用于强放热反应的连续化反应装置和方法

专利名称：用于强放热反应的连续化反应装置和方法
技术领域：
本发明涉及一种化工反应控制，特别是涉及一种用于强放热反应的反应装置和方法。
背景技术：
在化工领域，尤其是在精细化工领域，有许多的强放热反应，如快速液相反应和极快速液相反应。这类反应通常都有一种或者几种反应活性很高的物质参加，在反应过程中短时间内释放出大量的热量。如果反应放出的热量不能及时移除，反应温度将大幅升高，导致所需反应不能继续，副产物增加。许多强放热反应通常需要在较低的温度下进行，例如零下7『C等，反应过程中反应体系温度的升高将可能导致所需反应不能进行。另外，热量的聚集会使反应物料局部过热，不但降低了反应选择性与产率，而且安全隐患也随之增加。
在间歇式反应条件下，强放热反应通常是通过滴加反应物料的方式来进行的。这种方法虽然能够控制反应进程，减少在短时间内放出的热量，但是反应时间较长，反应温度仍然难以准确控制，物料局部过热现象也难以避免。CN2497861揭示了一种间歇式低温反应装置，它包括一个设置在反应罐内的制冷系统，通过流经该制冷系统夹套的液氮控制反应温度。该反应装置利用其制冷系统将反应器的温度降低到了普通间歇反应器难以实现的低温，但仍无法克服间歇反应器的缺点，例如反应周期长，无法连续生产，反应体系内局部温度仍然难以有效控制等，尤其是在处理氯、溴、氯氮化合物、有机锂或者酰基氯这类高反应活性的反应物参加的极快速强放热液相反应时，其仍然无法及时移除大量的反应热，对反应温度的控制依然十分困难。另外，如果不增加新的反应器，间歇式反应工艺也很难扩大产能。 US6207835揭示了一种制备芳香基金属化合物及其与亲电性试剂反应的连续化工艺，该工艺过程采用微混合器混合经预冷处理过的物料，然后经由换热器换热的反应通道进行反应。虽然对于多数反应来说，该连续工艺的反应效果优于间歇反应工艺，但该发明没有揭示如何移除极快速放热反应在短时间内产生的大量反应热，从而也没有解决由于不能及时移除反应热而带来的安全性及反应效率等相关问题。 现有的用于强放热反应的间歇式工艺反应周期长，反应选择性低，产率低，能耗大，并且存在安全隐患等缺点，而目前尚没有有效的连续式工艺。因此，需要提供一种适用于连续化进行强放热反应的反应装置和方法。

发明内容
本发明的目的是提供一种用于强放热反应的反应装置。 根据本发明的一个实施例，本发明所提供的用于强放热反应的连续化反应装置包括一个用于所述反应的强放热阶段的第一换热装置和一个用于所述反应的其他反应阶段的第二换热装置。 本发明的另一个目的是提供一种用于强放热反应的反应方法。
根据本发明的另一个实施例，本发明所提供的用于强放热反应的连续化反应方法包括步骤用一个第一换热装置对所述反应的强放热阶段换热和用一个第二换热装置对所述反应的其他反应阶段换热。 所述换热装置可以是微换热器或常规换热器。 本发明所提供的用于强放热反应的连续化反应装置还可以包括一个混合装置，用
于混合反应物料。所述混合装置优选微混合装置，包括阀式、曲径式或层叠式微混合器。所
述微换热器可以为在微混和装置和进行反应的微反应通道进行的反应进行换热。 本发明所提供的用于强放热反应的连续化反应方法还包括步骤混合反应物料。
本发明所述反应装置还可以包括一个预冷装置，用于对反应物料进行预冷。本发
明所述反应方法还可以包括一个预冷步骤，用于对反应物料进行预冷。 相比现有技术，本发明所提供的连续化反应装置和方法反应选择性高，产率高，产品质量稳定，能耗低，使用安全，易于扩大产能，尤其适用于具有一定危险性的低温强放热反应。


所列附图用于进一步描述本发明公开的具体实施例和方法，该描述是示例性而非限制性的。 图1根据本发明的一个实施例为用于强放热反应的连续化反应工艺过程的流程示意图。
具体实施例方式
本发明针对强放热反应的强放热阶段特别设置了一个换热装置，为强放热反应阶段提供高效率的换热，以解决强放热阶段的快速大量放热问题，有效控制反应温度，从而解决了反应选择性和转化率问题。 通常，强放热反应的强放热阶段的放热最为剧烈，也最为迅速，反应在短时间内产生大量的热量，而如果这些热量不能被及时移除，将使反应温度大幅升高，导致所需反应不能继续，副产物增加，甚至有爆炸的危险，而在反应强放热阶段过后，反应放热趋缓。针对强放热反应的上述特点，本发明为强放热阶段特别设置了换热装置，并且沿反应物料流动方向还为其他反应阶段设置了相应的换热装置。本发明所述强放热反应阶段可以是在物料的混合阶段开始的，相应的，为强放热反应阶段所设置的第一换热装置也是从混和阶段的相应位置开始的。 本发明所述反应装置与方法尤其适用于低温强放热反应。在低温强放热反应中，反应物料经过预冷后进行混合并进行反应，第一换热装置为强放热反应阶段提供换热，和第二换热装置为其他反应阶段提供换热，分别根据不同反应阶段的温度控制要求将相应的反应产生的热量及时移除，从而控制反应温度，使所需反应按照设计要求进行。
图1是根据本发明的一个实施例的为用于强放热反应的连续化反应工艺过程的流程示意图。在如图1所示的实施例中，物料1和物料2分别输入预冷装置10和预冷装置20进行预冷至设定温度。然后，将预冷后的两股物料送入混合装置30进行混合。物料混合后进行反应。在反应的强放热阶段，由第一换热装置40进行换热。在强放热反应阶段可以
4设置有多个第一换热装置。在强换热反应阶段后的其他反应阶段，由第二换热装置50进行换热。在强放热反应阶段之前，也可以包括其他的第二换热装置以控制反应温度。整个反应过程的各步骤可以由控制装置60进行控制，也可以分别进行控制。 本发明所述的换热装置可以是微换热器，也可以是常规换热器。微换热器，又称微通道换热器，其通道特征尺度在微米到亚毫米尺度范围内。常规换热器包括板式换热器、管式换热器等。在采用微反应系统时优选采用微换热器。 本发明的另一个实施例所使用的反应装置包括一个输送部分、一个预冷部分、一个反应部分、一个冷却部分和一个控制部分。输送部分包括泵、流量计、压力表和阀门；预冷部分包括换热器、温度传感器和阀门；反应部分包括混合器、温度传感器、换热器和阀门；冷却部分包括控制阀、温度传感器和阀门；过程控制部分包括控制软件和过程仪表。输送部分与物料进口相连接，反应部分与物料出口相连接，冷却部分外接冷媒，过程控制部分与输送部分、预冷部分、反应部分和冷却部分都直接相连，通过控制软件、过程仪表与操作板对装置的运行全过程实施控制。 本发明所述反应装置与方法优选采用微反应技术中的微混合器来实现一步法或两步法反应合成物质的混合，并采用微反应技术中的微换热器来实现强换热反应阶段的温度控制。因为微混合装置和微换热装置的通道狭小，所以在采用微反应技术时，所述反应装置通常适用于无固体的反应体系。 所述微混合器和微换热器的通道尺寸优选微米级，与传统的间歇反应器相比，具有更大的比表面积和更小的体积。由于微混合器和微换热器比表面积高，体积小，具有良好的导热性能，所以能够快速精确地控制反应温度。 本发明所述反应换热部分优选但不限于使用不锈钢材料，对于特殊反应体系也可以根据反应的特殊要求选择不同材质的换热部分的材料。 本发明所述反应装置与方法可以实现很宽温度范围内的反应。所述反应装置与方法的一个优势体现在低温反应，如_40°C以下的反应，在这种条件下的反应物活性高，放热剧烈，常规的反应装置与方法对其反应温度难以控制，而本发明所述装置与方法可以安全地控制反应温度，并可以实现连续化的生产。 本发明所述反应装置与方法也可以通过添加预冷装置、混合装置和换热装置等的来实现包含强放热反应的多步反应。 本发明所述装置与方法适用但不限于有以下物质参加的液相反应氯、溴、氯氮化合物或者酰基氯。 本发明所述装置与方法尤其适用于有机锂或者格氏试剂参加的低温液相反应。
本发明所述装置与方法优选的微混合装置和微换热装置，可通过增加微混合装置和微反应装置的数目方便灵活地放大生产规模。 下面分别以通过己基锂、邻二氟苯和硫酸二甲酯制取邻二氟甲苯，和通过己基锂、邻二氟苯和二甲基甲酰胺制取邻二氟苯甲醛的两步反应为例具体介绍本发明所述装置的操作过程与所述方法的实施过程。 下文提及的微混合器为层叠式微混合器，购自拜耳-EHRFELD公司；微换热器为板式微换热器，购自Alfa Laval公司。
实施例1
将12. 5kg/hr的15wt%的邻二氟苯/四氢呋喃混合溶液，以及5. 0kg/hr的33wt%的己基锂/己烷的混合溶液分别连续输入反应装置，经过预冷器分别冷却到_40°C，即将己基锂和邻二氟苯的温度分别降到反应所需的温度，然后输入微混合器混合。微混合器强化两种物料的混合过程，在极短的停留时间内混合充分，然后进入为强换热反应阶段设置的微换热器进行强换热反应。由于所设置的微换热器的通道尺寸为微米级，比表面积极大，可以快速移除在强放热反应阶段产生的大量热量，所以反应温度可以控制在_40°〇左右。
在短暂的强放热反应阶段结束后，物料混合物进入为其余反应阶段反应换热设置的换热器中。在该实施例中，为其余反应阶段设置的换热器数量为两个，顺序排列，根据该反应放热强度的不断减弱，设置相应换热能力的换热器，使物料在流出最后一个换热器时已经反应完全。 此步反应后产生的产物与流量为6. 7kg/hr的预冷到_40°C的40wt%的硫酸二甲酯/四氢呋喃混合溶液在另一个微混合器内混合，再进入另一组顺序连接的两个换热器中反应，反应温度控制在-4(TC。反应结束后输出最终产物邻二氟甲苯。反应选择性为94%。
实施例2 实施例2与实例1的不同之处在于改变了第一步反应的物料使用量以及更换了第二步反应的物料，并相应的改变了反应条件。采用二甲基甲酰胺代替硫酸二甲酯，反应生成所需要的邻二氟苯甲醛。具体操作如下 将5. 9kg/hr的15. 5wt %的邻二氟苯/四氢呋喃混合溶液，以及2. 4kg/hr的33wt^的己基锂/己烷的混合溶液，分别用泵输入预冷器冷却到-45t:，进入微混合器混合，再进入微换热器、顺序连接的两个常规换热器换热反应，然后与流量为2. 9kg/hr的预冷到-4(TC的25wt^的二甲基甲酰胺/四氢呋喃混合溶液在另一个微混合器混合，再进入另一组顺序连接的两个换热器中反应，反应温度控制在_45°C 。反应结束后输出最终产物邻二氟苯甲醛。反应选择性为93%。 上述两个实施例表明应用本发明所述反应装置与方法，能够解决将强放热反应阶段放出的大量反应热快速移除的问题，从而实现对强放热反应阶段温度的精确控制，消除了安全隐患，提高了反应选择性。 虽然本发明已将较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明，任何熟习此技艺者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种更动与润饰，因此发明的保护范围应以申请专利的权利要求范围为准。
权利要求
一种用于强放热反应的连续化反应装置，包括一个用于所述反应的强放热阶段的第一换热装置和一个用于所述反应的其他反应阶段的第二换热装置。
2. 如权利要求1所述反应装置，其特征在于，所述反应装置包括一个微反应装置，所述换热装置包括一个微换热装置。
3. 如权利要求1所述反应装置，其特征在于，所述反应装置包括一个微反应装置，所述第一换热装置包括一个微换热装置，所述第二换热装置包括一个常规换热装置。
4. 如权利要求2或3所述反应装置，其特征在于，所述微反应装置包括一个微混合装置，用于混合反应物料流。
5. 如权利要求2或3所述反应装置，其特征在于，所述微反应装置包括阀式、曲径式或层叠式微通道。
6. 如权利要求1、2或3所述反应装置，其特征在于，所述反应装置还包括一个预冷装置。
7. 如权利要求1、2或3所所述反应装置，其特征在于，所述设备还包括一个控制装置。
8. 如权利要求1所述反应装置，其特征在于，所述反应装置包括多个用于所述反应的强放热阶段的第一换热装置和多个用于所述反应的其他反应阶段的第二换热装置。
9. 一种用于强放热反应的连续化反应方法，包括步骤用一个第一换热装置对所述反应的强放热阶段进行热交换和用一个第二换热装置对所述反应的其他反应阶段进行热交换。
10. 如权利要求9所述方法，其特征在于，所述强放热反应是在一个微反应装置中进行的，所述换热装置包括一个微换热装置。
11. 如权利要求io所述方法，其特征在于，所述第一换热装置包括一个微换热装置，所述第二换热装置包括一个常规换热装置。
12. 如权利要求10或11所述方法，其特征在于，还包括步骤使用一个微混合装置混合反应物料流。
13. 如权利要求10或11所述方法，其特征在于，还包括步骤用一个预冷装置对反应物料进行预冷。
全文摘要
本发明涉及一种用于强放热反应的连续化反应装置和方法。本发明所提供的反应装置包括一个用于所述反应的强放热阶段的第一换热装置和一个用于所述反应的其他反应阶段的第二换热装置。该反应装置通过为强放热反应的强放热阶段特别设置的换热装置，提高了反应的选择性和产率，降低了能耗，消除了危险物质反应的安全隐患。
文档编号B01J19/00GK101757881SQ200810207680
公开日2010年6月30日 申请日期2008年12月24日 优先权日2008年12月24日
发明者于丰东, 刘涛 申请人:拜耳技术工程(上海)有限公司