硝化反应器和方法技术

一种用于制备硝化有机化合物的并入有向下流动区段的硝化反应器(10)。所述硝化反应器(10)包括第一竖直定向的反应器区段(12)、第二竖直定向的反应器区段(14)、在两个反应器区段之间的连接区段(16)、用于将硝化反应物引入到反应器中的一个或更多个入口(20、22)、用于移出硝化反应产物的出口(24)、在反应器区段或连接区段的一者中的用于硝化反应物的竖直向下的流路(26)、以及在竖直向下的流路中产生为分散流态或泡状流态的流态的运行条件。关于流体静力学要求和设备布局考虑，本发明专利技术克服了其中流体主要沿竖直向上的方向流动的类型的现有技术硝化反应器的限制。技术硝化反应器的限制。技术硝化反应器的限制。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】硝化反应器和方法


[0001]本专利技术关于芳族有机化合物的硝化，并且特别地关于绝热活塞流硝化器。

技术介绍

[0002]用于芳族化合物的绝热硝化的反应器在本领域中是公知的。这些反应器通过将硫酸、硝酸和一种或更多种芳族化合物混合以形成液相的非均质混合物(通常具有有机相作为分散相)来生产硝化的芳族化合物。使大量硫酸循环通过反应器。硫酸充当催化剂，促进硝离子从硝酸中解离。硫酸还充当热物质，反应热被吸收到其中。将芳族化合物例如苯或甲苯(或其他)引入到反应器中。芳族化合物与硝离子反应以产生硝化的有机化合物，例如一硝基苯(MNB)或一硝基甲苯(MNT)。
[0003]目前存在三个重要类别的绝热硝化反应器。
[0004]在第一类反应器设计中，反应器被定向成使得流体主要沿竖直向上的方向流动，并且在反应器中安装有高压降混合装置。混合装置被设计成产生有机液滴的细小分散体，例如US 4,994,242(Rae)中描述的。这种类型的反应器通常根据在US 5,313,009(Guenkel)中首次公开并且在US 8,357,827(Munnig)中再一次公开的工艺条件来运行，但是可以替代地在诸如US 8,604,256(Berretta)、US 8,692,035(Berretta)和US 8,907,144(Gattrell)中公开的条件的条件下运行。这类反应器设计的限定特征为：
[0005]·
大于一半的反应器体积被安装成使得反应物沿竖直向上的方向(即，以大于45
°
倾斜)流动。通常，在向上流动的反应器区段之间安装有短的水平流动区段以便适应设备布局考虑。
[0006]·
在反应器的竖直定向区段中安装有产生剧烈湍流的混合装置。
[0007]·
反应器被设计成在整个反应器中产生具有低返混的活塞流。尤其低返混的区域通常安装在反应器的第一部分中。
[0008]·
反应器能够实现硝酸向产物的几乎完全转化，通常实现超过99.99％的转化。参见US 8,357,827(Munnig)。
[0009]在第二反应器类别中，剪切混合装置被设计成将部分地相分离的反应物混合并且安装在设计成使反应流体部分地相分离的聚结区域之间。这种类型的反应器在US 6,506,949(Gillis)中首次公开。这类反应器设计的限定特征为：
[0010]·
大于一半的反应器体积被安装成使得反应物以通常水平定向(即，以小于45
°
倾斜)流动。
[0011]·
设计成将部分地相分离的反应物混合的剪切混合装置被安装在反应器的水平定向区段中。
[0012]·
剪切混合装置被安装在设计成使反应流体部分地相分离的聚结区域之间。
[0013]·
这些反应器不能实现高转化度，通常实现硝酸向产物的约98.8％的转化。参见US 6,506,949(Gillis)。
[0014]US 8,592,637(Denissen)中公开的第三类硝化反应器与第二类硝化反应器类似。
在这种类型的设计中，在返混区域反应器区域之间安装有板型混合装置。采用安装在水平反应器区段之间的竖直定向的180
°
弯头来提高转化效率。这类反应器设计的限定特征为：
[0015]·
大于一半的反应器体积被安装成使得反应物以通常水平定向(即，以小于45
°
倾斜)流动。
[0016]·
配备有孔或凸片(tab)的板型混合装置被安装成将反应物在反应器的水平区段中混合。
[0017]·
板型混合装置被安装在高度返混的反应器体积之间。反应器被设计成使得特别高度返混的区域存在于硝化反应器的第一部分中。
[0018]·
竖直定向的180
°
回转弯头被安装在水平流动区段之间，使得这类反应器设计实现硝酸向产物的98％的转化。参见US 8,592,637(Denissen)。
[0019]第一类硝化反应器提供了反应物向产物的优异转化。为了实现这种高转化度，反应器必须被布置成通常向上流动。第一类反应器的竖直定向防止了在水平定向反应器的典型混合元件之间发生主体相分离，并且避免了对引起返混的剪切板混合装置的需要。
[0020]通常，硝化反应器被设计成允许在停工期间通过浮力将有机相从反应器完全分离和移出。这避免了在停工期间反应物在反应器内的积聚，已知这种情况导致了1967年Deepwater，NJ的设备爆燃(“Assessment of Chemical Reactivity Hazards for Nitration Reactions and Decomposition of Nitro-Compounds”，R.W Trebilcock&S.Dharmavaram，ACS 2013)。
[0021]硝化反应器还应被设计成允许在用于维修的延长的停工期间进行完全排放。
[0022]由于如果酸循环消失，则有机相可以从反应器快速地分离和移出，因此第一类硝化反应器提供了与竞争设计相比优异的安全度。该设计还允许反应物的快速且完全的排放以进行维修。
[0023]根据第二类和第三类设计的反应器为水平定向的，并因此在酸循环消失的情况下排放慢得多。在这些类型的设计中，反应物通过位于水平反应器区段中的混合元件的底部的小排放孔而排放。一旦完全排放，与立式反应器中相比，在卧式反应器中留下更多的反应物残余物。
[0024]第一类硝化反应器的竖直设计通常需要高且细长的几何形状。这种设计对使反应物循环的泵提出与第二和第三硝化反应器设计类别所需要的相比更大的流体静力学要求。为了提供优异的硝酸转化和优异的安全度，必须仔细布置采用第一类反应器的硝化设备以便适应反应器的高度和几何形状。
[0025]如由Zaldivar，J.M.；Molga，E.；Alos，M.A.；Hernandez，H.；Westerterp，K.R.“Aromatic nitrations by mixed acid.Fast liquid-liquid reaction regime”，Chem.Eng.Proc.，35(1996)91-105.和US 8,907,144讨论的，计算第一类硝化反应器中的反应速率：
[0026][0027]其中：Rate＝芳族化合物向硝基芳族化合物的转化速率
[0028]α＝界面面积
[0029]C
Ar
＝纯芳族化合物在酸相中的溶解度
[0030]k
NAr
＝芳族化合物的硝化速率常数
[0031]C
HNO3
＝硝酸的主体浓度
[0032]D
AR
＝芳族化合物在酸相中的扩散系数。
[0033]根据该计算，明显地，在第一反应器设计类别中芳族化合物向硝基芳族化合物的转化速率与在水性酸相与有机相之间产生的界面面积成正本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种用于使芳族有机化合物硝化的硝化反应器，包括：(a)第一竖直定向的反应器区段；(b)第二竖直定向的反应器区段；(c)连接区段，所述连接区段在所述第一反应器区段与所述第二反应器区段之间，用于硝化反应物从所述第一反应器区段流动至所述第二反应器区段；(d)用于将所述硝化反应物引入到所述反应器中的一个或更多个入口；(e)用于将硝化反应产物从所述反应器移出的出口；(f)在所述第一反应器区段、所述连接区段和所述第二反应器区段的至少一者中的所述硝化反应物的竖直向下的流路；以及(g)运行条件，所述运行条件在所述竖直向下的流路中产生为分散流态或泡状流态的流态。2.根据权利要求1所述的硝化反应器，其中在所述反应器的具有所述竖直向下的流路的区段中的所述运行条件为使得稳定性参数Φ在0＜Φ≤1的区间内，其中a＝-1.1836
×
10-1
b＝2.2873
×
10-5
c＝1.1904
×
10-11111
其中：Ri＝Richardson数β＝分散相体积分数数U＝主体流体速度D＝向下流动区段水力直径A＝向下流动区段截面积P＝向下流动区段截面周长
g＝重力加速度常数ρ
c
＝连续相的密度ρ
d
＝分散相的密度Q
c
＝连续相的体积流量Q
d
＝分散相的体积流量，以及σ＝界面张力。3.根据权利要求2所述的硝化反应器，其中所述稳定性参数Φ在0＜Φ≤0.75的区间内。4.根据权利要求2所述的硝化反应器，其中所述稳定性参数Φ在0＜Φ≤0.5的区间内。5.根据任一前述权利要求所述的硝化反应器，其中在所述反应器的具有竖直向下的流路的区段中的所述运行条件包括运行参数的值，所述运行参数的值包括以下：Q
d
＝分散的有机相的体积流量，Q
c
＝连续的水相的体积流量，D＝具有竖直向下的流路的所述反应器区段或连接区段的水力直径，A＝向下流动区段截面积P＝向下流动区段截面周长ρ
c
＝连续的水相的密度，ρ
d
＝分散的有机相的密度，U＝主体流体速度以及σ＝所述有机相与所述水相之间的界面张力。6.一种用于使芳族有机化合物硝化的硝化反应器，包括：(a)第一竖直定向的反应器区段；(b)第二竖直定向的反应器区段；(c)连接区段，所述连接区段在所述第一反应器区段与所述第二反应器区段之间，用于硝化反应物从所述第一反应器区段流动至所述第二反应器区段；(d)用于将所述硝化反应物引入到所述反应器中的一个或更多个入口；(e)用于将硝化反应产物从所述反应器移出的出口；(f)在所述第一反应器区段、所述连接区段和所述第二反应器区段的至少一者中的所述硝化反应物的竖直向下的流路；以及(g)其中所述反应器的具有所述竖直向下的流路的区段中的运行条件为使得稳定性参数Φ在0＜Φ≤1的区间内，其中
a＝-1.1836
×
10-1
b＝2.2873
×
10-5
c＝1.1904
×
10-1
Ri＝Richardson数β＝分散的有机相的体积分数，β＝分散的有机相的体积分数，数U＝主体流体速度D＝向下流动区段水力直径A＝向下流动区段截面积，P＝向下流动区段截面周长，g＝重力加速度常数，ρ
c
＝连续相的密度，ρ
d
＝分散相的密度，Q
c
＝连续相的体积流量，Q
d
＝分散相的体积流量，以及σ＝界面张力。7.根据权利要求6所述的硝化反应器，其中所述稳定性参数Φ在0＜Φ≤0.75的区间内。8.根据权利要求6所述的硝化反应器，其中所述稳定性参数Φ在0＜Φ≤0.5的区间内。9.根据任一前述权利要求所述的硝化反应器，其中所述第二反应器区段的至少一部分具有与所述第一反应器区段相同的高程。10.根据任一前述权利要求所述的硝化反应器，其中所述第二反应器区段具有与所述第一反应器区段相同的高程。11.根据权利要求1至8中任一项所述的硝化反应器，其中所述第二反应器区段在与所述第一反应器区段不同的高程处。12.根据任一前述权利要求所述的硝化反应器，其中具有所述竖直向下的流路的区段为所述连接区段。13.根据权利要求1至11中任一项所述的硝化反应器，其中具有所述竖直向下的流路的区段为所述第一反应器区段。
14.根据权利要求1至11中任一项所述的硝化反应器，其中具有所述竖直向下的流路的区段为所述第二反应器区段。15.根据任一前述权利要求所述的硝化反应器，其中所述第一反应器区段和所述第二反应器区段具有相同的配置。16.根据权利要求1至14中任一项所述的硝化反应器，其中所述第一反应器区段和所述第二反应器区段具有不同的配置。17.根据任一前述权利要求所述的硝化反应器，还包括第三竖直定向的反应器区段和在所述第二反应器区段与所述第三反应器区段之间的第二连接区段，第二连接区段用于硝化反应物从所述第二反应器区段流动至所述第三反应器区段。18.根据权利要求17所述的硝化反应器，还包括在所述第二连接区段或所述第三反应器区段中的用于所述硝化反应物的第二竖直向下的流路，以及所述运行条件在所述第二竖直向下的流路中产生为分散流态或泡状流态的流态。19.根据权利要求1至16中任一项所述的硝化反应器，还包括在所述第二反应器区段的下游串联连接的复数个另外的竖直定向的反应器区段和连接区段，所述另外的反应器区段和连接区段中的至少一者具有用于所述硝化反应物的另外的竖直向下的流路，以及所述运行条件在所述另外的竖直向下的流路中的至少一者中产生为分散流态或泡状流态的流态。20.根据任一前述权利要求所述的硝化反应器，其中具有所述竖直向下的流路的区段具有圆形的截面。21.根据权利要求1至19中任一项所述的硝化反应器，其中具有所述竖直向下的流路的区段具有非圆形的截面。22.根据权利要求21所述的硝化反应器，其中所述非圆形截面为椭圆形、正方形、矩形或多边形。23.根据任一前述权利要求所述的硝化反应器，其中所述连接区段包括第三反应器区段。24.根据任一前述权利要求所述的硝化反应器，还包括用于将所述硝化反应物混合的一个或更多个混合装置。25.根据权利要求24所述的硝化反应器，其中至少一个所述混合装置定位在具有竖直向下的流路的反应器区段内。26.根据任一前述权利要求所述的硝化反应器，其中所述一个或更多个入口在所述第一反应器区段的下端。27.根据权利要求1至25中任一项所述的硝化反应器，其中所述一个或更多个入口在所述第一反应器区段的上端。28.根据任一前述权利要求所述的硝化反应器，还包括布置成将...

【专利技术属性】
技术研发人员：斯特凡，
申请(专利权)人：诺拉姆国际公司，
类型：发明
国别省市：