TW201536409A - 具有奈米過濾的噴流迴路反應器和氣體分離器 - Google Patents

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Abstract

本發明有關用於液體與氣體和任選另一流體之連續均質催化反應的裝置，其中該裝置包含具有藉由至少一幫浦所驅動的外部液體環路之至少一噴流迴路反應器，且其中該裝置具有至少一隔膜分離單元，較佳地係保留該均質催化劑，該隔膜分離單元被配置在該噴流迴路反應器的外部液體環路中。其目的係減少該裝置之成本。這係藉由提供額外設備所達成、亦即氣體分離器，其被配置在該噴流迴路反應器的外部液體環路中，且被安裝用於由該外部液體環路分離氣體，並將該氣體反饋進入該噴流迴路反應器。

Description

具有奈米過濾的噴流迴路反應器和氣體分離器
本發明有關用於液體與氣體及任選另一流體之連續均質催化反應的裝置，其中該裝置包括具有藉由至少一幫浦所驅動的外部液體環路之至少一噴流迴路反應器，且其中該裝置具有至少一隔膜分離單元、較佳地係保留該均質催化劑，該隔膜分離單元被配置在該噴流迴路反應器的外部液體環路中。
液體係大體上不能壓縮之自由流動媒介。氣體係可壓縮的自由流動媒介。流體係液體或氣體。就本發明之情況而言，疏散地分佈在其中的均質分佈之液相及氣相的二相混合物同樣地係流體。因為該氣體百分率，此等流體係可很小程度上壓縮。
就本發明之情況而言，饋入液體被取為意指物質或物質的混合物，其在反應條件之下係以物體之液體狀態存在 於該設備中，且具有至少一反應物。氣體被取為意指純氣體或氣體混合物，其具有至少一反應物及任選惰性氣體。 具有二反應物的氣體之一範例係由氫及一氧化碳所組成的合成氣體，該合成氣體譬如被使用於醛化作用中。
就本發明之情況而言，噴流迴路反應器係用於液體及至少一個另一流體的連續反應之裝置，其中該液體在壓力之下經過噴嘴進入反應空間，沿著主要流動方向流動經過該處，在位於與該噴嘴相反的反應空間端部被偏向，對著該主要流動方向倒流，且再次於該主要流動方向中被加速，以此一使得內部液體環路(迴路)被建立在該反應器空間內的方式。該第二流體被該液體流動所夾帶及沿著該迴路於途中反應。該液體因此用作驅動噴流媒介。為將該動能輸入該液體，外部液體環路被分派至該反應空間，其中部份該液體的外部液體環路係在該反應空間外側於該環路中循環。在該外部液體環路內，幫浦被提供，其將該需要之動能賦予至該液流，用於在該反應器內建立該迴路流動。該噴嘴據此係由該外部環路饋入。
對噴流迴路反應器的技術之良好導入被提供於：P.澤納，M.克勞斯：“泡罩塔”，烏爾曼(Ullmann)工業化學百科全書、電子發行刊物、第7版、第四章、Wiley-VCH，威黑姆[2005]。
於該醛化作用(亦被稱為羰基化反應)，具有烯族雙鍵(烯類)的碳化氫係與合成氣體(氫及一氧化碳之氣體混合物)反應，以形成乙醛及/或乙醇。
對醛化作用的原理導入被提供於：Falbe,Jürgen：具有一氧化碳之新合成物。施普林格1980、柏林、海德堡、紐約und普魯特、Roy L：醛化作用。有機金屬化學中之發展、第17冊、第1-60頁、1979年。
烯烴的醛化作用之狀態的良好概觀可被發現於B.科爾尼斯，W.A.赫曼，“具有有機金屬化合物之應用均質催化作用”、第1&2冊、VCH，威黑姆、紐約、1996年及亦於R.弗蘭卡、D.Selent、A.伯爾納、“應用醛化作用”、化學發行刊物，2012,DOl：10.1021/cr3001803。
醛化作用具有用於生產高級乙醛之作用。尤其是那些具有3至25個碳原子的高級乙醛譬如被使用當作合成物先質，用於生產羧酸、及當作氣味劑。工業地，它們時常藉由催化之氫化作用被轉換成對應的乙醇，其依序具有用於生產塑化劑及清潔劑之作用。因為該醛化作用產物的大規模工業之重要性，該羰基化反應係在工業規模下進行。
該大規模工業醛化作用中，目前基於鈷或銠的有機磷金屬複合物催化劑被使用。該等催化劑被均質地溶解在該液體醛化作用混合物中。就由該醛化作用混合物分離出該目標產物(該醛類)之情況而言，既然該複合物催化劑比較靈敏地反應，以在狀態中改變及能喪失其活性，該均質的催化劑亦必需在溫和的條件之下與該醛化作用混合物分離。
傳統地，該催化劑係藉由蒸餾與該醛化作用混合物分離。為了減少去活化的風險及減少該製程之能量消耗，近 來已努力分開均質地溶解的催化劑與該醛化作用混合物使用隔膜技術(奈米過濾)。進入隔膜技術之優異的導入係藉由以下所給與：Melin/Rautenbach：Membranverfahren.Grundlagen der Modul-und Anlagenauslegung.[隔膜製程.模組及系統設計之原理]施普林格、柏林海德堡2004。
用於分離均質地溶解的催化劑複合物與醛化作用混合物之隔膜支撐式、親有機性奈米過濾的原理被普里斯克，M.等人所敘述：均質催化劑於高級烯烴的醛化作用中藉著親有機性奈米過濾之反應整合分離。隔膜科學之期刊、第360冊、第1-2期、2010年9月15日、第77-83頁；doi：10.1016/j.memsci.2010.05.002。
於醛化作用的反應器排出物之隔膜過濾中，時常被溶解或不溶解在該液體反應器排出物中的合成氣體係一特色：該醛化作用係二相反應，氫及一氧化碳形成該氣相，該等烯烴、乙醛及乙醇形成該液相，其中該催化劑被無固相地溶解。按照該反應器中之溶液平衡，部份該合成氣體亦被溶解在該液體反應器相位中，且隨同該反應器排出物移去。雖然該合成氣體於該隔膜過濾期間保持被溶解在該反應器排出物中，該隔膜過濾在這個程度上係無問題的。然而，如果該液體反應器排出物被氣相所伴隨、或如果在該隔膜之鬆弛時，氣相形成氣泡，該氣泡可機械地損壞該隔膜。聚合物隔膜尤其是易受氣泡所損壞。
由於除氣合成氣體，另一問題係氧化碳之喪失：尤其 是該銠催化醛化作用，該CO分壓在該催化劑複合物的活性及穩定性上施加一臨界效應。在由醛化作用之反應排出物隔膜分離均質地溶解的複合物催化劑期間，為了避免活性之喪失，EP1931472B1提出在該隔膜分離單元之所有三個連接件(饋入物、滯留物、透過物)確保最小CO分壓。
WO2010023018A1顯示具有分享式外部液體環路的二平行連接噴流迴路反應器。該噴流迴路反應器被使用於具有均質溶解催化劑之醛化作用中。分離該催化劑不是討論的主題。
詹森，M.,Wilting,J.，穆勒，C.及沃格特，D.(2010年)、具有多面體矽氧烷寡聚物(POSS)放大三苯基膦之1-辛烯的連續銠催化醛化作用、應用化學國際版，49：7738-7741、doi：10.1002/anie.201001926敘述於特別噴霧反應器中執行均質催化醛化作用，該噴霧反應器包含在交叉流動室中彼此接觸的二外部液體環路。於第一循環中，該液體反應器排出物係以溶解在其中之合成氣體由該反應器移去，且藉著葉輪泵所循環。於交叉流動室中，該反應器排出物被分成二子流：含有具有溶解的合成氣體之液體反應器排出物的第一子流被當作合成氣體於氣相中沿著該第一循環傳導退入該反應器。第二純液體之子流係藉著幫浦運送經過陶瓷隔膜分離單元。在此，該目標產物被取為透過物，該含有催化劑的滯留物係經由該第二循環線通過回至該交叉流動室，且在此與該第一液體循環混合。 此裝置之優點被考慮為該反應器排出物係在該交叉流動室內除氣，且因此所產生的任何氣相保留於該第一循環中。 這是因為該交叉流動室之特別流動條件有利於該氣泡之移去進入該第一環路的回流。配置該隔膜之第二液體環路因此保持無氣體的(這意指H2與CO保持被溶解在該液體中)。然而，此實驗室裝置之缺點係其比較複雜化的結構，對於二幫浦之需求及於該交叉流動室中的高流體動力學能量損失：以工業規模使用此裝置執行醛化作用係幾乎不符合經濟效益的。
在開始時所論及之泛型裝置係由WO2013/034690A1已知。在此，該隔膜分離單元被配置在該噴流迴路反應器的外部液體環路中。除了該液體百分率以外，此裝置之一缺點係經由該外部液體環路所傳導的流體亦運送氣體百分率-被溶解於液相中或位於氣相中。因此，必需被傳導經過該隔膜分離單元之體積係相當大的。用於該隔膜分離單元之高饋入體積流率需要高隔膜表面積、及因此用於設立該系統之相當高的資金成本。再者，一些隔膜材料在大量中係一點也不可用的，使得具有由該隔膜材料所製成之大隔膜表面積的隔膜分離單元將亦能夠被經濟地製成。
相對於此先前技藝，本發明之目的係減少該裝置之成本。
這是藉由提供額外的設備、亦即氣體分離器而令人驚訝地被達成，該設備被配置在該噴流迴路反應器的外部液體環路中，且被安裝用於分離氣體與該外部液體環路及將 氣體反饋進入該噴流迴路反應器。
本發明因此有關用於液體與氣體及任選另一流體之連續均質催化反應的裝置，其中該裝置包含具有藉由至少一幫浦所驅動的外部液體環路之至少一噴流迴路反應器，其中該裝置具有至少一隔膜分離單元，較佳地係保留該均質催化劑，該隔膜分離單元被配置在該噴流迴路反應器的外部液體環路中，且其中
氣體分離器被配置在該噴流迴路反應器的外部液體環路中，該氣體分離器被安裝用於由該外部液體環路分離氣體，並將該氣體反饋進入該噴流迴路反應器。
本發明係基於氣體百分率可藉著該氣體分離器在該液體環路被通過該隔膜之前被由該外部液體環路移除的知識。氣體分離器能由在該液體環路中所傳導之流體分離不只是被溶解在液相中的氣體而且有形成分開之氣相(氣泡)的氣體。於該氣體分離器中之除氣減少至該隔膜分離單元之饋入體積流量，由此，該隔膜表面積及因此該隔膜分離單元的成本亦可被減少。既然氣體分離器係相當便宜及簡單可用之標準設備，隔膜分離單元與上游氣體分離器及減少隔膜表面積的組合係比沒有氣體分離器但需要較高級隔膜表面積之傳統裝置較便宜。根據本發明，用於該隔膜分離單元的相同分離效率，該隔膜分離單元之隔膜表面積係少於該先前技術領域中者。
該氣體分離器的另一優點係很多市售隔膜模組係不適合用於具有被溶解及/或未溶解之氣體百分率的反應混合 物，因為這些不是被設計用於該透過物側面上之充分氣體移除，且取決於在該透過物側面上待移除的體積式氣流之數量建立一在該透過物側面上的反壓力，其減少該液體透過物輸出，或甚至可導致該隔膜之破壞。
為了避免該催化劑之去活化及由於除氣而對該隔膜的損壞，且亦達成改善之隔膜固持，其於傳統系統中慣常的是使該隔膜分離單元之透過物除氣。由於根據本發明的氣體分離器，此等措施係不再是絕對需要，因為有害之氣體百分率業已在該隔膜分離單元之前被移除。對比於該先前技術領域，該除氣根據本發明在該饋入側面上及不在該透過物側面上持續進行。然而，儘管先前之除氣，如果均質催化劑必需於以溶解氣體的隔膜分離期間被穩定化，透過物側面的後除氣可為需要的。
本發明之特別發展提供於該外部液體環路中，在該隔膜分離單元的上游，熱交換器被配置用於冷卻該隔膜分離單元之饋入，且該氣體分離器被配置在該熱交換器的下游及該隔膜分離單元的上游。此一熱交換器具有用於移除發熱反應之反應熱的作用。在該熱交換器下游配置該氣體分離器係有意義的，因為該液體環路接著具有較低溫度，及因此其可被較佳地除氣。再者，於很多隔膜材料中之較高溫度藉此導致該隔膜固持的減少及藉此導致該分離之減弱。用於運動該外部液體環路的幫浦較佳地係同樣地配置在該隔膜分離單元上游。尤其是，其亦被配置在該氣體分離器上游，且-如果熱交換器被提供於該液體環路中-在該 熱交換器上游。
本發明之較佳發展提供該隔膜分離單元被製成為多級隔膜集聯。該透過物品質可藉此被改善及/或該隔膜表面積減少。
當作隔膜集聯，於此案例中，考慮耶誕樹互連或餵入與放出系統、尤其是諸如富集集聯或剝離集聯。
於該最簡單的案例中，該隔膜分離單元被製成為具有單一再循環環路(被稱為迴路者)之餵入與放出系統。於該再循環環路中，部份該滯留物被反饋進入該饋入物。
該透過物品質可首先被改善，其中該隔膜分離單元係由複數個串連迴路所製成。
此外，該透過物品質能被改善，其中多級餵入與放出系統被用作隔膜分離單元。於此案例中，其係多級隔膜集聯，該集聯具有複數個再循環環路或迴路。集聯式餵入與放出隔膜系統能被製成為“剝離集聯”或“富集集聯”之任一者。此一集聯的每一級可被由一或多個迴路所製成。
對比於隔膜技術中所熟悉之“耶誕樹互連”及因此已知(米蘭/勞籐巴赫)，被製成為饋入及放出系統的隔膜集聯允許在品質及/或數量中之變動的饋入條件之下及/或於隔膜性能隨著時間改變的案例中操作。在高濃度因數，用於相同之安裝隔膜表面積，剝離集聯導致比富集集聯較佳的整個透過物品質。此外，與單級隔膜分離單元比較，富集集聯具有所需要之表面積係超過兩倍大的缺點。於剝離集聯之案例中，在對比下，實際上任何想要的隔膜表面 積能被使用於單級隔膜分離單元與富集集聯之間。這是重要的，尤其是，當富集集聯係由於所需之高隔膜表面積而不經濟、且單級隔膜分離單元係由於不足之分離而不堪用時。
在這些先決條件之下，使用具有局部透過物再循環的二級隔膜集聯當作隔膜分離單元浮現在腦海裡。於此案例中，該透過物係由該再循環環路或具有該最不佳的透過物品質之環路再循環，其大致上係在該濃度區段的末端具有該最高滯留物濃度之迴路。此互連於隔膜技術中被稱為“二級剝離集聯”。具有在該集聯的端部再循環之透過物的再循環環路亦被稱為濃度迴路。以具有透過物再循環之濃縮物迴路的互連允許較純的全部透過物。
很特別較佳地係，該濃縮物迴路所使用之隔膜表面積被製成，以便比該慣常迴路所使用的隔膜表面積較小。以此方式，不會減弱該分離結果，該隔膜表面積需求被降低。
另一選擇係，該隔膜分離單元被製成為二級富集集聯。二級富集集聯係具有局部滯留物再循環的多級隔膜集聯。於此案例中，來自該第二級之總滯留物被再循環。不只是該二級富集集聯之第一級、而且其第二級能被由一或多個隔膜迴路所製成。與剝離集聯比較，首先，在此所需要的濃縮物因數係足夠低，使富集集聯由於該分離結果係有利的。其次，該透過物合計被產生，且因此所需之隔膜表面積係足夠小，而使富集集聯為經濟的。
提供本發明之很特別較佳具體實施例，即無運送元件被提供於該氣體分離器及噴流迴路反應器之間，以此一使得該噴流迴路反應器由與該外部液體環路分離的氣體分離器氣體獨立地吸收之方式。這是因為經過該噴流迴路反應器的強烈內部液體流用作像噴水幫浦，並以此一使得沒有額外之單元、於該外部液體環路的氣體分離器中分離之氣體百分率可被再循環至該反應器的方式。在這方面，無運送元件意指無直接運送元件、諸如幫浦被提供於氣體分離器及噴流迴路反應器之間。該運送輸出最終被產生該外部液體環路及該反應器中之流動的幫浦所提供，且因此間接地造成該水泵效應。
於本發明之另一較佳具體實施例中，管狀反應空間延伸在該噴流迴路反應器中，用於將該液體注射進入該反應空間的噴流噴嘴打開進入該空間，及用於吸入氣體之吸入管亦連帶地打開，且用於該外部液體環路的擋板屏蔽式輸出端在該空間被提供。
於該直立延伸反應器中之噴流噴嘴可被向上或往下地引導。噴流噴嘴及吸入管的張開度造成該液體及氣體反應成分之強烈混合(水泵效應)。該氣體可藉由吸力從外側經由該吸入管抽吸、或由在該反應空間內的區域抽吸，氣鼓泡在該反應空間中延伸。該輸出端能被配置在該反應器之頂部或底部。藉由該擋板屏蔽該輸出端減少氣泡由該內部液體環路導入該外部液體環路。用於該流動動力學之改善，同心地延伸經過該反應空間的至少一導引管能被提 供。其結果是，該液相及氣相之混合被增強。複數個導引管亦可被配置，以便前後對齊。然後，該反應混合物於該主要流動方向中流經該導引管，在該導引管的末端被偏向，及在該導引管外側倒流。該導引管代表該內部迴路之二流動方向的結構式分離。
根據本發明之裝置係以傑出的方式適合用於液體與氣體及任選另一流體之均質催化反應，其中與該隔膜分離單元的透過物反應之至少一目標產物係由該液體環路排出。
本發明因此亦有關用於液體與氣體、和任選另一流體之均質催化反應的方法，其中該反應係在根據本發明之裝置中進行，且其中該反應之至少一目標產物係隨著該隔膜分離單元的透過物由該液體環路排出。
由於該氣體分離器，其係可能處理具有氣體百分率之液體環路。這是可能的，直至該隔膜分離單元的饋入中之約30%體積百分比的氣體百分率。根據本發明之方法的較佳發展係因此在該隔膜分離單元的上游，該外部液體環路係包含疏散地分佈在其中之液相及氣相的混合物，其中該氣相之體積百分率係於零及30%之間。
然而，該氣體分離器亦允許相當高氣體數量的處理。 根據本發明之方法的較佳發展係因此在該氣體分離器的上游，該外部液體環路係包含疏散地分佈在其中之液相及氣相的混合物，其中該氣相之體積百分率係於30及100%之間。在下游，以此一使得在該氣體分離器之後於該隔膜分離單元之饋入中，低於30%體積百分比的氣體含量係存在 之方式，該氣體分離器接著具有用於分離該較高氣體百分率的作用，該含量不會損壞該隔膜。
這些反應可為二相(液體/氣體的)或三相(液體/液體/氣體的或液體/氣體/氣體的)。於該液體環路中，小量固體亦可存在。
可被進行之反應的範例係氧化作用、環氧化作用、醛化作用、氫胺化作用、氫氨甲基化作用、氫氰化作用、氫羧基烷化作用、胺化作用、氨氧化作用、肟化作用、氫化矽烷化作用、乙氧基化作用、丙氧基化作用、羰基化作用、短鏈聚合作用、置換作用、鈴木耦合作用或氫化作用。
尤其較佳地係，該裝置係適合用於醛化作用，那就是說用於具有烯族雙鍵之化合物與合成氣體反應，以形成乙醛及/或乙醇。
用於執行該方法所敘述之裝置的使用同樣地為本發明之主題。
根據本發明的裝置尤其能被使用於液體與氣體之反應，其中不只是該氣體、而且該液體具有至少一反應物。
該等反應產物係在該液相中隨同該透過物排出。
於根據本發明的設備中，反應可在0.2至40MPa(絕對)之壓力範圍及於0至350℃的溫度範圍中進行。在此案例中，該反應較佳地係陪同均質地溶解於該液相中之催化劑而發生。
較佳地係，於根據本發明的裝置中，反應被進行，其 中該催化劑係以該液體饋入所饋入，且譬如藉由具有烯族雙鍵的化合物陪同有或沒有含磷配合基之添加的羰基鈷或羰基銠之醛化作用，均質地溶解於該液體產物/反應物相中，諸如，乙醛及/或乙醇之生產。
合適隔膜材料的選擇將相對於待分離之催化劑複合物被作成：既然隔膜對將被分離的饋入之各種成分的浸透性最後係時間之函數(該隔膜對於催化劑不是絕對不能滲透的，與其他反應參與物比較，其通過速率反之係顯著地較慢)，該隔膜必需以此一使得其優先保留待分離的催化劑複合物之方式被選擇。
於根據本發明的方法中，隔膜能被使用，由於其化學或物理性質，其係適合以較佳地係在至少50%之範圍中保留有機磷金屬複合物催化劑及/或無有機磷配合基。
對應隔膜屬於奈米過濾隔膜的等級。奈米過濾之表達被應用至隔膜分離方法，其具有分離限制或於150g/mol至高於1奈米的範圍中之載留分子量(MWCO)。該分離限制(或載留分子量-MWCO)的大小指示具有90%之隔膜固持的成份之分子或微粒尺寸。
該分離限制的決定之慣常方法被給與於Y.H.。看Toh,X.X.Loh,K.Li,A.俾斯麥，A.G.李文斯頓、尋找用於有機溶劑奈米過濾隔膜之說明特性的標準方法、J.Membr.Sci.,291(2007)120-125中。
該隔膜固持Ri係由該隔膜xiF之所討論的成份i之餵入側濃度及該隔膜xiP之所討論的成份i之'透過物側濃度 計算如下：Ri=1-xiP/xiR
較佳地係，根據本發明用於該應用的隔膜將具有少於1000g/mol之MWCO。
用於該隔膜之可用性的另一先決條件係該隔膜對於所有存在於該反應混合物中之化合物必需為穩定的，尤其是對於該等溶劑必需為穩定的。隔膜亦被考慮為穩定的，其-例如藉由該隔膜聚合物之腫脹所造成-於MWCO及/或浸透性中經歷隨著時間的變化，但遍及該操作時期滿足該分離工作。再者，該隔膜材料將耐受住該反應溫度。對於該反應溫度為穩定及在該反應溫度施行之隔膜材料允許複合物溫度控制被省卻。
優先使用具有一材料之分離活性層的隔膜，該材料選自纖維素醋酸鹽、三醋酸纖維素、纖維素硝酸鹽、再生纖維素、聚醯亞胺、聚醯胺、聚醚醚酮、硫酸化聚醚醚酮、芳香族聚醯胺、聚醯胺醯亞胺、聚苯並咪唑、聚苯並咪唑酮、聚丙烯腈、聚芳硫醚碸、聚酯、聚碳酸酯、聚四氟乙烯、聚二氟乙烯、聚丙烯、聚二甲基矽氧烷、矽、聚磷腈、聚苯硫醚、聚苯並咪唑、尼龍®6,6、聚碸、聚苯胺、聚氨酯、丙烯腈/乙二醇甲基丙烯酸酯(PANGMA)、聚三甲矽基丙炔、聚甲基戊烯、聚偏氟乙烯、α氧化鋁、二氧化鈦、γ氧化鋁、聚苯醚、氧化矽、氧化鋯、以矽烷疏水化的陶瓷隔膜，如在DE10308111中所敘述，具有自具微孔(PIM)之聚合物、諸如PIM-1及其他者，譬如於藉 由I.卡巴索、聚合物科學及技術百科全書、約翰威立及子弟們、紐約、1987年的EP 0 781 166中及於“隔膜”中所敘述。該前述的物質可為尤其存在於該分離活性層中，隨意地以交聯形式經過輔助劑之加入，或以被稱為具有填料的混合基質隔膜、譬如奈米碳管、金屬有機架構或中空球體、及無機氧化物或無機纖維之微粒、譬如陶瓷纖維或玻璃纖維的形式被提供。
特別的優先係給予使用具有當作分離活性層之聚合物層的隔膜，該聚合物層由聚二甲基矽氧烷、聚醯亞胺、聚醯胺醯亞胺、丙烯腈/乙二醇甲基丙烯酸酯(PANGMA)、聚醯胺或聚醚醚酮所製成，其係由具有諸如PIM-1之自具微孔(PIM)的聚合物所組成，或其中該分離活性層係藉由疏水化陶瓷隔膜所組成。極特別較佳地係，由矽或聚醯胺醯亞胺所製成之隔膜被使用。此種隔膜係市售的。
以及該前述的材料，該等隔膜可包括進一步之材料。 更特別地是，該等隔膜可包括該分離活性層已被施加的支撐或載體材料。於此等合成隔膜中，支撐材料係仍然存在以及該實際隔膜。支撐材料之選擇係藉由EP0781166所敘述，其被明確地參考。
市售奈米過濾隔膜的選擇係來自科氏隔膜系統公司之MPF及Selro系列、不同型式的Solsep BV、來自Grace/UOP之StarmemTM系列、來自贏創工業集團的DuraMemTM及PuraMemTM系列、來自Bio-Pure技術公司 之Nano-Pro系列、來自IKTS的HITK-T1、及亦來自GMT Membrantechnik GmbH之oNF-1、oNF-2及NC-1。 當噴射迴路反應器及隔膜分離單元被配置在分享的外部液體環路中時，這具有經過反應器及隔膜之產量必需為完全相同的效果。然而，用於特定設備之理由，反應器及隔膜的產量性能可為不同。接著，雖然如此，為了實現液體環路或理想的隔膜溢流，其係可能使具有該低穿越流性能之設備配備有旁路導管，該旁路導管允許該液壓障礙之局部旁路。據此，該裝置具有至少一旁路導管，其平行於該噴流迴路反應器或該隔膜分離單元被配置在該外部液體環路中。
於該裝置的另一較佳具體實施例中，其具有不只一個噴流迴路反應器，但反之具有複數個可平行連接的噴流迴路反應器，並具有一分享的外部液體環路，其中該隔膜分離單元被配置在該分享的外部液體環路內。藉由打開及關閉個別反應器，尺寸被設計為明確地較小之複數個噴流迴路反應器允許該裝置在該要求位置的轉換性能之彈性適應度。這允許該裝置在改變要求之下的經濟利用率。
該隔膜分離單元可據此亦被製成，以平行地操作：藉由打開及關閉個別平行連接之隔膜模組，該隔膜分離單元的整個隔膜表面積可被彈性地設計成適於該系統能力。本發明之較佳發展係因此以隔膜分離單元為其特徵，以此一使得該隔膜分離單元的整個活性隔膜表面積係可藉由打開及關閉該等隔膜來調整之方式，該隔膜分離單元包含可平 行地連接的多數個隔膜。
1‧‧‧噴流迴路反應器
2‧‧‧反應空間
3‧‧‧液體表面
4‧‧‧噴流噴嘴
5‧‧‧氣體饋入
6‧‧‧導引管
7‧‧‧擋板
8‧‧‧輸出端
9‧‧‧外部液體環路
10‧‧‧幫浦
11‧‧‧熱交換器
12‧‧‧氣體分離器
13‧‧‧氣體導管
14‧‧‧隔膜分離單元
15‧‧‧饋入
16‧‧‧透過物
17‧‧‧滯留物
18‧‧‧試劑
19‧‧‧第一級
20‧‧‧第二級
21‧‧‧在該隔膜分離單元內之幫浦
22‧‧‧(第一)壓力升高幫浦
23‧‧‧第三級
24‧‧‧第二壓力升高幫浦
25‧‧‧後除氣器
26‧‧‧廢氣
27‧‧‧藉由蒸餾之單離純化
28‧‧‧第一目標產物
29‧‧‧第二目標產物
30‧‧‧級幫浦
31‧‧‧迴路
本發明現在將藉由示範具體實施例被詳細地說明。該等圖面顯示：圖1：根據本發明之裝置，具有簡單的隔膜分離單元；圖2：當作二級剝離集聯之隔膜分離單元的詳細視圖；圖3：當作二級富集集聯之第二隔膜單元的詳細視圖；圖4：根據本發明之裝置，具有於集聯中的隔膜分離單元及藉由蒸餾之透過物處理。
圖1顯示根據本發明具有一噴流迴路反應器1的裝置之第一具體實施例。該噴流迴路反應器1包括呈壓力管的形式之管狀反應空間2，其被以液體反應混合物充填直至所界定的液體表面3。氣體反應參與物之氣鼓泡形成在該液體表面上方。因為該溶液平衡，該等氣體反應參與物係局部溶解於該液體反應混合物中；局部氣體反應參與物係如氣相位於該液體中(在該圖示中被顯示為氣泡)。該均質催化劑同樣地被溶解在該反應液體中。
噴流噴嘴4往下投射進入該液體反應混合物，經由該 噴射噴嘴，液體反應參與物係以高動能注射。氣體反應參與物通過氣體饋入5進入該反應空間2。吸入管係在結構上分派至該噴流噴嘴4，該吸入管藉由吸力由該反應空間2之氣體充填部份抽吸該氣體，並使其與該液體流混合。 用於此目的，吸入管及噴流噴嘴之開口係貼近地鄰接及共同地通入該反應空間。由於由該噴流噴嘴4顯現的液體反應參與物之高流動速度，來自該氣體饋入5的氣體反應參與物被夾帶(可比較於噴水泵)。
導引管6同心地及同軸向地延伸經過該反應空間2至該壓力管。該導引管6具有在該反應空間2內提供內部液體環路之作用：該注射反應液體由該噴流噴嘴4往下流動經過該導引管6，且被配置在該反應空間2的另一端部之擋板7所偏向，並以此一使得該液流再次於該導引管6外側向上流動的方式。以此方式，內部液體環路被形成在該反應空間2內，在該液體環路中，該反應夥伴被密集地混合及反應。
輸出端8被提供在該擋板7下方，反應混合物係經過該輸出端連續地被由該反應空間2移去及饋入外部液體環路9。該擋板7由該內部液體環路屏蔽該輸出端8，並以此一使得氣泡幾乎不會抵達該外部液體環路9的方式。該外部液體環路因此顯著地由液體反應物、溶解之催化劑、及溶解的氣體反應物所組成。
用於本發明之實用措施，噴流噴嘴4是否被往下引導及擋板7是否被配置在該噴流噴嘴4下方係無關的。其係 亦可能由該反應器之底部向上注射。於兩案例中，該輸出端可被配置在該反應器中的頂部或底部。該擋板據此必須以此一使得其屏蔽該輸出端之方式被配置。
該外部液體環路9係藉由幫浦10所運動。該幫浦10係周邊葉輪泵，其係亦能夠運送液體/氣體混合物。微小之氣泡係因此無害的。
在下游，於幫浦10之後，熱交換器11被配置，藉著該熱交換器，視反應的型式而定，熱能被導入該外部液體環路9或由該外部液體環路9排出。再者，該噴流迴路反應器1本身能被設有圍繞該反應空間的熱交換器(其未被示出)。當譬如發熱反應被進行時，諸如醛化作用，反應之熱被該熱交換器11所移除。該熱交換器11接著冷卻該外部液體環路9。
在下游，於該熱交換器11之後，氣體分離器12被配置。該氣體分離器12由該外部液體環路9分離氣體百分率，並將這些饋入至該噴流迴路反應器1。用於此目的，該氣體分離器12係經由氣體導管13連接至該噴流迴路反應器1之氣體饋入5。於該氣體導管13中，無運送元件被配置，因為該噴流迴路反應器藉由吸力獨立地抽吸與該氣體分離器12分離的氣體。
在下游，於該氣體分離器12之後，隔膜分離單元14被配置。關於任何隔膜，該隔膜分離單元14具有三個連接，亦即饋入15、透過物16及滯留物17。經由該饋入15流入的反應混合物係在該隔膜分開成透過物16及滯留 物17。既然該隔膜對於該溶解之催化劑複合物係比至該饋入15的保留成分有更少浸透性，該催化劑留在該隔膜之此側面上，且在該滯留物17中被提高。相對於該催化劑，該隔膜分離單元14具有有價值的產物之較佳浸透性，並以此一使得有價值的產物係相對於該透過物16中之催化劑提高的方式。該透過物16被進一步傳導供處理(在圖1中未示出)；該富有催化劑之滯留物17被返回，與新鮮的液體試劑18混合、經由該噴流噴嘴4進入該反應器1。
根據本發明被配置在該隔膜分離單元14上游之氣體分離器12實現至該隔膜分離單元14的饋入15之體積式流率的減少，因為氣泡及溶解氣體係與該外部液體環路9分離，且經由該氣體導管13直接地再循環進入該噴流迴路反應器1。由於該減少的饋入體積式流率，用於相同的分離性能，該隔膜分離單元14之隔膜表面積可為比於沒有氣體分離器12的傳統系統較小。尤其是，均質地執行催化醛化作用變得顯著地更經濟的，因為被使用於此案例中之亞磷酸銠複合物催化劑的分離需要昂貴之隔膜。
於圖1中，該隔膜分離單元14在其具有僅只一隔膜的最簡單之設計中被顯示。實際上，該隔膜分離單元14係寧可被製成為多級隔膜集聯，如在圖2及3中所顯示。
圖2顯示被設計為具有二級19、20的二級剝離集聯之隔膜分離單元14的原理結構。該除氣饋入15被施加至該第一級19。該第一級19之透過物對應於該隔膜分離單 元14的結果透過物16。該第一級19之滯留物沒有進一步壓力升高地被施加至該第二級20。該第二級20的滯留物對應於該隔膜分離單元14之結果滯留物17。該第二級20的透過物係與該隔膜分離單元14之饋入15混合，且經由內部幫浦21反饋回至該第一級19。該第二級20的透過物因此對應於被製成為剝離集聯之隔膜分離單元14的內部透過物回流。
圖3顯示被設計為具有二級19、20的二級富集集聯之隔膜分離單元14的原理結構。該除氣饋入15被施加至該第一級19。該第一級19之滯留物對應於該隔膜分離單元14的結果滯留物17及留下此滯留物。該第一級19之透過物係藉著第二壓力升高幫浦24再次加壓，以便再平衡該第一級19的跨膜壓力。此後，該隔膜分離之第二級20持續進行。在此案例中所產生之透過物對應於該整個隔膜分離單元14的結果透過物16。該第二級20之滯留物係與該饋入15混合，且經由第一壓力升高幫浦22再循環至該第一級19。該第二級20的滯留物係因此為該富集集聯的內部滯留物回流。
圖4顯示根據本發明之裝置，其中該隔膜分離單元14具有在其該透過物的方向中前後連接之三隔膜級19、20、23。二壓力升高幫浦22、24等化已在該等級19、20降低的跨膜壓力。級19、20、23之個別滯留物被組合為結果滯留物17，且再循環至該噴流迴路反應器1。每一級19、20、23亦包括分開的級幫浦30與內部迴路31，如在 該第一級19之詳細放大中所顯示。
該第三級23的透過物形成該隔膜分離單元14之結果透過物16。殘留氣體成分於後除氣器25中被除氣，其殘留氣體成分未藉由該氣體分離器12所分離，例如於該催化劑分離期間經由該三級19、20、23而用於該催化劑複合物之穩定化。因為在其間發生的壓降，於該後除氣器25中分離的氣體不能沒有壓縮地被再循環至該噴流迴路反應器1，且係因此為了單純故當作廢氣26被拋棄。
同時，於該氣體分離器12中分離之氣體仍然未遭遇隔膜，且因此可沒有運送元件地經由該氣體導管13被再循環回至該噴流迴路反應器1。在此，其被與該氣體反應物18分開地饋入，那就是說不經由分享式氣體饋入。
於圖4中，藉由該後除氣的透過物16之蒸餾，單離純化27被進一步顯示，在此過程中，該等實際目標產物28、29被獲得。該等目標產物係正丁醛28及異丁醛29，其係藉由丙烯與一氧化碳及氫(合成氣體)、所有試劑18之醛化作用所生產。在該氣體分離器12中所分離的氣體大體上係未反應之結果氣體。
1‧‧‧噴流迴路反應器
2‧‧‧反應空間
3‧‧‧液體表面
4‧‧‧噴流噴嘴
5‧‧‧氣體饋入
6‧‧‧導引管
7‧‧‧擋板
8‧‧‧輸出端
9‧‧‧外部液體環路
10‧‧‧幫浦
11‧‧‧熱交換器
12‧‧‧氣體分離器
13‧‧‧氣體導管
14‧‧‧隔膜分離單元
15‧‧‧饋入
16‧‧‧透過物
17‧‧‧滯留物
18‧‧‧試劑

Claims (12)

  1. 一種用於液體與氣體和任選另一流體之連續均質催化反應的裝置，其中該裝置包含具有藉由至少一幫浦所驅動的外部液體環路之至少一噴流迴路反應器，且其中該裝置具有至少一隔膜分離單元，較佳地係保留該均質催化劑，該隔膜分離單元被配置在該噴流迴路反應器的外部液體環路中，其特徵為氣體分離器被配置在該噴流迴路反應器的外部液體環路中，該氣體分離器被安裝用於由該外部液體環路分離氣體，並將該氣體反饋進入該噴流迴路反應器。
  2. 如申請專利範圍第1項之裝置，其中於該外部液體環路中，在該隔膜分離單元的上游，熱交換器被配置用於冷卻該隔膜分離單元之饋入，且其中該氣體分離器被配置在該熱交換器的下游及該隔膜分離單元的上游。
  3. 如申請專利範圍第1或2項之裝置，其中該幫浦被配置在該隔膜分離單元的上游，尤其是其中該幫浦被配置在該氣體分離器的上游、及很特別較佳地係在該熱交換器的上游。
  4. 如申請專利範圍第1或2項之裝置，其中該隔膜分離單元被製成為多級隔膜集聯。
  5. 如申請專利範圍第1或2項之裝置，其中以使得該噴流迴路反應器由該氣體分離器獨立地吸收由該外部液體環路分離的氣體之方式，無運送元件被提供 於該氣體分離器及噴流迴路反應器之間。
  6. 如申請專利範圍第1或2項之裝置，其中管狀反應空間延伸在該噴流迴路反應器中，用於將該液體注射進入該反應空間的噴流噴嘴打開進入該空間，及用於吸入氣體之吸入管亦連帶地打開，且用於該外部液體環路的擋板屏蔽式輸出端在該空間被提供。
  7. 一種用於液體與氣體和任選另一流體之均質催化反應的方法，其特徵為該反應係在根據申請專利範圍第1至6項之任一項的裝置中進行，且其中該反應之至少一目標產物係隨著該隔膜分離單元的透過物由該液體環路排出。
  8. 如申請專利範圍第7項的方法，其中在該隔膜分離單元的上游，該外部液體環路係包含疏散地分佈在其中之液相及氣相的混合物，其中該氣相之體積百分率係於零及30%之間。
  9. 如申請專利範圍第10項的方法，其中在該氣體分離器的上游，該外部液體環路係包含疏散地分佈在其中之液相及氣相的混合物，其中該氣相之體積百分率係於30及100%之間。
  10. 如申請專利範圍第7、8或9項的方法，其中氧化作用、環氧化作用、醛化作用、氫胺化作用、氫氨甲基化作用、氫氰化作用、氫羧基烷化作用、胺化作用、氨氧化作用、肟化作用、氫化矽烷化作用、乙氧基化 作用、丙氧基化作用、羰基化作用、短鏈聚合作用、置換作用、鈴木耦合作用或氫化作用係在該裝置中進行。
  11. 如申請專利範圍第10項的方法，其中具有烯族雙鍵之化合物係藉由醛化作用與合成氣體反應，以形成乙醛及/或乙醇。
  12. 一種根據申請專利範圍第1至6項之任一項的裝置之應用，用於執行均質的催化反應、尤其是用於醛化作用。
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