高剪切旋转固定床反应器的制作方法

专利名称：高剪切旋转固定床反应器的制作方法
技术领域：
总的来说，本发明涉及非均相催化反应。更具体来说，本发明涉及用于将反应 物与催化剂相接触、由此获得所需产物的装置和方法。
背景技术：
涉及液体、气体和固体的化学反应的速率取决于接触时间、温度和压力。在需 要将不同相(例如固相和液相，液相和气相，固相、液相和气相)的两种或多种原材料进 行反应的情况下，控制反应速率的限制因素之一是反应物的接触时间。当反应速率加速 时，可以减少停留时间，从而增加可获得的通量。在非均相催化反应的情况下，存在着使反应过的产物从固体催化剂表面移除以 允许催化剂催化其他反应物这一附加的限速因素。反应物和/或催化剂的接触时间通常 由向参与化学反应的反应物提供接触的混合来控制。不受理论的限制，在乳液化学中已知分散在液体中的亚微米粒子或气泡主要通 过布朗运动效应进行运动。这些亚微米尺寸的粒子或气泡在通过固体催化剂粒子的边界 层时可能具有更高的移动性，从而通过增加反应物的运输促进和加速催化反应。在浆液反应器和固定床反应器中使用小尺寸固体催化剂粒子存在困难。例如， 在待催化的反应高度放热(例如气体向液体烃类的费-托(Fischer-Tropsch)转化)的情况 下，由于不能适当地控制反应器的温度，固定床操作可能是不适合的。浆液操作可以克 服温度控制问题，但同时存在着在催化剂再循环、处理和/或再生以及产品销售或进一 步加工之前，将小的催化剂粒子与产物分离开的问题。因此，在工业上对用于将反应物与固相催化剂相接触的改进的装置、系统和方 法，存在着需求。

发明内容
本文公开了包含至少一个接触表面的反应器，所述接触表面由催化剂制成、涂 层或浸渍，其中接触表面包含烧结金属或陶瓷。反应器可以包含至少一个转子和至少一 个定子。接触表面可以包含所述至少一个转子的至少一部分、所述至少一个定子的至少 一部分、或所述至少一个转子和至少一个定子二者的至少一部分。在实施方案中，所述 至少一个转子能以至少22.9m/S(4,500ft/min)的尖端速度旋转，其中尖端速度被定义为 ^Dn,其中D是转子的直径，η是旋转频率。在实施方案中，所述至少一个转子能以至 少40.1m/S(7,900ft/min)的尖端速度旋转。在实施方案中，所述至少一个转子能以至少 225m/S(44,200ft/min)的尖端速度旋转。在实施方案中，所述至少一个转子与所述至少一个定子由1μιη(0.00004英寸)到约4mm(0.016英寸)范围的剪切间隙隔开，其中剪切间 隙是转子与定子之间的最小距离。在实施方案中，运行过程中由所述至少一个转子的旋 转所提供的剪切速率是至少20,000s—1，其中剪切速率被定义为尖端速度除以剪切间隙， 其中尖端速度被定义为nDn，其中D是转子的直径，η是旋转频率。 在实施方案中，反应器包含至少两个由催化剂制成、涂层或浸渍的接触表面。 至少一个接触表面可以由与至少一个其它接触表面不同的催化剂制成、涂层或浸渍。反 应器可以包含至少一个转子和至少一个定子，其中所述至少一个转子包含至少一个转子 尖端环，所述至少一个定子包含至少一个定子尖端环，其中转子尖端和定子尖端形状互 补，并且其中所述至少一个接触表面包含所述至少一个转子环的至少一部分、至少一个 定子环的至少一部分、或两者。在实施方案中，所述至少一个定子环的至少一部分由催 化剂制成、涂层或浸渍，所述至少一个转子环的至少一部分由不同催化剂制成、涂层或 浸渍。在实施方案中，反应器包含至少两组形状互补的转子/定子环，并且一组环的接 触表面由与另一组转子/定子环的接触表面不同的催化剂制成、涂层或浸渍。在某些应 用中，反应器包含至少两个发生器，其中每个发生器包含转子和形状互补的定子。第 一个发生器的接触表面可以由与第二个发生器的接触表面不同的催化剂制成、涂层或浸 渍。由一个发生器提供的剪切速率可以大于、小于或等于由另一个发生器提供的剪切速 率。在实施方案中，催化剂选自加氢催化剂、羟基化催化剂、部分氧化催化剂、加氢脱 硫催化剂、加氢脱氮催化剂、加氢精制催化剂、重整催化剂、水合催化剂、加氢裂化催 化剂、费-托催化剂、脱氢催化剂和聚合催化剂。本文还公开了用于执行非均相催化反应的系统，系统包含至少一个反应器，所 述反应器包含至少一个由催化剂制成、涂层或浸渍的接触表面，其中接触表面包含烧结 金属或陶瓷；以及被构造成用于将反应物投送到所述至少一个反应器的泵。在实施方案 中，系统包含至少两个反应器，所述反应器包含至少一个由催化剂制成、涂层或浸渍的 接触表面，其中接触表面包含烧结金属或陶瓷。本文还公开了执行非均相催化反应的方法，所述方法包括在促进所需产物生产 的条件下将反应物导入反应器，所述反应器包含至少一个由催化剂制成、涂层或浸渍的 接触表面，其中接触表面包含烧结金属或陶瓷；以及在反应器内形成反应物的分散体， 其中分散体包含反应物小滴或气泡。分散体中的反应物小滴或气泡的平均直径可以小于 或等于约5 μ m。反应器可以包含至少两个由催化剂制成、涂层或浸渍的接触表面。至少一个 接触表面可以由与至少一个其它接触表面不同的催化剂制成、涂层或浸渍。在实施方 案中，反应器包含至少两个发生器，其中每个发生器包含转子和形状互补的定子，并且 其中第一个发生器的接触表面由与第二个发生器的接触表面不同的催化剂制成、涂层或 浸渍。催化剂可以选自加氢催化剂、羟基化催化剂、部分氧化催化剂、加氢脱硫催化 齐 、加氢脱氮催化剂、加氢精制催化剂、重整催化剂、水合催化剂、加氢裂化催化剂、 费-托催化剂、脱氢催化剂、聚合催化剂或其组合。反应器还可以包含由剪切间隙隔 开的至少一个转子和至少一个定子，所述剪切间隙是所述至少一个转子与所述至少一个 定子之间的最小距离，并且方法还可以进一步包含使反应物经受至少20,000。的剪切速 率，其中剪切速率被定义为尖端速度除以剪切间隙，其中尖端速度被定义为nDn，其中D是至少一个转子的直径，η是旋转频率。在实施方案中，使反应物经受至少20,000。的 剪切速率，在至少一个转子的叶尖端产生了至少约1034.2MPa(150,OOOpsi)的局部压力。 在实施方案中，在使反应物经受剪切的过程中，反应器的能量消耗大于每立方米内部流 体1000瓦特。接触表面可以包含所述至少一个转子的至少一部分、所述至少一个定子的 至少一部分或二者的至少一部分。所述至少一个转子可以包含至少一个转子尖端环，和 /或所述至少一个定子可以包含至少一个定子尖端环。转子尖端和定子尖端可以形状互 补。所述至少一个接触表面可以包含所述至少一个转子环的至少一部分、所述至少一个 定子环的至少一部分、或两者。在实施方案中，所述至少一个定子环的至少一部分由催 化剂制成、涂层或浸渍，所述至少一个转子环的至少一部分由不同催化剂制成、涂层或 浸渍。反应器可以包含至少两组形状互补的转子/定子环。一组环的接触表面可以由与 另一组转子/定子环的接触表面不同的催化剂制成、涂层或浸渍。

使反应物经受至少20,000。的剪切速率可以包括使所述至少一个转子以至少 22.9m/s(4,500ft/min)的尖端速度旋转，其中尖端速度被定义为η Dn，其中D是转子的 直径，η是旋转频率。在实施方案中，所述至少一个转子以至少40.1m/S(7,900ft/min) 的尖端速度旋转。在实施方案中，所述至少一个转子以至少225m/S(44,200ft/min)的 尖端速度旋转。所述至少一个转子与所述至少一个定子由lym(0.00004英寸)到约 4mm(0.016英寸)范围的剪切间隙隔开，其中剪切间隙是转子与定子之间的最小距离。 反应器可以包含至少两个发生器，其中每个发生器包含转子和形状互补的定子。在应用 中，由一个发生器提供的剪切速率大于由另一个发生器提供的剪切速率。在实施方案 中，第一个发生器的接触表面由与第二个发生器的接触表面不同的催化剂制成、涂层或 浸渍。上面描述的方法或系统的某些实施方案，通过提供减少的催化剂用量、允许提 高流体通量、允许在较低温度和/或压力下运行、和/或降低资金和/或运行成本，潜在 提供了整体成本的降低。在下面的详细描述和附图中，这些以及其他的实施方案和可能 的优点将变得明显。


为了更详细地描述本发明的优选实施方案，现在将参考附图，其中图1是根据本公开的实施方案的旋转固定催化剂床系统的示意图，其包含外部 高剪切力分散。图2是在系统的实施方案中使用的多级旋转固定床的纵向剖面图。符号和术语在本文中使用时，术语“分散体”是指包含至少两种不容易混合和溶解在一起 的可区别物质(或“相”)的液化混合物。在本文中使用时，“分散体”包含“连续” 相(或“基质”)，其在其中保有另一相或物质的不连续小滴、气泡和/或粒子。因此， 术语分散体可以是指含有悬浮在液体连续相中的气泡的泡沫，其中第一种液体的小滴分 散在由与第一种液体不混溶的第二种液体构成的整个连续相中的乳液，以及其中遍布固 体粒子的连续液体相。在本文中使用时，术语“分散体”包涵遍布气泡的连续液体相、 遍布固体粒子(例如固体催化剂)的连续液体相、遍布基本上不溶于连续相中的第二种 液体的小滴的第一种液体连续相，以及遍布固体粒子、不混溶液体小滴和气泡中任一种或组合的液体相。因此，取决于所选择的用于组合的材料的性质，分散体在某些情况下 (例如液/液相)可以作为均质混合物存在，或作为非均质混合物存在(例如气/液、固 /液或气/固/液)。
首字母缩写词“RFB”表示“旋转固定床反应器”。本文中使用的术语“旋转 固定床反应器”是指包含至少一个旋转元件并含有由催化剂制成、涂层或浸渍的接触表 面的反应器。在词组“旋转固定床反应器”中使用“固定”表示催化剂“固定”到或 构成接触表面，因此不能自由地沿着流动路径(在图2中由箭头260标出)移动。在某 些情况下，催化剂是不旋转的，例如由催化剂制成、涂层或浸渍的接触表面可以是转子/ 定子装置中定子的至少一部分。或者，固定催化剂可以绕着轴260如箭头265所指方向 或与该方向相反旋转，例如由催化剂制成、涂层或浸渍的接触表面可以是转子/定子装 置中转子的至少一部分。
词组“接触表面”被用于指称与通过旋转固定床的流体进行接触的RFB的任何 部件或部分。接触表面可以是一部分或整个转子、一部分或整个定子。例如，接触表面 可以是转子外周环或转子环表面的全部或一部分，或定子环或定子环表面的全部或一部 分。
术语“陶瓷”被用于指称通过非金属矿物例如粘土的造型和随后在高温下煅烧 而形成的各种坚硬、易碎、耐热和耐腐蚀材料中的任一种。物体例如陶器、瓷器和瓷砖 通常由陶瓷制成。
“烧结”被用于指称由粉末制造物体的方法，所述方法包括加热所述材料(低于 其熔点)直到其粒子彼此粘附。在烧结过程中，两种或多种最初不同的粒子之间焊接在 一起和接触面的增长，一般在低于熔点并高于绝对熔点的一半的温度下进行。烧结传统 上用于从陶瓷氧化物的煅烧制造陶瓷物体，也用于粉末冶金中。
术语“烧结的材料”将在本文中用于包涵金属和陶瓷材料二者。“烧结的材 料”包括但不意味着限于含铁(低和高合金钢)和不含铁(轻质和重质)合金、稀土金属 间化物、陶瓷(氧化物和非氧化物)和金属陶瓷。
词组“粉末冶金”被用于指称被用来从多种多样的金属和合金粉末制造简单或 复杂形状的部件的金属加工工艺。工艺包括粉末的造型和随后通过加热和/或机械加工 使各个粒子结合。粉末冶金可以是高度灵活和自动化的工艺，它是环境友好的、具有相 对低的能量消耗和高的材料利用水平。粉末冶金可以被用于以低成本制造具有精密公差 的高质量部件。粉末冶金加工涵盖广泛的含铁和不含铁合金粉末、陶瓷粉末以及金属和 陶瓷粉末的混合物(复合粉末)。粉末冶金工艺可以包括压制和烧结、粉末注模和全密度 加工。一般来说，探明有许多用途的、通过压制和烧结制成的部件不需要进一步处理。 这样的部件典型地包含孔。部件的性质、公差和表面精整可以通过二次操作进行调整， 所述二次操作例如再压制、再烧结、机械加工、热处理、各种表面处理或这些二次加工 的组合。孔径和/或渗透性可以通过已知手段来控制，例如通过掺入在物件形成后能够 用酸或其他手段溶解的可滤出粒子。
不论加工途径如何，通过粉末冶金进行的部件制造从粉末形式的原材料开始。 “粉末”是分得很细的固体，一般来说其最大尺寸小于约Imm(0.04英寸)。有4种主要方法可用于产生金属粉末机械粉碎，化学反应，电解沉积和液体-金属雾化。金属粉末可以采取多种形状。粒子形状影响粉末的表面积、其渗透性和流动及其压缩后的密 度。粉末的化学组成和纯度也影响粉末的压缩行为。 详细描述篮述利用反应物与含有固体催化剂的旋转结构的高剪切接触进行催化反应的系 统和方法，包含了外部高剪切机械装置，以在反应器/混合器装置中的受控环境中提供 反应物的快速接触和混合。包含本文描述的外部旋转固定床(RFB)或混合器的反应器组 合件可以减少质量传递限制，从而使催化反应更紧密接近动力学极限。加强的混合也可 以使反应区中的温度均勻。通过使用高剪切增强混合可以允许增加通量和/或相对于常 规方法使用减少量的催化剂。在阅读本公开并浏览附图后，所公开的系统和方法的其他用途将变得明显。尽 管在下面的描述中可以提出具体的实例，但也可以设想其他的实施方案。本文描述的实 施方案仅仅是示例性的，而不打算是限制性的。例如，高剪切旋转固定床系统和方法可 用于各种各样的非均相催化反应，这在读了下面的描述后将变得明显。各种大小、尺 寸、数量、体积、速率和其他数值参数和数字的使用是为了说明和示例本发明的原理， 而不打算将本发明限制于本文中说明、描述或以其它方式陈述的数值参数和数字。同 样，除非专门说明，否则步骤的次序不被认为是关键的。下面讨论的实施方案的不同教 授内容可以独立地或以任何适合的组合使用，以产生所需结果。 通过高翦切使反应物与非均质催化剂讲行接触的系统现在将参考图1描述高剪 切旋转固定催化剂床系统，该图是高剪切系统100的实施方案的工艺流程图。代表性系 统的基本组件包括外部高剪切旋转固定床(RFB) 40和泵5。RFB 40包含至少一个由催化 剂制成、涂层或浸渍的表面。这些组件中的每个在下面更详细地进一步描述。管线21 连接到泵5，用于将反应物导入泵5。管线13将泵5与RFB 40相连，线10将产物带出 RFB 40。如果需要，在流动管线10与RFB 40之间，或在泵5或RFB 40前面，可以引 入其他组件或工艺步骤，这在读了下文中高剪切工艺的描述后将变得明显。例如，管线 20可以从流动管线10连接到管线21或管线13，使得流动管线10中的流体可以重新循环 到RFB 40。产物可以经流动管线10从系统100中移除。流动管线10是来自RFB 40的 产物液体和气体和任何未反应的反应物在其中流动的任何管线。高剪切旋转固定床外部高剪切旋转固定床(RFB)40，有时也被称为旋转固定床 或高剪切旋转混合装置，被构造成经管线13接收含有反应物的入口料流。或者，RFB 40 可以被构造成经独立的入口管线接收反应物。尽管在图1中只显示了一个RFB，但应该 理解，系统的某些实施方案可以包含串联或并联流动排列的两个或多个RFB。RFB 40是一种利用了一个或多个发生器的机械装置，所述发生器包含转子/定 子组合，其每个都在定子与转子之间具有间隙。每个发生器组中定子与转子之间的间隙 可以是固定的或可以是可调整的。RFB40的构造方式使得它能够在旋转速度下使反应物 与催化剂在其中有效接触。RFB包含外罩或外壳，使得其中流体的压力和温度可以被控 制。高剪切混合装置根据其混合流体的能力一般被分为三大类。混合是减小流体中 粒子或非均质物类的尺寸的过程。混合的程度或充分性的一种度量，是混合装置产生用 于破裂流体粒子的每单位体积的能量密度。类别根据投送的能量密度来区分。三类具有足够的能量密度以稳定地产生粒度在亚微米到50微米范围内的混合物或乳液的工业混 合器，包括均化阀系统、胶体磨和高速混合器。在被称为均化阀系统的第一类高能装置 中，将待处理的流体在非常高的压力下泵过狭缝阀，进入压力较低的环境中。跨阀的压 力梯度以及所产生的湍流和空化作用发挥作用，以打破流体中的任何粒子。这些阀系统 最通常是用于牛奶均化中，可以产生亚微米到约1微米范围的平均粒度。

在能量密度谱的另一端是被称为低能装置的第三类装置。这些系统通常具有在 待加工流体的储液器中以高速转动的桨叶或流体转子，其更常见的许多应用是食品。这 些低能系统习惯上用于处理过的流体中可以接受大于20微米的平均粒度的情况中。根据投送到流体的混合能量密度，介于低能装置和均化阀系统之间的是胶体磨 和其它高速转子-定子装置，它们被分类为中能装置。典型的胶体磨的构造包括圆锥形 或圆盘形转子，其与互补的、液体冷却的定子之间隔开紧密控制的转子-定子间隙，该 间隙通常在0.025mm到IOmm(0.001-0.40英寸)之间。转子通常由电动马达通过直接驱 动或皮带机械加以驱动。当转子以高速转动时，它将流体泵到转子的外表面与定子的内 表面之间，在间隙中产生的剪切力对流体进行加工。许多适当调整的胶体磨能够在被加 工的流体中达到0.1到25微米的平均粒度。这些能力使得胶体磨适合于多种应用，包括 胶体和油/水基乳液的加工，例如化妆品、蛋黄酱、或有机硅/银汞齐形成所需的加工， 到屋面浙青的混合。RFB包含至少一个旋转元件，其产生施加于其中的反应物的机械力。RFB包含 由间隙分隔开的至少一个定子和至少一个转子。例如，转子可以是圆锥或圆盘形状，并 可以与形状互补的定子分隔开。在实施方案中，转子和定子二者都含有多个外周隔开的 环，所述环具有形状互补的尖端。环可以包含环绕转子或定子的单一表面或尖端。在实 施方案中，转子和定子二者都含有2个以上外周隔开的环、3个以上环或4个以上环。例 如，在实施方案中，三个发生器中的每个包含各具有3个互补环的转子和定子，由此被 加工的材料穿越RFB 40后经过了 9个剪切间隙或级。或者，三个发生器中的每个可以包 含4个环，由此被加工的材料通过RFB 40后经过了 12个剪切间隙或级。在某些实施方 案中，定子是可调整的，以在每个发生器(转子/定子组)的转子与定子之间获得所需的 剪切间隙。每个发生器可以由任何适合的驱动系统驱动，所述系统被配置用来提供所需 的转动。在某些实施方案中，RFB 40含有单级分散室(即单转子/定子组合，单高剪切 发生器)。在某些实施方案中，RFB 40是内置式多级分散器，并含有多个发生器。在 某些实施方案中，RFB 40含有至少两个发生器。在其它实施方案中，RFB 40含有至少 3个发生器。在某些实施方案中，RFB 40是多级混合器，因此剪切速率(正如上面提到 的，其与尖端速度成正比变化，与转子/定子间隙宽度成反比变化)沿着流动途径随着纵 向位置而变化，正如在下文进一步描述的。根据本公开，RFB 40中的至少一个表面由催化剂制成、浸渍或涂层，所述催化 剂适合于催化所需反应。例如，在实施方案中，至少一个转子、至少一个定子或至少一 个转子/定子组(即至少一个发生器)的全部或一部分由适合的催化剂制成、涂层或浸 渍。在某些应用中，可能希望使用两种或多种不同催化剂。在这种情况下，发生器可以 包含由第一种催化剂材料制成、浸渍或涂层的转子，并且发生器的相应的定子可以由第二种催化剂材料制成、涂层或浸渍。或者，转子的一个或多个环可以由第一种催化剂制 成、涂层或浸渍，并且转子的一个或多个环可以由第二种催化剂制成、涂层或浸渍。或 者，定子的一个或多个环可以由第一种催化剂制成、涂层或浸渍，并且定子的一个或多 个环可以由第二种催化剂制成、涂层或浸渍。定子、转子或二者的接触表面的全部或一 部分可以由催化剂材料制成或涂层。 例如，作为非限制性的例子，本公开的装置和方法可用于从含有轻质气体例如 甲烷、乙烷、丙烷、丁烷、甲醇、二氧化碳及其组合的气体生产液体产物。在这种情况 下，接触表面可以由分解二氧化碳的钴铁氧体或羰基钌制成、涂层或浸渍，另一个接触 表面可以由催化剂例如用于甲烷脱氢的钯二氧化硅制成、涂层或浸渍。在这种情况下， 发生器的转子和定子可以各自含有不同的催化剂，定子的分开的环或其部分可以含有不 同催化剂，转子的分开的环或其部分可以含有不同催化剂，或一个发生器可以含有一种 催化剂，另一个发生器含有另一种催化剂。RFB 40的接触表面可以由多孔烧结催化剂材料例如钼制成。在实施方案中，接 触表面涂有多孔烧结催化材料。在应用中，RFB 40的接触表面涂有烧结材料或由烧结材 料制成，然后用所需催化剂浸渍。烧结材料可以是陶瓷或可以由金属粉末制成，例如不 锈钢或拟薄水铝石。烧结材料的孔可以在微米或亚微米范围内。可以对孔径进行选择以 便获得所需的流动和催化效果。较小的孔径可以使包含反应物的流体与催化剂之间的接 触改善。通过改变多孔材料(陶瓷或烧结金属)的孔径，可以将催化剂的可用表面积调 整到所需值。烧结材料可以包含例如从约70体积％到约99体积％的烧结材料，或从约 80体积％到约90体积％的烧结材料，其余体积由孔占据。尽管本讨论的焦点是针对含有由催化剂制成、涂层或浸渍的接触表面的RFB作 出的，但对于本技术领域的专业人员来说，在读过本说明书后，可以明白烧结金属催化 剂涂层的接触表面可用于非高剪切应用中。作为非限制性的实例，含有由催化剂制成、 涂层或浸渍的接触表面的反应器，可用于代替含有催化剂固定床、催化剂浆料或催化剂 流化床的常规反应器。可能希望在RFB 40的每一级中具有不同孔隙度。例如，在烃类的链延长同系化 (chain lengthening homologation)中，第一个发生器中的平均孔径可以小于第二个发生器
中的平均孔径，并沿着流动路径依此类推。或者，发生器中环的第一级中的平均孔径可 以小于或大于发生器中环(转子/定子尖端)的第二级或后一级中的平均孔径。或者， 当两个或多个RFB串联连接时，第一个RFB中的烧结材料的平均孔径可以小于或大于第 二个或后一个RFB中烧结材料的平均孔径，依此类推。为了例如维持增长的链长度并允 许液体产物通过RFB，可能希望沿着流动路径使用的第二个RFB所含有的烧结材料具有 比第一个RFB更大的平均孔径。例如，沿着流动路径，平均孔径可以从亚微米增加到微 米到10微米到100微米或其间的任何范围；或反之亦然。一般来说，希望由转子/定子的尖端界定的环不含开口(即齿或沟槽)，以便基 本上所有的反应物被迫通过烧结材料的孔，而不能由于经过一般在常规分散器中存在的 任何开口或沟槽而绕过催化剂。通过例如这种方式，反应物将被迫通过烧结材料，从而 被迫与催化剂接触。在实施方案中，制造接触表面的烧结材料包含不锈钢或青铜。烧结材料(烧结金属或陶瓷)可以被钝化，然后向其施加催化剂。催化剂可以通过本技术领域已知的任 何手段施加。然后可以将接触表面煅烧以产生金属氧化物(例如不锈钢)。第一种金属 氧化物(例如不锈钢氧化物)可以用第二种金属涂层，并再一次煅烧。例如，不锈钢氧 化物可以用铝涂层并煅烧，以产生氧化铝。后续的处理可以提供另一种材料。例如，氧 化铝可以用硅涂层并煅烧，以提供二氧化硅。可以利用若干煅烧/涂层步骤来提供所需 的接触表面和催化剂。通过这种方式，制成接触表面或涂覆接触表面的烧结材料可以用 各种各样的催化剂浸渍。另一种涂层技术是例如金属气相沉积或化学气相沉积，例如典 型用于硅晶片的金属涂层的金属气相沉积或化学气相沉积。 在实施方案中，烧结的金属接触表面(例如转子或定子的)用材料进行处理。 例如原硅酸四乙酯(TEOS)。在真空蒸发后，TEOS可以保留在表面的孔中。可以使用 煅烧将TEOS转化成二氧化硅。对于所有所需的金属催化剂，可以重复该浸渍步骤。在 形成、涂层或浸渍后，可以按照制造商的方案对催化剂进行活化。例如，可以通过与活 化气体例如氢气接触来活化催化剂。基础材料可以是硅或铝，它们在煅烧后被分别转化 成氧化铝和二氧化硅。适合的催化剂，包括但不限于铼、钯、铑等，可以随后浸渍到孔 中。在某些实施方案中，定子与转子之间的最小间隙(剪切间隙宽度)在从约 0.025mm(0.001英寸)到约3mm(0.125英寸)的范围内。在某些实施方案中，定子与转 子之间的最小间隙(剪切间隙宽度)在从约1 μ m(0.00004英寸)到约3mm(0.012英寸) 的范围内。在某些实施方案中，定子与转子之间的最小间隙(剪切间隙宽度)小于约 10 μ m (0.0004英寸)、小于约50 μ m (0.002英寸)、小于约100 μ m (0.004英寸)、小于约 200 μ m(0.008英寸)、小于约400 μ m(0.016英寸)。在某些实施方案中，定子与转子之 间的最小间隙(剪切间隙宽度)约为1.5_(0.06英寸)。在某些实施方案中，定子与转 子之间的最小间隙(剪切间隙宽度)约为0.2mm(0.008英寸)。在某些实施方案中，定 子与转子之间的最小间隙(剪切间隙)为至少1.7mm(0.07英寸)。由RFB产生的剪切速 率可以随着沿流动路径的纵向位置而变。在某些实施方案中，转子被设定为以与转子的 直径和所需的尖端速度相称的速度旋转。在某些实施方案中，RFB具有固定的定子与转 子之间的间隙(剪切间隙宽度)。或者，RFB具有可调整的间隙(剪切间隙宽度)。剪 切间隙可以在从约5微米(0.0002英寸)到约4mm(0.016英寸)的范围内。尖端速度是每单位时间中转子的尖端所经过的外周距离。因此，尖端速度是转 子直径和旋转频率的函数。尖端速度(例如米/分钟)可以通过用转子尖端所转换的外 周距离2JIR、其中R是转子的半径(例如米)，乘以旋转频率(单位为例如转/分钟， rpm)来计算。旋转频率可以大于250rpm、大于500rpm、大于lOOOrpm、大于5000rpm、 大于7500rpm、大于10,000rpm、大于13,000rpm或大于15,000rpm。可以调整旋转频率、 流速和温度以得到所需的产物分布(product profile)。如果发生沟流，并且一些反应物未 反应就通过，那么可以增加旋转频率以最小化不想要的沟流。替代或附加，未反应的反 应物可以被导入第二个或后面的RFB 40中，或一部分未反应的反应物可以与产物分离并 重新循环到RFB 40。例如，胶体磨可以具有超过22.9m/s(4500ft/min)的尖端速度，并且在某些应 用中可以超过 40m/s(7900ft/min)、50m/s(9800ft/min)、100m/s(19,600ft/min)、150m/s(29,500ft/min)、200m/s (39,300ft/min)或甚至 225m/s(44,300ft/min)。出于本公开的目 的，术语“高剪切”是指尖端速度能够超过5.1m/S(1000ft/min)、并需要外部机械驱动电 力装置将能量驱动到待反应的产物流中的机械转子定子装置(例如胶体磨或转子_定子分 散器)。通过将反应物与可以由固定的催化剂制成、涂层或浸渍的旋转元件相接触，向反 应输送了大量能量。特别是在反应物是气体的情况下，RFB 40的能量消耗将会非常低。 可以调整温度以控制产物的分布图并延长催化剂寿命。 在RFB 40中，可以获得超过22.9m/s(4500ft/min)的尖端速度，并可以超过 225m/s(44,200ft/min)。在某些实施方案中，RFB 40 能够以至少 22.9m/s(4500ft/min)的 尖端速度输送至少300L/h。功率消耗可以是约1.5kW。RFB 40将高的尖端速度与非常 小的剪切间隙相组合，在被加工的材料上产生了显著的剪切。剪切的量将取决于RFB 40 中流体的粘度。因此，在高剪切旋转固定床的运行过程中，在转子尖端处产生了压力和 温度升高的局部区域。在某些情况下，局部升高的压力是约1034.2Mpa(150,OOOpsi)。在 某些情况下，局部升高的温度是大约500°C。在某些情况下，这些局部的压力和温度升高 可以持续纳秒或皮秒。输入到流体中的能量的近似值(kW/L/min)可以通过测量马达能量(kW)和流体 输出(L/min)来估算。正如上面提到的，尖端速度是与产生施加于流体的机械力的一个 或多个旋转元件的末端有关的速度(ft/min或m/s)。在实施方案中，RFB 40的能量消耗 大于1000W/m3内部流体。在实施方案中，RFB 40的能量消耗在大约3000W/m3到大约 7500W/m3的范围内。剪切速率是尖端速度除以剪切间隙宽度(转子和定子之间的最小间隙)。在 RFB 40中产生的剪切速率可以大于20,000。。在某些实施方案中，剪切速率是至少 40,000s"1 ο在某些实施方案中，剪切速率是至少ΙΟΟ,ΟΟΟ。。在某些实施方案中，剪切速 率是至少500,000。。在某些实施方案中，剪切速率是至少1,000,000。。在某些实施方 案中，剪切速率是至少1,600,OOOs—1。在某些实施方案中，剪切速率是至少β,ΟΟΟ,ΟΟΟ。。 在某些实施方案中，剪切速率是至少5,000,000s-1。在某些实施方案中，剪切速率是至 少7,000,000s-1。在某些实施方案中，剪切速率是至少9,000,000s-1。在转子具有较大直 径的实施方案中，剪切速率可以超过约9,000,000s-1。在实施方案中，由RFB 40产生的 剪切速率在20,000s—1到ΙΟ,ΟΟΟ,ΟΟΟ。的范围内。例如，在一个应用中，转子尖端速度 是约40m/s(7900ft/min)，剪切间隙宽度是0.0254mm(0.001英寸)，产生的剪切速率是 Ι,ΘΟΟ,ΟΟΟ。。在另一个应用中，转子尖端速度是约22.9m/s(4500ft/min)，剪切间隙宽度 是0.0254mm(0.001英寸)，产生的剪切速率是约901,600s4。在某些实施方案中，RFB 40包含胶体磨。适合的胶体磨由例如IKA Works， Inc., Wilmington, NC 和 APVNorth America，Inc., Wilmington, MA 制造。在某些情 况下，RFB 40 包括 IKA Works，Inc.的 Dispax Reactor 。在某些实施方案中，外部RFB的每一级具有可互换的混合工具，提供了灵活 性。例如 IKA .(g) Works, Inc. Wilmington, NC 禾口 APV North America, Inc.Wilmington, MA的DR 2000/4Dispax Reactor ，含有三级分散模块。该模块可以包含多达三个转子/
定子组合(发生器)，每一级具有细、中等、粗和超细的选择。这允许剪切速率沿着流动 方向变化。在某些实施方案中，每一级使用超细发生器运转。在某些实施方案中，至少一个发生器组具有大于约5mm(0.2英寸)的转子/定子最小间隙(剪切间隙宽度)。在某 些实施方案中，至少一个发生器组具有约0.2mm(0.008英寸)的转子/定子最小间隙(剪 切间隙宽度)。在备选实施方案中，至少一个发生器组具有大于约1.7mm(0.07英寸)的 最小转子/定子间隙。 在实施方案中，使用了放大版的Dispax反应器。例如，在实施方案中，RFB 40 包括超级DispM反应器DRS 2000。RFB设备可以是具有每小时125,000升的流量的DR 2000/50设备，或具有40,000升/小时流量的DRS 2000/50。因为在DRS设备中停留时 间增加，其中的流体经受了更多的剪切。现在参考图2，其显示了适合的RFB 200的纵 向剖面图。图2的RFB 200是含有三级或转子-定子组合的分散装置。RFB 200是含有 三级或转子-定子组合220、230和240的分散装置。转子-定子组合可以被称为发生器 220、230、240或级，对此没有限制。三个转子/定子组或发生器220、230和240沿着 驱动轴250串联排列。第一个发生器220包括转子222和定子227。第二个发生器230包括转子223 和定子228。第三个发生器240包括转子224和定子229。对于每个发生器来说，转子 由输入250可旋转地驱动，并绕着轴260按箭头265的指示旋转。旋转的方向可以与箭 头265所示相反(例如绕着旋转轴260顺时针或逆时针)。定子227、228和229可以与 RFB 200的壁255固定地连接。正如上文中提到的，每个转子和定子可以包含尖端形状 互补的环，在每个发生器中产生了几个剪切间隙。正如上面讨论的，RFB 40内的接触表面由催化所需反应的适合的催化剂制成、 涂层或浸渍。在实施方案中，每个转子或定子的一个环的接触表面由与转子或定子的另 一个环的接触表面不同的催化剂制成、涂层或浸渍。替代或附加地，定子的一个环的接 触表面可以由与转子上的互补环不同的催化剂制成、涂层或浸渍。接触表面可以是转子 的至少一部分、定子的至少一部分、或二者。接触表面可以例如包含转子的外表面的至 少一部分、定子的内表面的至少一部分或二者的至少一部分。正如上文提到的，每个发生器具有剪切间隙宽度，它是转子和定子之间的最小 距离。在图2的实施方案中，第一个发生器220具有第一个剪切间隙225;第二个发生 器230具有第二个剪切间隙235 ；第三个发生器240具有第三个剪切间隙245。在实施方 案中，剪切间隙225、235、245的宽度在约0.025mm到约IOmm的范围内。或者，方法 包括使用其中间隙225、235、245的宽度在约0.5mm到约2.5mm的范围内的RFB 200。 在某些情况下，剪切间隙宽度被维持在约1.5mm。或者，剪切间隙225、235、245的宽 度对于发生器220、230、240来说是不同的。在某些情况下，第一个发生器220的剪切 间隙225的宽度大于第二个发生器230的剪切间隙235的宽度，后者又大于第三个发生器 240的剪切间隙245的宽度。正如上面提到的，每级的发生器是可以互换的，提供了灵活 性。RFB 200可以被构造成使得沿着流动方向260，剪切速率将纵向逐级增加或降低。发生器220、230和240可以具有粗、中、细和超细的特征，在转子和互补的定 子上具有不同数量的互补环或级。尽管一般不太需要，但转子222、223和224以及定子 227、228和229可以是带齿的设计。每个发生器可以包含两组或多组互补的转子_定子 环。在实施方案中，转子222、223和224包含三组以上互补的转子/定子环。在优选 实施方案中，转子和定子不含齿，从而迫使反应物穿流过烧结材料的孔。
RFB 40可以是大规模或小规模装置。在实施方案中，RFB 40被用于处理从每 小时小于10吨到每小时50吨。在实施方案中，RFB 40处理10吨/h、20吨/h、30吨/ hr、40吨/h、50吨/h或50吨/h以上。大规模设备可以生产1000加仑/h(24桶/h)。 转子的内径可以是任何适合于所需应用的尺寸。在实施方案中，转子的内径从约12cm(4 英寸)到约40cm(15英寸)。在实施方案中，转子的直径约为6cm(2.4英寸)。在实施 方案中，定子的外径约为15cm(5.9英寸)，在实施方案中，定子的直径约为6.4cm(2.5英 寸)。在某些实施方案中，转子的直径是60cm (2.4英寸)，定子的直径是6.4cm (2.5英 寸)，提供了约4mm的间隙。在某些实施方案中，三级中的每一级使用包含许多组互补 的转子/定子环的超细发生器运行。

RFB 200被构造成在入口 205处接收来自管线13的流体混合物。混合物包含反 应物。在实施方案中，反应物是气体。在实施方案中，至少一种反应物是气体和至少一 种反应物是液体。进入入口 205的进料流被顺序泵过发生器220、230、然后是240，以 便形成产物。产物通过出口 210 (以及图1的管线10)离开RFB 200。每个发生器的转 子222、223、224以高速相对于固定的定子227、228、229旋转，提供了高剪切速率。转 子的旋转将流体例如进料流泵进入口 205，向外通过剪切间隙(以及，如果存在的话，通 过转子齿之间的空间和定子齿之间的空间)，产生了局部高剪切条件。作用在流体流过的 剪切间隙225、235和245中(以及如果存在的话，转子齿和定子齿之间的间隙中)的流 体上的高剪切力，加工流体并产生产物。产物可以包含未反应的气体或产物气体在液体 (例如液体产物)的连续相中的分散体。产物经高剪切出口 210 (以及图1的管线10)离 开 RFB 200。在某些情况下，RFB200 包括 IKA Works，Inc.Wilmington, NC 禾口 APV North America, Inc.Wilmington, MA的Dispax Reactor 。有几种型号可用，它们具有各种不同
的入口 /出口连接、马力、尖端速度、输出rpm和流量。RFB的选择取决于通量选择， 以及管线10(图1)中离开RFB 200的出口 210的分散体中的所需粒子、小滴或气泡尺 寸。例如，IKADR 2000/4型，包含皮带驱动、4M发动机、PTFE密封环、入口法兰 (flage) 25.4mm(1英寸)卫生级卡箍、出口法兰19mm(3/4英寸)卫生级卡箍，2HP功率， 输出速率7900rpm，流量(水)大约300-700L/h(取决于发生器)，尖端速度9.4_41m/ s(1850ft/min到8070ft/min)。可以通过使用多个RFB或利用较大的RFB进行规模放大。 使用较大型号的规模放大容易执行，在某些情况下来自较大RFB 40设备的结果与实验室 规模的装置的效率相比，可以提供改进的效率。大规模设备可以是Dispax 2000/设备。 例如，DRS 2000/5设备具有51mm(2英寸)的入口尺寸和38mm(1.5英寸)的出口。当使用大规模装置时，产物分布情况可能改变。例如，在大规模RFB 40中，与 较小规模的设备相比，同系化可能产生较长链的烃类，与小规模生产(其可能产生产物 的倒V型钟形曲线分布)相比具有较宽的产物分布(较宽的钟形曲线)。热交换装置。在系统的修改中，还考虑了外部或内部热交换装置，用于加热待 处理的流体。例如，可以通过本技术领域的专业人员已知的任何方法对反应物进行预 热。一个或多个这种热交换装置的一些合适的位置是在泵5与RFB 40之间、RFB 40与 流动管线10之间，以及当流动管线10中的流体重新循环到RFB 40时在流动管线10与泵 5之间。RFB 40可以包含内部轴，其可以被冷却例如用水冷却，以部分或完全控制RFB40内的温度。这种热交换装置的一些非限制性的实例是壳式、管式、板式和盘管式热交 换器，正如本技术领域中已知的。泵。配置泵5被用于连续或半连续运转，其可以是能够提供通过RFB 40的受控 流动和系统100的任何适合的泵装置。在应用中，泵5提供大于202.65kPa(2atm)的压力 或大于 303.97kPa (3atm)的压力。泵 5 可以是 Roper Pump Company (Commerce Georgia) 的 Roper 1 型齿轮泵，Dayton Electric Co (Niles, IL)的 Dayton 增压泵 2P372E 型是一种适
合的泵。优选，泵的所有接触部件由不锈钢、例如316不锈钢构成。在系统的某些实施 方案中，泵5能够产生高于大约2026.5kPa(20atm)的压力。除了泵5之外，一个或多个 其它的高压泵(未显示)可以包含在图1显示的系统中。例如，在RFB 40和流动管线10 之间可以包含与泵5类似的增压泵，用于升高流动管线10中的压力。高翦切旋转固定床的操作方法。现在将参考图1讨论高剪切旋转固定催化剂系 统100的操作。在从反应物生产产物的操作中，反应物可以经管线21导入到系统100 中。在实施方案中，反应物或追加的反应物直接进料到RFB 40中，或经管线22进 入到管线13中，而不是在管线21中混合。可以操作泵5将反应物泵过管线21，以提供 通过高剪切旋转固定床(RFB)40和高剪切系统100的受控流动。泵5可以建立压力并 为RFB 40供料。在某些实施方案中，泵5将管线13中RFB入口料流的压力增加到超过 200kPa(2atm)或超过约300kPa(3个大气压)。通过这种方式，高剪切系统100可以将高 剪切与压力相组合，以加强反应物的充分混合。反应物在用于使反应物经受高剪切的RFB 40中进行充分混合。反应物可以是 气体、液体或两者。在某些实施方案中，也设想了催化剂可以附加地存在于反应物料 流中。例如，气相或液相催化剂可以经入口管线13、管线21或管线22导入RFB 40。 IKA DR 2000/4型分散器，是一种高剪切的三发生器分散装置，被构造成带有三个串联 排列的转子与定子组合，可用于充分混合反应物。转子/定子组可以构造成例如像图2 中所显示的。反应物混合物可以经管线13进入RFB并进入第一个发生器或转子/定子 组。第一个发生器的转子和定子可以具有外周隔开的形状互补的环。离开第一个发生器 的粗分散体可以进入第二个转子/定子组合或发生器。第二个发生器的转子和定子也可 以包含外周隔开的形状互补的环。从第二个发生器出现的产物和未反应的气体(如果存 在)可以进入第三个转子/定子组合，其可以包含分别具有多个转子环和定子环的转子 和定子。产物(如果是多相的话其可以是分散体)经管线10离开RFB 40。在某些实施 方案中，剪切速率沿着流动方向260纵向逐级增加，或从一个发生器的内环组向同一个 发生器的外环组逐级增加。在其他实施方案中，剪切速率沿着流动方向260纵向逐级降 低，或从一个发生器的内环组向同一个发生器的外环组(从轴200朝外)逐级降低。例如，在某些实施方案中，第一级转子/定子中的剪切速率大于或小于后面级 中的剪切速率。在其它实施方案中，剪切速率沿着流动方向是基本上恒定的，每一级中 的剪切速率基本相同。如果RFB 40包含PTFE密封件，密封件可以使用本技术领域中已知的任何适合 的技术来冷却。RFB 40可以包含在中央的轴，其可用于控制RFB 40中的温度。例如， 水冷却的轴可用于调节和提取由放热反应例如FT转化反应所产生的任何热量。对于吸热反应来说，可以向RFB 40添加热量(经轴或别处，例如RFB 40外部)以促进反应。RFB 40的转子可以被设置为以与转子的直径和所需的尖端速度相称的速度旋 转。如上所述，RFB(例如胶体磨或边缘带齿的分散器)在定子与转子之间具有固定的间 隙，或者具有可调整的间隙。 在某些实施方案中，RFB 40以至少22m/s(4500ft/min)、并且可以超过40m/ s(7900ft/min)、225m/s(45,000ft/min)或以上的尖端速度投送至少300L/h。功率消耗可
以根据需要为约1.5kW或更高。尽管测量RFB 40中的旋转剪切单元或旋转元件的尖端 处的即时温度和压力是困难的，但据估计，在空化条件下，通过充分混合的流体观察到 的局部温度超过500°C，压力超过500kg/cm2。高剪切混合可以产生未反应的和产物气体 和/或液体为微米或亚微米尺寸的气泡或小滴的产物分散体。在某些实施方案中，所生 成的分散体具有小于或等于约5、4、3、2或 μιη的平均气泡或小滴尺寸。在实施方案 中，所生成的分散体具有小于或等于约1.5 μ m的平均气泡或小滴尺寸。因此，经管线10 离开RFB 40的分散体包含微米和/或亚微米尺寸的小滴或气泡。在某些实施方案中，平 均气泡或小滴尺寸在约0.4 μ m到约1.5 μ m的范围内。在某些实施方案中，所生成的分 散体具有小于或约Iym的平均气泡或小滴尺寸。在某些实施方案中，平均气泡或小滴尺 寸小于或约为400nm，并且在某些情况下可以小于或约为lOOnm。在许多实施方案中， 分散体能够在大气压下保持分散至少15分钟。如图1中所示，产物经管线10离开RFB 40。可以使用加热和/或冷却能力(例 如加热器)和温度测量仪器将流动管线10的内含物维持在特定反应温度。可以使用适合 的压力测量仪器，利用本技术领域的专业人员已知的技术监测流动管线中的压力。可以调整温度、压力、空间速度和反应物组成的条件以产生所需的产物分布情 况。使用RFB 40可以允许反应物更好地相互作用和更均勻地混合，因此可以允许增加可 能的通量和/或产物收率。在某些实施方案中，系统100的操作条件包括处于或接近环 境温度的温度和处于或接近大气压的整体压力。因为RFB 40在转子的尖端处提供高的压 力(例如150,OOOpsi)，相对于不存在高剪切的常规反应系统可以降低反应的温度。在实 施方案中，对于同样的反应来说，操作温度低于常规操作温度的约70%，或低于常规操 作温度的约60%，或低于常规操作温度的约50%。在RFD 40内的停留时间典型较低。例如，停留时间可以在毫秒范围内，可以 是约 10、20、30、40、50、60、70、80、90 或约 100 毫秒，可以是约 100、200、300、 400、500、600、700、800或约900毫秒，可以在数秒的范围内，或可以是其间的任何范围。多次通过操作。在图1中显示的实施方案中，系统被构造用于单次通过操作， 其中在RFB 40中产生的产物沿着流动管线10连续。RFB 40的输出可以运行过烧结的催 化装置。在某些实施方案中，可能希望将流动管线10的内含物或其级份在第二次通过过 程中穿过RFB40。在这种情况下，可以将流动管线10的至少一部分内含物从流动管线10 重新循环，并被泵5泵入管线13并由此进入RFB 40。追加的反应物可以经管线22注入 管线13中，或可以直接加入到RFB中。在其他实施方案中，产物在其一部分重新循环 到RFB 40之前被进一步处理。多个RFB。在某些实施方案中，两个或多个如同RFB 40或构造不同的RFB串联排列，用于进一步促进反应。混合器的操作可以采取分批或连续的方式。在某些需要 单次通过或“直通式”过程的情况下，使用多个串联的RFB也可能是有利的。在实施 方案中，反应物以连续或平行的流动通过多个RFB 40。例如，在实施方案中，出口管线 10中的产物进料到第二个RFB。当多个RFB 40串联操作时，追加的反应物可以注入每 个RFB的入口料流中。在某些实施方案中，多个RFB40并联操作，来自它们的出口产物 被导入一个或多个流动管线10。特点。由RFB 40提供的RFB 40内反应物的充分接触，可以导致反应物更快和 /或更完全的反应。在实施方案中，使用所公开的包含通过外部RFB 40混合反应物的工 艺，与常规构造和方法相比允许使用减少量的催化剂，和/或增加了产物收率和/或反应 物的转化。在实施方案中，方法包括将外部RFB 40合并到已建立的工艺中，从而减少实 现期望反应所需的催化剂量，和/或通过例如减少在常规浆液床反应器中更换催化剂所 需的停工时间，与不使用RFB 40操作的工艺相比，能够增加生产通量。在实施方案中， 所公开的方法与现有工艺相比，降低了运行成本和/或增加了产出。或者，所公开的方 法可以降低新工艺设计的资金成本。通过使用旋转固定床反应器，与许多常规工艺相比，催化剂更换(changeout)相 对简单。例如，可以将RFB取下生产线，并在几分钟内更换接触表面、例如更换发生 器。这与例如浆液或固定床形成对比，后者的催化剂更换一般花费几小时到数月才能完 成。由本公开的装置和方法提供的这种停工时间的减少，可以显著增加具体应用的收 益。装置可以模块方式制造，方便运输和安装，即使是在偏远的地点，例如发现“困境 气体(stranded gas)，，的地点。不希望受限于具体理论，据认为高剪切混合的水平或程度可充分增加质量传递 速率，并还产生局部非理想条件(从热力学观点来看)，这能够使根据Gibbs自由能预测 所预计的原本不会发生的反应得以发生。局部非理想条件据认为在RFB内部发生，导 致温度和压力增加，其中增加最显著的被认为是局部压力。RFB中压力和温度的增加是 即时的和局部的，一旦离开RFB后快速返回到主体或平均系统条件。不希望受限于理 论，在某些情况下，RFB可以诱导足够强度的空化作用，将一种或多种反应物解离成自 由基，这可以加剧化学反应或允许反应在严紧性低于原本所需要的条件下发生。空化作 用也可以通过产生局部湍流和液体微循环(声流)，增加运输过程的速率。在化学/物 理学加工应用中运用空化现象的总述，提供在Gogate等的《空化作用新兴的技术》中 ("Cavitation A technology on the horizon, ” ) Current Science 91 (No.l) 35-46(2006)。 本发明的系统和方法的某些实施方案的旋转固定床可以诱导空化作用，由此将一种或多 种反应物解离成自由基，它们然后进行反应。在实施方案中，在转子/定子尖端处的极 端压力导致液相反应，其中不涉及空化作用。示例性应用对于结合了反应物的高剪切接触的系统已经给出了一般性描述，应该了解，所 公开的系统和方法适用于许多反应。常规使用浆液固定流化床中的固体催化剂或其他固 体催化剂配置执行的任何反应，都可以使用本文描述的高剪切旋转固定床反应器进行。 例如，所公开的RFB和方法可以适用于任何非均相催化反应，从催化重整反应到加氢反 应、到部分氧化反应等。使用由催化剂制成、涂层或浸渍的接触表面，在非高剪切应用中可能也是有用的，例如在标准的固定床应用中。例如，催化剂涂层的烧结金属元件在 催化剂的操作和更换等方面相对于常规反应器可能具有一些优势。与非高剪切过程相 比，使用RFB可能允许在较低温度下进行成功的反应，并且可能导致催化剂寿命延长。 从轻质气体生产液体产物所公开的装置、系统和方法可用于从轻质气体例如 二氧化碳、甲烷、乙烷、丙烷、丁烷、甲醇和乙醇生产液体产物，例如高级醇、氧合物 和液体烃类。可以生产烃类。该应用可以缓解全球变暖的一些理论影响因素。全球变暖变得越来越受关注，有名的科学家相信其主要推动力是向大气排放二 氧化碳和其他温室气体。天然气的主要成分甲烷在世界许多地区被烧掉或释放，这是 因为它发现在偏远地区，使其难以经济地利用。燃烧化石燃料用于运输或生产热量和电 力，被普遍认为是二氧化碳排放的主要来源。二氧化碳也存在于许多天然气源中，并典 型地被分离和排放到大气中。本公开的装置和方法可以利用偏远的天然气作为原料。通 过这种方式，轻质气体例如二氧化碳和甲烷可以反应以产生醇类和/或醛。在由RFB 40 提供的非常不理想环境的反应环境中，可以通过克服不利的反应热力学来产生醇类和/ 或酸。在这样的实施方案中，轻质气体被转化成烃类和/或有机氧合物。系统和方法 可用于生产适用于驱动传统内燃机的烃类或烃类混合物、或适合于进一步工业加工或其 他商业用途的烃类。中间产物例如甲醇或甲醚也可以通过本文公开的方法来产生。在实 施方案中，总体过程包括将选自二氧化碳、甲烷、乙烷、丙烷、丁烷、戊烷及其组合的 气体，转化成碳原子数大于2的烃类，优选为C5-Cltl烃类和/或氧合物，例如甲醇。在 其他情况下，方法包括使用高剪切技术将甲烷(现有天然气的主要成分)直接转化成液 体烃类，主要为有机氧合物和其他液体。有机氧合产物可以主要包含醇类。在实施方案 中，有机氧合产物包括甲醇。在实施方案中，甲醇和二氧化碳被转变成包含乙醇的有机 氧合产物。在这样的应用中，RFB反应器40的催化剂可以包含用于分解二氧化碳的催化 齐 ，例如钴铁氧体或羰基钌以及含有镍、铑和钯的催化剂和稀土金属氧化物催化剂。也 可以存在脱氢催化剂以将甲烷或其他烷烃脱氢。在实施方案中，催化剂是在表ι中列出 的催化剂之一。
权利要求
1.一种反应器，其包含由催化剂制成、涂层或浸渍的至少一个接触表面，其中接触 表面包含烧结金属或陶瓷，并且其中反应器被构造成使反应物料流经受剪切。
2.权利要求1的反应器，其包含至少一个转子和至少一个定子，其中接触表面是所述 至少一个转子的至少一部分、所述至少一个定子的至少一部分、或所述至少一个转子和 至少一个定子二者的至少一部分。
3.权利要求2的反应器，其中所述至少一个转子能以至少22.9m/s(4,500ft/min)的尖 端速度旋转，其中尖端速度被定义为nDn，其中D是转子的直径和η是旋转频率。
4.权利要求2的反应器，其中所述至少一个转子与所述至少一个定子由 lym(0.00004英寸)到约4mm(0.016英寸)范围的剪切间隙隔开，其中剪切间隙是所述 至少一个转子与所述至少一个定子之间的最小距离。
5.权利要求4的反应器，其中运行过程中由所述至少一个转子的旋转所提供的剪切速 率是至少ΖΟ,ΟΟΟ。，其中剪切速率被定义为尖端速度除以剪切间隙，并且其中尖端速度 被定义为nDn，其中D是转子的直径和η是旋转频率。
6.权利要求2的反应器，其中所述至少一个定子的至少一部分由催化剂制成、涂层或 浸渍，和所述至少一个转子的至少一部分由不同催化剂制成、涂层或浸渍。
7.权利要求1的反应器，其中所述反应器包含由催化剂制成、涂层或浸渍的至少两个 接触表面。
8.权利要求7的反应器，其中至少一个接触表面由与至少一个其它接触表面不同的催 化剂制成、涂层或浸渍。
9.权利要求1的反应器，其中所述反应器包含至少两个发生器，其中每个发生器包含 转子和形状互补的定子。
10.权利要求9的反应器，其中第一个发生器的接触表面由与用于制造、涂层或浸渍 第二个发生器的接触表面的催化剂不同的催化剂制成、涂层或浸渍。
11.权利要求9的反应器，其中由一个发生器提供的剪切速率大于由另一个发生器提 供的剪切速率。
12.权利要求1的反应器，其中催化剂选自加氢催化剂、羟基化催化剂、部分氧化 催化剂、加氢脱硫催化剂、加氢脱氮催化剂、加氢精制催化剂、重整催化剂、水合催化 齐IJ、加氢裂化催化剂、费-托催化剂、脱氢催化剂和聚合催化剂。
13.一种用于执行非均相催化反应的系统，所述系统包含至少一个如权利要求1所述 的反应器和被构造成用于将反应物投送到所述至少一个反应器的泵。
14.权利要求13的系统，其包含至少两个如权利要求1所述的反应器。
15.一种用于执行非均相催化反应的方法，所述方法包括将反应物导入反应器，所述反应器含有至少一个由催化剂制成、涂层或浸渍的接触 表面，其中接触表面包含烧结金属或陶瓷；以及在反应器内形成反应物的分散体，其中分散体包含反应物小滴或气泡。
16.权利要求15的方法，其中分散体中的反应物小滴或气泡的平均直径小于或等于约 5 μ m。
17.权利要求15的方法，其中反应器包含至少两个由催化剂制成、涂层或浸渍的接触表面。
18.权利要求17的方法，其中至少一个接触表面由与至少一个其它接触表面不同的催 化剂制成、涂层或浸渍。
19.权利要求15的方法，其中催化剂选自加氢催化剂、羟基化催化剂、部分氧化催化 齐IJ、加氢脱硫催化剂、加氢脱氮催化剂、加氢精制催化剂、重整催化剂、水合催化剂、 加氢裂化催化剂、费-托催化剂、脱氢催化剂和聚合催化剂。
20.权利要求15的方法，其中反应器包含由剪切间隙隔开的至少一个转子和至少一个 定子，所述剪切间隙是所述至少一个转子与所述至少一个定子之间的最小距离。
21.权利要求20的方法，其中接触表面包含所述至少一个转子的至少一部分、所述至 少一个定子的至少一部分、或两者的至少一部分。
22.权利要求20的方法，其还包括使反应物经受至少20,000。的剪切速率，其中剪切 速率被定义为尖端速度除以剪切间隙，并且其中尖端速度被定义为nDn，其中D是所述 至少一个转子的直径和η是旋转频率。
23.权利要求22的方法，其中使反应物经受至少20,000。的剪切速率在所述至少一个 转子的尖端产生至少约1034.2MPa(150,OOOpsi)的局部压力。
24.权利要求22的方法，其中使反应物经受至少20,000。的剪切速率包括使所述至少 一个转子以至少22.9m/S(4,500ft/min)的尖端速度旋转，其中尖端速度被定义为η Dn， 其中D是转子的直径和η是旋转频率。
25.权利要求20的方法，其中所述至少一个转子与所述至少一个定子由 1 μ m(0.00004英寸)到约4mm(0.016英寸)范围的剪切间隙隔开。
26.权利要求20的方法，其中反应器包含至少两个发生器，其中每个发生器包含转子 和形状互补的定子。
27.权利要求26的方法，其中第一个发生器的接触表面由与第二个发生器的接触表面 不同的催化剂制成、涂层或浸渍。
全文摘要
本发明提供了一种反应器，其包含至少一个由催化剂制成、涂层或浸渍的接触表面，其中接触表面包含烧结金属或陶瓷，并且其中反应器被构造成使反应物流经受剪切。本发明提供了一种用于执行非均相催化反应的系统，所述系统包含上面所述的反应器，以及被构造成用于将反应物投送到所述至少一个反应器的泵。本发明提供了一种用于执行非均相催化反应的方法，所述方法包括在促进所需产物生产的条件下将反应物导入反应器，所述反应器包含至少一个由催化剂制成、涂层或浸渍的接触表面，其中接触表面包含烧结金属或陶瓷，以及在反应器内形成反应物的分散体，其中分散体包含平均直径小于约5μm的反应物小滴或气泡。
文档编号B01J8/10GK102026716SQ200980116981
公开日2011年4月20日 申请日期2009年6月2日 优先权日2008年7月3日
发明者易卜拉西姆·巴盖尔扎德, 格雷戈里·博尔西格, 阿巴斯·哈桑, 阿齐兹·哈桑, 雷福德·G·东尼 申请人:Hrd有限公司