一種撞擊流多相反應(yīng)器的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型涉及液-液混合多相反應(yīng)，特別涉及流體粘度較大、液-液不互溶的多相反應(yīng)，尤其是濃硫酸或離子液體催化異丁烷烷基化反應(yīng)，屬于石油化工、環(huán)境工程、制藥工程等領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著我國汽車保有量的快速增長(zhǎng)，尾氣排放對(duì)大氣污染的影響日益增加，油品質(zhì)量是影響汽車尾氣排放的重要因素，加快推進(jìn)油品質(zhì)量升級(jí)，如何生產(chǎn)符合國家日益嚴(yán)格的環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)的清潔汽油調(diào)和組分，是國家資源環(huán)境/綠色制造的重大戰(zhàn)略需求。烷基化油與其它組分相比，不含烯烴和芳烴，幾乎不含硫，并且具有較高的辛烷值和較低的蒸汽壓，是一種最為理想的清潔汽油，優(yōu)勢(shì)顯而易見。目前我國烷基化油生產(chǎn)面臨著前所未有的發(fā)展機(jī)遇和空間。
[0003]目前工業(yè)應(yīng)用的濃硫酸或離子液體等液體酸催化異丁烷烷基化反應(yīng)，濃硫酸和碳四的混合效果直接影響烷基化油的質(zhì)量和收率。反應(yīng)溫度降低有利于減少副反應(yīng)，提高辛烷值。但是濃硫酸或離子液體在低溫情況下粘度增大，影響異丁烷向酸相的傳質(zhì)從而使得反應(yīng)效率降低，同時(shí)會(huì)引起聚合、裂解等復(fù)雜的副反應(yīng)。當(dāng)液相中發(fā)生復(fù)雜的快速平行競(jìng)爭(zhēng)反應(yīng)或者連串競(jìng)爭(zhēng)反應(yīng)時(shí)，反應(yīng)產(chǎn)物或者中間產(chǎn)物與原料某組分會(huì)進(jìn)一步反應(yīng)，以至于反應(yīng)原料之間的初始混合效果極大地影響最終的產(chǎn)物分布、產(chǎn)品的收率和質(zhì)量，并同時(shí)影響全生產(chǎn)過程的設(shè)計(jì)和能耗等指標(biāo)。所以設(shè)計(jì)高效的液-液混合設(shè)備，實(shí)現(xiàn)液-液的初始快速混合，對(duì)于提高產(chǎn)品的質(zhì)量、減少副產(chǎn)物的收率、優(yōu)化整個(gè)生產(chǎn)過程具有重要的意義。
[0004]液-液混合的機(jī)理主要有層流混合和湍流混合。一般流體自然混合的分子擴(kuò)散系數(shù)僅有1.0?lOcm/s，而主體對(duì)流、渦旋運(yùn)動(dòng)的擴(kuò)散系數(shù)則可達(dá)到其10萬倍左右。對(duì)于高粘度液體之間的混合過程通常為層流混合，其混合主要借助于流體的分子擴(kuò)散，如能夠在低溫情況下把高粘度液體的粘度降低，則可實(shí)現(xiàn)混合過程轉(zhuǎn)變?yōu)橥牧骰旌弦詮?qiáng)化傳質(zhì)的效果。工業(yè)生產(chǎn)中利用湍流混合機(jī)理實(shí)現(xiàn)液-液混合的設(shè)備主要有攪拌反應(yīng)釜、射流噴射混合器、撞擊流混合器、靜態(tài)混合器、動(dòng)態(tài)混合器等。其中，采用機(jī)械攪拌的形式混合流體的過程所對(duì)應(yīng)的宏觀混合時(shí)間較長(zhǎng)，過程主要受宏觀混合控制，其它幾種形式的混合設(shè)備常用于低粘度液體之間的快速混合。
[0005]工業(yè)生產(chǎn)中最常見的攪拌反應(yīng)釜主要由筒體、擋板和攪拌系統(tǒng)、傳動(dòng)及密封裝置構(gòu)成。對(duì)于具有高粘度液體的烷基化反應(yīng)，目前廣泛采用的有帶攪拌裝置的臥式反應(yīng)器，專利ZL200520078557.3介紹了一種硫酸法烷基化工藝中的臥式反應(yīng)器，主體是一個(gè)臥式壓力容器，有一個(gè)內(nèi)循環(huán)管、一個(gè)取走反應(yīng)熱的管束和一個(gè)混合螺旋槳。這種反應(yīng)器內(nèi)的返混較大，不利于提高反應(yīng)的轉(zhuǎn)化率。美國專利US6194625B1介紹了一種分段進(jìn)料的烷基化反應(yīng)器，反應(yīng)區(qū)被分隔成幾個(gè)串聯(lián)的區(qū)段，將新鮮原料分隔成幾股分別引入每個(gè)反應(yīng)區(qū)段，而循環(huán)使用的高粘度反應(yīng)物則是串流式的，每個(gè)反應(yīng)區(qū)段內(nèi)采用機(jī)械攪拌的方式進(jìn)行混合。這種結(jié)構(gòu)雖然克服了返混較大的問題，但結(jié)構(gòu)過于復(fù)雜。另外，這兩種結(jié)構(gòu)都采用了固定轉(zhuǎn)速電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的攪拌槳，很容易因密封不嚴(yán)而發(fā)生泄漏。靜態(tài)混合器是最近20年發(fā)展起來的一種沒有機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)的混合設(shè)備。流體在流經(jīng)靜態(tài)混合器時(shí)，被混合元件分割成很薄的薄片，其數(shù)量按元件數(shù)的某次方增加，最終成為微小的液滴，從而達(dá)到充分的混合。靜態(tài)混合器具有操作成本低，占地面積小，結(jié)構(gòu)緊湊、不易泄漏、沒有轉(zhuǎn)動(dòng)構(gòu)件和制造安裝方便等優(yōu)點(diǎn)。但是，對(duì)于可能有固體產(chǎn)生的混合過程，容易使靜態(tài)混合器堵塞，很難進(jìn)行清理。此外，靜態(tài)混合器還存在壓降過大等致命缺點(diǎn)。
[0006]外環(huán)流反應(yīng)器是一種高效的多相反應(yīng)器，專利US5777189和CN200410152286.5介紹了一種氣-液、氣-液-固外環(huán)流反應(yīng)器，通過氣體噴射的動(dòng)能產(chǎn)生環(huán)流，但反應(yīng)物易返混，不利于提高反應(yīng)的轉(zhuǎn)化率。美國專利US3281213提出了一種立式反應(yīng)器，其主體是一根提升管，提升管與一個(gè)臥式罐相連接，臥式罐內(nèi)裝有高粘度反應(yīng)物，另外兩種反應(yīng)物通過提升管底部的噴嘴噴入，噴射造成的引力帶動(dòng)著臥式罐中的高粘度反應(yīng)物一起進(jìn)入提升管，反應(yīng)即在這根提升管反應(yīng)器中進(jìn)行。提升管頂端連接有一個(gè)分離罐，用于反應(yīng)產(chǎn)物的分離。分離后的高粘度反應(yīng)物循環(huán)進(jìn)入提升管底部的臥式罐。這種結(jié)構(gòu)沒有采用機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)構(gòu)件，解決了內(nèi)置螺旋槳帶來的一系列問題。但是，高粘度反應(yīng)物與其它反應(yīng)物的混合并不能令人滿意，另外，整個(gè)反應(yīng)器系統(tǒng)采用了一個(gè)提升管、兩個(gè)臥式罐和一根下降管，設(shè)備龐大、結(jié)構(gòu)也不夠緊湊。美國專利US7652187中一臺(tái)帶特殊填料的立式反應(yīng)器，采用分配器和填料結(jié)合的方式實(shí)現(xiàn)酸烴混合，無需轉(zhuǎn)動(dòng)設(shè)備。其利用噴射混合裝置代替機(jī)械混合，包括水霧噴嘴、分布器(噴灑器的鼓泡裝置)、文丘里管式混合器等。US7435864專利進(jìn)行了噴嘴方面的改進(jìn)，混合的烴類由多個(gè)平行的噴嘴噴入硫酸乳化液中進(jìn)行烷基化反應(yīng)。但是專利對(duì)于噴射裝置沒有具體說明，低效率的噴射混合裝置并不適用與高粘度的濃硫酸催化碳四烷基化反應(yīng)。
[0007]專利CN101104570介紹了一種液體酸燒基化的方法，含有分形分配器和分散器的反應(yīng)器。分散器包括液液聚結(jié)器，共織網(wǎng)線、玻璃纖維網(wǎng)、多孔板、金屬網(wǎng)、復(fù)絲催化材料等。CN201310140601.8介紹了一種填料塔式烷基化反應(yīng)器。液相C4烷烴與濃硫酸在裝置外利用攪拌裝置充分乳化，保持溫度為2-10°C，經(jīng)原料栗自塔頂液相進(jìn)料管進(jìn)入裝置，氣相C4烯烴自塔頂進(jìn)入裝置，隨液相一起向下流動(dòng)，經(jīng)過填料段酸烴分層，塔式反應(yīng)器填料段之間采用噴頭式進(jìn)料管加入新鮮液相C4烷烯烴。但是該裝置的返混嚴(yán)重，停留時(shí)間較長(zhǎng)，副反應(yīng)增多。
[0008]中國專利CN200510004936.2和CN00230326.4介紹了一種較新穎的混合設(shè)備，撞擊流混合器。其基本構(gòu)思是使兩股物流由同軸布置的噴嘴噴出并撞擊，由于慣性，顆粒穿過撞擊面滲入反向流，并來回作減幅振蕩運(yùn)動(dòng)。其結(jié)果是使顆粒的相間相對(duì)速度極高，對(duì)強(qiáng)化熱、質(zhì)傳遞過程尤其是外擴(kuò)散控制的傳遞過程較為有效。但是，撞擊流混合器在遠(yuǎn)離噴嘴的區(qū)域容易形成死區(qū)，使反應(yīng)產(chǎn)物分布不均勻，對(duì)于多股高粘度液體之間的反應(yīng)，仍然難以達(dá)到良好的混合效果。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009]本實(shí)用新型的主要目的在于提供適用于大規(guī)模生產(chǎn)下，液-液、液-液-液多相反應(yīng)尤其是高粘度液體間快速混合、反應(yīng)的噴射撞擊耦合反應(yīng)器，如濃硫酸或離子液體催化異丁烷烷基化反應(yīng)。這種反應(yīng)器可以通過原料噴射預(yù)混器將高粘度反應(yīng)液體粉碎成很小的液滴，使高粘度液體與其它低粘度原料在很短的時(shí)間內(nèi)均勻混合，形成為低粘度的乳化液，然后通過多個(gè)噴射撞擊反應(yīng)器的噴嘴高速噴出環(huán)狀液膜相撞擊，在進(jìn)一步的撞擊反應(yīng)中可以提高反應(yīng)過程的湍流，強(qiáng)化反應(yīng)混合均勻度，提供較大的液液相接觸面積，使反應(yīng)快速充分進(jìn)行，強(qiáng)化主反應(yīng)，抑制副反應(yīng)，原料轉(zhuǎn)化率達(dá)到很高。反應(yīng)后的液體物料在反應(yīng)器下部初步分離，催化劑從反應(yīng)器底部流出，通過循環(huán)栗進(jìn)入原料噴射預(yù)混器，烷基化油和混合烴從中部采出。氣相烴從反應(yīng)器頂部蒸發(fā)制冷后排出反應(yīng)器，進(jìn)入壓縮機(jī)系統(tǒng)或吸收系統(tǒng)液化后重新循環(huán)使用。
[〇〇1〇] 本實(shí)用新型的技術(shù)方案是：
[0011]撞擊流多相反應(yīng)器包括：噴嘴系統(tǒng)1、第一物料進(jìn)口 2、除沫器3、氣相出口 4、安全泄放口 5、第一聚結(jié)分離器6、預(yù)混器7、第二物料進(jìn)口 8、催化劑進(jìn)口 9、反應(yīng)器10、催化劑出口 11、第二聚結(jié)分離器12、產(chǎn)品出口 13。預(yù)混器7固定在反應(yīng)器的中部，其上連接水平放置的噴嘴系統(tǒng)1，出口設(shè)有環(huán)隙噴嘴，高粘度流體通過循環(huán)栗以主動(dòng)流從催化劑進(jìn)口 9進(jìn)入原料預(yù)混器7,低粘度流體從第二物料進(jìn)口 8從動(dòng)進(jìn)入原料預(yù)混器7,高粘度反應(yīng)流體通過預(yù)混器7與其它低粘度、低溫流體在很短的時(shí)間內(nèi)均勻混合，形成為低粘度、低溫的乳化液，再與從動(dòng)管路2混合，進(jìn)入水平相向?qū)ΨQ均布的噴嘴系統(tǒng)1。催化劑、烷烴、烯烴混合后通過出口端設(shè)置的噴嘴以一定角度呈圓錐形噴出，各噴嘴高速噴出的液體相向撞擊，反應(yīng)物液相降落到反應(yīng)器底部，反應(yīng)產(chǎn)物和催化劑通過重力沉降分離，催化劑從底部排出，反應(yīng)物從反應(yīng)器中部排出。部分烷烴汽化吸熱后以氣相的形式從反應(yīng)器頂部排出，維持反應(yīng)溫度。
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