用于液體與氣體的連續(xù)反應(yīng)的裝置和方法
【專利說(shuō)明】用于液體與氣體的連續(xù)反應(yīng)的裝置和方法
[0001]本發(fā)明涉及一種用于液體與氣體的連續(xù)反應(yīng)(尤其用于氫化、氧化或乙?；?，例如，用于通過(guò)二硝基甲苯的氫化制備二氨基甲苯)的環(huán)路文丘里管反應(yīng)器類型的裝置，以及一種用于液體反應(yīng)物與氣體反應(yīng)物在所述裝置內(nèi)連續(xù)反應(yīng)的方法。在本發(fā)明的裝置中，借助于布置在熱交換器下面的導(dǎo)流盤(Umlenkwanne)實(shí)現(xiàn)對(duì)反應(yīng)器內(nèi)的內(nèi)部循環(huán)流動(dòng)導(dǎo)流。
[0002]在許多化學(xué)方法中，氣體-液體質(zhì)量轉(zhuǎn)移和熱量排除性能是速率決定步驟。因此，通過(guò)相應(yīng)的硝基化合物與氫氣的反應(yīng)在工業(yè)上廣泛制備芳香族一元胺和/或多胺時(shí)，釋放相當(dāng)大量的熱量。這同樣適用于許多其他氫化、氧化或乙酰化。用于改善熱量排除性能的措施本身是從現(xiàn)有技術(shù)已知的。
[0003]EP-A-634391描述了一種用于芳香族多硝基化合物的氫化的方法，其中使用具有噴射器的環(huán)路文丘里管反應(yīng)器(具有文丘里管噴嘴的環(huán)路反應(yīng)器)。實(shí)施該方法的方式是基于特定條件(諸如，精確地再循環(huán)體積比、能量輸入、精確設(shè)定的氫氣體積流動(dòng))，借助于此方式，首先，避免了副產(chǎn)物，其次，釋放的熱量可以被用于生成蒸汽。在此方法中，用于排除環(huán)路反應(yīng)器外部、噴射器內(nèi)以及反應(yīng)器內(nèi)的反應(yīng)熱量的熱交換器的布置可能導(dǎo)致局部過(guò)熱同時(shí)立即開(kāi)始次級(jí)反應(yīng)(諸如，環(huán)氫化、氫解裂解反應(yīng)和占據(jù)催化劑表面的高分子量的焦油狀產(chǎn)物的形成)。此外，由于具有相當(dāng)?shù)偷臒崃哭D(zhuǎn)移性能的小容量漩渦和大容量漩渦的隨機(jī)發(fā)生，因此，在噴射器外部的反應(yīng)器容量?jī)?nèi)建立與流動(dòng)和停留時(shí)間行為相關(guān)的純泡罩塔特性。實(shí)際上，在此方法中未實(shí)現(xiàn)氫化產(chǎn)率、氫化選擇性以及時(shí)空產(chǎn)率的顯著增加。此外，整個(gè)反應(yīng)混合物的栗循環(huán)使催化劑經(jīng)受強(qiáng)機(jī)械應(yīng)力，這進(jìn)而導(dǎo)致催化劑的工作壽命縮短。
[0004]因此，在W000/35852中提出了特別適合于排除反應(yīng)熱量的反應(yīng)器，具有內(nèi)部循環(huán)流動(dòng)和外部循環(huán)流動(dòng)(被稱為內(nèi)部環(huán)路和外部環(huán)路)的反應(yīng)器，所述反應(yīng)器被配置為在其上端具有驅(qū)動(dòng)射流噴嘴的豎直直立的裝置，經(jīng)由外部環(huán)路從反應(yīng)器的底部除去的反應(yīng)混合物通過(guò)該驅(qū)動(dòng)射流噴嘴被噴射到反應(yīng)器的上區(qū)域中，且隨后流動(dòng)到在該反應(yīng)器的縱向方向上布置的中央插入式管內(nèi)，從上部向下流經(jīng)此且再次在插入式管的外部以內(nèi)部環(huán)路運(yùn)動(dòng)向上流動(dòng)。提出反應(yīng)器內(nèi)部的場(chǎng)管用于反應(yīng)熱量的排除。
[0005]眾所周知的場(chǎng)管熱交換器是具有一束平行雙壁管的熱交換器，其中外管的在反應(yīng)器空間內(nèi)突出的端部被封閉且內(nèi)管的相應(yīng)端部被打開(kāi)以使得冷卻介質(zhì)經(jīng)由布置在反應(yīng)器空間外部的供給空間流動(dòng)到內(nèi)管中且經(jīng)由內(nèi)管和外管之間的空間以及排放空間流出。它們的特性在于，具有高的熱量轉(zhuǎn)移面積與反應(yīng)空間的體積比且因此特別適合于排除釋放的反應(yīng)熱量。
[0006]EP-Al 140349公開(kāi)了一種用于氣體-液體反應(yīng)或氣體-液體-固體反應(yīng)的反應(yīng)器，該反應(yīng)器具有一個(gè)高圓柱形空間、一個(gè)布置在反應(yīng)器的上區(qū)域中的向下定向的射流噴嘴、以及一個(gè)布置在反應(yīng)器的下區(qū)域中的排出口(Abzug)，其中經(jīng)由該射流噴嘴供給起始材料和反應(yīng)混合物，經(jīng)由該排出口除去反應(yīng)混合物且借助于栗經(jīng)由一個(gè)外部回路將反應(yīng)混合物傳回至該射流噴嘴。同心導(dǎo)引管大體在除反應(yīng)器的端部以外的反應(yīng)器的整個(gè)長(zhǎng)度上延伸，且具有的橫截面面積在反應(yīng)器的橫截面面積的1/10至1/2的范圍內(nèi)，其中該同心導(dǎo)引管被布置在反應(yīng)器內(nèi)。
[0007]然而，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)在根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的反應(yīng)器中可能發(fā)生硝基芳香化合物的含量增加，特別是在向外部環(huán)路過(guò)渡處(即，在反應(yīng)器出口附近)的內(nèi)部環(huán)路以下的流中。
[0008]根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的上述反應(yīng)器和相應(yīng)的方法尤其具有的缺點(diǎn)是，當(dāng)它們被設(shè)計(jì)成用于大循環(huán)容量時(shí)，它們導(dǎo)致短回路流，該短回路流不期望地導(dǎo)致來(lái)自反應(yīng)器的流在未通過(guò)該反應(yīng)器內(nèi)的反應(yīng)所必須的距離的情況下進(jìn)入外部循環(huán)流動(dòng)內(nèi)。因此，在液體反應(yīng)物離開(kāi)反應(yīng)器之前，液體反應(yīng)物的濃度未明顯減小。
[0009]本發(fā)明的一個(gè)目的是避免上述缺點(diǎn)。尤其，應(yīng)發(fā)現(xiàn)一種用于實(shí)施氣體-液體反應(yīng)的裝置，該裝置避免了反應(yīng)器的低區(qū)域中的短回路流動(dòng)且借助于該裝置在用于將反應(yīng)介質(zhì)從反應(yīng)器除去的出口處特別有效地獲得非常低的產(chǎn)物濃度。
[0010]此目的是通過(guò)用于液體與氣體的連續(xù)反應(yīng)(尤其用于通過(guò)二硝基甲苯的氫化制備甲苯二胺)的裝置實(shí)現(xiàn)的。該裝置包括
[0011]-一個(gè)豎直伸長(zhǎng)的反應(yīng)器，在該豎直伸長(zhǎng)的反應(yīng)器內(nèi)存在一個(gè)反應(yīng)空間，
[0012]-至少一個(gè)熱交換器，其被布置在該反應(yīng)器內(nèi)，
[0013]-用于將冷卻介質(zhì)引入到該熱交換器內(nèi)的至少一個(gè)入口，
[0014]-用于將冷卻介質(zhì)從該熱交換器除去的至少一個(gè)出口，
[0015]-用于將氣體反應(yīng)物引入到該反應(yīng)空間內(nèi)的至少一個(gè)入口，
[0016]-用于將液體反應(yīng)物引入到該反應(yīng)空間內(nèi)的至少一個(gè)入口，
[0017]-至少一個(gè)混合室，
[0018]-用于引入反應(yīng)介質(zhì)的至少一個(gè)向下定向的驅(qū)動(dòng)射流噴嘴，該驅(qū)動(dòng)射流噴嘴的出口被布置在該至少一個(gè)混合室以上且該驅(qū)動(dòng)射流噴嘴與該反應(yīng)室流體連通，
[0019]-用于將反應(yīng)介質(zhì)從該反應(yīng)器除去的至少一個(gè)出口，以及
[0020]-被布置在該熱交換器以下且在該混合室以下用于以使得反應(yīng)介質(zhì)再次向上流經(jīng)該熱交換器這樣的方式導(dǎo)流向下流經(jīng)該混合室的反應(yīng)介質(zhì)的至少一個(gè)裝置，
[0021]其中用于導(dǎo)流向下流經(jīng)該混合室的反應(yīng)介質(zhì)的裝置是導(dǎo)流盤。
[0022]此外，此目的是通過(guò)用于液體反應(yīng)物與氣體反應(yīng)物在上述裝置內(nèi)連續(xù)反應(yīng)的方法實(shí)現(xiàn)的。
[0023]本發(fā)明的裝置的反應(yīng)器包括一個(gè)有界空間(由一個(gè)容器限定)且被設(shè)計(jì)成允許在限定條件下進(jìn)行特定反應(yīng)且能夠控制這些反應(yīng)。術(shù)語(yǔ)“反應(yīng)器”包括該有界空間內(nèi)的所有區(qū)域，即，反應(yīng)空間、氣體空間和由冷卻介質(zhì)占據(jù)的空間(冷卻區(qū)域)。
[0024]出于本發(fā)明的目的，豎直伸長(zhǎng)的反應(yīng)器是一種在豎直方向(反應(yīng)器的縱向方向)上具有的尺度大于在水平方向(反應(yīng)器的橫向方向)上具有的尺度的反應(yīng)器。在操作期間，反應(yīng)器是豎直直立的。出于本發(fā)明的目的，“在操作期間”是指在實(shí)施本發(fā)明的方法期間。
[0025]出于本發(fā)明的目的，術(shù)語(yǔ)“頂部”、“底部”、“旁邊”、“以上”、“以下”涉及反應(yīng)器的豎直方向(縱向方向)，即，它們涉及一個(gè)伸長(zhǎng)的布置。
[0026]反應(yīng)器的反應(yīng)空間是反應(yīng)器內(nèi)被設(shè)置用于容納反應(yīng)介質(zhì)的空間，且因此包括反應(yīng)器內(nèi)在操作期間與反應(yīng)介質(zhì)流體連通的所有區(qū)域。
[0027]流體連通是指反應(yīng)器內(nèi)任何兩個(gè)地方或元件之間的空間連接，經(jīng)由該空間連接流體(即，尤其，反應(yīng)介質(zhì)或冷卻介質(zhì))可以從一個(gè)地方進(jìn)入另一個(gè)地方內(nèi)或從一個(gè)元件進(jìn)入另一個(gè)元件內(nèi)。
[0028]反應(yīng)空間尤其表示反應(yīng)器內(nèi)的一個(gè)區(qū)域，在操作期間在該區(qū)域中進(jìn)行反應(yīng)且在該區(qū)域中設(shè)置有冷卻裝置。因此，在反應(yīng)空間內(nèi)可以基本上沒(méi)有顯著溫度改變地(即，基本上等溫地)進(jìn)行反應(yīng)。
[0029]本發(fā)明的裝置包括用于導(dǎo)流內(nèi)部循環(huán)流動(dòng)的至少一個(gè)裝置，其中所述至少一個(gè)裝置被安裝在反應(yīng)器內(nèi)且在熱交換器下面。所述裝置還被布置在反應(yīng)器的底部以上。根據(jù)本發(fā)明，用于導(dǎo)流反應(yīng)介質(zhì)的流動(dòng)的裝置是導(dǎo)流盤。
[0030]導(dǎo)流盤具有一個(gè)在反應(yīng)器的橫向方向上取向的表面和一個(gè)在反應(yīng)器的縱向方向上延伸的側(cè)向邊界，該邊界指向上(即，在噴射器的方向上)。導(dǎo)流盤作為用于導(dǎo)流內(nèi)部循環(huán)流動(dòng)的裝置將不同于現(xiàn)有技術(shù)已知的沖擊板。沖擊板具有一個(gè)在反應(yīng)器的橫向方向上取向的表面且不具有在反應(yīng)器的縱向方向上延伸的側(cè)向邊界。導(dǎo)流盤的使用使得有可能避免反應(yīng)器的低區(qū)域中的短回路流動(dòng)且在用于將反應(yīng)介質(zhì)從反應(yīng)器除去的出口處特別有效地設(shè)置非常低的產(chǎn)物濃度。
[0031]導(dǎo)流盤在反應(yīng)器的橫向方向上的一個(gè)水平平面內(nèi)延伸，優(yōu)選地在反應(yīng)器的橫截面內(nèi)由熱交換器的下側(cè)占據(jù)的大部分面積上延伸，但是優(yōu)選地未在熱交換器的整個(gè)橫截面上延伸。因此，反應(yīng)器的外區(qū)域中的反應(yīng)介質(zhì)只有在它已經(jīng)向上流動(dòng)到導(dǎo)流盤以上的管內(nèi)之后才可以到達(dá)用于將反應(yīng)介質(zhì)從反應(yīng)器除去的出口。反應(yīng)介質(zhì)優(yōu)選地在導(dǎo)流盤以上的管內(nèi)向上流動(dòng)且一個(gè)支流然后在導(dǎo)流盤的橫截面外部的管內(nèi)再次向下流動(dòng)。
[0032]導(dǎo)流盤的水平橫截面積優(yōu)選地是從反應(yīng)器的橫截面中由熱交換器的下端部占據(jù)的面積的60 %到98 %，尤其從70 %到95 %，特別優(yōu)選地從75 %到90 %。
[0033]導(dǎo)流盤的邊界的高度是從導(dǎo)流盤的最大直徑的I %到30%，尤其從2%到20%，特別優(yōu)選地從3%到15%。邊界相對(duì)于導(dǎo)流盤的內(nèi)表面的角度優(yōu)選地從90°到170°，尤其從90。到150°，特別優(yōu)選地從90°到120°。
[0034]在一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施方案中，導(dǎo)流盤具有多個(gè)排空開(kāi)口，所述排空開(kāi)口尤其可以被至少部分地關(guān)閉。在操作期間，所述開(kāi)口被至少部分地或優(yōu)選地完全地關(guān)閉，然而，當(dāng)該裝置未操作時(shí)，它們可以被打開(kāi)。
[0035]在一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施方案中，導(dǎo)流盤具有多個(gè)排空開(kāi)口，所述排空開(kāi)口尤其可以被至少部分地關(guān)閉。
[0036]熱交換器是出于將釋放的反應(yīng)熱量排除的目的而將熱量轉(zhuǎn)移到冷卻介質(zhì)的裝置。原則上多種類型的熱交換器是可能的，只要它們具有所需要的熱量轉(zhuǎn)移面積。優(yōu)選的熱交換器是殼管式熱交換器、板式熱交換器、場(chǎng)管熱交換器和盤管熱交換器。
[0037]熱交換器被定位在反應(yīng)器內(nèi)且確定反應(yīng)空間和冷卻區(qū)域之間的熱交換面積。熱交換器優(yōu)選地包括熱交換器管且尤其是殼管式熱交換器。在一個(gè)特別優(yōu)選的實(shí)施方案中，圍繞熱交換器管的區(qū)域與用于引入冷卻介質(zhì)的入口和用于除去冷卻介質(zhì)的出口流體連通且熱交換器管的內(nèi)區(qū)域形成反應(yīng)空間的一部分且與至少一個(gè)驅(qū)動(dòng)射流噴嘴和用于除去反應(yīng)介質(zhì)的出口流體連通。
[0038]熱交換器管在此情況下是中空體，所述中空體被設(shè)置成在端部處有開(kāi)口且尤其是伸長(zhǎng)的，即，具有的長(zhǎng)度大于內(nèi)部直徑。尤其，長(zhǎng)度與內(nèi)部直徑的比是至少10，優(yōu)選地至少20，特別優(yōu)選地至少50，尤其至少100。熱交換器管還將反應(yīng)介質(zhì)與冷卻介質(zhì)分開(kāi)且允許熱量在所述兩種介質(zhì)之間轉(zhuǎn)移。所述管的橫截面優(yōu)選地是基本上圓形的。然而，原則上有可能偏離圓形形狀以實(shí)現(xiàn)特定流動(dòng)配置。
[0039]單個(gè)熱交換器管的直徑優(yōu)選地是從1mm到100mm，尤其從20mm到50mm。熱交換器管優(yōu)選地被豎直地安裝在反應(yīng)器內(nèi)，即，在反應(yīng)器的縱向方向上。
[0040]出于本發(fā)明的目的，一束管是指至少兩個(gè)平行設(shè)置的熱交換器管。多束管特別適合于吸收大量的熱量。本領(lǐng)域技術(shù)人員將基于反應(yīng)空間的體積選擇該束管中與所需的熱量轉(zhuǎn)移面積相應(yīng)的管的數(shù)目。反應(yīng)器內(nèi)的熱交換器管的數(shù)目?jī)?yōu)選地是至少100，尤其至少200，更優(yōu)選地至少300，非常特別優(yōu)選地至少500。此外，反應(yīng)器內(nèi)的熱交換器管的數(shù)目?jī)?yōu)選地是至多10000，特別至多7000，特別優(yōu)選地至多5000，非常特別優(yōu)選地至多4000。
[0041]該束管優(yōu)選地被安裝在豎直伸長(zhǎng)的反應(yīng)器內(nèi)且在至少一個(gè)混合室周圍，且如果存在的話，在至少一個(gè)擴(kuò)散器周圍(即，該束管完全圍繞混合室且如果可適用的話在豎直方向上圍繞擴(kuò)散器)且優(yōu)選地占據(jù)反應(yīng)器的內(nèi)部水平橫截面的面積的至少20面積％，尤其至少30面積％，特別優(yōu)選地至少40面積％，非常特別優(yōu)選地至少50%面積％。
[0042]該束管中的管的數(shù)目?jī)?yōu)選地是從100到10000，特別優(yōu)選地從500到5000。本領(lǐng)域技術(shù)人員將選擇熱交換器管的數(shù)目、長(zhǎng)度和直徑作為尤其每單位時(shí)間和每單位體積釋放的反應(yīng)熱量的函數(shù)，其確定熱量排除所需要的溫度差和熱量轉(zhuǎn)移面積。
[0043]熱交換器管的數(shù)目與反應(yīng)器內(nèi)的噴射器的數(shù)目的比優(yōu)選地是至少100，尤其至少20