專利名稱：采用高強度管式反應(yīng)器強化快速平推流反應(yīng)的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及強化氣液反應(yīng)的方法，更具體地說涉及采用高強度管式反應(yīng)器產(chǎn)生氣液間快速平推流反應(yīng)的方法，所述反應(yīng)器在超聲速兩相流動條件下具有分散的氣相。
氣-液反應(yīng)器被廣泛用于許多不同的工業(yè)應(yīng)用，包括氣體洗滌、生物技術(shù)、純產(chǎn)品的制造、液相工藝以及石油工業(yè)中的多相流動。在氣液反應(yīng)中，氣體經(jīng)氣液界面從氣相中擴散出來，因此一般受傳質(zhì)速率的限制。對于動力學(xué)常數(shù)的數(shù)量級高于氣液傳質(zhì)系數(shù)的快速化學(xué)反應(yīng)來說更是如此。因此，高強度混合裝置提高氣液傳質(zhì)速率是必需的。
管式反應(yīng)器具有將高動力注入單個反應(yīng)器容積以利于過程強化的優(yōu)點。這對于要求高徑向混合功率、平推流和短接觸時間的工藝過程是合適的。短接觸時間在氣液反應(yīng)體系中易于實現(xiàn)，因為氣體能被閃蒸出或用熱式驟冷終止進(jìn)一步反應(yīng)。已采用管式反應(yīng)器研究一些氣液反應(yīng)。實例是用管式反應(yīng)器氧化甲醇成甲醛和用氨來胺化鄰-硝基氯苯。見M.Sohrabi，“甲醇在填充床管式反應(yīng)器中的催化氧化”(“Catalytic Oxidation of Methanol in a Packed Bea TubularReactor”)，Am.Chem.Soc.，Div.Pet Chem.，Prepr.Vol.35，No.4，1990-08，pp 831，和F.B.Yu，Jisuanji Yu Yingyong Huzxue，1984，Vol.1，pp112-18。對于氣液反應(yīng)來說，高強度管式反應(yīng)器對于快速連續(xù)競爭反應(yīng)是特別有利的，所述反應(yīng)A液體+B氣體→C產(chǎn)物(1)B氣體+C產(chǎn)物→D副產(chǎn)物(2)包括一種或多種氣體反應(yīng)物的連續(xù)競爭反應(yīng)操作是困難的，因為反應(yīng)經(jīng)常受到氣體反應(yīng)物的液相(在兩相流動反應(yīng)中)或固相(在三相流動反應(yīng)中)傳質(zhì)的限制。通常當(dāng)C產(chǎn)物是所要求的產(chǎn)物時，反應(yīng)(1)是較快的反應(yīng)。產(chǎn)物或為液體或為固體。反應(yīng)可為均相(氣液反應(yīng))或非均相(具有催化劑的氣液反應(yīng))反應(yīng)。當(dāng)未反應(yīng)的氣體從反應(yīng)液中分離后，就可回收純產(chǎn)品。反應(yīng)(2)通常是較慢的反應(yīng)，在該反應(yīng)時所要求的一種或多種產(chǎn)物與未反應(yīng)的氣體反應(yīng)，結(jié)果形成副產(chǎn)物D。副產(chǎn)物可以是氣體、液體或固體。希望反應(yīng)(1)在形成副產(chǎn)物之前就已完成。
大多數(shù)氣液或氣液固反應(yīng)都受傳質(zhì)速率的限制。來自氣相的氣體溶入液相通常較固有的化學(xué)動力學(xué)慢些。在攪拌槽式的反應(yīng)器中，產(chǎn)物與反應(yīng)物返混，結(jié)果產(chǎn)生過量的反應(yīng)副產(chǎn)物。因此，選擇性極差。
如果管式反應(yīng)器的傳質(zhì)和混合特性都高的話，則可使氣-液反應(yīng)以短單程的形式接近于平衡。通過閃蒸剩余的氣體或驟冷反應(yīng)物，將會進(jìn)一步終止較慢的副產(chǎn)物形成的步驟。因此，高強度的氣-液反應(yīng)器不僅會改進(jìn)生產(chǎn)量，而且也會改進(jìn)產(chǎn)品的選擇性。
常規(guī)靜態(tài)混合器會改進(jìn)在管式反應(yīng)器中的這種類型氣-液反應(yīng)的傳質(zhì)速率。界面表面積可通過剪切流經(jīng)曲折路徑的氣體和液體得到提高。優(yōu)選在管式反應(yīng)器或適于液-液混合或反應(yīng)用的反應(yīng)器熱交換器里面使用這種靜態(tài)或固定混合器。然而，氣體聚結(jié)而與液體混合物迅速分離。因此，傳質(zhì)，或以系數(shù)表示，很少超過數(shù)量級0.5-1sec-1。
小氣泡具有適于傳質(zhì)的高得多的界面面積。通過分散超細(xì)氣泡進(jìn)入液相，有可能進(jìn)一步改進(jìn)氣-液傳質(zhì)系數(shù)。由此，本發(fā)明的目的在于研制出一種傳質(zhì)設(shè)備，該設(shè)備通過超細(xì)氣泡的產(chǎn)生能強化氣-液傳質(zhì)。
由于這種管式反應(yīng)器具有產(chǎn)生小于幾分之一毫米直徑很細(xì)氣泡的能力，所以它有很高的傳質(zhì)系數(shù)。在超聲速直列混合器中細(xì)小氣泡的形成是基于聲速在氣-液混合物中較在氣體或液體組分中低得多的原理。采用縮-擴噴嘴通過加速兩相混合物至高于聲速的速度，產(chǎn)生震擊波以破壞氣泡成為很細(xì)小的分散物。
基于超聲速兩相原理研制出了高強度的管式反應(yīng)器。因為聲速在液-氣混合物中比氣體或液體成分中低得多，所以超聲速兩相流動實際上是能達(dá)到的。通過把兩相混合物加速到高于聲速的速度，使震擊波產(chǎn)生以打碎氣泡成為微小的氣泡。
在開發(fā)本發(fā)明的過程中，一種困難在于即使在減小速度下也要補償過量的壓力降。在氣-液流動中的壓力降顯著大于在單相中流動的壓力降。見Ovid Baker，“管路中的多相流動”，石油及天然氣雜志，(“Miltiphase Flow in Pipelines”，The oil and Gas Journal)，p156-167，Nov.10，1958。因此，預(yù)測兩相流動混合物壓力降的能力在預(yù)測用于這樣一種設(shè)備的超聲速兩相流動條件中就是一個關(guān)鍵步驟。
開發(fā)本發(fā)明的另一個困難在于超聲速兩相流動適于低壓，如圖2所示。當(dāng)壓力下降時，熱力學(xué)聲速也下降。這意味著兩相混合物的流速能被降低到對超聲速兩相流動有效的水平而無需過多的泵送功率。因此，超聲速兩相流動原理已成功地用于汽提操作上。超聲汽提塔內(nèi)的壓力通常下降到一個大氣壓以下。但快速氣-液反應(yīng)的傳質(zhì)速率和動力學(xué)卻適于高壓。因此，本發(fā)明必須既能為超聲速兩相流動提供低壓條件也能為改進(jìn)的氣-液反應(yīng)速率提供高壓條件。
理論熱力學(xué)方程式預(yù)測的絕熱和等溫聲速可達(dá)到氣相與液相質(zhì)量分?jǐn)?shù)約1×10-3-2×10-3的最低值。高充氣比對于在氣-液反應(yīng)中使用超聲速流動原理是理想的。
在現(xiàn)有技術(shù)中已知“平推流(Plug flow)”反應(yīng)器能提供非常小的返混。但在氣-液反應(yīng)中使用這樣的“平推流”反應(yīng)器通常并不成功，因為氣體因比重的關(guān)系迅速地與液體分離。在平推流的條件下產(chǎn)生細(xì)小的氣泡和充分混合同樣是困難的。此外，為了溶解足夠量的氣體于液體中，以提供滿足要求的收率必須花費很長的時間。對于許多情況來說，到B氣體與A液體已充分反應(yīng)的時候，副產(chǎn)物也以不可接受的數(shù)量開始形成?？赏ㄟ^溫度和壓力的降低來實現(xiàn)提高選擇性。然而，當(dāng)反應(yīng)(2)的反應(yīng)速率下降時，反應(yīng)(1)的反應(yīng)速率也將減慢。接著，收率(已反應(yīng)的B量)以選擇性為代價也下降了。
使用超聲速兩相流動原理去打碎氣泡成為較細(xì)的分散體，已知在現(xiàn)有技術(shù)中主要用于氣體溶解。然而，如何使用象超聲速兩相原理去提高這樣的連續(xù)競爭化學(xué)反應(yīng)中的收率和選擇的優(yōu)點在現(xiàn)有技術(shù)中則沒有描述。因此，本發(fā)明的目的在于提供一種能提高反應(yīng)速率(1)的轉(zhuǎn)化率和收率且還能降低副產(chǎn)物形成速率(2)的方法。
本發(fā)明是指向提供一種強化氣體和液體間平推流反應(yīng)速率的方法，該方法包括氣流通入高強度管式反應(yīng)器，打碎氣流成為氣泡，氣泡在壓力下分散進(jìn)入液相，促進(jìn)氣-液在氣泡和液相之間傳遞以及如果需要驟冷反應(yīng)以停止副產(chǎn)物的形成。
本發(fā)明尤其指向強化氣相和液相在平推流管式反應(yīng)器中傳遞速率的方法。這種方法包括氣相在高強度管式反應(yīng)器的入口通入液相。氣相和液相被加至超聲速度。在高于約1atm的壓力下，氣相和液相的速度再從超聲速度降至亞聲速度。打碎氣相成為氣泡，氣泡再分散進(jìn)入液相。事實上，氣相和液相促進(jìn)了氣泡和液相之間的反應(yīng)。
根據(jù)下列最佳實施方案和附圖的描述，對于所屬領(lǐng)域的一般技術(shù)人員來說將會看到其它目的、特征和優(yōu)點，其中圖1是本發(fā)明高強度管式反應(yīng)器組合件的示意圖；圖2是本發(fā)明作為氣體質(zhì)量分?jǐn)?shù)函數(shù)的理論聲波方程式的曲線圖；圖3用于本發(fā)明高強度管式反應(yīng)器入口的超聲速兩相流動混合器的示意圖；圖4描繪在本發(fā)明兩相流動下背壓對通過超聲直列混合器壓力降影響的曲線圖；圖5是本發(fā)明作為氧加入量函數(shù)的氧傳遞速率的曲線圖；圖6是描繪操作本發(fā)明超聲直排混合器時功率損失的曲線圖；和圖7是本發(fā)明包括低溫驟冷區(qū)的文丘里管裝置示意圖。
為了提高所述反應(yīng)的收率和選擇性，必須產(chǎn)生適于反應(yīng)(1)的瞬時反應(yīng)條件。
圖1表示適于快速連續(xù)競爭反應(yīng)的高強度管式反應(yīng)102的示意圖100。液體反應(yīng)物104，與或不與催化劑一起，首先被預(yù)熱至反應(yīng)溫度。催化劑是均相的(在反應(yīng)物中可溶)或非均相的催化劑(固體催化劑或金屬負(fù)載催化劑)。液體反應(yīng)物在顯著高于大氣壓的壓力下(1atm-200atm)用泵送入高強度管式反應(yīng)器102的入口108。
氣體反應(yīng)物106如氧、氫、氯、溴或臭氧也同樣被預(yù)熱至反應(yīng)溫度。預(yù)熱可消除氣體反應(yīng)物為達(dá)到進(jìn)行反應(yīng)的溫度(或氣體反應(yīng)物運動的速率)存儲在反應(yīng)器中所必須的時間。在壓力下，在高強度管式反應(yīng)器入口108處把氣體反應(yīng)物106注入液體反應(yīng)物104中，結(jié)果形成兩相或三相混合物。在這點上只出現(xiàn)很弱的反應(yīng)，因為反應(yīng)的B氣體流體所具有的表面積與體積比非常小。很少一點或完全沒有氣體溶入液體。
然后通過文丘里管112形式的壓縮圓錐體110的節(jié)流把兩相或三相混合物加速至超聲速兩相流動的速度。為了與高強度氣-液反應(yīng)所需高壓條件和超聲速兩相流動所必需低壓條件相適應(yīng)，使用折轉(zhuǎn)板來減小文丘里管112的喉管直徑以便兩相混合物流經(jīng)喉管114時的速度顯著高。在具有降低喉管直徑的文丘里管喉管處，幾乎所有的位能或壓頭都在文里丘管112的喉管處轉(zhuǎn)變成動能。因此，在文丘里喉管114中用人工的方法產(chǎn)生低壓區(qū)。當(dāng)兩相或三相混合物從文丘里管112的喉管離去時形成了強的震擊波。震擊波把氣泡打碎成為分散在液體反應(yīng)物混合物中的顯微氣泡，從而改進(jìn)了從氣相到液相和如果使用非均相催化劑時還從氣相到固相的傳質(zhì)速率。在表面積與體積比很高的情況下，反應(yīng)B氣體溶解并與反應(yīng)物A瞬時反應(yīng)。為出現(xiàn)的低壓震擊波提供足夠的距離和足夠的壓力回收，使用低于30度夾角的膨脹圓錐體116。在膨脹圓錐體116上，幾乎所有的動能都反向轉(zhuǎn)化成位能或壓頭(有些損失)而使反應(yīng)在高壓下出現(xiàn)在反應(yīng)區(qū)118的里面。
為了使過程對快速連續(xù)競爭反應(yīng)更有利，使具有顯微分散體的混合物在反應(yīng)區(qū)118的里面進(jìn)一步加熱。
使用背壓調(diào)節(jié)閥120以維持高強度管式反應(yīng)器里面的壓力。傳質(zhì)和反應(yīng)在管式反應(yīng)器102里得以迅速進(jìn)行。
當(dāng)反應(yīng)流經(jīng)過背壓調(diào)節(jié)閥時，連續(xù)反應(yīng)(1)應(yīng)接近完全。反應(yīng)流再進(jìn)入閃蒸室122，在那里壓力立即下降。溶解的氣體和未反應(yīng)的細(xì)小氣泡與液體脫離。若某些液體蒸發(fā)，溫度由于蒸發(fā)冷卻下降。為了弱化驟冷可引入惰性氣體126或其它添加劑。為了分散反應(yīng)流以改進(jìn)閃蒸或溶解驟冷，在閃蒸室里面使用擋板124或某些其它的分散裝置。驟冷能終止連續(xù)反應(yīng)(2)的反應(yīng)，免除進(jìn)一步形成副產(chǎn)物。最終產(chǎn)物130作為液體從閃蒸室的底部除去或收集并與從閃蒸室頂部離去的氣流分離。
圖3表示在高強度管式反應(yīng)器的入口處使用超聲速直列混合器的示意圖300，以產(chǎn)生反應(yīng)用細(xì)小的氣體分散體。具有液體反應(yīng)物的工作流體302與或不與固體一起進(jìn)入超聲混合器。氣體反應(yīng)物通過連接件304引入并通過氣體噴嘴316注入液體。為了大部分的壓頭轉(zhuǎn)化成為動能，使用折轉(zhuǎn)板圓錐體318以降低文丘里管或異徑管體322的喉管直徑。異徑管體322由壓縮圓錐體328、喉管330和膨脹圓錐體332各部分組成。為了使折轉(zhuǎn)板可調(diào)，折轉(zhuǎn)板和氣體噴嘴由調(diào)節(jié)器罩310固定。填料密封308和O-環(huán)密封314用于阻止氣體或液體泄漏。鎖定螺母罩312固定折轉(zhuǎn)板在適當(dāng)?shù)奈恢蒙?。在相反端的?dǎo)套324阻止折轉(zhuǎn)板318振動。使用壓力表320以提供工作壓力的資料。為了進(jìn)一步改進(jìn)所要求反應(yīng)(1)的速率，必須提高反應(yīng)區(qū)里面的壓力(緊隨震擊波形成之后)。然而，在壓力下兩相混合物的聲速是較高的。為了使震擊波形成，兩相混合物的速度必須進(jìn)一步提高以保持超聲速兩相的條件。使用折轉(zhuǎn)板318降低文丘里管的喉管直徑以便兩相混合物流經(jīng)喉管時的速度必須變得更高。此外，超聲混合器應(yīng)具有更高壓力區(qū)(在壓縮圓錐體328的入口處)、低壓區(qū)(具有折轉(zhuǎn)板318的文丘里喉管330)和高壓區(qū)(膨脹圓錐體332)。氣體和液體的速度也從慢變到快再變慢。
減小喉管直徑可提高文丘里管322入口處的壓力。然而，僅有很小量的反應(yīng)在該區(qū)開始，因為氣體以非常小量的流體供應(yīng)。強震擊波能引起反應(yīng)(1)的迅速發(fā)生，致使反應(yīng)完成僅需數(shù)秒或幾分之一秒。由此，傳質(zhì)速率顯著提高到與反應(yīng)(1)的固有反應(yīng)速率動力學(xué)相適應(yīng)。在反應(yīng)(2)進(jìn)行到任何顯著程度之前，反應(yīng)液流入閃蒸室122(根據(jù)圖1)，在那里壓力下降使未反應(yīng)的氣體逸散。減少反應(yīng)氣體的數(shù)量以防浪費。但是，實際上供應(yīng)過量的反應(yīng)B氣體以維持A液體的轉(zhuǎn)化，為的是反應(yīng)氣體總體上消耗完時速率達(dá)到零。閃蒸室能避免過量的氣體與產(chǎn)物之間的進(jìn)一步反應(yīng)。當(dāng)某些反應(yīng)的內(nèi)含物被閃蒸掉時溫度也下降。任選的是，可以使用惰性氣體用來弱化終止反應(yīng)的驟冷。
把超聲速兩相原理用于氣-液混合是比較困難的。當(dāng)氣-液混合物在管式反應(yīng)器中加速以滿足最低聲速的要求條件時，壓力會同時升高。反過來，壓力提高，聲速變小。對于低氣體加料量來說，超聲速兩相流動條件得不到滿足是可能的。
為了利用超聲速兩相流動的益處，還要避免與壓力降有關(guān)的難點，用文丘里型的壓縮和膨脹圓錐體研制系列氣-液裝置。壓縮圓錐體328能使氣體和液體在非常短的距離內(nèi)加速至聲速流動條件以上的速度。折轉(zhuǎn)板圓錐體318使喉管直徑320進(jìn)一步縮小至適合反應(yīng)的條件。為了減小喉管直徑而進(jìn)一步提高氣-液速度，完成反應(yīng)所必需的反應(yīng)壓力越高，推入喉管的折轉(zhuǎn)板圓錐體318就越遠(yuǎn)。在文丘里管的喉管330處，位能轉(zhuǎn)化成動能和壓力降到大氣壓以下，或者形成真空。膨脹圓錐體使兩相流混合物通過動能反向轉(zhuǎn)化成位能回收其壓頭。類似的裝置已成功地用于氣體的溶解和汽提。見U.S.P 4,861,352；4,931,225；4,867,918；5,061,406；5,211,916和5,302,325，所有這些專利都引入本文作為參考。然而，本發(fā)明對加壓氣體和液體的要求不象在促進(jìn)快速氣-液反應(yīng)情況下那樣高。
反應(yīng)氣體或氧在緊靠折轉(zhuǎn)板圓錐體上游的適當(dāng)位置上射入以使氣體僅在幾分之一秒內(nèi)就分散進(jìn)入液體。這對于把競爭平行反應(yīng)能出現(xiàn)的反應(yīng)中的副產(chǎn)物形成降至最低程度是非常重要的。在這種情況下，氣體與產(chǎn)物進(jìn)一步反應(yīng)形成不希望有的副產(chǎn)物的可能性就能降至最低程度。
實施例超聲直列混合器的高氣體分散強度的要求使表征來自反應(yīng)混合物的傳質(zhì)速率產(chǎn)生困難。標(biāo)準(zhǔn)亞硫酸鹽氧化反應(yīng)不能進(jìn)行，因為它受動力學(xué)控制。在本發(fā)明中，把簡單的氧溶解速率用來確定傳質(zhì)系數(shù)。根據(jù)這一數(shù)據(jù)，快速化學(xué)反應(yīng)的動力學(xué)速率常數(shù)就潛在的商業(yè)用途來說是適應(yīng)的。
在本發(fā)明中，用30度的壓縮角構(gòu)成3/4英寸厚的不銹鋼超聲直列混合器。在根據(jù)如圖3所示折轉(zhuǎn)板的位置調(diào)節(jié)環(huán)形流動面積。在指定的質(zhì)量流速下這些調(diào)節(jié)允許不同的兩相流動速度。當(dāng)折轉(zhuǎn)板自喉管充分向后傾時，橫截面積是恒定的，但速度仍隨調(diào)節(jié)泵送速率變化。
3/4的裝置被裝入泵送回路內(nèi)。液體通過加料槽供給。在超聲速兩相流動實驗之前，通過向加料槽鼓氮氣從加料槽汽提氧。把漸進(jìn)空腔螺旋泵用于向超聲直列混合器供應(yīng)恒定體積的液體。脫氧水按3、5、7、10和15gpm供應(yīng)。
脫氧水流過加熱器以保持恒定溫度。在所有情況下，水的溫度都保持在20℃。恒溫對于計算氧含量是重要的。因為動力學(xué)速率對溫度呈指數(shù)函數(shù)，所以它對反應(yīng)系統(tǒng)也是重要的。為了提高化學(xué)反應(yīng)速率，系統(tǒng)還允許在更高的溫度下操作。
當(dāng)注入所需量氣體時，在理想流速下使液體進(jìn)入超聲直列混合器。氣體的壓力必須高于為進(jìn)行注入的流動液體的壓力。測量超聲混合器上游和下游的壓力。在這些實施例中，下游的壓力保持在某些固定的值上而上游的壓力允許自由的變動。
使用來自O(shè)rbisphere的溶解氧分析儀檢測從混合器排出的溶解氧量。對于兩相流動的運行距離約1/2英尺。混合器喉管之前的氧傳遞可忽略不計。為了保證氧分析儀能在來自氧氣泡最低干擾下準(zhǔn)確檢測溶解氧，以T形管分散的氧進(jìn)行單獨的一些試驗而用超聲直列混合器。
超聲直列混合器被裝入管式反應(yīng)器中，直徑3/4英寸，長40英尺。這樣做允許超聲直列混合器對照管道接觸系統(tǒng)進(jìn)行效率的對比。兩種分散器為氣體進(jìn)入下游部分的液體提供再分散作用。
已經(jīng)發(fā)現(xiàn)通過加速兩組混合物直到超聲速兩相速度可以獲得非常高的傳質(zhì)速率。由于加速流動而產(chǎn)生的壓力降是為實際應(yīng)用可以接受的。在本發(fā)明中出現(xiàn)經(jīng)超聲直列混合器的壓力降隨著來自管式反應(yīng)器背壓的增高而降低。單位馬力輸入量的傳質(zhì)速率高于大多數(shù)可比裝置。
然而，理論絕熱聲波方程式不易用在超聲速管式反應(yīng)器用的文丘里管的設(shè)計上，因為聲波方程式是基于充分研究流經(jīng)直管的流體。如上所述，超聲速管式反應(yīng)器沒有充分研究經(jīng)文丘里管的流體。相當(dāng)經(jīng)常的是，流體初為層流而當(dāng)流體流經(jīng)文丘里喉管時變成湍流。
當(dāng)兩相混合物經(jīng)過壓縮圓錐體被加速時，其速度斷面分布是極端不均勻。結(jié)果顯示由于粘性拖動，兩相流動在速度斷面分布的中心是超聲的，而在靠壁是亞聲的。由此，實驗數(shù)據(jù)對于推導(dǎo)數(shù)學(xué)表達(dá)非均勻的超聲速度斷面是必需的。與充分研究過的直管中的流動相反，在本發(fā)明中出現(xiàn)文丘里管在整個超聲速流動范圍內(nèi)產(chǎn)生劇烈入口效應(yīng)。因此，橫斷文丘里喉管的流動斷面分布不是線性的。通常壓力損失可由膨脹圓錐體回收。在非線性的斷面分布情況下，雖然在超聲速兩相流動范圍的上游沒有加速全部的氣-液流，但仍然會出現(xiàn)震擊波。由此，實際的功率條件低于所預(yù)期的。
如圖2所示，對于兩相流動來說聲速在很大程度上取決于絕對壓力。對于在數(shù)百大氣壓下的高壓快速連續(xù)氣-液反應(yīng)來說，克服管道摩擦達(dá)到所要求的速度是困難的，因為該速度每秒鐘可達(dá)數(shù)百英尺。然而，為了壓力的回收，只要膨脹圓錐體至少是30度或更小些，使用文丘里管裝置是適宜的。具有折轉(zhuǎn)板的文丘里喉管的非線性流動斷面分布也能使部分混合物達(dá)到超聲速兩相流動條件以便為氣體的分散產(chǎn)生足夠的震擊波。由此基于實驗數(shù)據(jù)取得計算可壓縮兩相流動壓力降的方法是必需的。
在設(shè)計直列汽提塔時經(jīng)文丘里喉管的壓力降是最重要的因素之一。以前認(rèn)為超聲直列混合器因為反應(yīng)區(qū)的壓力對于超聲速兩相流動條件而言是過量的，所以不適合高壓條件。但是，在本發(fā)明中發(fā)現(xiàn)經(jīng)過超聲混合器的壓力降隨著背壓的增加而降低。這一點圖4可以證明，在該圖中對照反應(yīng)區(qū)總背壓描繪壓力降。隨著背壓的提高必要的壓力降顯著降低，這可能是由于液體中的氣體可壓縮性造成的。作為反應(yīng)區(qū)總背壓這項技術(shù)開發(fā)的情報可以減輕對超聲混合器上游壓力的要求。
氧流經(jīng)超聲混合器的傳質(zhì)速率可根據(jù)氧溶解數(shù)據(jù)計算。作為首先通過氧分析儀檢測的流速和氧濃度的增加可提供氧溶解速率。結(jié)果示于圖5，水以5.75gpm運送，反應(yīng)為10psig。氧傳質(zhì)速率隨著氧的加入提高。在約60ppm氧的折轉(zhuǎn)板點相當(dāng)于超聲速兩相流動開始。當(dāng)氧的流速進(jìn)一步提高時，提高氧傳遞速率就會減慢。歸根結(jié)底，氧傳質(zhì)速率會達(dá)到頂點，只是這一點在過高氣體加入量下由于不穩(wěn)定性沒能進(jìn)行試驗。如圖2所示，當(dāng)加料的氧質(zhì)量比超過0.002kg O2/kg水時，超聲速兩相流動所必需的速度開始增加。
通過在與超聲速兩相流動相同的液體和氧流速以及操作條件下通過把氧注入直管完成平行的試驗。傳質(zhì)速率對照氧的加入結(jié)果列于圖4中。溶解氧的增加在整個氧的加入范圍內(nèi)都小。從另一方面說，超聲速氣-液混合器的氧傳質(zhì)速率數(shù)量級更高些。由于在兩種情況下使用相同的氣體加入量，所以由于氧氣泡在分析儀上產(chǎn)生的任何誤差都非常小。
采用對各種流速和背壓所確定的壓力降確定功率要求條件。圖6表示在3gpm水和各種氧注入速率下操作超聲混合器的結(jié)果。根據(jù)流速和壓力降計算功率消耗。流經(jīng)混合器喉管的液體空塔速度為50ft/sec。在直管中，功率消耗隨著氧的加入逐漸提高。但是，在超聲速兩相流動下功率消耗急劇地上升。功率增加的速度在約80ppm氧時下降，這表明震擊波在更高的氧流速下強度低些。
氧傳遞效率定義為單位馬力輸入量的傳質(zhì)速率。在氧加入量為225ppm時，氧傳遞效率超過10lb/hr-Hp。由于兩相混合物更易壓縮，所以即使在高氧加入量時也能獲得較高的傳遞效率。功率損失不象氧溶解速率增加得那么快。
圖7表示為驟冷閃蒸掉反應(yīng)氣體的另外替換方案，是使用熱驟冷或熱和閃蒸組合以弱化不想要的副產(chǎn)物形成步驟。正如圖7所示，使用為熱驟冷區(qū)716提供的機械裝置700以秒計減慢或停止進(jìn)一步的反應(yīng)。
液體反應(yīng)物702與或不與催化劑一起首先被預(yù)熱至反應(yīng)溫度。反應(yīng)氣體704如氧、氫、氮也被預(yù)熱。含液體反應(yīng)物和反應(yīng)氣體的兩股流體進(jìn)入文丘里喉管里面具有折轉(zhuǎn)板圓錐體的超聲混合器726的入口以提高兩相速度。在離開超聲混合器707時，強震擊波708在氣體進(jìn)入反應(yīng)區(qū)710之前將其分散成為細(xì)小的氣泡。反應(yīng)混合物在該區(qū)進(jìn)一步被加熱。反應(yīng)區(qū)710可以是單反應(yīng)器也可以是多個反應(yīng)器或多回路的，這取決于停留時間。為弱化驟冷的進(jìn)口端712是在熱驟冷區(qū)716的前面。使用熱驟冷區(qū)716把溫度降至所要求的反應(yīng)溫度以下。致冷劑經(jīng)區(qū)段714進(jìn)入，再經(jīng)區(qū)段718離去以把反應(yīng)混合物冷卻而停止反應(yīng)。產(chǎn)物流經(jīng)非反應(yīng)區(qū)722并在724排出。
湍流的兩相流動因為在兩相條件下熱傳遞系數(shù)提高，所以具有優(yōu)良的熱傳遞特性。為了進(jìn)一步促使熱傳遞，使用內(nèi)部散熱片720以提高熱傳遞的表面積?？梢允褂玫臒醾鬟f流體，如冷卻水或冷卻的乙二醇。如果要求更高的驟冷速度，可以使用致冷劑如氟氯烷、液體二氧化碳、液體氮等以提供非常高的熱傳導(dǎo)力。目標(biāo)在于為了進(jìn)行更進(jìn)一步的反應(yīng)在反應(yīng)區(qū)的下游建立一個過冷的區(qū)。
上述過程可用于液相氧化反應(yīng)，其實例包括甲苯氧化成苯甲酸、對-二甲苯氧化成對-甲苯甲酸、過氧化氫經(jīng)氫醌氧化的生產(chǎn)、甲苯氧化成苯酚、對-二甲苯氧化成對苯二酸以及二甲硫氧化成二甲硫的氧化物。來自反應(yīng)不希望有的反應(yīng)副產(chǎn)物經(jīng)歷第二競爭反應(yīng)以通過氧氧化該產(chǎn)物。如果氧化反應(yīng)更進(jìn)一步地進(jìn)行，就可形成二氧化碳和水。
通常其它的氣相氧化反應(yīng)通過使用液體作為冷源和選擇反應(yīng)適用的催化劑也可按這種過程進(jìn)行。在這種情況下，氣-液-固(催化劑)由于液相的熱容量較氣相高，所以過氧化(燃燒)的可能少得多。若反應(yīng)物氣體在液體中是可溶的，氣體將會與氧一起作為淤漿反應(yīng)進(jìn)行，此氧是來自氣泡轉(zhuǎn)移到固體催化劑表面上的。實例是甲醇在氧化銀催化劑上于使用的水溶劑中進(jìn)行的氧化反應(yīng)。
若反應(yīng)物A液體進(jìn)入水中是不溶性的氣體，可選擇疏水性催化劑以便特細(xì)的氣泡(有機氣體反應(yīng)物A與氧)能附著在細(xì)催化劑顆粒的上面。該反應(yīng)作為氣相氧化在催化劑的上面進(jìn)行。對于水溶性產(chǎn)物來說，可用水捕獲而免于在催化劑表面上氧化。實例是乙烯在疏水性催化劑上氧化以形成環(huán)氧乙烷，采用的液體是水。另一實例是苯氣相氧化成馬來酸酐。
因各特征可與本發(fā)明的其它一些特征結(jié)合在一起，故僅為簡便起見采用一個或多個


本發(fā)明的具體特征。本領(lǐng)域一般技術(shù)人員將會認(rèn)識到另外可能的實施方案并要求包括在權(quán)利要求書的范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種強化平推流管式反應(yīng)器中氣相和液相間傳遞速率的方法，包括氣相在高強度管式反應(yīng)器的入口通入液相；使氣相和液相的速度加速至超聲速度；在高于約1atm的壓力下降低超聲速度至亞聲速度；打碎氣相成為氣泡；和分散氣泡進(jìn)入液相。
2.權(quán)利要求1所述的方法，其中氣相和液相間的傳遞包括連續(xù)競爭反應(yīng)。
3.權(quán)利要求1所述的方法，進(jìn)一步包括預(yù)熱氣相和液相。
4.權(quán)利要求1所述的方法，其中氣泡的平均大小基本上小于1毫米。
5.權(quán)利要求1所述的方法，其中氣泡的平均大小基本上小于1微米。
6.權(quán)利要求1所述的方法，其中氣流通過高速度被打碎成為氣泡。
7.權(quán)利要求6所述的方法，其中所述的高速度超過超聲速度。
8.按權(quán)利要求1所述的方法，進(jìn)一步包括熱驟冷反應(yīng)。
全文摘要
在高壓下基于超聲兩相流動原理使用高強度管式反應(yīng)器加快氣—液之間平推流反應(yīng)的方法。
文檔編號B01J8/22GK1251783SQ9912157
公開日2000年5月3日 申請日期1999年10月19日 優(yōu)先權(quán)日1998年10月21日
發(fā)明者A·T·Y·程 申請人:普拉塞爾技術(shù)有限公司