用来连续生产磺酸盐及/或硫酸盐化合物的多管式下降薄膜反应器

多管式下降薄膜反应器在当前是一项成熟的技术，它常常是磺化及硫化反应的优选反应器原理，这两种反应都可以为化妆品和清洁剂行业生产出优秀的表面活化剂产品。按照常规原理组成的反应器装有配备不同隔板装置及冷却液的多管式外壳和管式热交换器，并以水为主要冷却液。典型的反应器都是一些针对低浓度气体、有机化合物、冷却液以及成品收集而设置的隔离腔室，这些腔室按照从反应器顶端到底端出口的顺序分布。

在为上述行业生产表面活化剂时，气体及稀释的反应物是三氧化硫，常规有机化合物是15℃或温度高于该值的液体，原料品种主要是烷基化物；脂肪醇；黄化(etoxilated)脂肪醇，α-石蜡以及甲基酯。配有所谓活动氢原子的任何化合物都需经过磺化或硫化反应处理。(硫化反应针对氢原子链接氧原子的所有化合物，磺化反应针对碳-氢链)

对于所发生的所有化学反应来说，其特征在于低浓度气态SO₃是强侵蚀性/反应性反应物，而且这些化学反应都非常剧烈而且发热量高。总之，这些特性造成了控制反应物之间克分子比的难度，只有对总量及局部克分子比加以最优控制，才能生产出最好的产品。克分子比的任何偏差都会无可避免地导致以下问题：增加无用副产品的数量；主产品的颜色受到破坏；降低活性物质含量；增加硫酸盐的含量；增加非硫化/磺化反应有机化合物的含量，从而因增加原料消耗而降低生产率。在多管式下降薄膜反应器式反应器中，独立且平行的反应器单元的数量可以从两个到一百个以上不等，其中最重要的参数是反应物之间的局部克分子比，这关系到以最好的可能及最均匀的方式向各个单独的反应器单元配送有机化合物。局部克分子比的偏差即使达到最小也无法在后续工艺中获得完全的补偿。

为避免任何歧义，对总量克分子比定义为输入反应器中的SO₃克分子总量除以输入同一反应器中的有机化合物克分子总量的比值。借助于液态硫/液态二氧化硫/液态三氧化硫以及最终有机化合物的先进配料系统，总量克分子比可以保持在几乎恒定的水平上，从而不会对最终产品的性能构成任何显著影响。

同理，局部克分子比的定义涉及的是各个不同喷嘴部分中上述反应物之间的局部流量，根据“流阻最低路径”的原理，运动粘度极低的气体具有较强的均匀配送倾向，因此，局部克分子比主要取决于有机反应物从共用有机物腔室向各个单独喷嘴组件平稳均匀的进料量(公斤/小时)。因此，各喷嘴组件的构造对于各自的有机物流量及局部克分子比来说是具有决定性的关键要素。在多管式下降薄膜反应器式反应器中，所有的喷嘴组件都从共用有机物腔室进料。喷嘴的构造也允许一个反应器仅由一个反应器单元构成，此时，总量克分子比将相当于并等于局部克分子比，其精度也将只取决于外部配料系统。

同样重要的一个关键因素是，被插入部分内表面上形成的环形有机物薄膜应该被平稳均匀地配送。这一点是可以实现的，只要所有反应器单元中上述被插入部分内表面上的薄膜配送/形成能够获得与喷嘴组件中有机化合物的配料/计量相同的精度水平。总之这意味着，对于所有已知的工作条件来说，薄膜形成时的精度等同于有机化合物的配料/计量精度，亦即取决于环形槽长度及宽度指标的正确设计。

几种不同概念的构造现已上市并获得专利，以下是与本发明有关的专利：

US 3,918,917号，Nitto化学工业有限公司

US 4,183,897号，Construzioni Meccaniche G.Mazzoni S.p.A

FR 2,449,665号，Ballestra Chimica S.p.A

EP 0,570,894号，Al Meccaniche Moderne S.r.1

这些专利及其设计思想可以按如下方式描述并归类：

-经过预先校准及选配/组合的管口(材料与本专利完全不同)，其特点是计量/配送部分与薄膜形成部分之间的距离比较长。

(预先选配/组合的管口不能混同于本发明所述的喷嘴组件及喷嘴组件构造等专门术语。)

-圆锥形或圆柱形的槽，即使是较低的(相对本发明来说)有机物配送精度，这种设计也只能由垫片对槽的长度或开度进行机械调整才能实现。在这类构造中，如果槽的开度和长度指标设计正确，而且也达到了本专利所提出的精度水平，垫片调整将不再必要。显然，由垫片实现的插入部分与被插入部分相对位置关系将受到以下因素的影响：作用在主要法兰/圆柱体托板上的压力的不同(与标定压力之间)；单个螺栓的拧紧力矩；密封材料；乃至各圆柱体托板间的距离。所有单独喷嘴组件在启动前均需标定，这一点也清楚地表明了槽的开度和长度的不确定性，从而导致喷嘴组件被插入部分内表面上薄膜配送的均匀性较差(薄膜厚度沿湿润的周缘分布不等)。

与本发明所述的喷嘴组件构造相比，对于现有的和实际使用的构造可归纳出以下几处主要的不同/缺点：

-易于出现气囊，从而在启动过程中局部地阻塞有机物的输运。(指喷嘴组件插入与被插入部分之间间隙中的气囊。)

-有些部件过于复杂，加工不太方便。

-无论在启动前，还是在运行意外中断或日常洗涤/清洁过程之后，都需要进行耗时的标定。而且，这样获得的标定精度会因为普通车间环境总是不同于标定环境而受到影响。

-就运行过程中有机物的输运精度来说，单个喷嘴组件的精度一般都低于所有喷嘴组件的总量平均值。

-较低的计量精度往往会意味着薄膜厚度变动过大。

-喷嘴组件插入与被插入部分的紧固装置会影响单个喷嘴组件的供料精度，也会影响与之相邻接的喷嘴组件的上述精度。

-垫片调整的必要性常常很容易增加泄漏的可能性。

-计量精度会显著地依赖于固紧螺栓时所施加的力矩。

-出自各喷嘴组件的局部供料状态也会进一步受到正常运行过程中压力变化的影响，压力作用在不同的圆柱体托板上，并且因喷嘴组件在上述托板上位置的不同而产生不同的影响。

喷嘴组件是任何多管式下降薄膜反应器中最重要的组件/部件，本发明主要涉及所有构成喷嘴组件的单个组件的设计、制造及装配。

对于本发明所述的喷嘴组件来说，其特征在于一个经过适当设置的环形槽，该环形槽在公知工作条件下具有固定的长度及宽度。

本发明免去了如垫片之类复杂且可靠性差的标定装置，所发明的喷嘴组件显著地提高了薄膜厚度的均匀性。启动前的标定或车间生产中断后耗时的二次标定也没有进行的必要。

对平行喷嘴组件多于30个的全尺寸反应器模型进行了测试，并对所有喷嘴组件引入平均流量X_av(g/min)的概念，所有的单个流量均处在如下范围内：

X_av±0.2％

这样的精度水平至今尚未见有报道，这种配有新式喷嘴组件的反应器将被命名为NCN式反应器，NCN的含义是：无标定需要。

NCN式喷嘴组件可以装在所有为多相化学反应—乃至惰性(针对气态反应物的惰性)液体中存在并悬浮有活性微粒这样的化学反应—设计的多管式下降薄膜反应器式反应器中。

图1是组装起来的整个NCN型多管式下降薄膜反应器的纵剖图，其中，三个单独的喷嘴组件固定在图中局部表示出的反应管上。

图2是某一完整喷嘴组件的装配详图，该组件包括被插入部分、插入部分、各自的紧固装置、紧固螺栓以及密封系统，以上各部分布置在两个单独且彼此分开的圆柱体托板上。

图3是图2中A-A面的放大剖视图，该图详细表示了六个将液态有机物输入膨胀腔的通道。

喷嘴组件：由被插入部分、插入部分、各自的紧固装置、紧固螺栓以及密封系统构成的一套完整装置。

反应管：一个总长5-7米、被固定在喷嘴组件被插入部分上的普通管件。在这里，反应管充当化学反应的发生区域，并将化学反应产生的热量传递给周围循环着的冷却液。

反应器单元：将一个喷嘴组件，一个反应管乃至密封装置作为一个整体部件的完整装置。

多管式下降薄膜反应器，图1：一个完整的反应器装置，它包含以下部分：两个到一百个以上的反应器单元；多个用来配送气态反应物、液态有机反应物以及冷却液的相互隔离的腔室；用来收集成品的腔室以及所有材料流的连接部分。

反应器头部：它包含喷嘴组件和有机物腔室，有机物腔室由固定在圆柱体隔板上的圆柱体托板构成并限界，圆柱体隔板固定在过渡法兰上，法兰由螺栓封接在最底侧的圆柱体托板上。

喷嘴组件的标定：这是针对所有单个喷嘴组件的一项手工操作并且耗时的工作，要完成这项工作，至少要对反应器头部进行完全的装配。将正常地对应于反应器标称容量的一定量有机反应物加入共用有机物腔室中，并且对离开喷嘴组件或反应管的所有单独流出物进行仔细的称量。根据这一过程的测量结果，计算出单独流量的算术平均值，例如Xav。对于超出预定可接受范围的任何偏差都将加以调整，其做法是换上厚度不同于原装垫片的新垫片。这一过程通常至少要重复几次，由此达到如下所述的分布范围：

X_av±1.0％

目前的反应器技术常常能使偏离平均值的差值达到±2.5％，不过极少能使之达到±1.096。遗憾的是，上述反应器技术既不能确认也不能保证正常工作条件下的上述偏差范围/限制。

参见附图1，2，3以及上述的定义和术语，一个完整的多管式下降薄膜反应器装置包含以下部分：两个以上平行布置的反应器单元，气态反应物配送腔室4，有机反应物配送腔室11，冷却液室25以及成品收集腔室53，腔室53由托板/法兰29/31和圆锥形底罩32构成，上述所有部分依照从反应器顶端至反应器底端/出口的顺序分布。各个腔室与相邻腔室之间分别被托板/法兰8，9，16，18，27，29和31，密封系统，外部圆柱体罩以及顶端和底端的圆锥形罩3/32所隔离。在各反应器单元的出口端，装在位置29处的填料盒28/30有效地防止了冷却室25与收集腔室53之间的泄漏。在正常的生产条件/过程中，这些填料盒允许反应管发生纵向热膨胀。

以1处为进料口的上侧腔室4是由圆锥形顶罩3、上侧托板9以及法兰8围成的，它可以向所有每一个反应器单元均匀地配送气态反应物。

从中心管线进料的液态有机反应物通过几个加料管1 2被配送至有机物腔室11。该腔室11还配有在启动及运行过程中起除气作用的球阀开关。腔室11的出口通向周围环境。腔室11内的工作压力取决于通过环形槽21的压力降以及反应管24内的气体压力。

液态有机反应物从共用腔室11中的13处开始，沿被插入部分10的整个外缘被输送到各个单独的喷嘴组件中，继而经过图2/图3所示的纵向输料通道40进入膨胀腔20。通过环形槽21的有机反应物受到了严格的计量及配送，从而在被插入部分19的内表面上形成了连续均匀的下降薄膜50。在环形槽21的出口处，出自腔室11的液态有机反应物接触到出自腔室4的气态反应物，从而立刻发生放热的多相化学反应。化学反应的热量传递到反应管的外表面上并且持续地被冷却室25内的循环冷却液带走。冷却液经26处被输送到同一腔室中并且在22处离开。出自所有反应器单元的成品在腔室53内的反应器底端处被收集并在34处离开，随后又在用于分离气体/液体的特制离心分离器中得到后续处理。

如本发明所述的整个喷嘴组件包含插入部分10、被插入部分19、各自的紧固装置5/6和14/15以及密封系统7/17。

被插入部分19配有整体式的紧固法兰41，该法兰由紧固环15和2-4个螺栓14固定在托板18上。圆柱体托板18将有机物腔室11与冷却室25隔离开来。被插入部分19处的整体式法兰具有与紧固环15在43处深度相等的高度，由此形成一个完全连贯的表面，并与密封件17一同构成了被插入部分19与托板18之间的密封系统。上述内法兰41与上述紧固环15之间所固有的距离/间隙42可以有效地防止经过法兰41出现并作用在被插入部分19上的径向力。

如上所述，被插入部分19的位置仅由托板18中的圆柱体开口决定。在纵向上，其位置取决于作用在螺栓14上的力矩、密封件的厚度/压缩比以及运行过程中不同的压力及温度条件。法兰16与上侧托板9之间的圆柱体部分/隔离套同下侧托板18一起构成了上述有机物腔室11。为消除托板9与18之间的偏心，托板18配有至少两个圆锥形定位销，这些定位销以较高的精度插在法兰16上相应的定位孔中。

被插入部分19内部经切削形成了膨胀腔20的半部44。膨胀腔20的这一切削半部44类似于位于插入部分10外表面上的另一切削半部45。两个半部一同构成了上述膨胀腔20。被插入部分19被固定在长度为5-7米的反应管24的23处。

插入部分10配有类似的整体式法兰38，其高度相当于紧固环6在35处的深度。法兰38与紧固环6一同形成了一个完全连贯的表面，并与7处密封件一同构成了插入部分10与托板9之间的密封系统。上述外法兰38与上述紧固环6之间所固有的距离/间隙37可以有效地防止经过法兰38出现并作用在插入部分10上的径向力。

上述紧固环6配有大尺寸螺栓孔。上述间隙37，托板9和插入部分10的螺栓孔之间间隙以及上述大尺寸螺栓孔36等三者的共同作用有效地避免了任何出现并作用在上述法兰38上乃至喷嘴组件整个插入部分10上的径向力。如上所述，插入部分10在被插入部分19中的定心是重要的，它仅由定向区段52决定。

插入部分10外表面上切削出的纵向通道40将有机物的输运从腔室11导向膨胀腔20。

这些通道的尺寸及数目经过了精心的选择，以产生最大定向表面与较低的液体轴向流速相结合的效果，从而使喷嘴组件在启动及运行过程中实现自除气。作为专门术语，自除气当然适用于任何气体组分，这些气体组分出现在启动前，而且/或者是正常运行过程可能伴随的有机物整体流动中的弥散气体微粒。上述喷嘴组件的插入部分10外表面上被切削出膨胀腔20的半部45。本发明及其结构的特征在于：只要半部44和45的下侧唇缘48和49在所有已知工作条件下都能一直相隔一段距离46，而且唇缘49一直处于下侧位置，环形槽21的长度47和开度就都可以采取对上述各种条件均有效的单一设置。根据本发明，有机液进出喷嘴组件的输运特性只取决于对所有喷嘴组件都设定好的通道长度47以及插入部分与被插入部分之间形成的环形槽21的恒定开度。上述唇缘46与49之间的上述距离46将按照如下关系确定：

腔室半部44及/或45在膨胀腔20内的长度＞距离46＞0

唇缘49在两个唇缘48和49中总是处于下侧位置。

唇缘48与49之间的距离46一般为2.0-3.0毫米，对于所有各种可能导致插入部分10沿纵向相对于被插入部分19接近或远离的外力来说，距离46将保持恒定并进行自动补偿。

环形槽21内的压力降决定着各喷嘴组件的出流量，而且，在环形槽不变的情况下，即使插入部分相对于被插入部分接近或远离(移动极限见上文关系式)，压力降也能够保持不变，从而最终使出流量也如此。

换言之，对于任何环形槽21开度固定的喷嘴组件来说，只要距离46处于上述关系式规定的限度内，而且因此使环形槽长度47独立于工作条件的变化而不发生变化，流量就将保持不变。喷嘴组件将长久地不需要设置调节插入与被插入部分相对位置以干预或调节各自流量的机械装置，而且不存在标定或者二次标定的问题。

因此，本发明包括配有如上所述喷嘴组件的多管式下降薄膜反应器，该反应器具有至今尚未能达到的精度，而且不需要配置复杂且可靠性差的机械装置来实现所有各处流量的最终调节。此外，与其它同类结构相比，该反应器免去了任何启动前的标定或与意外中断及日常维修相关的二次标定。

以上根据一实施例介绍了本发明，本领域专业人士还可能发现其一些变化型。本发明也包含所有这些归属并容纳于如下权利要求保护范围及思路中的变化型。