一种强化微反应器内流体混合与反应的方法

文档序号:9853316阅读:1268来源:国知局
一种强化微反应器内流体混合与反应的方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种强化流体混合与反应的方法,更具体地,涉及将微反应器与含有 内构件的管式反应器组合用于流体混合与反应的方法。
【背景技术】
[0002] 微反应器是一种化工过程强化设备,它具有特征尺度为数微米至数毫米的微通道 结构。根据常规尺度的传质传热机理,在层流流动下,传质传热系数与特征尺度成反比,因 此,在特征尺度为数微米至数毫米的微通道内,传质传热系数高,传递过程得到强化。特征 尺度的减小同时也提高了微反应器内部比表面积,当微通道深度为1mm时,比表面积值为 1000m 2/m3,深度为0.1 mm时,比表面积可达到10000m2/m3。
[0003] 微反应器特征尺度使其具有比表面高、传热传质系数大的特性。但由于微反应器 内部体积小,使同等负荷下微反应器内的反应物料表观停留时间短,一般在数秒到毫秒的 量级;另一方面,微通道内体积传质系数(ka)很大一部分由比相界面积(a)贡献,传质系 数(k)提升幅度有限。这就要求反应工艺与反应器相适应,以尽可能使进入微反应器内的 反应物料在流出微反应器时全部转化。过程强化可采取快速反应工艺进行。中国科学院大 连化学物理研究所对微反应器内醇、芳烃硝化,芳烃磺化等反应进行了多年的实验研究,申 请了相关专利技术。专利CN101544567B、CN101544568B采用低含水量硝硫混酸硝化甲苯和 氯苯合成二硝基物,其中,甲苯二硝化在空时约50000h \即表观停留时间仅72毫秒内甲苯 转化率仍为97. 5%,说明所采取的酸条件使微反应器内的二硝化反应仍在传质控制区。向 两相反应体系中加入相同溶剂,然后再进行反应,也可以实现微反应器中的过程强化,专利 201010206998中率先采用微反应器技术合成石油磺酸盐,以二氯乙烷为介质,使两相在该 介质中完成反应,该方法的前提是反应速率几乎不受反应物浓度影响,反应仍受传质控制。
[0004] 微反应器中的混合强化也可借助设计通道构型如弯折、碰撞结构来实现,主要可 归因于这些结构可引发流体的二次流动,形成局部湍流结构,致使相界面积和传质系数增 加(但对动力学控制过程的反应速度没有影响)。在专利201010522860中采取了特定角度 的微通道构型和多孔混合机制,在高压下进行CO 2胺法吸收,微反应器采用单片组装,在空 速低于25000h 1下,CO2吸收率高于95%。合适的胺吸收剂和微通道混合结构可使醇胺与 CO2间的传质过程快速完成。
[0005] 对于中速和慢速反应,如芳烃一硝化过程,要求反应产物中严格控制二硝化副产 物,此时,混酸含水量高,反应受动力学控制,需要较长的反应时间以完成反应。单纯的微反 应器不能满足停留时间的要求,将微反应器作为混合器或预反应器,并于其后加延长管或 与常规反应器组合可用于该类型反应。
[0006] 专利CN102786445A和CN101613285B提出微反应器与搅拌釜反应器联合磺化与硝 化工艺,前者在微反应器内硝基苯磺化转化率为75%,釜式反应器只承担剩余25%的原料 转化,总生产周期为单纯釜式工艺的20-50%。后者进行的苯单硝化过程,微反应器单程转 化率受主产物选择性约束,主产物选择性要求高于99. 7 %时,单程转化率仅约16%,而主 产物选择性再降低1个百分点,即98. 7%时微反应器单程转化率可达到75%以上,此时微 反应器内采用提高反应温度(80°C)的方法增加反应速度。公开号为CN101508660A的专利 采用反应器串联的形式制备α -磺酸脂肪酸酯,以增加反应停留时间为主要技术特征,串 联的微反应器采用了较长毛细管构造,总物料停留时间为1小时量级,可以判断,脂肪酸酯 的磺化反应属慢速反应。
[0007] 综上,微反应器技术用于受传质控制的快速反应体系是适合的,过程强化主要是 开发快速反应工艺,并优化反应器结构以提高比相界面积从而提高传质系数。对于中速或 慢速反应,当反应不受选择性约束条件下,可以采取提高反应速度的方法提高微反应器内 单程转化率;而当有选择性约束时,则在慢反应工艺下通过增加停留时间以完成总转化,此 时的微反应器作为预混合器仅转化部分反应物,此种工艺相较常规釜式工艺具有过程安全 性,并缩短了釜式反应器的物料混合时间。
[0008] 微反应器技术在开发过程中也呈现出新的亟待解决的问题。在受限的快速反应工 艺下,微反应器性能略显不足,特别是当微反应器并行放大后(多片叠加),对于气液反应 过程,如CO 2吸收,在气-液流动通道结构相似条件下,气液粘性力的巨大差异和界面张力 作用等使两相均匀分布成为难点。即便是液-液过程,为达到较优的分布,微反应器空速更 高,停留时间更短,导致反应不完全。

【发明内容】

[0009] 本发明人发现,在不改变现有微反应器结构基础上,通过在微反应器出口管道内 安装较小的静态混合内构件可消除微反应器放大后的分布问题,强化现有微反应器内流体 混合;内构件同时起到继续混合与反应的作用。详细的技术方案如下:
[0010] 使二种以上流体先在微反应器中混合并完成部分反应,形成包括反应物和产物的 混合流体,使该混合流体在流出微反应器后,进一步流经填充有内构件的管式反应器,其 中:微反应器由层叠式的并行芯片构成,每层芯片上蚀刻有并行微通道,微通道的特征尺 度为0. l-2mm,所有并行微通道在微反应器出口处互相连通;管式反应器直接与微反应器 连接,内构件为含孔的泡沫金属、陶瓷或石英材料的网状结构,泡沫金属或泡沫陶瓷具有互 相连通的孔结构,通孔率> 98%,孔隙率60%~98%,内构件每英寸长度上的孔数(简称 PPi)为5-130,孔径可以在0. 1~5mm间选择。
[0011] 所述的微反应器的并行芯片采取分布式层叠装配,功能相同的一类芯片在结构和 尺寸上是相同的;功能相同的一类芯片上的并行微通道或用于一种流体分布,或用于二种 以上流体的混合与反应,即一类芯片用于第一种流体分布,另一类芯片用于第二种流体分 布和两种流体的混合与反应,流体在微反应器中的混合与反应是独立并行进行,形成的包 括反应物和产物的混合流体在微反应器出口处合并。
[0012] 本发明中,管式反应器内构件优选为圆柱体结构,内构件处的管道内径可以与主 管道内径不同,以容纳不同大小的内构件。明显地,圆柱体内构件底径应略小于内构件处的 管道内径,并将其固定安装于管道内,内构件孔径、长度等根据系统压降要求选择。由微反 应器和管式反应器串联构成的反应器系统阻力控制在IMPa以内。
[0013] 在本发明的方法中,微反应器与含有内构件的管式反应器紧密顺序连接,所述的 管道优选采用标准管,如DN15、DN25、DMO等,以法兰或其它接口形式连接在微反应器出 口,并将具有所述孔大小和长度的内构件穿过法兰等接口,固定安装于微反应器出口连接 的标准管道内。内构件以两种方式强化微反应器内的流体混合与反应:一是内构件自身流 动阻力使多种流体在微反应器内更均匀地分布;二是内构件为网状结构的通孔,具备较佳 的传质效果。
[0014] 本发明所述方法用于CO2胺法化学吸收过程(流体为含有CO2的气体与有机胺溶 液)或液相SO 3磺化石油馏分生产石油磺酸盐(流体为SO3和石油馏分)反应过程。一个 具体的实例是用于IONm 3ACO2混合气体捕集,和1万吨规模石油磺酸盐微通道技术示范生 产。
[0015] 发明效果
[0016] 本发明为解决微反应器并行放大分布问题提供了实时有效的方法,避免了复杂的 微反应器结构优化设计过程。结合含有内构件的管式反应器后,对于IONm 3ACO2-合气体 捕集过程,气体吸收率提高到97-99%。对于液-液反应的石油磺酸盐生产过程,IOPPi的 内构件管道反应器的加入,使该过程可在单级反应模式下运行,简化操作并降低系统阻力, 内构件阻力特性只占全系统的10-20%。
【附图说明】
[0017] 图1、微反应器与内构件管式反应器连接示意图。
[0018] 图2、内构件孔结构。A为泡沫金属,IOPPi ;B为泡沫陶瓷,30PPi。
[0019] 图3、过程强化I -IONmVhCO2混合气体捕集过程,气体吸收率、压降、液气比、负荷 关系曲线。
【具体实施方式】
[0020] 下面参照【具体实施方式】,描述本发明的特征和优点。
[0021] 本发明所述的微反应器特别指多片叠加的微反应器,可称为叠层式微反应器,共 性特征是具有并行的反应通道,如图1中的11、12、…16等即为本发明所指的并行反应通 道,并行的反应通道在出口端互相连通,形成腔体2。反应通道具有现有微通道结构的一般 性尺寸,即0. l-2mm,在本发明中主要指大约0. 5-1. 5mm的特征尺度,以便于采用化学刻蚀 法加工;对于应用于较大规模的微反应器设备,层流流动情况下其阻力特性与特征尺度的 4次方成反比,稍大的特征尺度可显著降低微反应器阻力。另一个共性特征是所述的微反应 器具有小体积,流体在微反应器内高速流过,停留时间短。在CO
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