些加氫反應(yīng)系統(tǒng)中。
在這類側(cè)線系統(tǒng)中，利用泵將一個(gè)側(cè)線物流送過(guò)換熱器或其它冷卻系統(tǒng)，并使被冷卻的反應(yīng)液返回到反應(yīng)容器中。原則上A/V比不受與反應(yīng)器幾何尺寸有關(guān)的因素限制。但是有一些與這類系統(tǒng)有關(guān)的其它可能的問(wèn)題。由于冷卻是在反應(yīng)容器以外進(jìn)行的，冷卻器通常是在一個(gè)比反應(yīng)溫度低很多的溫度下操作的。這樣所需的換熱面積和/或冷劑流量會(huì)成比例地增加。另外在氣-液反應(yīng)器系統(tǒng)，例如空氣氧化，氧氣氧化或加氫反應(yīng)系統(tǒng)中，必須防止反應(yīng)物氣體進(jìn)入外冷卻系統(tǒng)。氣體往往會(huì)從液體中逸出而聚集在換熱器和有關(guān)管路高點(diǎn)的氣阱中。這會(huì)使換熱器的效率降低。氣體還會(huì)聚集在循環(huán)泵內(nèi)，造成泵的氣蝕和氣阻。在氣體是空氣或氧氣的氧化體系中，聚集在外熱交換系統(tǒng)中的氣體可能會(huì)引起爆炸危險(xiǎn)。有可能防止氣體進(jìn)入外熱交換回路。然而在許多情況下，在反應(yīng)物的良好混合是很重要的反應(yīng)體系中由于反應(yīng)物的缺乏，會(huì)引起副產(chǎn)物生成的增加。
鼓泡塔反應(yīng)器的A/V比值一般都非常高。在用于生產(chǎn)有機(jī)酸的一種構(gòu)型中，鼓泡塔的構(gòu)型像一臺(tái)立式管殼式換熱器。反應(yīng)發(fā)生在管程內(nèi)，而冷卻流體則循環(huán)在殼程中。氣體被噴入到一些換熱器管中。而液體在噴入氣體的管中氣泡的提升作用下進(jìn)行循環(huán)。因此在有氣體噴入的管中，有向上的流動(dòng)和氣液接觸。在其余的管內(nèi)，則有向下的流動(dòng)而無(wú)氣液接觸。這種構(gòu)型有兩個(gè)缺點(diǎn)。在有反應(yīng)物的管程中，液體流速被限制為氣泡的上升速度，通常在1-5英尺/sec。這個(gè)流速極限使傳熱系數(shù)U受到限制。另外，有向下流動(dòng)的管子并不暴露于反應(yīng)物氣體?？赡芤蛳铝鞴軆?nèi)氣體的缺乏而造成容積反應(yīng)速率的降低和/或副產(chǎn)物的生成。
另一種在通過(guò)對(duì)二甲苯的連續(xù)氧化和酯化生產(chǎn)對(duì)苯二甲酸二甲酯的所謂Witten工藝中通常采用的鼓泡塔構(gòu)型是采用垂直管，使反應(yīng)物流體在其外部，而冷卻流體在其內(nèi)部。這種構(gòu)型在機(jī)械上很難實(shí)現(xiàn)，但是若所需的反應(yīng)容積很大時(shí)，則是有利的。在這類系統(tǒng)中，進(jìn)料氣體被噴入反應(yīng)器底部。進(jìn)料氣體往往聚集成一個(gè)羽狀氣柱，這樣在反應(yīng)器的一個(gè)區(qū)域中有一個(gè)上升氣柱，而在其它區(qū)域中則是無(wú)氣體的下流液體。這就形成了和以上所述同樣的條件，即在反應(yīng)物側(cè)傳熱系數(shù)受到限制，而在下流區(qū)域則是氣體缺乏的條件。此外由于反應(yīng)物側(cè)的流動(dòng)是不均勻的，因此這種構(gòu)型可能在氣柱附近產(chǎn)生熱點(diǎn)。這些熱點(diǎn)可能因過(guò)氧化而引起不希望有的副產(chǎn)物的形成。
傳質(zhì)方面的考慮也很重要，在氣液反應(yīng)體系中尤其如此。如果傳質(zhì)是反應(yīng)速率的限制步驟，反應(yīng)器的生產(chǎn)能力將由傳質(zhì)決定。傳質(zhì)限制所造成的反應(yīng)物耗盡還可能導(dǎo)致副產(chǎn)物的生成，使反應(yīng)選擇性降低。在以空氣為原料的氧化體系中這類問(wèn)題的發(fā)生是大家所熟知的。
以空氣為原料的鼓泡塔和攪拌釜反應(yīng)器系統(tǒng)有著固有的傳質(zhì)限制。氧的傳質(zhì)正比于含氧氣泡中氧的濃度或分壓。在鼓泡塔或攪拌釜反應(yīng)器的一個(gè)空氣泡中氧的濃度在鼓泡器處僅為21％。隨著氧氣溶解在反應(yīng)液體中，并被反應(yīng)所消耗，以及隨著液體蒸發(fā)到空氣泡中，空氣泡內(nèi)的氧分壓降低，而作為空氣中的一種組分的氮的分壓，以及蒸發(fā)的有機(jī)物的分壓則增加。因此與空氣相關(guān)的傳質(zhì)推動(dòng)力必然低于用純氧作為反應(yīng)物氣體的情況。
在傳統(tǒng)的攪拌釜和鼓泡塔反應(yīng)器設(shè)計(jì)中，必須將出口廢空氣流的氧氣分壓保持在按無(wú)有機(jī)物為基的5％的安全限以下，以防止在反應(yīng)器的氣體空間形成可燃?xì)怏w混合物。這樣在傳統(tǒng)反應(yīng)器設(shè)計(jì)中氣相氧濃度被保持在空氣進(jìn)料點(diǎn)的21％和廢氣出口的5％之間。在鼓泡塔中，空氣在反應(yīng)器底部注入。氣泡通過(guò)液體上升，氣相氧濃度由底部的21％變化到反應(yīng)器頂部的5％。在一個(gè)良好混合的攪拌釜反應(yīng)器中，系統(tǒng)中的平均氧濃度到處都是5％。因此對(duì)于一個(gè)給定的操作壓力，傳統(tǒng)反應(yīng)器系統(tǒng)的安全因素嚴(yán)重地限制了可以得到的傳質(zhì)推動(dòng)力。提高系統(tǒng)的總壓，以提高氧氣分壓，或用相對(duì)大量的一種惰性氣體，例如氮?dú)鈦?lái)吹掃液面以上空間可以多少改善這種情況，不過(guò)這些可采用的方法通常都是非常昂貴的。
傳統(tǒng)的以空氣為原料的反應(yīng)器系統(tǒng)所固有的受到限制的傳質(zhì)推動(dòng)力的最終結(jié)果是在提高反應(yīng)溫度和反應(yīng)器生產(chǎn)能力時(shí)，更容易出現(xiàn)氧氣短缺的情況，以及伴隨的產(chǎn)品選擇性的惡化。
另一個(gè)限制氧傳質(zhì)能力的因素是含氧氣體的氣泡在液相中均勻分散的程度。如果液相的某些區(qū)域不暴露于含氧氣體氣泡，那些區(qū)域?qū)l(fā)生氧氣短缺和副產(chǎn)物的形成。因此在整個(gè)反應(yīng)器中有良好的氣泡分散是至關(guān)重要的。
在傳統(tǒng)的鼓泡塔反應(yīng)器或氣升式鼓泡塔反應(yīng)器中，氣泡自反應(yīng)器底部引入。它們因浮力作用而通過(guò)反應(yīng)液體上升。氣泡造成一種循環(huán)的液體流型。在鼓泡塔反應(yīng)器中，往往是通過(guò)反應(yīng)器中央向上流動(dòng)，而在靠近反應(yīng)器壁面處則向下流動(dòng)。含氧氣體氣泡往往集中于中央的向上流動(dòng)區(qū)，因而使靠外的向下流動(dòng)區(qū)會(huì)出現(xiàn)氣體短缺和發(fā)生副產(chǎn)物生成反應(yīng)。在氣升式鼓泡塔中一般是將氧氣噴入氣體提升換熱器管中，從而在這些管中形成向上的液體流動(dòng)。其它無(wú)鼓泡器的管則是為再循環(huán)流動(dòng)而提供的。在向下流動(dòng)的管中經(jīng)常出現(xiàn)氧缺乏的情況，以及因此而發(fā)生副產(chǎn)物形成反應(yīng)。
脂族酸的生產(chǎn)是傳熱和傳質(zhì)非常重要的氧化體系的一個(gè)具體實(shí)例。脂族酸是由一種醛和氧根據(jù)以下反應(yīng)式發(fā)生的液相反應(yīng)生產(chǎn)的醛和相應(yīng)的酸可以是直鏈或支鏈的，碳原子數(shù)可以從3變化到12。前體醛類通常是利用低壓羰基合成(LPO)工藝制造的。因此衍生物酸通常被稱為羰基合成酸(Oxo酸)。也可以通過(guò)LPO法以外的其它方法得到或生產(chǎn)醛類，但還是將這類化合物稱為Oxo酸。對(duì)這種方法來(lái)說(shuō)，醛的來(lái)源并不是關(guān)鍵。
在這類酸的商業(yè)生產(chǎn)中，成為酸的選擇性一般在80％和99％之間。選擇性隨鏈長(zhǎng)和側(cè)鏈或支鏈數(shù)而降低。例如，有3個(gè)碳原子(C3)的丙醛到丙酸的選擇性優(yōu)于有5個(gè)碳原子(C5)的戊醛到戊酸的選擇性；直鏈五碳分子戊醛到戊酸的選擇性優(yōu)于支鏈C5的2-甲基丁醛到2-甲基丁酸的選擇性。在商業(yè)實(shí)踐中，可以將副產(chǎn)物抑制劑加到某些這類系統(tǒng)中，以改善選擇性。
在液相醛氧化反應(yīng)中，氧一般是靠傳質(zhì)從空氣泡進(jìn)入到液體中。氧化反應(yīng)在液相中發(fā)生；或發(fā)生在液相主體中，或發(fā)生在圍繞空氣泡的液膜中。氧的不足，即在反應(yīng)液體中缺少溶解的氧會(huì)促進(jìn)副產(chǎn)物的生成反應(yīng)，并因此而降低醛到酸的選擇性。因此從氣相到液相氧的充分的傳質(zhì)對(duì)于在液相中保持足夠的溶氧濃度，以抑制副產(chǎn)物的生成反應(yīng)是很重要的。
已經(jīng)發(fā)現(xiàn)副產(chǎn)物的形成隨反應(yīng)溫度而增加。由于反應(yīng)速率一般隨溫度而提高，在較高的溫度下該反應(yīng)消耗氧更快，而且需要更多的氧才能防止缺氧情況的發(fā)生。所以隨著溫度的提高，氣-液傳質(zhì)的限制會(huì)變得更差，因此防止會(huì)導(dǎo)致副產(chǎn)物形成的缺氧情況的發(fā)生將變得更加困難。在缺氧條件下形成的副產(chǎn)物是甲酸酯，酮和醇類。
由于醛到酸的轉(zhuǎn)化會(huì)隨著溫度而增加，因此有可能通過(guò)提高溫度來(lái)增加反應(yīng)器的產(chǎn)量。但是如果溫度的提高使反應(yīng)體系進(jìn)入缺氧狀態(tài)，或使已有的缺氧條件變得更差，副產(chǎn)物生成反應(yīng)將會(huì)增加，而轉(zhuǎn)變成酸的選擇性將會(huì)降低。
Oxo酸一般是在空氣鼓泡攪拌釜或鼓泡塔氣升反應(yīng)器中生產(chǎn)的。在商業(yè)反應(yīng)條件下，放熱的氧化反應(yīng)產(chǎn)生的反應(yīng)熱是很大的。雖然攪拌釜反應(yīng)器已被用于Oxo酸的生產(chǎn)，但最好是用構(gòu)造成立式管殼換熱器的鼓泡塔反應(yīng)器，因?yàn)樗鼈冇休^高的A/V比。
在鼓泡塔反應(yīng)器中，空氣被噴入到某些換熱器管的底部，但其余的管子則不噴入空氣。噴入和不噴入空氣的管子的這種組合使得在反應(yīng)器內(nèi)形成一種循環(huán)液體的流動(dòng)。當(dāng)空氣上升通過(guò)噴氣管時(shí)，氧從空氣傳遞到液相中，在那里和醛反應(yīng)生成酸。在不噴入空氣的管內(nèi)則沒(méi)有氧到液體的傳質(zhì)。
在這種反應(yīng)器構(gòu)型中，熱交換發(fā)生在所有管中，A/V比很高。但是因?yàn)楣艹塘魉俦幌拗茷橐话闶?-5英尺/sec的氣泡上升速度，所以傳熱系數(shù)U受到一定限制。此外由于一部分管子不噴入氣體，這些管子在傳質(zhì)受限制或缺氧的模式下操作。因此和噴入空氣的管子相比，在這些不噴入空氣的管子中副產(chǎn)物的形成更多。和在噴入空氣的管子內(nèi)用空氣作為氧化劑相聯(lián)系的固有的傳質(zhì)限制也將促進(jìn)副產(chǎn)物的形成。
通過(guò)以上敘述可以意識(shí)到在本領(lǐng)域中非常需要對(duì)進(jìn)行氧化，加氫和其它放熱氣-液操作的反應(yīng)器系統(tǒng)的改進(jìn)。這些改進(jìn)與前文所述的傳統(tǒng)反應(yīng)器系統(tǒng)相比應(yīng)能緩和對(duì)傳熱的限制和改善傳質(zhì)性能。
本發(fā)明的一個(gè)目的是提供一種改進(jìn)的用于進(jìn)行氧化，加氫和其它放熱氣-液操作的反應(yīng)器系統(tǒng)。
本發(fā)明的另一個(gè)目的是提供一種能緩和對(duì)傳熱的限制和改善放熱的氣-液操作的傳質(zhì)性能的反應(yīng)器系統(tǒng)。
考慮到這些以及其它的目的，在下文中將對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)介紹，在所附的權(quán)利要求中將著重指出它的新穎特點(diǎn)。
和一臺(tái)管殼式換熱器型反應(yīng)器一起采用強(qiáng)制循環(huán)來(lái)改善放熱反應(yīng)器系統(tǒng)的傳熱和傳質(zhì)。由此得到反應(yīng)器容積生產(chǎn)率和改進(jìn)的選擇性。
根據(jù)以下附圖將對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步的詳細(xì)說(shuō)明

圖1是本發(fā)明適用于液-液反應(yīng)的反應(yīng)器系統(tǒng)的一種實(shí)施方案的側(cè)視結(jié)構(gòu)圖；圖2是本發(fā)明適用于氣-液反應(yīng)的反應(yīng)器系統(tǒng)的一種實(shí)施方案的側(cè)視示意圖；圖3是本發(fā)明適用于帶有吹掃的單程氣-液反應(yīng)的反應(yīng)器系統(tǒng)的一種實(shí)施方案的側(cè)視示意圖；圖4是本發(fā)明適用于利用攪拌葉輪來(lái)強(qiáng)化氣-液反應(yīng)的反應(yīng)器系統(tǒng)的一種實(shí)施方案的側(cè)視示意圖；圖5a-5f是本發(fā)明另一種實(shí)施方案的示意圖。
本發(fā)明的目的是通過(guò)采用一種管殼式反應(yīng)器構(gòu)型，以獲得高傳熱表面與反應(yīng)器容積比A/V，以及因反應(yīng)液體的強(qiáng)制循環(huán)而被提高的傳熱系數(shù)U而實(shí)現(xiàn)的。對(duì)于氣-液反應(yīng)體系，采取了措施以獲得在整個(gè)反應(yīng)容積中的氣體循環(huán)，由此改善了反應(yīng)的生產(chǎn)率和反應(yīng)的選擇性。在其各種實(shí)施方案中，本發(fā)明使用一種有利于進(jìn)行有兩種或多種液體反應(yīng)物的液相反應(yīng)，以空氣或氧氣為氧化劑的放熱氧化反應(yīng)體系，加氫反應(yīng)和其它放熱的氣-液反應(yīng)體系的改進(jìn)的反應(yīng)器系統(tǒng)。這種系統(tǒng)可以使用或不使用一個(gè)固體催化劑相。
在圖1所示的本發(fā)明的實(shí)施方案中，立式管殼式換熱器型反應(yīng)器1有一個(gè)位于其中央的空導(dǎo)管2。攪拌葉輪3位于所說(shuō)導(dǎo)管2內(nèi)，用于使液體循環(huán)下流，經(jīng)過(guò)該導(dǎo)管進(jìn)入底部混合室4，然后向上流過(guò)換熱器管5。該反應(yīng)器的性能更像一臺(tái)良好混合的攪拌釜反應(yīng)器，因?yàn)槠涞撞炕旌鲜?提供了液體的整體混合。但由于攪拌葉輪3的泵送作用，使液體以很高流速通過(guò)換熱器管5循環(huán)，更像一個(gè)外冷卻系統(tǒng)。因?yàn)檠h(huán)通道完全被換熱器管5定義和限定，該系統(tǒng)不會(huì)出現(xiàn)在安裝有盤管的傳統(tǒng)的攪拌釜中可能發(fā)生的流動(dòng)分配問(wèn)題。所示方案特別適合于液-液反應(yīng)，使一種液體進(jìn)料由進(jìn)料管線6經(jīng)過(guò)控制閥7進(jìn)入反應(yīng)器1的上部8，而第二種液體進(jìn)料由進(jìn)料管線9經(jīng)流量控制閥9a至所說(shuō)上部8。冷卻水經(jīng)入口管10進(jìn)入反應(yīng)器1，并經(jīng)出口管11排出。使液體進(jìn)料上升流入和反應(yīng)器1通過(guò)流體連通的上部室12，在其中建立液位13。液體產(chǎn)品自底部混合室4經(jīng)過(guò)裝有控制閥15的產(chǎn)品排出管道14排出。液位控制器16與上部室12相聯(lián)，接受作為反應(yīng)器液位的輸入信號(hào)17，并將輸出信號(hào)18送至流量控制閥15，以便維持所需的液位13。驅(qū)動(dòng)電機(jī)19與驅(qū)動(dòng)軸20相聯(lián)接，用于驅(qū)動(dòng)攪拌葉輪3。如圖所示，提供了上擋板21和下?lián)醢?2，以促進(jìn)所需的液體在空導(dǎo)管2中向下的循環(huán)和在所說(shuō)換熱器管5中向上的循環(huán)流動(dòng)。
所示系統(tǒng)的特點(diǎn)在于因其幾何結(jié)構(gòu)而致的高A/V比，以及因強(qiáng)制循環(huán)流動(dòng)而致的高傳熱系數(shù)U。所以本發(fā)明的圖1方案特別適合于放熱的液相反應(yīng)。
圖2說(shuō)明了一種適合于不可燃的放熱氣液反應(yīng)，尤其是加氫反應(yīng)，和以空氣或氧氣為原料的氧化反應(yīng)的實(shí)施方案。在這種方案中，立式管殼式換熱器型反應(yīng)器23有位于其中央的空導(dǎo)管24。葉輪25位于導(dǎo)管24內(nèi)，用于使液體向下流經(jīng)該導(dǎo)管循環(huán)至底部混合室26，并通過(guò)換熱器管27向上流動(dòng)。進(jìn)料液體經(jīng)過(guò)有流量控制閥29的進(jìn)料管線28進(jìn)入反應(yīng)器23的上部30。氣體反應(yīng)物進(jìn)料經(jīng)過(guò)有流量控制閥32的管線31進(jìn)入上部室33。所說(shuō)控制閥用于依對(duì)信號(hào)32a或32b的響應(yīng)，控制反應(yīng)器壓力或進(jìn)料氣體流量。正如在圖中可以看到的，這股氣體在液面以上被引入，反應(yīng)器23中的所說(shuō)液面34高于葉輪25的位置。冷卻水經(jīng)入口管35進(jìn)入反應(yīng)器23，并經(jīng)出口管36被排出。所說(shuō)葉輪25與被驅(qū)動(dòng)電機(jī)38驅(qū)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)軸37相聯(lián)接。上擋板39和下?lián)醢?0的位置促使液體能流入空導(dǎo)管24的頂部，并從底部混合室26向上流動(dòng)。
反應(yīng)產(chǎn)物自反應(yīng)器23底部經(jīng)過(guò)有流量控制閥42的產(chǎn)品排出管線41排出。液位控制器43用于接受來(lái)自反應(yīng)器23的輸入信號(hào)44，并將輸出信號(hào)45送至流量控制閥42，以便將反應(yīng)器23中的液體控制在所需的液位34處。氣體自上部室33經(jīng)過(guò)有流量控制閥47的管線46排出，該控制閥根據(jù)輸入控制信號(hào)48和49的命令進(jìn)行背壓控制或排空流量控制。
在圖2的方案中，反應(yīng)物氣體借葉輪25向下的泵吸作用在導(dǎo)管上部入口處產(chǎn)生的旋渦作用被吸入導(dǎo)管24。因此葉輪在液相中產(chǎn)生一種氣體分散作用，而液體則經(jīng)過(guò)導(dǎo)管向下循環(huán)流入底部混合室26，并向上流經(jīng)換熱器管27。未反應(yīng)的反應(yīng)物氣體，惰性的氮?dú)饣蚋碑a(chǎn)物氣體逸入位于液面34以上的上部室33中的氣體空間30，在那里與新鮮進(jìn)料氣體混合，并被吸入回到反應(yīng)器23中的循環(huán)液體中。
圖2方案的反應(yīng)器系統(tǒng)與傳統(tǒng)的反應(yīng)器系統(tǒng)相比有一個(gè)雙重的優(yōu)點(diǎn)。首先，它有前文所述的有利的流體流動(dòng)和傳熱特性。由于反應(yīng)物氣體從反應(yīng)器頂部被引入，它還被循環(huán)通過(guò)包括所有的換熱器管在內(nèi)的整個(gè)反應(yīng)器容積。因此反應(yīng)器的整個(gè)容積都被用于傳質(zhì)，反應(yīng)速度在整個(gè)反應(yīng)器中都達(dá)到最大，而因反應(yīng)物氣體短缺造成的副產(chǎn)物生成則降至最少。在以空氣為原料的體系中，用氧氣進(jìn)料代替空氣進(jìn)料可以進(jìn)一步強(qiáng)化傳質(zhì)。
圖3所示的本發(fā)明的實(shí)施方案特別有利于反應(yīng)物氣體可以和反應(yīng)物液體上方的蒸氣形成可燃?xì)怏w混合物的反應(yīng)體系，如像在以空氣或氧氣為原料的有機(jī)化合物的氧化反應(yīng)體系。在這類場(chǎng)合中空氣或其它反應(yīng)物氣體被直接噴入到液面以下葉輪的吸入口中。在氣體噴入點(diǎn)處會(huì)形成一種可燃?xì)怏w混合物。但由于氣體被分散在液體中，火焰不可能在液體中傳播，所以是沒(méi)有危險(xiǎn)的。氣液分散體被泵向下通過(guò)導(dǎo)管送入底部混合室，并向上通過(guò)換熱器管，在這一方面流動(dòng)路徑和圖1和2的方案是相同的。然后氣體自液相中逸出，聚集在液體上的氣體空間中。這種結(jié)構(gòu)也具有帶有泵的管殼式設(shè)計(jì)所產(chǎn)生的有利的傳熱和流體流動(dòng)特性這種優(yōu)點(diǎn)，因?yàn)榉磻?yīng)物氣體循環(huán)通過(guò)整個(gè)反應(yīng)器容積。整個(gè)反應(yīng)器容積的生產(chǎn)量達(dá)到最大，而在無(wú)氣的管子中可能發(fā)生的反應(yīng)物短缺的可能性被降為最小。
在圖3的方案中，立式管殼式換熱器型反應(yīng)器51有一根位于其中央的空導(dǎo)管52。和本發(fā)明的其它方案一樣，攪拌葉輪53位于所說(shuō)導(dǎo)管52內(nèi)，最好是在其上部，它被用于使液體向下循環(huán)流經(jīng)所說(shuō)導(dǎo)管52進(jìn)入底部混合室54，再向上流過(guò)換熱器管55。液體進(jìn)料經(jīng)過(guò)有流量控制閥57的進(jìn)料管線56，最好是進(jìn)入反應(yīng)器51的上部58。空氣或富氧的進(jìn)料氣體經(jīng)過(guò)有流量控制閥59a的進(jìn)料管線59進(jìn)入反應(yīng)器51的上部58，因而與反應(yīng)器51循環(huán)流動(dòng)的液體一起被吸入攪拌葉輪53的吸入口。冷卻水經(jīng)入口管60通過(guò)反應(yīng)器51，并經(jīng)過(guò)出口管61排出。使在所說(shuō)上部58中的液體升至液位63，上部58和一個(gè)有頂部氣相的上部室62通過(guò)流體連通，氣體從頂部氣相經(jīng)過(guò)有流量控制閥65的排氣管線64排空。產(chǎn)品自底部混合室54經(jīng)過(guò)有流量控制閥67的管線66排出。液位控制器68用于接受表示液位63的輸入信號(hào)69，并將輸出信號(hào)70送至流量控制閥67，從而保持所需的液位63。驅(qū)動(dòng)電機(jī)71和驅(qū)動(dòng)軸72相聯(lián)，用于驅(qū)動(dòng)攪拌葉輪53。提供了上擋板73和下?lián)醢?4，以促成所需的液體在導(dǎo)管52中的向下循環(huán)，和在所說(shuō)換熱器管55中的向上循環(huán)。
在圖3的方案中，所提供的背壓控制器75接受作為上部室62中壓力的輸入信號(hào)76，并將輸出信號(hào)77送至排氣管線64上的流量控制閥65。此外，利用有正常流量控制設(shè)備，如閥79的惰性吹掃氣管線78將吹掃氣引入上部室62或反應(yīng)器51中液位63的上方。用氧分析器80接受作為上部室62中氧濃度的輸入信號(hào)81，并將輸出信號(hào)82送至緊急流量控制閥83，使得額外數(shù)量的惰性吹掃氣能通過(guò)緊急流動(dòng)管線84進(jìn)入液位63上方的反應(yīng)器51或上部室62。
在可燃系統(tǒng)中，必須消除在廢氣流中形成可燃?xì)怏w混合物的可能性。例如在一種有機(jī)液體和空氣的氧化反應(yīng)中，必須將廢氣中的氧含量降到通常在8-12％的可燃氧濃度以下。在實(shí)踐中氧濃度被降到5％以下，以提供足夠的安全系數(shù)。在此方案中使用空氣時(shí)，氣體中的氧濃度可以因反應(yīng)而從注入點(diǎn)的21％降到廢氣中的低于5％。傳統(tǒng)的反應(yīng)器正是以這種方式運(yùn)行。用另一種方法可以將氮或其它稀釋氣體加到廢氣中，使氧濃度降到5％以下。如果在方案中使用純氧或接近純氧也必須使氧反應(yīng)掉，或如上所示將一種惰性稀釋氣體加到廢氣中。但是因較高的氧濃度，使系統(tǒng)的傳質(zhì)性能得到了改善。
圖4表示了一種在反應(yīng)物氣體可以和液相上的蒸氣形成一種可燃?xì)怏w混合物的系統(tǒng)中優(yōu)先選用的方案。本方案特別有利于有機(jī)化合物和純氧的氧化反應(yīng)。在此方案中氧在液面下被注入，其流型與在以上方案中所述的相同。但在此方案中利用一個(gè)氣體限制擋板將氣流從換熱器管頂部直接引回到導(dǎo)管的吸入?yún)^(qū)中。使氮或其它惰性氣體通過(guò)反應(yīng)器上部的氣體空間，以保證將自氣體限制擋板下逸出的氧稀釋到低于5％的濃度。這種安排對(duì)于傳統(tǒng)的有加強(qiáng)的傳熱能力的LOR反應(yīng)器系統(tǒng)是一種新穎和有益的改進(jìn)，使LOR系統(tǒng)能適合于強(qiáng)放熱的反應(yīng)。
在圖4的方案中，立式管殼式換熱器型反應(yīng)器101有位于其中央的空導(dǎo)管102。攪拌葉輪103位于所說(shuō)導(dǎo)管102內(nèi)，用于使液體反應(yīng)物向下循環(huán)，經(jīng)過(guò)該導(dǎo)管進(jìn)入底部混合室104，并向上流經(jīng)換熱器管105。有機(jī)液體進(jìn)料經(jīng)過(guò)有流量控制閥107的進(jìn)料管線106進(jìn)入反應(yīng)器101的上部108。利用有流量控制閥109a的氧氣進(jìn)料管線109，使氧或一種含氧氣體進(jìn)入所說(shuō)的上部108。冷卻水通過(guò)入口管110進(jìn)入反應(yīng)器101，并經(jīng)過(guò)出口管111排出。使有機(jī)液體進(jìn)料向上升入到上部室112中，在其中建立液面113。液體產(chǎn)品自底部混合室104經(jīng)有流量控制閥115的產(chǎn)品出料管線114排出。液位控制器116與上部室112中的測(cè)量元件相聯(lián)，接受作為反應(yīng)器中液位的輸入信號(hào)117，并將輸出信號(hào)118送至流量控制閥115，以保持所需液位113。驅(qū)動(dòng)電機(jī)119與驅(qū)動(dòng)軸120相聯(lián)，用于驅(qū)動(dòng)攪拌葉輪103。提供有上擋板121和下?lián)醢?22，以促成所需的液體在空導(dǎo)管102中的向下循環(huán)，和在所說(shuō)換熱器管105中的向上循環(huán)。應(yīng)注意到氣體限制擋板123位于反應(yīng)器101的上部上擋板121之上。雖然保持了反應(yīng)器101中液體和上部室112中液體之間的流體連通，但所說(shuō)氣體限制擋板123起了使不希望有的未反應(yīng)氣體進(jìn)入所說(shuō)上部室112到液面113和頂部氣相的流動(dòng)最少發(fā)生的作用。
在圖4的方案中，所提供的背壓控制器124接受作為上部室112中氣相126壓力的輸入信號(hào)125，并將輸出信號(hào)127送到裝有冷凝器130的排氣管129上的流量控制閥128去，冷卻水經(jīng)過(guò)管線131進(jìn)入冷凝器，經(jīng)過(guò)管線132排出。此外，利用氮或其它惰性吹掃氣管線133將吹掃氣引入上部室112的氣相126中。氧分析器134用于接受作為所說(shuō)氣相126中氧濃度的輸入信號(hào)，并將輸出信號(hào)136送至正常吹掃氣流量控制閥137，而且如果需要還將輸出信號(hào)138送至緊急吹掃氣流量控制閥139，以便能使額外數(shù)量的吹掃氣流入上部室112的所說(shuō)氣相136中。
在Oxo酸的生產(chǎn)，即由相應(yīng)醛的氧化反應(yīng)生產(chǎn)脂族酸的過(guò)程中，利用本發(fā)明和氣升管殼式鼓泡塔反應(yīng)器有關(guān)的反應(yīng)器系統(tǒng)獲得了更高的液體循環(huán)速度，以及因此更高的傳熱系數(shù)。
在本發(fā)明的反應(yīng)器系統(tǒng)中，氧被用來(lái)改善羰基合成醛到相應(yīng)酸的氧化反應(yīng)的選擇性。使用氧氣時(shí)氧化反應(yīng)器中含氧氣泡中氧的分壓比在空氣中本身受到限制的氧分壓要高得多。因此使用氧氣時(shí)傳質(zhì)推動(dòng)力更大，會(huì)導(dǎo)致副產(chǎn)物形成的缺氧條件發(fā)生的可能性也更低。
本發(fā)明所討論的反應(yīng)器是一種良好混合的攪拌釜反應(yīng)器系統(tǒng)，因此氧氣泡被均勻分散于整個(gè)液體中。這樣在所說(shuō)反應(yīng)器中沒(méi)有因?yàn)闅庖翰涣冀佑|而形成的缺氧區(qū)域。此外對(duì)于所說(shuō)反應(yīng)器，氣泡中氧濃度為5％或更低的要求并不適用。因此依作為一種稀釋劑的液體的蒸氣壓不同，氣泡中氧的平均濃度比在使用空氣的傳統(tǒng)反應(yīng)器中要高得多。在液體蒸氣壓很低的系統(tǒng)中，平均氧濃度可達(dá)到95％或更高。與在傳統(tǒng)的以空氣為原料的攪拌釜反應(yīng)器中平均5％的氧濃度，以及在鼓泡塔反應(yīng)器中平均13％的濃度相比這是很有利的。
整體上較高的傳質(zhì)速度改善了氧的傳質(zhì)，從而增加了可用于液相中反應(yīng)的氧的數(shù)量，并由此降低了與缺氧條件相聯(lián)系的選擇性的損失。整體上較高的傳質(zhì)速率還使得可以在比傳統(tǒng)的以空氣為原料的反應(yīng)系統(tǒng)更低的溫度和壓力下操作。尤其是在較低溫度下操作能進(jìn)一步減少副產(chǎn)物的形成，和提高選擇性。
本發(fā)明一種優(yōu)先選擇的實(shí)施方案是使用一種如圖4所示的在中央有一個(gè)導(dǎo)管的管殼式換熱器。如式1所示，系統(tǒng)的熱負(fù)荷由反應(yīng)熱，所需的容積反應(yīng)速率和反應(yīng)器容積決定。固定反應(yīng)速率通常也就固定了反應(yīng)溫度和壓力。一旦知道了熱負(fù)荷，反應(yīng)溫度和壓力，就可以利用標(biāo)準(zhǔn)方法來(lái)確定總傳熱系數(shù)U，所需的傳熱表面積A和溫度差ΔT。這些步驟將在下文中敘述。
一旦確定了反應(yīng)器容積就可以根據(jù)為得到充分的反應(yīng)物混合所需要的功率輸入判據(jù)，以及對(duì)于液體和循環(huán)的流動(dòng)判據(jù)來(lái)選擇混合葉輪或泵。這些判據(jù)是進(jìn)行混合和換熱設(shè)備常規(guī)設(shè)計(jì)的技術(shù)人員所非常熟悉的。對(duì)于氣液混合系統(tǒng)，所需功率通常為大約5HP/1000加侖液體，但是此數(shù)值隨反應(yīng)系統(tǒng)不同而變化很大。流動(dòng)判據(jù)是雙重的。首先最好是使通過(guò)換熱器管的流速達(dá)到最大，以使傳熱系數(shù)U達(dá)到最大。但是通過(guò)換熱器管的壓降隨流速的平方而增加。因此對(duì)一個(gè)給定的系統(tǒng)來(lái)說(shuō)有一個(gè)最佳速度。在氣液系統(tǒng)中很重要的第二個(gè)泵送判據(jù)是必須將導(dǎo)管中的液體流速保持在1英尺/sec的最小值以上，最好是2.5英尺/sec以上，以保證氣體能被向下帶經(jīng)導(dǎo)管。
由于反應(yīng)器設(shè)計(jì)是根據(jù)所需的混合葉輪或泵的特性進(jìn)行的，因此葉輪的尺寸和轉(zhuǎn)速是根據(jù)所需的混合功率和反應(yīng)器容積選擇的。這就確定了葉輪的泵送特性，包括流量-壓頭關(guān)系曲線。傳熱表面積A是根據(jù)式2利用一個(gè)估計(jì)的U估算的。一旦估算出A和流量，就可以很容易地確定系統(tǒng)的幾何尺寸了。
設(shè)計(jì)的目的是使A/V比達(dá)到最大，因而使容積傳熱能力達(dá)到最大，這又使反應(yīng)器的產(chǎn)量達(dá)到最大。因此希望用小直徑的換熱器管。但是隨著管尺寸降低，管內(nèi)的壓降卻提高了。因此對(duì)每個(gè)設(shè)計(jì)都有一個(gè)最佳值。根據(jù)估算的流量，可以改變換熱器管直徑，管數(shù)和管長(zhǎng)，以給出所需的A和可接受的壓降值。通常以1英寸或3/4英寸直徑的換熱器管為最佳。
一旦知道了管徑，管長(zhǎng)和流量，就可以完成U和ΔT的詳細(xì)計(jì)算。如果計(jì)算得到的U未大到足以滿足式1，就必須增大混合葉輪的尺寸和轉(zhuǎn)速。用另一種辦法，也可以增大傳熱表面積A。傳熱領(lǐng)域的技術(shù)人員了解如何調(diào)整設(shè)計(jì)參數(shù)以滿足傳熱要求。應(yīng)該注意到，在最終設(shè)計(jì)中傳熱和混合功率這兩個(gè)判據(jù)都必須被滿足。
在確定了葉輪尺寸，及換熱器管直徑，長(zhǎng)度和數(shù)目以后，反應(yīng)器幾何結(jié)構(gòu)計(jì)算的其余部分就可以完成了。導(dǎo)管直徑由混合葉輪直徑?jīng)Q定。換熱器管在導(dǎo)管周圍按標(biāo)準(zhǔn)三角形間距排列。優(yōu)先采用三角形間距是因?yàn)樗o出了比四邊形間距或徑向排列更大的A/V比。在排列好換熱器管以后，反應(yīng)器的整體直徑也就確定了。
上封頭的幾何尺寸決定于所采用的反應(yīng)器構(gòu)型。在液體反應(yīng)器構(gòu)型，以及氣體從氣相空間被向下吸入的氣液反應(yīng)構(gòu)型(通稱為AGR構(gòu)型)中，主要的設(shè)計(jì)約束條件是保證橫跨換熱器管頂部的流型是對(duì)稱的，從而在換熱器管中能產(chǎn)生一種均勻的流動(dòng)分布。這是通過(guò)采用一個(gè)園錐形外殼和一個(gè)擴(kuò)張口的導(dǎo)管入口段一起實(shí)現(xiàn)的。這種對(duì)稱的園錐形布置保證了離開(kāi)換熱器管的流動(dòng)逐漸和均勻地加速，從而使葉輪吸入口能以相等的速率從所有換熱器管吸入液體。
在反應(yīng)物氣體自液面下注入，一次通過(guò)反應(yīng)器，而未反應(yīng)的氣體作為廢氣被排空的情況下，必須防止在導(dǎo)管的吸入流動(dòng)中帶入廢氣。上述的對(duì)稱園錐形布置也是必需的。在這種情況下，對(duì)稱錐體出口的定位必須使從錐體頂端到導(dǎo)管吸入口的流路足夠長(zhǎng)，以保證在液體進(jìn)入導(dǎo)管以前氣泡能從液體中逸出。
在上封頭中使用氣體限制擋板的情況下，也需要采用對(duì)稱園錐布置。在Kingsley的美國(guó)專利5,451,349中披露了其它與氣體限制擋板有關(guān)的設(shè)計(jì)約束條件。
底部混合室是由一個(gè)和換熱器管板直徑相同的園錐形或碟形封頭制成的。在附圖中所示的是一種園錐形封頭?？梢哉{(diào)整這個(gè)封頭的容積，以使反應(yīng)器的總?cè)莘e和所要求的反應(yīng)器容積相一致。
在下封頭中使用一塊十字形擋板，以幫助保證橫跨換熱器管有均衡的流動(dòng)分布。十字形擋板用于將自導(dǎo)管底部排出的流體分成四個(gè)指向徑向方向的相等的部分。
在連續(xù)排出產(chǎn)品的氣液反應(yīng)器系統(tǒng)中，使用一塊附加的擋板，從液體產(chǎn)品中分離出氣泡。這并不是本發(fā)明的一個(gè)關(guān)鍵部件，因?yàn)橛性S多方法可以實(shí)現(xiàn)這一目的。
如果在氣液反應(yīng)中所使用的反應(yīng)器系統(tǒng)中，如圖2-4所示是將未反應(yīng)的氣體導(dǎo)入液體上的氣體空間的話，應(yīng)將混合葉輪定位在導(dǎo)管的頂部，以便(1)誘發(fā)渦流作用將氣體向下吸入到液相中，或(2)在反應(yīng)物氣體會(huì)與液體形成一種可燃蒸氣混合物的情況下將在液面下進(jìn)料的氣體加以分散。在這兩種情況下將泵安裝在靠近導(dǎo)管頂部，并在靠近導(dǎo)管頂部引入氣體，便能保證反應(yīng)物氣體循環(huán)經(jīng)過(guò)整個(gè)反應(yīng)器容積。在這些場(chǎng)合也可以將氣體引入反應(yīng)器底部，但氣體將跟隨液體向上流動(dòng)通過(guò)換熱器管，并排入上部的氣體空間。在此情況下導(dǎo)管中保持不充氣，這將有悖于本系統(tǒng)的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)，即在整個(gè)反應(yīng)容積中有氣體的均勻分布。
在如圖1所示的液相反應(yīng)，以及如圖4所示的使用氣體限制擋板的情況下，混合葉輪或泵可被安裝在導(dǎo)管的頂部或底部。在液體反應(yīng)器中葉輪的主要功能是泵送液體，因此它的位置并不十分重要。在有氣體限制擋板的氣液反應(yīng)器系統(tǒng)中，氣體限制擋板的作用是將未反應(yīng)氣體導(dǎo)入導(dǎo)管，在那里氣體被液流向下吸入。因此在這種情況下將葉輪或泵安裝在反應(yīng)器底部并不妨礙氣體被均勻地分散到整個(gè)反應(yīng)器中。
混合葉輪或泵可以是任何軸向流動(dòng)設(shè)備，例如船用螺旋槳或如Lightnin A-315的流體翼葉輪。對(duì)于氣液反應(yīng)器系統(tǒng)優(yōu)選的方案是Litz等在美國(guó)專利4,900,480中所述的雙螺旋葉輪。
在一個(gè)用于將2-乙基己醛氧化成2-乙基己酸的280加侖換熱器型反應(yīng)器系統(tǒng)中體現(xiàn)了圖4所示的系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)。氧氣被噴入到導(dǎo)管的頂部，在那里被螺旋混合葉輪分散，并被向下泵送通過(guò)導(dǎo)管到反應(yīng)器底部。隨后氣液混合物向上通過(guò)換熱器進(jìn)入上封頭。園錐形上封頭和氣體限制擋板用于引導(dǎo)未反應(yīng)的氧氣氣泡返回到導(dǎo)管中，在那里被混合葉輪重新分散和循環(huán)。將醛連續(xù)加料到反應(yīng)器的上封頭中。從下封頭連續(xù)排出產(chǎn)品酸。
正如Litz等在所說(shuō)美國(guó)專利4,900,480中所報(bào)道的，反應(yīng)器在一種LOR(液體有機(jī)物反應(yīng)器)系統(tǒng)的方式下操作。連續(xù)將惰性氣體氮?dú)馔ㄈ霘怏w限制擋板上的反應(yīng)器氣體空間，將氣體空間中的氧濃度保持在安全范圍中。
在試驗(yàn)中，280加侖的示范反應(yīng)器與一列串聯(lián)操作的噴入空氣的氣升管殼式鼓泡塔反應(yīng)器平行運(yùn)行。在下表中表明了新型反應(yīng)器系統(tǒng)超過(guò)現(xiàn)有工藝的優(yōu)點(diǎn)。示范反應(yīng)器在和以空氣為原料的反應(yīng)器的平均值相同的容積反應(yīng)速率下運(yùn)行。將反應(yīng)效率定義為醛的轉(zhuǎn)化率和醛轉(zhuǎn)化為酸的選擇性的乘積。由于傳統(tǒng)反應(yīng)器是在不同的溫度和壓力下操作的，所以溫度和壓力的變化是作為一個(gè)范圍給出的。在有最高反應(yīng)速率的反應(yīng)器中保持最高溫度，以保持反應(yīng)速率和高ΔT傳熱推動(dòng)力。
表
在相同的反應(yīng)速率下，本發(fā)明的反應(yīng)器系統(tǒng)在單臺(tái)反應(yīng)器操作時(shí)的總反應(yīng)效率比一列三臺(tái)串聯(lián)操作的傳統(tǒng)反應(yīng)器高2.5％。而且操作條件要緩和得多。所討論的反應(yīng)器在比傳統(tǒng)反應(yīng)器低8-43℃的溫度，和低30-50psig的壓力下操作。系統(tǒng)傳熱性能的改進(jìn)使得在較低溫度下操作得以實(shí)現(xiàn)。因強(qiáng)制循環(huán)造成的較高的管程流速使U得到提高，因此可以降低溫度推動(dòng)力ΔT。另外由于反應(yīng)器是一種以氧為原料的LOR構(gòu)型反應(yīng)器，在反應(yīng)器容積相等的基礎(chǔ)上廢氣流量被降到僅為以空氣為原料的反應(yīng)器的36％。
圖5a-5f披露了對(duì)LOR的其它改進(jìn)之處，尤其是對(duì)本文所報(bào)道的LOR反應(yīng)器。
圖5a說(shuō)明了容器205和限制擋板201。除容器205，固定環(huán)206和葉輪軸212之外，限制擋板201通常包括了圖5a所示的所有部件。因此限制擋板包括了十字形擋板208。十字形擋板208使液體豎直向下流入導(dǎo)管(圖中未示出，但相當(dāng)于圖1中的參考號(hào)2)。請(qǐng)注意十字形擋板208相當(dāng)于圖1中的擋板21。分離堰207(也是限制擋板的部件)為液體提供了曲折的通道，使夾帶的氣泡能夠逸出。
圖5b和5d表示了軸承支座210和軸承211，用于為葉輪軸提供穩(wěn)定性，并防止反應(yīng)器的上部(較冷的)和下部(較熱的)物料顯著的交叉污染。(請(qǐng)回想反應(yīng)器下部的物料因放熱反應(yīng)而被加熱，這部分液體在循環(huán)過(guò)程中經(jīng)過(guò)換熱器而被冷卻，因此反應(yīng)器上部的物料比下部的冷)。軸承支座和軸承是限制擋板的部件。限制擋板201還提供了葉輪軸212的下支座(見(jiàn)圖5b)。并非利用一個(gè)分立的構(gòu)件，限制擋板本身具有能起軸支座作用，并固定軸承支座210和軸承211的強(qiáng)度。軸承材質(zhì)最好是TEFLON。
在圖5c中特別說(shuō)明了可調(diào)節(jié)的排氣門。特別是通過(guò)氣門調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)204來(lái)調(diào)節(jié)可調(diào)節(jié)氣門202，并由氣門固定器203將其固定在位。這些氣門202使氣體限制擋板201能被調(diào)整，并對(duì)工藝過(guò)程加以優(yōu)化。它控制了容器上段和下段(例如分別為靜止區(qū)和活動(dòng)區(qū))之間的開(kāi)度。
本發(fā)明還包括軸承潤(rùn)滑和冷卻。數(shù)量難以控制的熱量可能在支撐軸承中聚集。我們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)可以通過(guò)葉輪支撐軸承提供少量潤(rùn)滑劑(例如少到不足以污染系統(tǒng)的數(shù)量)，最好是循環(huán)的液體最終產(chǎn)物，以便潤(rùn)滑和冷卻軸承。在圖5e和5f中說(shuō)明了這一點(diǎn)，它們是與圖5b類似的放大圖(但說(shuō)明的是冷卻設(shè)備)。
如圖5e所示，可以將一個(gè)螺紋槽213和切開(kāi)區(qū)214組合到軸承211中，使?jié)櫥瑒┠芾鋮s葉輪軸212。軸212的旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生吸入作用，使產(chǎn)品從軸承頂部經(jīng)過(guò)螺紋槽213循環(huán)到底部去。
在圖5f所示的一種優(yōu)選的結(jié)構(gòu)方式中，借助外部泵(未示出)強(qiáng)制液體最終產(chǎn)品經(jīng)管線215進(jìn)入支撐軸承211的腔室214中，以冷卻葉輪軸212。冷卻劑按箭頭所示方向流出軸承211(在軸承211和轉(zhuǎn)軸212之間)。被循環(huán)的液體最終產(chǎn)品是一種理想的潤(rùn)滑劑，因此不會(huì)污染反應(yīng)器中的物料。可以將最終產(chǎn)品作為一個(gè)側(cè)線從產(chǎn)品排出管線(見(jiàn)圖1的參考號(hào)14)取出，冷卻，經(jīng)過(guò)外部泵設(shè)備(未示出)循環(huán)，并經(jīng)管線215加料到軸承中。
應(yīng)該注意到控制潤(rùn)滑劑/冷卻劑的數(shù)量是很重要的事。其數(shù)量必須足夠大，以提供有效的軸承冷卻，但其數(shù)量又必須足夠小，以使對(duì)反應(yīng)器物料的污染是很輕微的。在用產(chǎn)品作為冷卻劑時(shí)，其數(shù)量應(yīng)該足夠小，使反應(yīng)器上部(較冷的)和下部〔較熱的〕物料的交叉污染發(fā)生得最小，從而對(duì)通過(guò)使用所披露或本發(fā)明的反應(yīng)器而獲得的傳熱和傳質(zhì)效率(正如在本申請(qǐng)的其它地方所述的)的影響成為微不足道的。本領(lǐng)域的技術(shù)人員了解如何確定這一數(shù)量，它決定于發(fā)生在該反應(yīng)器中的特定反應(yīng)的放熱特性。
通過(guò)以上敘述可以認(rèn)識(shí)到本發(fā)明的反應(yīng)器系統(tǒng)是本領(lǐng)域的一項(xiàng)極有意義的進(jìn)展，它使得能夠在放熱的反應(yīng)器系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)對(duì)傳熱和傳質(zhì)的強(qiáng)化。這樣可使反應(yīng)器的容積產(chǎn)率達(dá)到最大。與缺氧狀況相聯(lián)系的選擇性損失也得到了使人滿意的降低。較高的總傳熱速率使操作能在較低的溫度和壓力下進(jìn)行，因而有效地減少了副產(chǎn)物的形成，并因此而提高了選擇性。本發(fā)明的反應(yīng)器系統(tǒng)提供了本領(lǐng)域?qū)τ谑軅鳠岷蛡髻|(zhì)限制的液-液，氣-液和氣-液-固反應(yīng)器系統(tǒng)所需要的改進(jìn)，提高了在該反應(yīng)器系統(tǒng)中進(jìn)行的操作的生產(chǎn)率和選擇性。
權(quán)利要求
1.一種用于進(jìn)行液體第一反應(yīng)物和氣體或液體第二反應(yīng)物的放熱反應(yīng)以生產(chǎn)液體最終產(chǎn)品的改進(jìn)的反應(yīng)器系統(tǒng)，所說(shuō)系統(tǒng)包括a)一臺(tái)反應(yīng)容器；b)一個(gè)被軸承支撐并被導(dǎo)入該反應(yīng)容器的混合葉輪；其中所說(shuō)軸承借利用經(jīng)過(guò)所說(shuō)軸承被循環(huán)的所說(shuō)最終產(chǎn)品而被冷卻。
2.一種生產(chǎn)脂族酸的方法，所說(shuō)方法包括a)提供一臺(tái)包括以下設(shè)備的反應(yīng)器1)一臺(tái)反應(yīng)容器；2)一個(gè)被軸承支撐并被導(dǎo)入該反應(yīng)容器的混合葉輪；b)在所說(shuō)反應(yīng)容器中提供一種液體醛類反應(yīng)物；c)將所說(shuō)液體醛類反應(yīng)物氧化，生成一種脂族酸；d)回收所說(shuō)脂族酸產(chǎn)品的第一部分；e)使所說(shuō)脂族酸最終產(chǎn)品的第二部分循環(huán)通過(guò)所說(shuō)軸承，以便冷卻所說(shuō)軸承。
全文摘要
一種有強(qiáng)制循環(huán)的管殼式換熱器型反應(yīng)器被用來(lái)改善液－液,氣－液和氣－液－固放熱反應(yīng)的傳熱和傳質(zhì)。生產(chǎn)率和選擇性均得到了提高。
文檔編號(hào)B01J8/22GK1243034SQ9911052
公開(kāi)日2000年2月2日 申請(qǐng)日期1999年7月22日 優(yōu)先權(quán)日1998年7月23日
發(fā)明者J·P·金斯萊, M·阿迪斯, F·E·普爾克特 申請(qǐng)人:普拉塞爾技術(shù)有限公司