專利名稱：適用于甲酸甲酯合成的反應(yīng)器結(jié)構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于化工設(shè)備制造的領(lǐng)域，尤其可用于通過甲醇的羰基化進行甲酸甲酯的合成。
實施用一氧化碳使甲醇羰基化以生產(chǎn)甲酸甲酯的工業(yè)方法是困難的，因為為了達到高轉(zhuǎn)化率(見DE-OS2710726，KL.CO7C 69/06)，需要在2.0至4.0兆帕斯卡(MPa)的高壓下的氣體(一氧化碳)和液體(甲醇)的接觸面大。
在化工及其相近的工業(yè)領(lǐng)域中有許多實現(xiàn)物質(zhì)交換和氣體一液體體系中化學(xué)反應(yīng)的反應(yīng)器類型。
從表明這種反應(yīng)器效率特征的最重要的參數(shù)一相接觸面一的觀點出發(fā)，可以認為有循環(huán)區(qū)的設(shè)備，更確切地說，帶螺旋攪拌器和流動管(擴張器)，在殼體中有折轉(zhuǎn)區(qū)的反應(yīng)器〔見V.N.Sokolov，N.V.Domanski，“Gas-Flüssig-Reaktoren(氣體-液體-反應(yīng)器)”，出處“Maschinostrojenij”1976，第121頁〕是適宜的。
在這種反應(yīng)器中形成一單獨的循環(huán)區(qū)，而且螺旋攪拌器可起到吸入泵和局部分散劑的作用。這種設(shè)備的缺陷在于結(jié)構(gòu)的麻煩，特別是攪拌器旋轉(zhuǎn)部份和密封元件的麻煩，尤其是高壓下的麻煩，而且體系的氣體含量要保持在一定限度內(nèi)。
已知有氣體-液體體系分散和混合用的設(shè)備，在這些設(shè)備中由于流體中的渦流脈動，同時發(fā)生反應(yīng)組份通過有孔隔板上的孔和緊接著在殼體內(nèi)混合，使氣相受到壓縮(見Ippon，Ipone J，Sizereduction of bubbles by Orifice mixer，Chem.Engng，1980，35，Nr，7，P.1571～1579)。
這種設(shè)備盡管混合方法簡單和結(jié)構(gòu)不復(fù)雜，但混合效率低，要求消耗能量高，因為體系-液體流的主要部份能量沒有得到充分利用。
已知有生產(chǎn)甲酸甲酯用的一種反應(yīng)器類型，在此類型的反應(yīng)器中，一氧化碳的分散是通過液態(tài)反應(yīng)混合物的循環(huán)流的能量來實現(xiàn)的(見DE-OS2710726)。
按那里指出的工業(yè)解決辦法是通過用在文丘里流量管類型的混合器中的液體對氣體的噴射空吸作用和通過流體中的渦流脈動，同時使反應(yīng)成分通過有孔隔板來分散氣相。
這樣分散氣體的方法，論其能量是沒有意義的，也就是說，出于和以前實例中的同樣原因。這種方法沒有完全利用反應(yīng)器(反應(yīng)器的利用系數(shù)不超過0.91)。
用工業(yè)上的解決辦法是給本發(fā)明的設(shè)備在最近處配上一個適合于各種介質(zhì)的混合設(shè)備，該混合設(shè)備裝有一個帶軸向套的擴壓器和一個噴嘴，噴嘴的軸和隔板縱向連接，隔板把外殼分隔成用于預(yù)混合和最后混合的兩個室(見蘇聯(lián)發(fā)明證書UdSSR Nr.816252，Kl，Boif 5/04)。
所闡明的設(shè)備主要被規(guī)定用于生產(chǎn)水-燃料乳濁液。此設(shè)備包含一系列在本發(fā)明的情況下不適用的其它結(jié)構(gòu)零件，并使結(jié)構(gòu)不必要地復(fù)雜化(預(yù)混合室中方向性的沖孔薄板，以切線方向?qū)⒎磻?yīng)組分導(dǎo)入混合室中，在噴嘴入口和在流體排出口的有孔頂蓋)。
本發(fā)明的任務(wù)是簡化反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)和提高甲酸甲酯的生產(chǎn)能力。
此任務(wù)的解決是用一個有內(nèi)循環(huán)裝置的豎管式反應(yīng)器，以及用主要是一塊水平安裝的有孔隔板和一個混合室來實現(xiàn)的。內(nèi)循環(huán)裝置按無擴散作用的噴射空吸裝置(引射泵)原理進行操作。混合室在外殼內(nèi)，裝在隔板的上方，和管式反應(yīng)器同心。管的上端端面是封閉的，管壁上部分有孔。
在提出的反應(yīng)器中，通過水平隔板上的孔以及通過在外殼中與其同心安裝的管上的孔形成氣體液體混合物的操作流體。此管的頂端是封閉的，上部份周圍有孔。這使得形成一內(nèi)部循環(huán)區(qū)，增加液相(甲醇)的氣體(一氧化碳)含量和產(chǎn)生相之間的接觸面。
反應(yīng)混合物中一氧化碳含量較高的結(jié)果是，在生產(chǎn)甲酸甲酯的方法中達到了較高的效率。


圖1為本發(fā)明反應(yīng)器的縱斷面投影圖，圖2，3，4為其它反應(yīng)器變體的縱斷面投影圖。
圖5表示實驗結(jié)果，它證實反應(yīng)器在用典型混合物(空氣-水)試驗的氣相中的特點。圖6表示在試驗所提出的反應(yīng)器類型時的甲酸甲酯濃度動力學(xué)，它是在通過甲醇的羰基化作用生產(chǎn)甲酸甲酯時得到的。
此反應(yīng)器由外殼1，由水平安置的、有20個孔的隔板和混合室3組成?；旌鲜?以管10的形式被垂直安裝于隔板2的上方，管的頂端是封閉的，管的上部份有21個孔。
反應(yīng)器(圖1)按以下原理工作液體和氣體在隔板2下面進入反應(yīng)器。同時通過隔板上的20個孔產(chǎn)生一束混合的氣體射流，在此情況下通過渦流脈動使氣相分散。此射流從外殼1和混合室3的管10之間的環(huán)形空隙11中抽出混合物。此混合流體進入混合室3的管10中，這時由于速度平衡而壓力降低。
此流體在通過混合室3上面的21個孔之后分散。在環(huán)形空隙11中的較大部份流體循環(huán)進入管10的下部，其它部份流體，根據(jù)反應(yīng)組分的輸入量，經(jīng)過混合室的管10上端進入空間12，并從反應(yīng)器中排出。形成內(nèi)循環(huán)(環(huán)形流動)。
在流體從混合室3中流出，突然轉(zhuǎn)向進入環(huán)形空隙11中時，輕的相在轉(zhuǎn)向中心分離，其結(jié)果是，將很大一部份氣相(與總流體相比)拖入回流的流體中，提高回流流體中的氣相到相當于相平衡的氣體含量極限值。
回流流體中的氣相在混合室3中經(jīng)歷過多次分散，其結(jié)果是可保持分散度。
這些結(jié)構(gòu)元件沒有降低氣體含量極限的功能限制。
為了在流體中的氣體含量很高的情況下使氣體在液體中的分散穩(wěn)定，混合室3的管10上部份的21個穿孔是非常重要的。
假如將孔徑擴大超過一定的極限值或者假如以任意排列直徑相等的孔的形式制出21個穿孔，都不能在流體中氣體含量高的情況下得到需要的氣相分散。
由于這種原因，可按輻射形排列孔的形式制出管10上面的21個穿孔，孔徑從一排至另一排往上去逐漸擴大。最有效的是管10或混合室3的21個穿孔為環(huán)形縫的形式，而且縫的寬度從這一縫至另一縫往上去逐漸擴大。
按直徑從一排至另一排逐漸變大的孔的形式或按寬度逐漸增加的環(huán)形縫的形式制出混合室中管10上部份的21個穿孔，在很大范圍內(nèi)改變氣體和流體通過量的情況下可保證氣體-液體混合物的穩(wěn)定分散和循環(huán)。
在任何情況下，孔和縫的尺寸都與反應(yīng)器的其它幾何特征及氣體、流體的體積速度緊密聯(lián)系。這些尺寸是靠實驗確定的。
假如反應(yīng)器外殼的直徑大，則可使用以如同在基本反應(yīng)器(圖1)中的氣體在流體中分散的同樣原理為依據(jù)的循環(huán)裝置的其它變體。
圖2表明一種反應(yīng)器變體，在此變體中隔板2有一排20個孔，這些孔位于外殼1和管狀混合室3之間的環(huán)形空隙11之下。
外殼1和管10之間的環(huán)形空隙在這里執(zhí)行混合室3的功能。由于此原因，管10的上部份不是封閉的，而是管10上部份和外殼1之間的環(huán)形空隙。
圖3說明由直徑不同的兩個同心安裝的管組成的混合室3。其中外管10b和內(nèi)管10a之間的上面環(huán)形空隙是封閉的，而外管和內(nèi)管的上面部份是打孔的。
隔板上的20個孔按一排通孔形式制成。這些通孔位于雙管(10a，10b)的環(huán)形空隙之下，流體以雙環(huán)流形式循環(huán)通過這里。
在所述的反應(yīng)器變體(圖3)中，同心管10a、10b之間的環(huán)形空隙3a執(zhí)行混合室的功能。
所述的混合室-反應(yīng)器(圖1至3)允許在反應(yīng)混合物中的氣體含量高，并產(chǎn)生氣體和液體的接觸表面，不過，接觸時間不夠長。為了延長接觸時間，可使用循環(huán)區(qū)連續(xù)排列的反應(yīng)器(圖4)。在每區(qū)中，氣體和液體的接觸類似于上述過程。
氣體一液體流穿過各區(qū)，然后進入分離槽4，在這里進行相分離，如此結(jié)構(gòu)的反應(yīng)器是多個反應(yīng)器的串聯(lián)，它具有理想的混合作用，更何況是流體停留時間隨循環(huán)區(qū)數(shù)目的增加而增加。
為確立流體的穩(wěn)定的分散和循環(huán)，需要氣體和液體的體積速度相當高，這就抵制了停留時間的增加，如果人們要在流體單程通過(不返回)時用增加循環(huán)設(shè)備數(shù)目來達到增加停留時間的話。
通過使用液相和氣相的外部循環(huán)(需要時)，可以達到進一步增加停留時間，因此，基于外部循環(huán)可達到反應(yīng)器的穩(wěn)定的流體力學(xué)工作狀態(tài)。停留時間在這里只取決于進入反應(yīng)器系統(tǒng)的氣體和液體的體積速度。可使這種體積速度在寬闊的范圍內(nèi)變動。
反應(yīng)器的串聯(lián)變體(圖4)預(yù)先考慮了外部循環(huán)的可能性，即用壓縮機5和泵6分別使氣體和液體從分離槽4循環(huán)進入反應(yīng)器1。
對所有上述反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)實例來說，為保證內(nèi)部循環(huán)，有同樣一個解決辦法混合室的頂部封閉，混合室的上部打孔和直接位于混合器下面的隔板有孔。這些都是設(shè)法做到產(chǎn)生氣體一液體混合物。各反應(yīng)器變體中的物流方向在圖1，2，3和4中用箭頭表示。
所提出的反應(yīng)器以及一些反應(yīng)器變體的結(jié)構(gòu)比“原型樣機反應(yīng)器”(“Prototyp-Reaktor”)的結(jié)構(gòu)簡單得多。與此有關(guān)的是，與本發(fā)明一致的反應(yīng)器允許氣體-液體混合物中的氣體含量高，并產(chǎn)生相接觸面。這通過對有循環(huán)裝置的反應(yīng)器的實驗研究結(jié)果得到了證明。
選擇水和空氣為模型物。
從曲線圖(圖5)中可看出與無混合室，有穿孔的隔板和有相混合作用的原型樣機反應(yīng)器(曲線2)相比，在有循環(huán)裝置的本發(fā)明反應(yīng)器(曲線1)中的氣體含量高得多。在同樣的氣體含量(例如20%)通過時，假如是所提出的反應(yīng)器，氣體體積容量比用沒有循環(huán)裝置的反應(yīng)器高1.5至5倍(在所述的實施例中高3.5倍)。
在利用按圖4所示的、包含幾個(3至12個)連續(xù)的循環(huán)裝置的本發(fā)明反應(yīng)器時，在甲酸甲酯合成方法中可達到甲醇溶液中的CO含量高和達到產(chǎn)生相的接觸面，此相的接觸面對在動力學(xué)的或接近動力學(xué)的范圍內(nèi)的加工過程來說是夠用的。通過在本發(fā)明的反應(yīng)器中(曲線1)和在有調(diào)整擴散的螺旋攪拌器的、外殼中有折轉(zhuǎn)區(qū)和在動力學(xué)范圍內(nèi)工作的反應(yīng)器中(曲線2)進行加工的甲酸甲酯濃度曲線(圖6)的對比，這種見解得到了支持。從所示的曲線中可以看出使用本發(fā)明反應(yīng)器和使用有螺旋攪拌器、在動力學(xué)范圍內(nèi)工作的反應(yīng)器的甲酸甲酯的增稠速度是相似的。
曲線3(圖6)表示甲酸甲酯增稠的實驗數(shù)據(jù)。此甲酸甲酯是在所提出的反應(yīng)器中通過用只由75%CO組成的混合物使甲醇羰基化制成的。
因此，所提出的反應(yīng)器的重要和主要優(yōu)點在于可用低濃度CO使甲醇羰基化。
下面舉出一個進行甲酸甲酯合成方法的實施例。
實施例1在反應(yīng)器(圖4)中通過甲醇的羰基化合成甲酸甲酯。該反應(yīng)器具有按圖1所示的四個連續(xù)的循環(huán)裝置、分離槽4和循環(huán)泵6。為導(dǎo)出反應(yīng)熱，反應(yīng)器裝有一個調(diào)溫外套。循環(huán)裝置(從隔板至隔板)的長度為400mm，管狀外殼的內(nèi)徑50mm，混合室的內(nèi)徑34
此反應(yīng)器的容積為4.14dm3，裝料系數(shù)為0.96。為了保證穩(wěn)態(tài)工作，用泵6將液態(tài)產(chǎn)品從分離槽送回到反應(yīng)器入口。
此過程在4MPa的壓力和80±5℃下進行。
在反應(yīng)器的入口處以1.885千克/小時(1.508Nm3(標準米3)/小時)將99.2%的一氧化碳(其余為惰性氣體)和以8.232千克/小時將2.5質(zhì)量-%的甲醇鈉連續(xù)加到甲醇溶液中。
同時，反應(yīng)液體以510千克/小時從分離槽4流回到反應(yīng)器入口。
以0.080Nm3/小時(0.100千克/小時)將以下的氣體混合物不斷引出到廢氣系統(tǒng)85.0質(zhì)量-%(0.085千克/小時)-氧化碳15.0質(zhì)量-%(0.015千克/小時)氮氣和其它惰性氣體從分離槽中以10.017千克/小時將具有以下組成(色層和化學(xué)分析)的產(chǎn)品導(dǎo)出60.59質(zhì)量-%(6.070千克/小時)甲醇36.74質(zhì)量-%(3.680千克/小時)甲酸甲酯0.49質(zhì)量-%(0.049千克/小時)一氧化碳1.72質(zhì)量-%(0.172千克/小時)甲醇鈉0.46質(zhì)量-%(0.046千克/小時)甲醇鈉的分解產(chǎn)物將此產(chǎn)品精餾后，得到3.675千克/小時甲酸甲酯。
1升反應(yīng)混合物的產(chǎn)量為1.170千克/小時甲酸甲酯，一氧化碳的轉(zhuǎn)化率(單程轉(zhuǎn)化率)94.7%，甲醇的轉(zhuǎn)化率24.48%。
利用此反應(yīng)器生產(chǎn)甲酸甲酯的實施例表明通過使用所提出的技術(shù)解決辦法在生產(chǎn)甲酸甲酯過程中達到了高產(chǎn)量。所達到的高產(chǎn)量，盡管條件相同(見DE-OS2710726)，卻比類似的一些發(fā)明高44.4%。
在甲酸甲酯合成方法中使用比反應(yīng)器原型樣機復(fù)雜的反應(yīng)器類型的一些實施例均未得知。
因此可以斷定所提出的反應(yīng)器具有簡單的結(jié)構(gòu)，不包含旋轉(zhuǎn)部件，保證產(chǎn)生一氧化碳和甲醇的接觸面而且氣體-液體-料流中的氣體含量較高(至50%)，使可能實施通過甲醇的羰基化合成甲酸甲酯的非常多產(chǎn)的方法(生產(chǎn)每升1.17千克/小時甲酸甲酯)和允許使用濃度較低的一氧化碳(甚至75質(zhì)量-%)。
這些循環(huán)裝置的結(jié)構(gòu)提供了以下可能性通過連結(jié)連續(xù)的同樣部件得到具有所需容積的反應(yīng)器或所需的串聯(lián)數(shù)(改變濃度的程度)。
特別有用的是，所提出的反應(yīng)器類型適于在高壓下實現(xiàn)氣體-液體體系中的反應(yīng)。
權(quán)利要求
1.特別適合于甲酸甲酯合成的反應(yīng)器結(jié)構(gòu)，其中包含一些循環(huán)裝置的一個管狀外殼，其特征在于為了簡化結(jié)構(gòu)和提高甲酸甲酯的產(chǎn)量，-循環(huán)裝置是按噴射空吸裝置(噴射器)的原理制成的，-外殼(1)下面有一塊隔板(2)，將氣體和液體在此隔板下導(dǎo)入，-隔板(2)有一個或多個孔(20)，-在隔板(2)和孔(20)的上方有在一根管(10)內(nèi)或多根同心管(10a、10b)內(nèi)的混合室(3、3a)，-混合室(3、3a)的頂端是封閉的，-形成混合室(3、3a)的管(10，10a，10b)上部周圍是打孔的。
2.按權(quán)利要求1所述的反應(yīng)器，其特征在于混合室(3、3a)上的穿孔是以徑向孔的排列形式布置的，這里孔徑從一排至另一排往上去逐漸擴大。
3.按權(quán)利要求1所述的反應(yīng)器，其特征在于將混合室(3、3a)上的穿孔(21)制成環(huán)形縫，縫的寬度往上去逐漸增加。
4.按權(quán)利要求1所述的反應(yīng)器，其特征在于將水平隔板(2)上的孔(20)制成通孔形式，這些孔位于外殼(1)和內(nèi)管(10)之間的環(huán)形空隙之下。這里管(10)的上端是敞開的，而管(10)上端和外殼(1)之間的空隙(11)是封閉的。
5.按權(quán)利要求1所述的反應(yīng)器，其特征在于在同心管(10a，10b)之間形成一環(huán)形混合室(3a)，管(10a，10b)上端之間的空隙是封閉的，孔(20)以在板(2)上的通孔形式位于管(10a，10b)之間的空隙之下，因此在環(huán)形混合室(3a)中可產(chǎn)生一股向上的流體，而在內(nèi)管(10a)中和在外管之外可以產(chǎn)生向下的流體。
6.按權(quán)利要求1至5之一項或多項所述的反應(yīng)器，其特征在于在管狀外殼(1)中裝有由包括隔板(2)和混合室(3，3a)的管(10，10a，10b)組成的一系列相互串聯(lián)的循環(huán)裝置。
7.按權(quán)利要求1至6的一項或多項所述的反應(yīng)器，其特征在于為了增加停留時間和接觸時間，設(shè)計了液體經(jīng)過泵(6)和/或氣體經(jīng)過壓縮機(5)由分離槽4進入水平隔板(2)下面的空間中的外循環(huán)。
全文摘要
本發(fā)明提出了適合于甲酸甲酯合成的一些改進型反應(yīng)器結(jié)構(gòu)，但它們也能適用于高壓下的氣體-液體體系中的其它反應(yīng)。反應(yīng)器的管狀外殼(1)的下面有一隔板(2)，氣體和液體從隔板下進入?；旌衔锿ㄟ^管狀的孔(20)進入始于隔板上方的混合室(3)中。混合室(3)的管(10)上端是封閉的，但上部周圍有一些鉆透的孔或縫，孔的直徑或縫的寬度往上去逐漸增加?；旌衔锶绛h(huán)流般循環(huán)?？砂讯鄠€循環(huán)裝置上下重疊安裝，并串聯(lián)在一個外殼內(nèi)，為的是在體積速度高的情況下達到較長的總停留時間。
文檔編號B01J10/00GK1086510SQ93100310
公開日1994年5月11日 申請日期1993年1月9日 優(yōu)先權(quán)日1992年11月5日
發(fā)明者G·索伯塔, S·W·佩特維施, T·O·阿歷吉維施, P·J·安東諾維施, K·R·安東維施 申請人:薩爾斯吉特建筑公司, 鮑里斯拉夫綜合科技研究院