[發(fā)明專利]蜂窩體反應(yīng)器最優(yōu)化通道尺寸設(shè)定

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201080019309.5
• 申請(qǐng)日: 2010-02-26
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN102413918A
• 公開(kāi)（公告）日: 2012-04-11
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 陳鵬;姜毅;J·S·薩瑟蘭;A·D·伍德芬
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 康寧股份有限公司
• 主分類(lèi)號(hào): B01J19/24
• 分類(lèi)號(hào): B01J19/24
• 代理公司: 上海專利商標(biāo)事務(wù)所有限公司 31100
• 代理人: 江磊

優(yōu)先權(quán)

本申請(qǐng)要求2009年2月28日提交的題為“微反應(yīng)器最優(yōu)化通道尺寸設(shè)定”的美國(guó)臨時(shí)專利申請(qǐng)?zhí)柕?1/156,499號(hào)的優(yōu)先權(quán)。

背景

本發(fā)明大體涉及蜂窩體連續(xù)流化學(xué)反應(yīng)器的通道結(jié)構(gòu)，尤其涉及蜂窩體或蜂窩體擠出反應(yīng)器中的最優(yōu)化通道結(jié)構(gòu)。

發(fā)明內(nèi)容

連續(xù)流化學(xué)反應(yīng)器提供了一個(gè)或多個(gè)流體通道，當(dāng)反應(yīng)物發(fā)生化學(xué)反應(yīng)時(shí)，這些流體通道容納并運(yùn)送這些反應(yīng)物。沿著流體通道，每個(gè)點(diǎn)的反應(yīng)速率通常是局部反應(yīng)物濃度、反應(yīng)物混合程度和局部溫度的函數(shù)，如式1.所述：

rate∝k0e-EaRTCAαCBβ---(1)]]>

其中，E_a是以kJ/mol為單位的活化能；C_A和C_B是物種A和B的局部濃度，單位是mol/L；T是局部溫度；α和β是與反應(yīng)物物種濃度有關(guān)的冪律因子(通常＞0)，k₀是指前因子，R是氣體常數(shù)。

隨著反應(yīng)進(jìn)行，局部反應(yīng)物濃度的變化導(dǎo)致反應(yīng)局部速率的變化。圖1示出一個(gè)例子，顯示反應(yīng)速率R作為通道位置的函數(shù)，通道位置從0到全通道長(zhǎng)度L，其中，隨著反應(yīng)物的混合，反應(yīng)速率快速增加，然后，隨著反應(yīng)物被消耗，反應(yīng)速率逐漸下降，反應(yīng)進(jìn)行直到完成。

反應(yīng)速率的增加對(duì)應(yīng)著反應(yīng)產(chǎn)生或需要熱量的增加。在連續(xù)流化學(xué)反應(yīng)器中，熱交換流體通道通常位于與反應(yīng)流體通道緊鄰的地方。沿著反應(yīng)通道任何位置的不充分熱交換能力將會(huì)導(dǎo)致反應(yīng)物通道溫度的變化，這一變化通常會(huì)反過(guò)來(lái)改變反應(yīng)速率。例如，兩種液體反應(yīng)物可能在初始混合的時(shí)候發(fā)生放熱反應(yīng)，如果產(chǎn)生熱的局部速率大大超過(guò)反應(yīng)器的熱交換能力，這會(huì)導(dǎo)致反應(yīng)物流體溫度的突然升高。其結(jié)果可能是在反應(yīng)產(chǎn)物中有不利的變化或者在通道壓力方面有危險(xiǎn)的增加。

市售的連續(xù)流化學(xué)反應(yīng)系統(tǒng)由分散的化學(xué)工藝單元組裝而成。每一個(gè)化學(xué)工藝單元的特性因設(shè)計(jì)而不同，一個(gè)特定化學(xué)工藝單元的許多幾何參數(shù)(如：通道尺寸，壁厚)沿著流動(dòng)路徑不能被輕易改變。比如，在管式反應(yīng)器里，所有管道名義上是固定直徑的，所以，從大量反應(yīng)液到管壁的熱交換不會(huì)被輕易改變。熱交換性能和管道外的傳熱會(huì)沿著管道而變化，但另一方面，這受到大量熱交換液的流動(dòng)構(gòu)型的影響(如：通向流動(dòng)，逆向流動(dòng)或交叉流動(dòng)熱交換)。

如果一個(gè)簡(jiǎn)單的化學(xué)工藝單元被選用于一個(gè)特定的連續(xù)流化學(xué)反應(yīng)，(例如)反應(yīng)物通道尺寸與熱交換性能之間的關(guān)系沿著液流通道被預(yù)定義。這個(gè)關(guān)系不屬于能夠?qū)σ粋€(gè)特定的化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生最佳反應(yīng)條件的特定的關(guān)系。例如，如果一個(gè)管式熱交換器被用來(lái)進(jìn)行反應(yīng)，如圖1所示的速率圖，管道直徑必須被確定尺寸以滿足當(dāng)反應(yīng)速率達(dá)到峰值時(shí)相關(guān)的傳熱的要求。沿著管道在另外的區(qū)域，熱交換的要求不是那么高，所以在這些區(qū)域熱交換器有過(guò)度的表現(xiàn)。過(guò)度表現(xiàn)的通道部分小于它們所需要的程度，這導(dǎo)致了在這些部分內(nèi)不必要的壓力下降。因此非最佳的通道尺寸會(huì)導(dǎo)致操作成本的上升。另外，如果反應(yīng)活性或產(chǎn)物的選擇性需要將操作溫度控制在一個(gè)狹小區(qū)域，在遠(yuǎn)離反應(yīng)速率峰值情況的位置，過(guò)度表現(xiàn)的通道部分可能會(huì)產(chǎn)生低于最優(yōu)性能的表現(xiàn)。

一個(gè)特定反應(yīng)的進(jìn)行可能會(huì)沿著液流路徑用到一個(gè)以上的化學(xué)工藝單元，并且每一個(gè)工藝單元會(huì)針對(duì)它反應(yīng)的部分被最優(yōu)化。雖然這種構(gòu)型可能達(dá)到最佳操作條件，但是因?yàn)榕c流體互連的執(zhí)行和管理相關(guān)的成本，人們可能不希望將一系列化學(xué)工藝單元結(jié)合在一起。