专利名称：连续三相淤浆氢化的两级反应器和操作方法
技术领域：
本发明涉及连续反应器方法，特别涉及在实施这种方法中连续搅拌槽反应器和/或鼓泡塔的应用。
氢化方法在工业上是众所周知的，其中三个不同的相，也就是说待要氢化的物质、氢气和催化剂汇集在连续搅拌槽反应器(CSTR)或鼓泡塔中。
由于绝大多数氢化法都是在高压下进行的这一事实，鼓泡塔反应器一般比连续搅拌槽反应器便宜。鼓泡塔可以制作得比CSTR反应器高而细，因此它需要较薄的反应器壁，于是它减少了制作材料的数量和制造费用。另外，鼓泡塔不需要机械搅拌，因此进一步降低了初始费用，也进一步降低了这些反应器的维修费用。在鼓泡塔中，为了产生很高的气液传质接触面积和在塔中提供液体混合以实现合适的反应和传热，氢气引入塔的底部，且必须使之分散。为了控制氢气流速实现混合，使用的氢气量要比特定反应计量条件要求的量大的多。因此，在此方法中必须使用过量的氢气，或者使用氢气回收和再循环设备，一般应用压缩机使塔出口的氢气再循环。
视连续法的生产能力而定，单级反应器经常不足以提供在单级反应器中能产生高转化率的充分的停留时间，因此需要两个或多个的串联反应器。在两个或多个塔中进行气-液反应是十分普遍的，可是在需要使用固体催化剂进行三相淤浆氢化时，使用单级反应器就会成为不易克服的难题。氢化催化剂一般具有充分的活性和足够的寿命，在与只需要几分钟或数小时过程的液体停留时间相比较，氢化催化剂能在过程中维持数天。这种在停留时间上存在的巨大差别意味着在使用多级反应器时，氢化催化剂必须保持在均匀分布状态。每个反应器可能需要催化剂分离设备和使催化剂再循环的能力。
因此，使用单级连续搅拌槽反应器或鼓泡塔不可能有充分的停留时间以维持很高的转化率，而需要两个同类型的串联反应器。
必须分离连续搅拌槽反应器中的淤浆催化剂，并使之回到每个单个反应器中。因此，多个串联反应器各需要单个催化剂分离设备例如横向流动过滤器。
可以使用多级串联鼓泡塔来增加总的转化率，但是为实现反应器中充分的混合和高转化率，多级串联鼓泡塔需要的氢气流速大大超过计量要求。
此外，众所周知，为获得相同的总转化率，单级连续搅拌槽反应器必定是充分大的，与两个较小的串联的连续搅拌槽反应器相比一般更费钱。
因此，可以看到，使用常规工艺的多级淤浆氢化法是有问题的，经济上是不利的，因此产生了要解决这些问题的需求。
本发明非常适合于为增强转化率而需要两个串联使用的氢化反应器的连续三相淤浆氢化法。根据本发明，具有特殊叶桨装置的连续搅拌槽反应器与常规的鼓泡塔相结合，因此，避免了鼓泡塔常见的问题。例如，本发明涉及理想地适合于葡萄糖转化为山梨醇的连续氢化反应器系统。
因此本发明的一个方面，是一个组合的淤浆氢化系统，包括适于含有待氢化液体和催化剂并具有液面上氢气顶部空间的连续搅拌槽反应器，该反应器具有单级搅拌装置，该装置具有将顶部空间氢气引入液体中的第一装置和用泵将液体从与反应器以流体连通的鼓泡塔的底部抽出的第二装置，鼓泡塔与反应器依次排列，鼓泡塔具有将气体氢在临近于鼓泡塔底部位置引入的装置，鼓泡塔通过气体传送装置与反应器连接，以使气体从塔的顶部空间流到反应器的顶部空间，该塔也备有允许流体从塔底部流到反应器底部和从反应器上部流到塔的上部的流体传送装置，以及备有将氢化产物从系统中取出的装置。
本发明的另一方面是，一个组合的两级连续反应器，包括一个连续的搅拌槽反应器，该反应器适合含有被反应气体待处理的液体并具有反应气体的顶部空间，该搅拌槽反应器具有单级搅拌装置，该装置具有将顶部空间的反应气体引入液体中的第一装置和用泵将液体从鼓泡塔底部抽出的第二装置，该鼓泡塔底部与搅拌槽反应器流体连通，鼓泡塔与搅拌槽反应器依次排列，鼓泡塔具有将气体反应剂在邻近鼓泡塔底部位置引入的装置，鼓泡塔通过气体传送装置与搅拌槽反应器相连，以使气体从该塔顶部空间流到搅拌槽反应器顶部空间，鼓泡塔也备有流体传送装置，以使流体从鼓泡塔底部流到搅拌槽反应器的底部，和从搅拌槽反应器的上部流到鼓泡塔的上部，鼓泡塔还备有将处理过的产物从系统中取出的装置。
本发明的系统包括在连续搅拌槽反应器的任选的轴流泵装置。
本发明系统的另一个特征是为使催化剂维持在双反应器系统中只需要一个单级催化剂过滤系统。
本发明也涉及使液体氢化的方法，该方法包括两个步骤将待要氢化的液体引入两级反应器系统中，该系统组合地包括一个连续搅拌槽反应器，该反应器适合含有被反应气体待处理的液体和具有反应气体顶部空间，该搅拌槽反应器具有单级搅拌装置，该搅拌装置具有将顶部空间反应气体引入液体中的第一装置和将液体从鼓泡塔底部排出的第二装置，鼓泡塔底部与搅拌槽反应器流体连通，鼓泡塔与搅拌槽反应器依次排列，鼓泡塔具有将反应气体在临近鼓泡塔底部引入的装置，鼓泡塔利用气体传送装置与搅拌槽反应器相连，以使反应气体从该塔顶部空间流到搅拌槽反应器的顶部空间，鼓泡塔备有流体传送装置，以使流体从鼓泡塔底部流到搅拌槽反应器的底部，即从搅拌槽反应器的上部流到鼓泡塔的上部；将氢气作为反应气体引入两级反应器中，和从两级反应器系统中取出氢化产物。
此单一图是根据本发明的系统的示意图。
参照
图1，系统10包括搅拌槽反应器12和鼓泡塔14。搅拌槽反应器12的上部有供催化剂的进口16和供液体进料的入口导管18，催化剂按箭头17所示引入反应器12中，液体进料按箭头19所示引入反应器12中。反应器12的顶部或顶部空间28经导管20与所示的鼓泡塔14的顶部或顶部空间42相连。反应器12底部的导管24将流体引入反应器12中，关于这一点下文将要较充分地进行阐述。如图所示，反应器12要这样设计，待氢化的液体的液位保持在反应器中的位置使液体30上方存在着反应气体的顶部空间28。
反应器12装有搅拌轴32，搅拌轴32利用马达34绕反应器12的纵向轴线转动。在此轴上装有能将反应器12顶部空间28中含有的顶部空间气体引入或吸入液相30中的这种类型的上搅拌器36，为的是产生充分的气液接触，以实现气体和液体之间的化学反应。如图所示，搅拌器36包括一根装在搅拌轴32周围的中空轴33，使用中空轴33将顶部空间气体向下吸入中空轴33和搅拌轴32之间，和从上搅拌器36叶片的外部出来。新泽西州的EKATO公司，Ramsey制造和出售这样的一种装置。
装有顶盘37和具有中心孔的底盘39的扁平的涡轮机38设置在搅拌轴32的下部，顶盘37阻止液体从连续搅拌槽反应器12内部泵出，底盘39的中心孔可以使液体被泵送通过管线24进入连续搅拌槽反应器12底部。这样的扁平叶轮机可从纽约lightnin公司Rochester买到。用单一特制的能够完成将顶部空间的气体引入液体30中和将液体30泵入反应器12任务的叶轮机替换上叶轮机36和下叶轮机38，这也在本发明的范围内。
另一方案，如图所示，在搅拌器36和搅拌器38之间可以设置轴流泵叶轮40。但轴流泵搅拌器40的使用是任选的，而在某些氢化反应中并不需要使用这种轴流泵搅拌器40。
导管26延伸在连续搅拌反应器12和鼓泡塔14之间，导管的液位恰好处在连续搅拌反应器12和鼓泡塔14的液体表面下。
鼓泡塔14是常规的类型，它包括喷雾环46，喷雾环与输气管44相连，输气管将氢气按箭头45所示引入鼓泡塔14中，以在塔14中实现液体31与氢气的反应。塔14也包括液体导管48，导管48与导管56相连，导管56通过控制阀50与横向流动过滤器52相连，横向流动过滤器与导管24相连，以使液体31由鼓泡塔14向连续搅拌反应器12进行再循环运动。导管54可以按箭头55所示将滤过的产物从系统中取出。箭头57表示含催化剂的产物，如需要可将此产物从系统中抽出，来清扫含消耗的或不需要的催化剂的系统。
使用控制阀50来调节连续搅拌反应器12和鼓泡塔14之间的再循环流。为除去产物55而使催化剂留在反应器系统10中，在再循环管线中也有横向流动过滤器52。这类过滤器是众所周知的，根据所选择的过滤器的类型，过滤器既可以竖直安装也可以水平安装。
操作时，原料例如葡萄糖19通过导管18引入连续搅拌反应器12中，催化剂，例如担载镍催化剂17经导管16同时引入连续搅拌反应器12中。在连续搅拌反应器12和鼓泡塔14中建立液位，在建立液位时，通过喷雾环46将氢气45引入鼓泡塔所含的液体中。为了启动液体和催化剂从鼓泡塔14到连续搅拌反应器12并返回到鼓泡塔的再循环，马达34接通电流，转动搅拌器32。图中以气泡表示的氢气通过喷雾环46引入鼓泡塔14中，氢气量超过计量条件，在塔14中氢气向上穿过液体31。塔14顶部空间42的氢气经导管20输入反应器12的顶部空间28中，在顶部空间28中，通过搅拌器36的作用，氢气引入液体30中。与此同时，由于搅拌器38的作用连续搅拌反应器12的液体通过导管26引入塔14中，搅拌器38将塔14底部的液体通过导管48和24引入连续搅拌反应器12中。使用阀50控制再循环速度，通过工艺上众所周知的横向流动过滤器52经导管54将产物取出。
原料部分转化为产物时，被引入连续搅拌反应器12中。由连续搅拌反应器12到鼓泡塔14的再循环流经导管26可以在塔14中完成反应。本发明系统操作的关键是要采取必要的步骤以使氢和液体之间发生的反应约在50％以上发生在连续搅拌反应器12中。这可以使氢气流过鼓泡塔14，为在鼓泡塔14中完成反应，氢气量大大地超过计量要求。在绝大多数氢化反应器中，氢气的过量是典型的，氢气进料速度自动调节以使两反应器维持在恒定的压力下，氢气进料速度等于在两个处于相同压力下的反应器中通过反应的总氢消耗。鼓泡塔顶部出口的过量氢然后经导管20输送到连续搅拌反应器12中。
为了提供在鼓泡塔14中的混合，需要使用超过计量要求的氢气流速来完成鼓泡塔14中的反应。催化剂通过机械搅拌均匀地悬浮在连续搅拌槽反应器12中，通过过量的氢气流而悬浮在鼓泡塔14中。
催化剂可以利用清洗流导管56定期地除去，新鲜的催化剂可以通过导管16引入连续搅拌反应器12中。这可以使被控制的和均匀的催化剂的含量维持在反应器12和鼓泡塔14中。使用本工艺中众所周知的技术可以在两个反应器中实现热的去除。
下列的葡萄糖氢化为山梨醇的实例进一步说明了使用本发明所获得的好处。连续搅拌槽反应器CSTR，直径1.2米，装有四个0.1米宽的挡板，挡板控制反应器的全长。下表1说明了不同试验的反应器容积。反应器中使用了螺旋热交换器来除热，并使反应器维持在140℃。CSTR装有由三个0.4米直径的桨叶组成的搅拌器装置，搅拌轴顶部是一个向着反应器顶部空间气体开口的空腔，空腔可以使气体流入和通过气体吸入桨叶。由四个0.03米直径延伸与搅拌轴垂直的管组成的气体吸入桨叶位于液面下0.4米，四个管通过搅拌轴空腔部分相连。中部浆叶由四个扁平的倾斜度成45°的叶片组成。底部桨叶是具有六个叶片的扁平的叶片状的涡轮机组成，其顶部盖有坚实的圆盘，而底部圆盘中心具有0.1米的孔洞。直径0.025米的管道由底部再循环管线通过CSTR底部延伸到底部桨叶的进口。搅拌器以300转/分的转速在运行。
试验2和5的鼓泡塔是由高6米的塔体组成，直径0.5米。新鲜的补充氢气在鼓泡塔底部由具有100微米孔隙的多孔金属盘进行分散。鼓泡塔利用两个直径0.025米管道与CSTR相连，一个属底部再循环管线，另一个属溢流管线。CSTR和鼓泡塔的顶部空间通过直径0.1米的管道相连。在过滤器之前鼓泡塔的出口以2.0米3/小时的流速在工作。
位于鼓泡塔底部的过滤器是由许多总过滤面积为0.4米2的多孔金属过滤管组成。过滤是在多孔金属管内部进行的。产物从过滤管周围的支管流出，连续地移出。
平均粒度20微米的兰尼镍催化剂装入反应器中，浓度为30公斤/米3。原料液由50％的葡萄糖水溶液组成，连续地送入CSTR中，而反应器工作温度140℃。过滤的山梨醇产物连续地通过多孔过滤器移出，以维持CSTR的液位恒定。氢气连续地送入试验2和5的鼓泡塔中，和进入试验1、3、4和6的CSTR的顶部空间，以维持总压为30巴。
表1例示说明了不同方法构型的结果。
表1
试验1和4说明了料液速度分别为1米3/小时和2米3/小时只有2米3CSTR而没有鼓泡塔时葡萄糖的转化率。在试验1、3、4和6中，鼓泡塔由直径0.025米的管道代替，氢气送入CSTR的顶部空间。在试验2和5增加鼓泡塔时，与单个CSTR相比较，实现了充分的混合和反应，从而增加了转化率。试验3和6说明了为了由联合的2米3CSTR和1米3鼓泡塔获得相同的转化率，则需要单个CSTR的容积尺寸过分的大。
因此，根据本发明的设备可以对系统中待氢化液体提供充分的停留时间，以保持很高的转化率。使用根据本发明的系统只需要单个催化剂分离装置例如横向流动过滤器。
删除多级鼓泡塔可大大地减少所需要的过量氢的总量。
最后，组合反应器可以使用较小的连续搅拌槽反应器来获得在单个的尺寸显著大和费用一般较高的连续槽反应器所获得的相同的总转化率。
希望得到专利保护的发明已叙述了，而不受所附权利要求的限制。
权利要求
1.一种淤浆氢化系统，包括下列组合连续搅拌槽反应器适于包含待氢化液体和催化剂并具有氢气的顶部空间，所述反应器具有单个搅拌装置，该搅拌装置具有将顶部空间氢气引入所述液体的第一装置和从与所述反应器流体连通的鼓泡塔底部抽出液体的第二装置；鼓泡塔，与所述反应器依次排列，所述鼓泡塔具有将氢气在邻近所述鼓泡塔底部位置引入的装置，所述鼓泡塔通过气体输送装置与所述反应器相连，可以使所述气体由鼓泡塔顶部空间流到所述反应器的顶部空间，所述塔装有流体输送装置，可以使流体由所述塔的底部流到所述反应器的底部，由所述反应器的上部流到所述塔的上部；和将氢化产物由所述系统中取出的装置。
2.根据权利要求1的系统，包括将催化剂从所述系统中除去的装置。
3.根据权利要求1的系统，其中将所述氢化产物取出的装置包括催化剂过滤装置。
4.根据权利要求1的系统，其中在介于所述反应器中将顶部空间氢气引入所述液体的装置和将液体从所述塔的所述底部抽出的所述第二装置之间包括一诱导带有催化剂和氢气的所述液体的轴流泵送的第三装置。
5.根据权利要求1的系统，其中所述的将所述顶部空间氢气引入的第一装置是将所述顶部空间氢气引入含所述催化剂的液体中的类型的桨叶。
6.根据权利要求1的系统，其中该用于将所述液体从所述鼓泡塔中排出的所述第二装置一般是备有阻止液体从所述反应器内泵出的一顶盘和具有将液体从所述鼓泡塔泵送到所述反应器的中心孔的一底盘的基本上扁平的叶片涡轮机。
7.根据权利要求1的系统，其中该用于将氢气引入所述鼓泡塔的装置包括设置在所述塔底部的喷雾环，所述喷雾环与氢气源相连。
8.一种两级连续反应器，包括下列组合连续搅拌槽反应器，适于包含待反应气体处理的液体和具有所述反应气体的顶部空间，所述搅拌槽反应器具有单个搅拌装置，该搅拌装置具有将所述顶部空间反应气体引入所述液体的第一装置和将液体从与所述搅拌槽反应器流体连通的鼓泡塔底部抽出的第二装置；鼓泡塔与所述搅拌槽反应器依次排列，所述鼓泡塔具有将气体反应在邻近所述鼓泡塔底部位置引入的装置，所述鼓泡塔通过气体传送装置与所述搅拌槽反应器相连，可以使所述气体从所述塔的顶部空间流到所述搅拌槽反应器的顶部空间，所述塔设有流体传送装置，可以使流体从所述的底部流到所述搅拌槽反应的底部，从所述搅拌槽反应器的上部流到所述塔的上部；和将产物从所述系统中取出的装置。
9.根据权利要求8的两级连续反应器，该反应器包括将用作反应部分的催化剂从所述系统中除去的装置。
10.根据权利要求9的两级连续反应器，其中将所述产物取出的装置包括催化剂过滤装置。
11.根据权利要求9的两级连续反应器，其中，在介于所述搅拌槽反应器中将顶部空间反应气体引入所述液体中的所述装置和将液体从所述塔的底部抽出的所述第二装置之间包括一诱导含有所述反应气体的所述液体的轴流泵送的第三装置。
12.根据权利要求9的两级连续反应器，其中该用于将所述顶部空间反应气体引入的所述第一装置是具有将所述反应气体引入含所述催化剂的所述液体中的这种类型的桨叶。
13.根据权利要求9的两级连续反应器，其中将所述液体从所述鼓泡塔中排出的所述第二装置一般是装有阻止液体从所述搅拌槽反应器内泵出的顶盘和具有将液体从所述鼓泡塔泵送到所述搅拌槽反应器的中心孔的底盘的扁平叶片涡轮机。
14.根据权利要求9的两级连续反应器，其中将反应气体引入鼓泡塔的所述装置包括设置在所述塔底部的喷雾环，所述喷雾环与反应气体源相连。
15.液体氢化方法，包括下列步骤将所述待氢化的液体引入两级反应器系统，该系统包括下列组合连续搅拌槽反应器，适于包含有待反应气体处理的液体和具有所述反应气体的顶部空间，所述搅拌槽反应器具有单个搅拌装置，该搅拌装置具有将所述顶部空间反应气体引入所述液体中的第一装置和将液体从与所述搅拌槽反应器流体连通的鼓泡塔底部抽出的第二装置，鼓泡塔与所述搅拌槽反应器依次排列，所述鼓泡塔具有将气体反应物在邻近所述鼓泡塔的底部位置引入的装置，所述鼓泡塔通过气体传送装置与所述搅拌槽反应器相连，可以使所述气体从所述塔的顶部空间流到所述搅拌槽反应器的顶部空间，所述塔装有流体传送装置，可以使流体从所述塔的底部流到所述搅拌槽反应器的底部和从所述搅拌槽反应器的上部流到所述塔的上部；将氢气作为所述反应气体引入两级反应器；和将氢化产物从所述反应器系统中取出。
16.根据权利要求15的方法，该方法包括将氢化催化剂与所述待氢化的液体一道引入所述反应器。
17.根据权利要求16的方法，该方法包括定期地将氢化产物流连同所述催化剂一同从系统中取出，将新鲜的催化剂加到所述系统中。
18.根据权利要求16的方法，其中将担载镍催化剂引入所述两级反应器中。
全文摘要
连续搅拌槽反应器与鼓泡塔配合以增强连续方法的转化率,例如氢化转化率,其中气体反应物与液体混合。连续搅拌反应器装有专门的桨叶装置,以使液体循环,并增强液体与从鼓泡塔转入的反应气体的接触。
文档编号B01J19/18GK1248484SQ99118720
公开日2000年3月29日 申请日期1999年9月10日 优先权日1998年9月11日
发明者R·M·玛查多 申请人:气体产品与化学公司