混合反应器

一种快速混合反应器及其应用专利目的

《一种快速混合反应器及其应用》的目的在于提供一种新型的快速混合反应器，以实现较大生产能力下两股物料之间的瞬间快速混合，强化主反应、抑制副反应，提高目的产物的收率和质量。

一种快速混合反应器及其应用技术方案

《一种快速混合反应器及其应用》所提供的反应器基于以下设计构思：使第一股流体通过流道加入，而第二股流体通过旋转的叶轮加入口均匀的喷射到第一股流体中。由于第二股流体是通过旋转的叶轮加入到第一股流体中的，因此，两股物料在第一时间就是均匀分布的，不需要进一步的混合空间。另外，旋转的进料口也起到了搅拌的作用，从而实现了两股物料无需混合空间就可快速混合的目的。同时，由于一股物料是动态加入的，其物料加入口可相对于另一流股均匀布置，因此不会受到流道空间的限制，无任何放大效应，可以保证在大规模的生产能力下实现流体之间的快速混合、快速反应。

《一种快速混合反应器及其应用》所提供的快速混合反应器的基本结构如下：

一种快速混合反应器，包括以下构件：第一进料通道壳体、反应器壳体、第二进料通道、空心叶轮物料分布器、转动轴、第一进料分布器；其中，所述第一进料通道壳体和反应器壳体同轴设置，且通过设置于第一进料通道壳体末端的第一进料分布器与反应器壳体内的反应空间相连通；所述第二进料通道、空心叶轮物料分布器和转动轴沿所述反应器的中心轴线设置，所述空心叶轮物料分布器位于反应器壳体内，并可在转动轴的带动下在反应器壳体内转动，所述第二进料通道与空心叶轮物料分布器内的物料通道相连通；所述第一进料通道壳体上设有至少一个第一进料口；所述反应器壳体的末端设有至少一个反应液出口；第一进料分布器上和空心叶轮物料分布器上分别设有第一进料喷射口和第二进料喷射口。

在《一种快速混合反应器及其应用》所提供的快速混合反应器中，优选地，所述第二进料通道、空心叶轮物料分布器和转动轴沿该快速混合反应器的中心轴线依次固定连接。进一步优选地，在空心叶轮物料分布器与第二进料通道的连接处设置能够彼此贴合的动密封环和静密封环，所述动密封环设置在空心叶轮物料分布器上，而所述静密封环设置在第二进料通道的末端，所述静密封环的一侧与空心叶轮物料分布器上的动密封环贴合，其另一侧由内而外地分别通过膨胀节和弹簧固定在第一进料分布器上。通过这种设计，使得在空心叶轮物料分布器转动时动密封环和静密封环能够紧密贴合。

根据《一种快速混合反应器及其应用》的另一种优选的实施方式，所述第二进料通道设置于转动轴内部，并与所述空心叶轮物料分布器固定连接并相连通，从而使所述空心叶轮物料分布器在转动轴的带动下在反应器壳体内转动。

在《一种快速混合反应器及其应用》所提供的快速混合反应器中，优选地，所述第二进料喷射口设置于空心叶轮物料分布器的侧面，或设置于空心叶轮物料分布器的最外缘，或设置于从空心叶轮物料分布器上引出的垂直于叶轮盘的通道上。《一种快速混合反应器及其应用》对于空心叶轮物料分布器上的所述第二进料喷射口的形状、大小和数量并无特殊要求，只要能够满足工艺要求即可，例如，所述喷射口的形状（指喷射口的内部通道的横截面的形状）可选自：圆形、三角形、菱形、梯形、多边形、椭圆形、正方形、长方形等中的任意一种或多种，优选圆形或长方形。所述喷射口的具体尺寸和数量可由该领域技术人员根据具体工艺要求通过常规的工艺计算得到。

在《一种快速混合反应器及其应用》所提供的快速混合反应器中，所述第一进料分布器上设置有第一进料喷射口，优选地，所述第一进料喷射口可以为环隙状或均匀分布的多个开孔。当所述第一进料喷射口为环隙状时，优选地，所述环隙状的第一进料喷射口为与第一进料分布器同圆心设置的多个内径相同和/或不同的圆弧状缝隙；其中，多个内径相同的圆弧状缝隙彼此间隔，它们所在的圆与第一进料分布器同圆心。同理，内径不同的圆弧状缝隙所形成的不同内径的圆亦优选与第一进料分布器同圆心设置。当所述第一进料喷射口为均匀分布的多个开孔时，优选地，所述开孔的形状可选自圆形、三角形、菱形、梯形、多边形、椭圆形、正方形和长方形中的任意一种或多种，优选为圆形。《一种快速混合反应器及其应用》对于所述第一进料喷射口的具体尺寸和数量没有特殊要求，该领域技术人员可根据具体工艺要求，通过常规的工艺计算确定。

在《一种快速混合反应器及其应用》所提供的快速混合反应器中，优选地，在所述空心叶轮物料分布器下游的反应器壳体内壁上设置有环状的向内凸出的反应通道调整块，用以在一定程度上缩小反应物的流动通道。通过设定反应通道调整块和转动轴之间的距离，可以使反应液的流速处于10米/秒-500米/秒之间，优选30米/秒-300米/秒。所述反应通道调整块可单独加工成型后固定于反应器壳体内壁上，也可以与反应器壳体一体加工成型。

在《一种快速混合反应器及其应用》所提供的快速混合反应器中，优选地，所述转动轴上垂直设置至少一级搅拌桨叶，且所述搅拌桨叶包括至少2片搅拌叶片，以增强空心叶轮物料分布器下游反应物流的瞬间快速混合；进一步优选地，转动轴上垂直设置一至三级搅拌桨叶，且每级搅拌桨叶包括2片-20片搅拌叶片；更进一步优选地，转动轴上垂直设置一级搅拌桨叶，且所述搅拌桨叶和所述反应通道调整块设置在垂直于反应器中心轴线的同一截面上。

在《一种快速混合反应器及其应用》所提供的快速混合反应器中，进一步优选地，《一种快速混合反应器及其应用》所述反应器还包括设置在反应器末端的转动电机连接件，以方便所述反应器与转动电机相对固定。

在《一种快速混合反应器及其应用》所提供的快速混合反应器中，对于反应器的材质没有特殊要求，任何该领域常用的材质均可使用，包括但不限于钢材、玻璃、陶瓷、合金、碳化硅或搪瓷钢等。

《一种快速混合反应器及其应用》还提供一种采用上述的快速混合反应器由具有通式（I）的胺制备如通式（II）所示的脂肪族、脂环族或芳香族异氰酸酯的方法，

其中，R为脂肪族、脂环族或芳香族烃基，n＝1或n≥2，所述方法包括以下步骤：

（a）光气溶液通过第一进料口进入所述快速混合反应器的第一进料通道中，然后经过第一进料分布器进入反应器壳体内；

（b）具有通式（I）的胺的有机溶液由第二进料通道引入，经旋转的空心叶轮物料分布器进入反应器壳体内；

（c）经步骤（a）引入的光气溶液与经步骤（b）引入的胺溶液在反应器壳体内快速混合并反应，所生成的反应液经反应液出口排出。

在《一种快速混合反应器及其应用》所提供的制备异氰酸酯的方法中，所述光气溶液为纯光气或光气溶解在惰性有机溶剂中所形成的浓度为30-100质量百分比的光气溶液；胺的有机溶液为将通式（I）所示的胺溶解在惰性有机溶剂中所形成的浓度为10-60质量百分比、优选浓度为20-50质量百分比的胺溶液。[0034]在《一种快速混合反应器及其应用》所提供的制备异氰酸酯的方法中，通式（I）和（II）中的R为C2-C50烃基、脂环族C2-C50烃基或芳香族C6-C50烃基，优选为C4-C30烃基、脂环族C4-C30烃基或芳香族C6-C30烃基，更优选为C5-C18烃基、脂环族C5-C18烃基或芳香族C6-C20烃基；所述通式（I）和（II）中的n＝2-4。

在《一种快速混合反应器及其应用》所提供的制备异氰酸酯的方法中，通式（I）所示的胺可选自以下化合物中的任意一种：甲苯二胺、4，4′-二氨基二苯基甲烷、多亚甲基多苯基多胺、异佛尔酮二胺、己二胺、环己二胺、萘二胺、对苯二胺、苯二亚甲基二胺、环己烷二亚甲基二胺、三甲基-1，6-六亚甲基二胺、四甲基间苯二亚甲基二胺、二甲基联苯二胺和甲基环己基二胺，优选为甲苯二胺。

在《一种快速混合反应器及其应用》所提供的制备异氰酸酯的方法中，溶解光气和胺的惰性有机溶剂可以相同，也可以不同，所述惰性有机溶剂分别选自：苯、甲苯、氯苯、邻二氯苯、对二氯苯、一氯联苯、对苯二甲酸二烷基酯或邻苯二甲酸二乙酯中的一种或多种。

此外，《一种快速混合反应器及其应用》还提供了一种采用上述的快速混合反应器由苯胺制备多亚甲基多苯基多胺（简称多胺）的方法，所述方法包括以下步骤：

（a）苯胺盐酸盐和循环液的混合液通过第一进料口进入所述快速混合反应器的第一进料通道中，然后经过第一进料分布器进入反应器壳体内；

（b）甲醛溶液由第二进料通道引入，经旋转的空心叶轮物料分布器进入反应器壳体内；

（c）苯胺盐酸盐和循环液的混合液与甲醛溶液在反应器壳体内进行快速混合并发生预缩合反应，然后进入搅拌釜继续进行预缩合反应得到缩合液，再经升温、分子重排反应、中和、水洗以及多胺精制等步骤后，得到精制的多胺。

一种快速混合反应器及其应用改善效果

《一种快速混合反应器及其应用》所提供的快速混合反应器以及采用该反应器制备异氰酸酯的方法具有以下有益效果：

（1）一股原料通过旋转的分布通道均匀的分布到另一流股中，实现两流股的快速混合；

（2）反应器在理论上可以无限放大，可实现大规模生产能力下两股流体之间的快速瞬间混合，克服了传统的反应器在放大过程中因流道空间变大而造成的混合距离和混合时间均相应延长的缺点；

（3）混合流股在混合反应区内运动的过程中返混程度最小，接近于理想的“平推流”反应器；

（4）采用《一种快速混合反应器及其应用》所提供的反应器，由于混合快速、均匀，最大程度地降低了副反应，在光气化制备异氰酸酯的过程中降低了溶剂的用量和反应物进料中光气的过量比，提高了装置的产能，改善产品质量并降低能耗。当《一种快速混合反应器及其应用》所提供的反应器用于由苯胺和甲醛制备多亚甲基多苯基多胺时，可提升预缩合反应温度，改善产品质量，使装置长周期稳定运行。

一种快速混合反应器及其应用操作说明

下面结合附图进一步详细说明《一种快速混合反应器及其应用》所提供的快速混合反应器以及采用该反应器制备异氰酸酯的方法，但《一种快速混合反应器及其应用》并不因此而受到任何限制。

如图3所示，《一种快速混合反应器及其应用》所提供的快速混合反应器主要包括以下构件：第一进料通道壳体1、反应器壳体4、第二进料通道17、空心叶轮物料分布器6、转动轴10、第一进料分布器3。所述第一进料通道壳体和反应器壳体同轴设置，且通过设置于第一进料通道壳体末端的第一进料分布器与反应器壳体内的反应空间相连通。所述第二进料通道、空心叶轮物料分布器和转动轴沿该快速混合反应器的中心轴线依次固定连接。所述空心叶轮物料分布器设置于反应器壳体内，并可在转动轴的带动下在反应器壳体内轴向转动。所述第二进料通道与空心叶轮物料分布器内的物料通道12相连通。所述第一进料通道壳体上设有至少一个第一进料口2，所述第一进料通道壳体1与第一进料分布器3所围成的空间为第一进料通道18。所述反应器壳体的末端设有至少一个反应液出口8。第一进料分布器3上均匀设置多个第一进料喷射口13，空心叶轮物料分布器6上设有多个垂直于叶轮盘的通道，且所述垂直于叶轮盘的通道上设有多个第二进料喷射口5。图5c是垂直于叶轮盘的通道的局部放大图，其喷射口的开孔方式与图3所示略有不同。此外，《一种快速混合反应器及其应用》中所述的空心叶轮物料分布器还可以按照图5a、图5b或其它可行的方式设置第二进料喷射口。

如图3所示，在空心叶轮物料分布器6与第二进料通道17的连接处设置能够彼此贴合的动密封环14和静密封环19。所述动密封环14设置在空心叶轮物料分布器上，而所述静密封环19设置在第二进料通道的末端，所述静密封环19的一侧与空心叶轮物料分布器上的动密封环14贴合，其另一侧由内而外地分别通过膨胀节16和弹簧15固定在第一进料分布器3上。通过这种设计，在转动轴转动的过程中，空心叶轮物料分布器上的动密封环14和第二物料进料管上的静密封环19在弹簧的作用下紧密贴合，避免第二物料泄漏到反应器壳体内部。

此外，如图3所示，在所述空心叶轮物料分布器下游的反应器壳体内壁上设置有环状的向内凸出的反应通道调整块7，用以在一定程度上缩小反应物的流动通道。所述转动轴10上垂直设置有一级搅拌桨叶11，且所述搅拌桨叶11和所述反应通道调整块7设置在垂直于反应器中心轴线的同一截面上。进一步优选地，《一种快速混合反应器及其应用》所述反应器还包括设置在反应器壳体末端的转动电机连接件9，以方便所述反应器与转动电机相对固定。

如图6a-图6c所示，所述第一进料分布器上设置的第一进料喷射口可为环隙状或均匀分布的多个开孔，只要能够保证第一进料均匀地通过所述喷射口进入下游反应区即可。

当采用图3所示的反应器制备异氰酸酯时，光气溶液首先通过第一进料口2进入并充满第一进料通道18，然后经过第一进料分布器3上均匀设置多个第一进料喷射口13进入反应器壳体内。与此同时，具有通式（I）的胺的有机溶液由第二进料通道17引入，流经旋转的空心叶轮物料分布器16内的物料通道12，并通过多个第二进料喷射口5将多胺溶液均匀地喷射到光气溶液流股中，实现快速混合、快速反应。混合好的物料在进料压力的作用下继续向下游运动，通过垂直于转动轴的搅拌桨叶11的搅动后经反应液出口8进入下一级反应器，通过升温得到最终的异氰酸酯。

图4是《一种快速混合反应器及其应用》所提供反应器的另一种优选实施方式的结构示意图，从该图中可以看出，该反应器主要包括以下构件：第一进料通道壳体21、反应器壳体24、第二进料通道34、空心叶轮物料分布器26、转动轴30、第一进料分布器23。所述第一进料通道壳体21和反应器壳体24同轴设置，且通过设置于第一进料通道壳体末端的第一进料分布器23与反应器壳体内的反应空间相连通。所述第二进料通道34设置于转动轴30内部，且所述第二进料通道34、转动轴30和空心叶轮物料分布器26与该快速混合反应器同轴设置，所述空心叶轮物料分布器26与转动轴30的一端固定连接，从而使所述空心叶轮物料分布器26在转动轴30的带动下在反应器壳体内轴向转动。所述第二进料通道与空心叶轮物料分布器内的物料通道32相连通。所述第一进料通道壳体上设有至少一个第一进料口22，所述第一进料通道壳体21与第一进料分布器23所围成的空间为第一进料通道35。所述反应器壳体的末端设有至少一个反应液出口28。第一进料分布器23上均匀设置多个第一进料喷射口33，空心叶轮物料分布器26上设有多个垂直于叶轮盘的通道，且所述垂直于叶轮盘的通道上设有多个第二进料喷射口25。此外，《一种快速混合反应器及其应用》中所述的空心叶轮物料分布器还可以按照图5a、图5b、图5c或其它可行的方式设置第二进料喷射口。

此外，如图4所示，在所述空心叶轮物料分布器26下游的反应器壳体内壁上设置有环状的向内凸出的反应通道调整块27，用以在一定程度上缩小反应物的流动通道。所述转动轴30上垂直设置有一级搅拌桨叶31，且所述搅拌桨叶31和所述反应通道调整块27设置在垂直于反应器中心轴线的同一截面上。进一步优选地，《一种快速混合反应器及其应用》所述反应器还包括设置在反应器壳体末端的转动电机连接件29，以方便所述反应器与转动电机相对固定。

同样地，当采用图4所示的反应器制备异氰酸酯时，光气溶液首先通过第一进料口22进入并充满第一进料通道35，然后经过第一进料分布器23上均匀设置多个第一进料喷射口33进入反应器壳体内。与此同时，具有通式（I）的胺的有机溶液经由设置于转动轴内部的第二进料通道34引入，流经旋转的空心叶轮物料分布器26内的物料通道32，并通过多个第二进料喷射口25将多胺溶液均匀地喷射到光气溶液流股中，实现快速混合、快速反应。混合好的物料在进料压力的作用下继续向下游运动，通过垂直于转动轴的搅拌桨叶31的搅动后经反应液出口28进入下一级反应器，通过升温得到最终的异氰酸酯。

一种快速混合反应器及其应用实施案例

下面通过实施例进一步说明《一种快速混合反应器及其应用》所提供的快速混合反应器及其应用，但《一种快速混合反应器及其应用》并不因此而受到任何限制。

• 实施例1

采用图3所示的快速混合反应器进行MDI的生产试验。其中，第一进料分布器如图6c所示，在第一进料分布器上平均分布若干直径为20毫米的圆形孔道，光气溶液通过第一进料分布器圆形孔道的出口速度为6米/秒；空心叶轮物料分布器上的第二进料喷射口的开孔方式如图5c所示，其开孔直径为10毫米，胺溶液通过第二进料喷射口的出口速度为16米/秒；转动轴的转速为1200转每分。采用该反应器在MDI装置上进行测试，测试负荷为22万吨MDI/年，胺溶液进料量为24吨/小时，采用氯苯作为反应溶剂，胺的氯苯溶液的质量浓度为33％，胺的氯苯溶液通过旋转的空心叶轮物料分布器喷射进入反应器壳体内部，与通过第一物料分布器进入到反应器壳体的光气溶液发生快速反应，其中，光气溶液的浓度为80％，光气与胺的质量比为1.7，然后将反应器出口处得到的反应混合物依次输送至四个串连的反应釜中进行光气化高温反应直至溶液变清。四个串连的反应釜的温度分布为90、105、115和120℃，每个反应釜的体积为40平方米。反应产物经蒸馏后，得到聚合MDI产品，粘度为200厘泊，分析其NCO质量含量为31.62％。

• 实施例2

采用图3所示的快速混合反应器进行MDI的生产试验。其中，第一进料分布器如图6b所示，在第一进料分布器上均匀分布具有不同内径的圆弧状缝隙，缝隙的径向宽度为2毫米；光气溶液通过所述圆弧状缝隙的出口速度为10米/秒。空心叶轮物料分布器上的第二进料喷射口的开孔方式如图5b所示，其喷射口为3毫米×8毫米的矩形；胺溶液通过第二进料喷射口的出口速度为22米/秒。转动轴的转速为1400转每分。采用该反应器在MDI装置上进行测试，测试负荷为30万吨MDI/年，胺溶液进料量为33吨/小时，采用氯苯作为反应溶剂，胺的氯苯溶液的质量浓度为33％，胺的氯苯溶液通过第二进料分布喷射进入反应器壳体内部，与通过第一物料分布器进入到反应器壳体的光气溶液发生快速反应，其中，光气溶液的浓度为75％，光气与胺的质量比为1.8，然后将反应器出口处得到的反应混合物依次输送至四个串连的反应釜中进行光气化高温反应直至溶液变清。四个串连的反应釜的温度分布为90、105、115和120℃，每个反应釜的体积为40平方米。反应产物经蒸馏后，得到聚合MDI产品，粘度为200厘泊，分析其NCO质量含量为31.56％。

通过上述实施例可以看出，使用《一种快速混合反应器及其应用》所提供的快速混合反应器，胺的质量浓度达到33％，光气和胺的质量比降低至1.7，远优于当前广泛使用的反应器（胺浓度15％-22％，光气与胺的质量比4-2.4），通过降低溶剂的用量和光气的过量比，不仅能提高反应器的利用率，提高产能，同时减少了过量光气的冷凝和溶剂脱除所消耗的能量，使单位质量产品的能量消耗降低40％。

• 实施例3

采用图4所示的快速混合反应器进行多亚甲基多苯基多胺的生产试验。其中，第一进料分布器如图6b所示，在第一进料分布器上均匀分布具有不同内径的圆弧状缝隙，缝隙的径向宽度为6毫米；苯胺盐酸盐和循环液的混合液通过所述圆弧状缝隙的出口速度为5米/秒。空心叶轮物料分布器上的第二进料喷射口的开孔方式如图5b所示，其喷射口为3毫米×8毫米的矩形；甲醛溶液通过第二进料喷射口的出口速度为20米/秒。转动轴的转速为2400转每分。采用该反应器在多亚甲基多苯基多胺的装置上进行测试，测试负荷为30万吨多胺/年，甲醛溶液（质量分数37％）进料量为16吨/小时，甲醛溶液通过第二进料分布器喷射进入反应器壳体内部，与通过第一物料分布器进入到反应器壳体的苯胺盐酸盐和循环液的混合液发生快速反应，其中，盐酸（质量分数32％）与新鲜苯胺的摩尔比为0.36，甲醛与新鲜苯胺的摩尔比为0.52，苯胺盐酸盐和循环液的混合液的总流量为220平方米/小时，然后将反应器出口处得到的反应混合物送到搅拌釜中进行进一步的预缩合反应，预缩合反应温度为65℃，再经升温、分子重排反应、中和、水洗以及多胺精制等步骤后，得到精制的多亚甲基多苯基多胺产品，其中氮甲基化合物的含量为0.12％，满足产品质量指标。

使用《一种快速混合反应器及其应用》所提供的快速混合反应器后，预缩合的反应温度从采用孔射流反应器时的40℃提升到65℃，能量消耗降低了35％，设备堵塞情况从1个月需清理一次改善到设备无堵塞现象发生，装置运转率得到很大提升。

《一种快速混合反应器及其应用》涉及一种快速混合反应器，更具体地说，是一种在大规模生产能力下实现流体间快速混合、快速反应的动态反应器。同时，《一种快速混合反应器及其应用》还提供了利用该反应器通过光气化法制备异氰酸酯的方法，以及利用该反应器通过苯胺和甲醛制备多亚甲基多苯基多胺的方法。