[发明专利]在均相条件和非均相条件下实施化学反应的装置

说明书

本发明涉及装置(此后被详细地描述为塞流反应器)在用于维生素、类胡萝卜素和味道&香味成分或其中间体的化学合成，尤其用于连续的气体-、液体、气体-液体、固体-气体、固体-液体和固体-液体-气体反应，例如用于叠氮类化合物和过氧化物的选择性氢化的工艺路径中的应用。

在本发明的范围内，术语“维生素和类胡萝卜素”涵盖了水溶性和脂溶性维生素，诸如维生素A、C、D、E、K和B族维生素；以及类胡萝卜素，例如β-胡萝卜素、虾青素、阿朴胡萝卜醛、角黄素、阿朴酯、桔黄素、玉米黄质、叶黄素和番茄红素。

根据本发明用于在均相条件和非均相条件下实施化学反应的装置包括至少一个由固体(例如金属)结构构成的多孔元件，从而允许材料通过所述多孔元件的交叉流动。

该装置被设计用于连续处理单相和多相化学反应，例如快速反应、放热反应、混合敏感反应或温度敏感反应。该装置提供各种反应物的快速混合以及极度增强的热传递。将多孔结构固定连接到反应器的器壁对于保证良好的热传递和非常高的机械稳定性是较重要的。这使得能够允许高温和高压过程。多孔元件的结构还对轴向分散(反应器中的保留时间分布)具有很强的影响，其是化学工厂规模的重要参数。

对于通常用在化学工厂中的传统间歇反应器而言，可以通过搅拌器的旋转速度来控制能量消散。对于连续系统而言，仅可以改变与保留时间及其分布直接相连的流速。这种相关性与间歇反应器相比是劣势，但是这可以根据通过计算机流体动力学(CFD)辅助设计然后通过例如上述SLS方法制造的多孔元件的清楚定义的几何形状来进行处理。

有机分子中的官能团的氢化是快速多相放热反应的实例。这样的反应是可用于有机合成的环保方面可接受的反应路线中的一部分。例如，前躯体(即维生素A和维生素E的中间体)通过三种主要形式的反应来制备。其中的一种是催化选择性氢化，是一种多相(即三相)反应，其中的反应混化合物包含液相、未溶解的固体催化相、和气相。

用于实施这种氢化反应的最常用反应器类型是以间歇方式操作的浆液反应器。主要使用搅拌罐和环形反应器。由于强放热反应，所以外部热交换器和内部热交换器的组合对于有效的温度控制是必要的。此外，反应中使用的催化剂的浓度相对较低(＜10％)，这限制了反应速率。最后，传统反应器的热传递性能为0.2至5kW m^-3K^-1的级别。因此，大反应器容积对于获得可接受的生产速率是必要的。

氢化工艺的性能和产品分布主要受催化剂活性/选择性以及化学动力学与反应器中的运送现象的相互作用的影响。

在三相反应中，要克服的主要问题之一是避免内部和外部质量传递受限。因此，需要小直径的催化剂颗粒。然而，在技术应用中，最低尺寸由于催化剂操作(如通常导致安全和环境问题的固体加料、过滤和卸料)而受限，并且可能导致显著的催化剂损耗和对环境不太有利的工艺。

此外，因为氢化是高度放热的，所以反应热的去除成为反应器性能的主要限制。因此，在浆液反应器中，每体积的催化剂质量受其热交换能力的限制。

另一方面关注工艺安全性以及在可控压力下的可持续生产。在上述多步化学工艺中，产物中间体通常是不稳定的并且分解释放大量热量。结果是热失控、爆炸。

为了增加化学反应的安全性，需要严格的热量管理。此外，反应器中的反应物的量应尽可能地少以降低潜在风险。

选择性反应的这些问题可以通过使用本发明所定义的装置(此后也被称为塞流反应器)设计来解决。这样的反应器可以以连续模式操作。这种操作模式避免了如间歇工艺那样大量不稳定的产物中间体的储存，并且增加了化学反应的安全性。这种集成工艺对于将热不稳定的中间体加工成稳定的物质尤其重要。

连续塞流反应器的结构化几何形状根据热传递和质量传递来优化。反应器中的塞流状流速场(plug flow like velocity field)保证了等温、均相操作模式。其几何形状可以根据化学反应所使用的流体的热传递系数、粘性、密度和混合行为而调整，从而优化操作费用(压降、加热能量等)和产品质量(选择性、转化率等)的比值。另一方面，至少一个多孔元件的结构不仅满足了静态混合元件的要求，其还作为关键反应的阻焰器(flame arrestor)并且允许连续系统通过传统成型的机械和化学稳定性以及材料的正确选择。

具体地，所述装置包括具有器壁(优选圆筒状器壁)以及至少一个入口端和至少一个出口端的管子，其中在所述管子中布置至少一个由固体泡沫结构构成的多孔元件，其中所述多孔元件包括多个彼此连接并且形成互联网络的空洞，并且其中所述至少一个元件和所述器壁以一件式制造。