[发明专利]改进的反应器系统

说明书

在工业动作中进行的许多液氧化和加氢反应实质上都是高度放热的。在这样的运作中，除去反应热的能力往往限制了对于一给定的反应器体积所能得到的产率。带有除热的放热反应一般在带冷却套管的搅拌釜反应器、带内冷却旋管的搅拌釜反应器、代外部支流冷却系统的搅拌釜反应器或带热交换管的泡罩塔反应器中完成。在所有情况下，反应热从热的反应液体通过一固体表面传向较冷的液体如冷却水、制冷剂或蒸发水以制造水蒸汽。

在所有这些系统中的传热用以下公式描述：

Q＝rHrV                               (1)；

Q＝UAΔT                              (2)；

因此：rHr＝(A/V)UΔT                  (3)；

其中，Q为总热负荷，r为容积反应速率，Hr为反应热，V为反应器体积，U为总传热系数，A为传热表面积以及ΔT为反应器液体与热交换液体之间的温度差。式3的左边为反应容积热或反应器的生成热，而右边则为容积传递热容。

式3显示了生成热随反应速率的增加而增加，而且对稳定运作而言，当反应速率增加时，系统的传递热容也必须增加。该式也显示出在以下情况下传递热容达到最大：(1)传热面积与反应器体积的比率达到最大，(2)总传热系数U达到最大，和(3)温度推动ΔT达到最大。

面积与体积的比率A/V取决于反应器的几何形状及热交换系统。

传热系数U为液体性质的函数，其次为换热器结构材料的函数。可以通过增加或减少反应液和/或热交换液体的流速来增加或减少U。冷的液流通常受限于压力降而且在某些情况下受限于温度方面的考虑。根据热交系统，反应液流速受限于搅拌器的输入功率或受限于压力降方面的考虑。

通过增加反应温度和/或降低冷却液温度可以增加温度差ΔT。反应温度通常取决于以提供所给定的反应速率和/或使副产物的生成达到最小。因此，通常不希望将反应温度提高。冷却液的温度通常受限于所能得到的冷却水的温度、制冷的费用或在蒸发系统中水蒸汽的质量。

在放热反应的常规反应器系统中，套层反应器容器的一个基本特征是其小的A/V比率。由于A随D(D为反应器直径)增大而增大，而且V随D²增加而增加，因此当反应器尺寸增大时A/V减少。故套层反应器一般在不超过100加仑的小体积中应用。

带内冷却旋管的搅拌釜反应器较套层容器一般具有较高的A/V比率，特别是当容器尺寸变得较大时。然而，旋管有几个局限。通过使旋管直径达到最小而使径传热面积达到最大，但旋管内的压力降给了旋管直径的一个下限。通过将旋管装进反应器内有可能增加A/V。但这将引起反应器内的不均匀流动分布，导致反应剂的不良混合及非所需的副产物的生成。在反应器容器内装载多级旋管也有机械方面的困难。因此带内冷却旋管的反应器一般在100-20000加仑的中等尺寸中应用。该反应器结构在氢化作用系统中如食用油生产以及在无机氧化如铜氧化成硫酸铜中很常见。

防止在A/V比率上的几何形状及流动限制的一个方法是使用一支流冷却系统以进行外冷却。这类反应器构型常用于枯烯氧化成氢过氧化枯烯以生产苯酚，以及在一些氢化作用系统中。

在这种支流系统中，来自反应器的支流被泵送经过换热器或其它冷却系统，而被冷却的反应液返回到反应器容器中。原则上，比率A/V不受与反应器几何形状相关联的各种限制。然而存在与这种系统相关的其它潜在问题。由于冷却是在反应器容器外部完成的，冷却器将在远比反应温度低的温度下正常操作。因此比例上需要更多的换热面积和/或冷却剂流。再者，在气-液反应器系统如用于空气氧化、氧气氧化或加氢反应中，必须防止反应剂气体进入外冷却系统。气体往往从液体中释放出来并收集在交换器较高位置的凹处和相关的管道中。这就降低了换热器的效力。气体也可以收集在循环泵中并引起泵的气蚀或气泛。在气体的空气或氧气的氧化系统中，任何在外热交换系统中形成的气体将引起爆炸危险。使气体在外热交换圈外是可能的。但在许多情况下，由于在反应系统中反应剂的不足(而在此处良好的反应剂混合是重要的)，这将导致增加副产物的生成。