一种喷射环流反应器及其应用制造技术

本发明专利技术提供了一种喷射环流反应器及其应用，所述喷射环流反应器具有专门设计的结构，提供了改善的混合效率和界面传质。本发明专利技术还提供了使用所述喷射环流反应器进行气相

【技术实现步骤摘要】
一种喷射环流反应器及其应用


[0001]本专利技术属于化工设备装置领域，具体涉及一种气-液相反应器，特别是喷射环流反应器，该反应器包括具有瓣状轮廓的导流筒以及/或者具有三重结构的喷嘴。其能够有效提高气-液相反应的传质效率、原料转化率和目标产物选择性，能够减少设备投资，具有较高的经济效益。

技术介绍

[0002]许多有机合成反应需要在同时存在气相物料、液相物料和任选的固相物料的条件下进行。例如烯烃氢甲酰化反应就是一种重要的有机合成反应，在现代工业中有着举足轻重的地位，在该反应中，在诸如钴、铑或钌元素配合物催化剂的作用下，烯烃与一氧化碳和氢气发生反应生成醛或醇，该醛、醇或其衍生物被大量用作增塑剂、织物添加剂、表面活性剂、溶剂和香料等工业原料，该反应的工艺是目前生产规模最大的均相催化反应工程。
[0003]工业上氢甲酰化生产醛或醇的过程在需要在有机溶剂中进行，在一个常规的氢甲醛化反应中，在一定的温度和压力条件下，将原料烯烃和合成气H2/CO引入反应器中，使其与溶剂和催化剂的混合溶液接触，在液相内发生反应生成醛或醇。氢甲酰化的反应体系中的浓度和温度不均会对反应转化率、产物的时空产率、产物的正异比等结果造成显著影响，因此人们对气液两相具有极佳的气-液两相混合效果提出了极高的要求。
[0004]传统氢甲酰化工艺中大多采用搅拌釜来强化气液间的混合和传质。然而，搅拌器设计复杂且昂贵，并且极难达成所需性能标准。具体来说，由于单一大型的搅拌器搭配大型反应釜的设计容易产生大量流动死区，非常不利于混合和传质，所以工业上常采用多个较小的搅拌釜来代替单一的大型搅拌釜，这样一来进一步导致搅拌釜的投资进一步抬升。另外，由于搅拌器必须穿过加压反应器壁面，对密封带来了很大的挑战，同时受到搅拌轴转动的影响，对反应器壁和搅拌桨提出了很高的应力要求，同时搅拌桨作为动力机械，不可避免有着检修维护成本高，能量转化效率低等问题。
[0005]为了消除机械搅拌式反应釜的上述缺陷，现有技术也报道过采用鼓泡塔作为替代进行氢甲酰化反应。在此类鼓泡塔反应器中，反应气体从反应器底部鼓入，利用气体分布器促进反应气体在液相中的分散以增加传质面积，气泡在液相中上升，从而达到气液两相混合的目的。尽管鼓泡塔在一定程度上缓解了搅拌浆本身带来的设备制造和维护的相关问题，但是鼓泡塔产生的气泡随着反应的进行在反应器内部不均匀分布，造成浓度和温度的不均匀，仍然会严重影响反应的转化率和产物的选择性。
[0006]曾经有报道指出在反应器的筒体中使用导流筒可以一定程度改善环流和传质效果，还有报道认为在横截面为圆形的反应器内设置横截面为方形的导流筒可以得到最优化的环流和传质效果，但是这些设置方式仍然无法完全满足工艺过程的苛刻要求。
[0007]因此，迄今为止，本领域仍然迫切需要研发一种新型的反应器，该反应器需要通过对现有反应设备进行简单而廉价的改进，很高效地实现传质效果的显著改善，以实现反应效率的提高。
[0008]针对以上问题，申请人提出了一种用于进行气-液相反应的喷射环流反应器，通过对其中一个或多个组成部件进行重新设计，实现了气液混合效果的显著提高和停留时间的惊人改善，进而显著提高了气-液相反应的转化率、反应速率和产物的时空产率。基于上述研究成果，实现了本专利技术的技术目的。

技术实现思路

[0009]根据本专利技术的第一个方面，提供了一种喷射环流反应器，所述反应器包括筒体，位于该筒体顶部的出气口和至少一个流体导入管，位于该筒体内部的喷嘴、导流筒和挡板，以及位于该筒体底部的出液口，其特征在于，所述导流筒的上部和下部均开放，所述导流筒与所述筒体共中心，所述喷嘴从上至下延伸入所述导流筒内，所述导流筒的横截面形状是中心对称的、该横截面的周边轮廓由三至三十个选自半圆形、半椭圆形、三角形、圆角三角形、梯形、圆角梯形、和瓣形的形状组成。
[0010]根据本专利技术的一个实施方式，所述导流筒的横截面形状由以下式I的函数确定：
[0011]f(x)＝A+(B+cSin(ax))
k1
+(C+dCos(bx))
k2
ꢀꢀ
式I
[0012]其中-100≤A≤100，-100≤B≤100，-100≤C≤100，-10≤a≤10,-10≤b≤10,-10≤c≤10,-10≤d≤10,0≤k1≤10,0≤k2≤10。根据本专利技术的另一个实施方式，式I所示函数的参数取值选自以下的一种或多种：a＝1.5,b＝1.5,c＝0,d＝3,A＝0,B＝0,C＝0,k1＝1,k2＝1；a＝2.5,b＝0,c＝2.5,d＝0,A＝15,B＝0,C＝0,k1＝2,k2＝1；a＝10,b＝0,c＝0.1,d＝0,A＝1,B＝0,C＝0,k1＝1,k2＝1；a＝3,b＝3,d＝1,A＝3,B＝0,C＝0,k1＝2,k2＝1；a＝4,b＝4,d＝-0.5,A＝1,B＝0,C＝0,k1＝2,k2＝1。
[0013]根据本专利技术的另一个实施方式，所述筒体的内径或等效内径与筒体的高度之比为1:2至1:5。根据本专利技术的另一个实施方式，所述流体导入管的横截面直径与筒体直径之比为1:50至1:5。根据本专利技术的另一个实施方式，所述导流筒的直径与筒体直径的比值为(0.2-0.6):1。根据本专利技术的另一个实施方式，所述导流筒的长度与筒体直径的比值为(2.2-4.5):1。根据本专利技术的另一个实施方式，所述导流筒上端与反应器顶部之间的垂直距离与筒体直径的比值为(0.2-0.9):1。根据本专利技术的另一个实施方式，所述挡板设置在导流筒下端开口与出液口之间，挡板出液口之间的垂直距离与筒体直径的比值为(0.1-1):1。根据本专利技术的另一个实施方式，所述导流筒下端位于挡板上方，导流筒下端与挡板之间的垂直距离与筒体直径的比值为(0.1-1):1。
[0014]本专利技术的第二个方面提供了一种喷射环流反应器，所述反应器包括筒体，位于该筒体顶部的流体导入管和出气口，位于该筒体内部的喷嘴、导流筒和挡板，以及位于该筒体底部的出液口，其特征在于，所述导流筒的上部和下部均开放，所述导流筒与所述筒体共中心，所述喷嘴从上至下延伸入所述导流筒内，所述喷嘴从上到下包括吸气室、混合段和扩散段，所述吸气室包括外管和内管，第一流体导入管与内管流体连通，第二流体导入管与外管流体连通，所述内管的下开口位于所述外管围出的空间内；扩散段的内径从上至下逐渐增大。根据本专利技术的一个实施方式，所述混合段内具有螺旋引流结构以及任选的挡流板或扰流板。
[0015]根据本专利技术的另一个实施方式，所述第二流体导入管的内径与所述第一流体导入
管的内径之比为1:5至5:1。根据本专利技术的另一个实施方式，所述外管的内径与内管的内径之比为10:1至4:3。根据本专利技术的另一个实施方式，所述外管的垂直高度与内管的垂直高度之比为100:95至100:65。根据本专利技术的另一个实施方式，所述内管包括上部的均匀管部和下部的收缩管部，均匀管部的垂直高度与收缩管部的垂直高度之比为3:1至1:3，均匀管部的内径与收缩管部下口内径之比为10:1至2:1。本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种喷射环流反应器，所述反应器包括筒体，位于该筒体顶部的出气口和至少一个流体导入管，位于该筒体内部的喷嘴、导流筒和挡板，以及位于该筒体底部的出液口，所述至少一个流体导入管与所述喷嘴流体连通，其特征在于，所述导流筒的上部和下部均开放，所述导流筒与所述筒体共中心，所述喷嘴从上至下延伸入所述导流筒内，所述导流筒的横截面形状是中心对称的，该横截面的周边轮廓由三至三十个选自半圆形、半椭圆形、三角形、圆角三角形、梯形、圆角梯形、和瓣形的形状组成。2.如权利要求1所述喷射环流反应器，其特征在于，所述导流筒的横截面形状由以下式I的函数确定：f(x)＝A+(B+cSin(ax))
k1
+(C+dCos(bx))
k2
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式I其中-100≤A≤100，-100≤B≤100，-100≤C≤100，-10≤a≤10,-10≤b≤10,-10≤c≤10,-10≤d≤10,0≤k1≤10,0≤k2≤10。3.如权利要求2所述喷射环流反应器，其特征在于，所述导流筒的横截面形状由式I的函数确定，并且a＝1.5,b＝1.5,c＝0,d＝3,A＝0,B＝0,C＝0,k1＝1,k2＝1；a＝2.5,b＝0,c＝2.5,d＝0,A＝15,B＝0,C＝0,k1＝2,k2＝1；a＝10,b＝0,c＝0.1,d＝0,A＝1,B＝0,C＝0,k1＝1,k2＝1；a＝3,b＝3,d＝1,A＝3,B＝0,C＝0,k1＝2,k2＝1；或者a＝4,b＝4,d＝-0.5,A＝1,B＝0,C＝0,k1＝2,k2＝1。4.如权利要求1所述喷射环流反应器，其特征在于，所述反应器满足以下结构限定中的至少一种：a)所述筒体的内径或等效内径与筒体的高度之比为1:2至1:5；b)所述流体导入管的横截面直径与筒体直径之比为1:50至1:5；c)所述导流筒的直径与筒体直径的比值为(0.2-0.6):1；d)所述导流筒的长度与筒体直径的比值为(2.2-4.5):1；e)所述导流筒上端与反应器顶部之间的垂直距离与筒体直径的比值为(0.2-0.9):1；f)所述挡板设置在导流筒下端开口与出液口之间，挡板与出液口之间的垂直距离与筒体直径的比值为(0.1-1):1；g)所述导流筒下端位于挡板上方，导流筒下端与挡板之间的垂直距离与筒体直径的比值为(0.1-1):1。5.如权利要求1所述喷射环流反应器，其特征在于，所述喷嘴从上到下包括吸气室、混合段和扩散段，且所述至少一个流体导入管至少包括第一流体导入管和第二流体导入管。6.一种进行气-液相反应的方法，该方法使用如权利要求1-5中任一项所述的喷射环流反应器进行，该方法包括以下步骤：将气相原料和液相原料经由筒体顶部的至少一个流体导入管引入，经由喷嘴喷射入导流筒内部，所述气相原料和液相原料在所述导流筒内下降，在导流筒下口和挡板之间至少部分地折回，在筒体内表面和导流筒外表面之间上升至导流筒上口处，再至少部分地从导流筒上口处折返进入导流筒内并下降，由此构成反应器内的流动循环，
在上述流动循环的过程中发生反应，并生成液相产物、液相副产物、气相原料和气相副产物中的至少一种，任选地，将液相产物和/或液相副产物至少部分地从出液口引出，任选地，将气相产物和/或气相副产物至少部分地从出气口引出。7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，该方法使用如权利要求1-5中任一...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙清，赵陆海波，唐志永，
申请(专利权)人：上海睿碳能源科技有限公司，
类型：发明
国别省市：