生产乙酸乙酯的方法.pdf

本文描述了用于生产乙酸乙酯的方法和系统。所述方法和系统并入了高剪切装置的新应用，以促进羰基共反应物(例如乙酸，乙醛)与乙醇的分散和混合。高剪切装置使得可采用更低的反应温度和压力，并且还减少使用现有催化剂的反应时间。

1.  生产乙酸乙酯的方法，该方法包括：
a)将羰基共反应物引入到乙醇物流中以形成反应物物流；
b)使用高剪切装置使所述反应物物流经历大于约20,000s^-1的剪切速率；和
c)使反应物物流接触催化剂以生产乙酸乙酯。

2.  权利要求1的方法，其中在(b)中形成气泡，并且其中气泡具有小于约100纳米的平均直径。

3.  权利要求1的方法，其中羰基共反应物包括乙酸、乙酸酐、乙醛或其组合。

4.  权利要求1的方法，其中(b)包括使所述反应物物流经历在至少约23m/sec的尖端速度下的高剪切混合。

5.  权利要求1的方法，其中形成所述分散体包括至少约1000W/m³的能量消耗。

6.  权利要求1的方法，其中(c)在反应性蒸馏塔内发生。

7.  权利要求1的方法，还包括将反应物物流引入到含有催化剂的固定床。

8.  权利要求1的方法，在(a)之前将催化剂与反应物物流混合以形成浆料。

9.  权利要求1的方法，其中催化剂包括硫酸，盐酸，芳族磺酸，苯磺酸，对甲苯磺酸，沸石催化剂或其组合。

10.  产生乙酸乙酯的系统，该系统包含：
至少一个包含转子和定子的高剪切装置，所述转子和所述定子以约0.02毫米到约5毫米的剪切缝隙分隔开，其中剪切缝隙是在所述转子和所述定子之间的最小距离，并且其中高剪切装置能够产生至少一个转子的大于约23m/s(4,500ft/min)的尖端速度；
泵，其被配置用于递送液体物流至高剪切装置；和
被连接至所述高剪切装置的乙酸乙酯生产用反应器，所述反应器被配置用于从所述高剪切装置接收所述液体物流。

11.  权利要求10的系统，其中高剪切装置包含两个或更多个转子和两个或更多个定子。

12.  权利要求10的系统，其中所述高剪切装置包含转子尖端以及所述装置被配置用于在至少约23m/sec的尖端速度下在至少300L/h的流速下操作。

13.  权利要求10的系统，其中所述高剪切装置被配置用于在至少40m/sec的尖端速度下操作。

14.  权利要求10的系统，其中所述高剪切装置被配置为提供大于约1000W/m³的能量消耗。

15.  权利要求10的系统，其中至少一个高剪切装置被配置用于在液相中产生气泡，其中气泡具有小于100纳米的平均直径。

16.  权利要求10的系统，包含至少两个高切剪装置。

17.  权利要求10的系统，还包含固定床反应器，该反应器包含酸催化剂。

18.  权利要求10的系统，其中高剪切装置包含至少两个发生器。

19.  权利要求18的系统，其中由一个发生器提供的剪切速率大于由另一个发生器提供的剪切速率。

20.  权利要求10的系统，还包含被连接至所述反应器并用于纯化乙酸乙酯的一个或多个蒸馏塔。

生产乙酸乙酯的方法
关于由联邦政府发起的研究或开发的声明
不适用
技术领域
本发明总地涉及用于生产乙酸乙酯的装置和方法，更特别地涉及通过高剪切混合来加速该反应。
背景技术
商业性生产乙酸乙酯的方法主要采用以下两种方式：使用铝醇盐催化剂经由乙醛进行乙醇的直接转化来生产乙酸乙酯的蒂森科反应(Tischenko reaction)；和使用硫酸催化剂使乙醇与乙酸直接酯化来生产乙酸乙酯。蒂森科反应是乙酸乙酯商业性生产的主要方法。采用这一方法进行的工业规模生产在本世纪的前半世纪主要在欧洲被采用。
在乙酸乙酯生产中的改进主要涉及发现可供选择的乙酸乙酯的生产反应方法，诸如通过乙醇的脱氢或正丁烷的液相氧化。其它改进涉及不同的催化剂或使用不同的单元操作诸如采用膜分离技术或先进的蒸馏技术。然而，很少关注成本更少的非化学方法来加速或改进乙酸乙酯的生产。因此，需要可供选择的用于加速乙酸乙酯生产的方法。
发明概述
本文描述了用于生产乙酸乙酯的方法和系统。所述方法和系统并入了高剪切装置的新应用，以促进羰基共反应物(例如乙酸，乙醛)与乙醇的分散和混合。高剪切装置使得可采用更低的反应温度和压力，并还减少使用现有催化剂进行的反应时间。所公开的方法和系统的另外的优点和方面描述如下。
在一实施方案中，生产乙酸乙酯的方法包括将羰基共反应物引入到乙醇物流中以形成反应物物流。该方法还包括使用高剪切装置使所述反应物物流经历大于约20,000s^-1的剪切速率。另外，该方法包括使反应物物流接触催化剂以生产乙酸乙酯。
在一实施方案中，用于生产乙酸乙酯的系统包含至少一个包含转子和定子的高剪切装置。转子和定子以约0.02毫米到约5毫米的剪切缝隙隔开。剪切缝隙是在转子和定子之间的最小距离。该高剪切装置能够产生至少一个转子的大于约23m/s(4,500ft/min)的尖端速度。另外，该系统包含被配置用于向高剪切装置递送液体物流的泵。该系统还包含被连接至高剪切装置的乙酸乙酯生产用反应器。该反应器被配置用于从所述高剪切装置接收所述液体物流。
上文已经相当概括性地描述了本发明的特征和技术优点，以便可以更好地理解下文所述的本发明的详细说明。本发明的另外的特征和优点将在下文中进行描述并且构成本发明权利要求书的主题。本领域技术人员可理解所公开的概念和具体实施方案可容易地被采用，作为用于改变或设计其它的用于执行本发明相同目的的结构。本领域技术人员还可理解，这种等价构造并不脱离由权利要求书所宣称的本发明的实质和范围。
附图说明
图1是根据本发明的某些实施方案，用于生产乙酸乙酯的方法的工艺流程图。
图2是用于图1系统的实施方案中的多级高剪切器件的纵向剖视图。
发明详述
所公开的用于生产乙酸乙酯的方法和系统采用高剪切机械装置以提供羰基共反应物和乙醇在反应器/混合器装置中在受控环境下的快速接触和混合。本文使用的术语“羰基共反应物”包括本领域已知的用于生产乙酸乙酯的含羰基的化合物。这种共反应物包括但不限于乙酸，乙醛，乙酸酐等等。优选地，该方法包括乙醇和液体羰基共反应物的均相反应。高剪切装置减少了对反应的传质限制，从而增加总反应速率。
牵涉液体、气体和固体的化学反应依赖于时间、温度和压力来决定反应速率。如果希望两种或更多种不同相的原材料(例如固体和液体；液体和气体；固体、液体和气体)发生反应，控制反应速率的限制因素之一牵涉反应物的接触时间。在非均相催化反应的情况下，存在另外的速率限制因素：从催化剂表面除去已反应的产物从而使得该催化剂能够催化另外的反应物。反应物和/或催化剂的接触时间通常通过混合得以控制，所述混合操作提供在化学反应中所牵涉的两种或更多种反应物的接触。包括如本文所述的外部高剪切装置或混合器的反应器组件使得有可能降低传质限制，从而使得反应更密切地接近动力学极限。当反应速率被加速时，停留时间可被减少，从而增加可获得的处理量。产品收率因高剪切系统和方法而被增加。或者，如果现有方法的产品收率是可接受的话，那么通过并入合适的高剪切来减少所需的停留时间可允许使用比传统方法更低的温度和/或压力。均相反应也可受益于高剪切混合，如本文所公开的，通过至少在反应器内提供均匀的温度分布并使可能的副反应最小化。因此，在一些实施方案中，本文所述的高剪切方法促进了均相化学反应。
生产乙酸乙酯的系统。现在参考图1来描述高剪切乙酸乙酯生产系统，图1是用于通过乙醇与羰基共反应物(例如乙酸)反应来生产乙酸乙酯的高剪切系统100的实施方案的工艺流程图。代表性系统的基础组件包括外部高剪切混合装置(HSD)140、容器110和泵105。如图1所示，高剪切装置可位于容器/反应器110以外。这些部件中的每一个在下文中进行更详细的描述。管道121连接至泵105用于引入任一羰基共反应物。管道113将泵105连接至HSD 140，以及管道118将HSD140连接至容器110。管道122连接至管道113用于引入羰基共反应物。管道117连接至容器110用于除去未转化的反应物。如果需要，另外的部件或工艺步骤可被并入在容器110和HSD 140之间，或被并入到泵105或HSD 140的前面。高剪切装置(HSD)诸如高剪切装置或高剪切磨，一般地基于它们混合流体的能力进行分类。混合是使流体内的非均相物质或粒子的尺寸减小的过程。对于混合的程度或充分性的一个量度是混合装置产生的、使流体粒子碎裂的每单位体积的能量密度。基于被递送的能量密度将这些装置进行分类。存在三类具有足够的能量密度从而一致性地产生具有在0至50微米范围内的粒子或气泡尺寸的混合物或乳液的工业混合器。高剪切机械装置包括均化器以及胶体磨。
高剪切装置(HSD)诸如高剪切混合器或高剪切磨，一般地基于它们混合流体的能力进行分类。混合是使流体内的非均相物质或粒子的尺寸减小的过程。对于混合的程度或充分性的一个量度是混合装置产生的、使流体粒子碎裂的每单位体积的能量密度。基于被递送的能量密度将这些装置进行分类。存在三类具有足够的能量密度从而一致性地产生具有在0至50微米范围内的粒子或气泡尺寸的混合物或乳液的工业混合器。
匀化阀系统一般地被分在高能量装置类别内。待处理的流体在极高压下被泵送通过狭隙阀进入具有更低压力的环境中。跨阀压差以及所得的涡流和空化作用将流体内的任何粒子进行破碎。这些阀系统最常被用在乳的均化中并且可获得在约0.01微米到约1微米范围内的平均粒子尺寸。位于该分类的另一端的是被分在低能量装置类别内的高剪切装置系统。这些系统通常具有在待处理流体的储器中以高速旋转的桨或流体转子，所述流体在许多更常见的应用中是食品。当在被处理流体中的粒子或气泡的尺寸大于20微米可被接受时，这些低能量系统通常被使用。
就被递送至流体的混合能量密度而言，介于低能量高剪切装置和均质阀系统之间的是胶体磨，其被分在中间能量装置类别内。典型的胶体磨构造包括锥形的或碟形的转子，该转子以被密切控制的转子-定子缝隙与互补的液冷式定子隔开，该转子-定子缝隙大概为0.025毫米到10.0毫米。转子通常由电动马达通过直接传动或带机构进行驱动。许多经过适当调节的胶体磨在被处理流体中实现约0.01微米到约25微米的平均的粒子或气泡尺寸。这些能力使得胶体磨适合于许多应用，所述应用包括胶体和油/水基乳化处理，诸如化妆品、蛋黄酱，硅氧烷/银汞齐形成所需的乳化处理，或屋顶焦油混合。
通过测量马达能量(kW)和流体输出(L/min)可得到进入流体的能量输入近似值(kW/L/min)。在一些实施方案中，高剪切装置的能量消耗大于1000W/m³。在实施方案中，能量消耗为约3000W/m³到约7500W/m³。在高剪切装置内产生的剪切速率可大于20,000s^-1。在实施方案中，产生的剪切速率为20,000s^-1到100,000s^-1。
尖端速度是与正产生被施加于反应物上的能量的一个或多个旋转部件的末端有关的速度(m/s)。对于旋转部件而言，尖端速度是转子尖端在每单位时间内运行的圆周距离，并且一般地由以下方程式来定义：V(m/sec)＝π·D·n，其中V是尖端速度，D是转子的直径(单位是米)，和n是转子的转速(单位是转数/秒)。因此，尖端速度是转子直径和转速的函数。另外，尖端速度可如下计算：由转子尖端记录的圆周距离2πR(其中R是转子的半径(例如，单位是米))乘以旋转频率(例如，单位是转数/分钟即rpm)。
对于胶体磨，典型的尖端速度大于23m/sec(4500ft/min)，并且可大于40m/sec(7900ft/min)。为了本公开的目的，术语“高剪切”是指能够达到超过5m/sec(1000ft/min)的尖端速度并且需要外部机械驱动的动力装置以驱动能量进入要起反应的产品的物流内的机械式转子定子装置(诸如磨或混合器)。高剪切装置将高尖端速度与极小剪切缝隙相结合以在被处理的材料上产生显著的摩擦。因此，在操作期间，在剪切装置的尖端处产生约1000MPa(约145,000psi)到约1050MPa(152,300psi)的局部压力和高温。在某些实施方案中，局部压力为至少约1034MPa(约150,000psi)。
现在参见图2，提供了高剪切装置200的原理图。高剪切装置200包含至少一个转子-定子组合。转子-定子组合还可被非限制性地称为发生器220、230、240或级。高剪切装置200包含至少两个发生器，并且最优选地，该高剪切装置包含至少三个发生器。
第一发生器220包括转子222和定子227。第二发生器230包括转子223和定子228；第三发生器240包括转子224和定子229。对于每个发生器220、230、240，转子通过输入进行可旋转式驱动。发生器220、230、240围绕轴260以旋转方向265进行旋转。定子227被固定接合至高剪切装置的壁255。
发生器包括位于转子和定子之间的缝隙缝。第一发生器220包括第一缝隙225；第二发生器230包括第二缝隙235；以及第三发生器240包括第三缝隙245。缝隙225、235、245的宽度为约0.025毫米(0.01英寸)到10.0毫米(0.4英寸)。或者，所述方法包括采用其中缝隙225、235、245为约0.5毫米(0.02英寸)到约2.5毫米(0.1英寸)的高剪切装置200。在某些情况中，缝隙保持在约1.5毫米(0.06英寸)。或者，缝隙225、235、245的宽度对于发生器220、230、240而言是不同的。在某些情况下，第一发生器220的缝隙225大于第二发生器230的缝隙235，第二发生器230的缝隙235又大于第三发生器240的缝隙245。
另外，缝隙225、235、245的宽度可包括粗糙、中等、细和超细的特征。转子222、223和224以及定子227、228和229可为有齿设计。每个发生器可包含两组或更多组转子-定子齿，如本领域已知的那样。转子222、223和224可包括围绕每个转子的周边进行周边间隔的多个转子齿。定子227、228和229可包括围绕每个定子的周边进行周边间隔的多个定子齿。转子和定子可具有任何合适的尺寸。在一个实施方案中，转子的内径为约64毫米以及定子的外径为约60毫米。在其它实施方案中，转子的内径为约11.8厘米以及定子的外径为约15.4厘米。转子和定子还可具有交替的直径以便改变尖端速度和剪切压力。在某些实施方案中，三级中的每一级采用包括缝隙为约0.025毫米到约3毫米的超细发生器进行操作。当包含固体粒子的物料物流205要被发送通过高剪切装置200时，首先选择合适的缝隙宽度用于适当地减小粒子尺寸和增加粒子表面积。在实施方案中，这对于通过剪切和分散粒子来增加催化剂表面积而言是有利的。
高剪切装置200被供给包括物料物流205的反应混合物。物料物流205包含可分散相和连续相的乳液。乳液是指液化的混合物，该液化混合物包含两个不容易混合和溶解在一起的可区分的物质(或相)。大部分的乳液具有连续相(或基质)，连续相在其中保持另一个相或物质的非连续的小滴、气泡和/或粒子。乳液可能非常粘，诸如浆料或糊状物，或者可为具有被悬浮在液体中的微小气泡的泡沫。本文使用的术语“乳液”涵盖了包含气泡的连续相，包含粒子(例如固体催化剂)的连续相，包含液体小滴的连续相(该液体实质上不溶于连续相)，及其组合。
物料物流205可包含粒状固体催化剂组分。物料物流205被泵出发生器220、230、240，从而使得形成了产品分散体210。在每个发生器中，转子222、223、224相对于固定的定子227、228、229以高速旋转。转子的旋转在转子222的外表面和定子227的内表面之间泵送流体诸如物料物流205，产生局部化的高剪切条件。缝隙225、235、245产生高剪切力，其加工物料物流205。在转子和定子之间的高剪切力起到的作用是加工物料物流205以产生产品分散体210。高剪切装置200的每个发生器220、230、240具有可交换的转子-定子组合，如果物料物流205包含气体则用于产生在产品分散体210中的所需气泡尺寸的狭窄分布，或者，如果物料物流205包含液体则产生在产品分散体210中的液滴尺寸的狭窄分布。
气体粒子或气泡在液体中的产品分散体210包括乳液。在实施方案中，产品分散体210可包括先前不混溶的或不溶的气体、液体或固体在连续相中的分散体。产品分散体210具有的平均气体粒子或气泡的尺寸小于约1.5微米；优选气泡的直径为亚微米大小。在某些情况中，平均气泡尺寸为约1.0微米到约0.1微米。或者，平均气泡尺寸小于约400纳米(0.4微米)，并最优选小于约100纳米(0.1微米)。
高剪切装置200产生在大气压力下能够保持被分散历时至少约15分钟的气体乳液。为了本公开的目的，在产品分散体210的被分散相中的、直径小于1.5微米的气体粒子或气泡的乳液可包括微泡沫。不束缚于任何特定的理论，在乳液化学中已知的是，被分散在液体中的亚微米粒子或气泡主要通过布朗运动效应进行运动。在由高剪切装置200产生的产品分散体210的乳液中的气泡可具有更大的通过固体催化剂粒子的界面层的移动性，从而通过反应物转运被增强而促进和加速催化反应。
转子被设定为在与在上文中所述的转子的直径和所需的尖端速度相称的速度下旋转。由于并入高剪切装置200而降低了转运阻力，从而使得反应速度增加至少约5％。或者，高剪切装置200包括高剪切胶体磨，其充当速率加速反应器(ARR)。速率加速反应器包含单级分散室。速率加速反应器包含多级串联的分散器，其含有至少两级。
高剪切装置200的选择将根据处理量要求和在出口分散体210中的所需的粒子或气泡尺寸的不同而异。在某些情况中，高剪切装置200包括Works，Inc.Wilmington，NC和APV North America，Inc.Wilmington，MA的Dispax例如，型号DR 2000/4包括皮带传动，4M发生器，PTFE密封圈，进口法兰1英寸清洁夹钳，出口法兰³/₄英寸清洁夹钳，2HP功率，7900rpm的输出速度，约300l/h到约700l/h的流量容力(水)(根据发生器的不同而异)，9.4m/s到约41m/sec(约1850ft/min到约8070ft/min)的尖端速度。可获得具有不同的进口/出口接头、马力、公称尖端速度、输出rpm和公称流量的可供选择的型号。
尽管不希望束缚于特定的理论，但是相信高剪切混合水平或程度足够增加传质速率，并且还产生局部的非理想状态，这些状态使得基于吉布斯自由能理论预测时不会发生的反应得以发生。局部的非理想状态被认为在高剪切装置内发生，导致温度和压力增加，相信最显著增加的是局部压力。在高剪切装置内，压力和温度的增加是瞬间的和局部的，并且当离开高剪切装置时迅速地恢复回到本体或平均系统条件。在一些情况中，诸如在均相液相反应中，高剪切装置诱导具有足够强度的空化作用，从而使反应物中的一种或多种解离形成自由基，其可加强化学反应或使得反应在比通常所需的严格程度更低的条件下发生。空化作用还通过产生局部湍流度和液体微循环(声流)而增加转运过程的速率。
容器。容器或反应器110是任何类型的容器，其中多相反应可被波及到此以进行上述的转化反应。例如，可串连或并联地使用连续搅拌罐反应器或半连续搅拌罐反应器、或一个或多个间歇式反应器。在一些应用中，容器110是塔式反应器。在其它应用中，容器110是管式反应器或多管式反应器。催化剂进口管道115可连接至容器110，用于在系统操作期间接收催化剂溶液或浆料。
反应器110可包括一个或多个以下部件：搅拌系统，加热和/或冷却设备，压力测量仪器，温度测量仪器，一个或多个注入点，和液面调节器(未示出)，这是反应容器设计领域已知的。例如，搅拌系统可包括马达驱动式混合器。加热和/或冷却设备可包括例如换热器。或者，因为大部分转化反应可在HSD 140内发生，因此容器110有时可主要起到储存容器的作用。虽然一般不那么理想，但是在一些应用中可省略容器110，特别是如下文进一步描述那样如果多个高剪切装置/反应器被串连使用时。
传热装置。除了上述的容器110的加热/冷却设备之外，用于加热或冷却工艺物流的其它的外部或内部传热装置也被考虑为处在图1所示的实施方案的变体内。用于一种或多种这种传热装置的一些合适的位置为：在泵105和HSD 140之间，在HSD 140和反应器110之间，和当系统1以多程模式运行时在容器110和泵105之间。这种传热装置的一些非限制性实例是本领域已知的壳式、管式、板式和盘管式换热器。
泵。泵105被配置用于连续操作或半连续操作，并且可以是任何合适的泵送装置，其能够提供大于2个大气压的压力，优选大于3个大气压的压力，从而使得受控物流流过HSD 140和系统1。例如，Roper1型齿轮泵，Roper Pump Company(Commerce Georgia)Dayton PressureBooster Pump型号2P372E，Dayton Electric Co(Niles，IL)是一个适当的泵。优选泵的所有接触部分包括不锈钢。在所述系统的一些实施方案中，泵105能够提供大于约20个大气压的压力。除了泵105之外，在图1所示的系统内还可包括一个或多个另外的高压泵(未示出)。例如，增压泵，其可类似于泵105，可被包括在HSD 140和反应器110之间，用于助推压力进入容器110。作为另一个实例，补充的给料泵，其可能类似于泵105，可被包括在内，用于将另外的反应物或催化剂引入到容器110中。
乙酸乙酯的生产。在乙酸乙酯的生产操作中，分别经由管道122将羰基共反应物引入到系统100中，并在管道113内与乙醇物流112合并。羰基共反应物可为在乙酸乙酯生产中所用的任何含羰基的化合物，诸如，例如，乙酸。或者，羰基共反应物可被直接供给到HSD 140中，而不是在管道113内与乙醇合并形成反应物物流。泵105可工作从而将乙醇物流泵送通过管道121，并建立压力以及供给到HSD 140，提供贯穿整个高剪切装置(HSD)140和高剪切系统100的受控流。
在优选的实施方案中，羰基共反应物可被连续地供给到乙醇物流112中以形成高剪切物料物流113或反应物物流。在高剪切装置140内，乙醇和羰基共反应物经过高度混合，从而使得形成了纳米级气泡和/或微米级气泡，用于增强在乙醇和羰基共反应物之间的反应。当被分散后，反应物流在高剪切出口管道118处离开高剪切装置140。代替浆料催化剂方法，物流118可任选地进入的流化床或固定床142。然而，在浆料催化剂实施方案中，高剪切出口物流118可直接进入反应器110用于反应。在反应器110中使用冷却盘管可将反应物流保持在所指定的反应温度下，从而保持反应温度。反应产物(例如乙酸乙酯)可以蒸气形式在产品物流116处被抽出。
在示例性实施方案的中，高剪切装置包括市售的分散器，诸如型号DR 2000/4，其是被配置为具有串连对准的三组转子-定子的高剪切、三级分散装置。该分散器用来产生羰基共反应物和乙醇的混合物。转子/定子组可例如如图2所示进行配置。合并的反应物经由管道113进入高剪切装置并进入具有周边间隔的第一级剪切开口的第一级转子/定子组合。离开第一级转子/定子组合的粗分散体进入具有第二级剪切开口的第二级转子/定子组合。从第二级得到的气泡尺寸被减小的分散体进入具有第三级剪切开口的第三级转子/定子组合。分散体经由管道118离开高剪切装置。在一些实施方案中，剪切速率沿着流方向在纵向逐渐增加。例如，在一些实施方案中，在第一级转子/定子组合中的剪切速率大于在随后的一级或多级中的剪切速率。在其它实施方案中，剪切速率沿着流的方向大体上是恒定的，在每一级或多级内的剪切速率是相同的。如果高剪切装置包括PTFE密封，则该密封可采用例如本领域已知的任何适当技术进行冷却。例如，在管道113内流动的反应物物流可被用来冷却密封并且在这种情况下在进入高剪切装置之前根据需要将反应物物流进行预热。
HSD 140的转子可被设定为在与转子的直径和所需的尖端速度相称的速度下旋转。如上所述，高剪切装置(例如胶体磨)在定子和转子之间具有固定间隙或者具有可调节的间隙。HSD 140用来密切地混合反应物液体(即羰基共反应物和乙醇)。在该方法的一些实施方案中，通过高剪切装置的操作降低了反应物的转运阻力，从而使得反应速度增加超过约5倍。在一些实施方案中，反应速度增加至少10倍。在一些实施方案中，反应速度增加约10至约100倍。在一些实施方案中，HSD140能够在至少4500ft/min并且可大于7900ft/min(140m/sec)的公称尖端速度下以约1.5kW的能量消耗递送至少300L/h。尽管测量在HSD140内的旋转剪切单元或旋转部件的末端处的瞬时温度和压力是困难的，但据估计，在空化条件下，从密切混合的反应物可见局部温度超过500℃以及压力超过500kg/cm²。高剪切混合导致由于空化作用而形成微米级或亚微米级的气泡。在一些实施方案中，获得的分散体具有低于约1.5微米的平均气泡尺寸。因此，经由管道18离开HSD 140的物流包括微米级和/或亚微米级的气泡。在一些实施方案中，平均气泡尺寸为约0.4微米至约1.5微米。在一些实施方案中，平均气泡尺寸小于约400纳米，并且有时候可为约100纳米。在许多实施方案中，微米级气泡分散体能够在大气压力下保持被分散达至少15分钟。
当被剪切后，所得的羰基共反应物/乙醇溶液经由管道118离开HSD 140并被供给到容器110，如图1所示的。由于在进入容器110之前反应物的密切混合，在有或者没有催化剂存在下，大部分的化学反应可在HSD 140内发生。因此，在一些实施方案中，反应器/容器110可主要用于加热和从乙酸乙酯产物中分离挥发性反应产物。作为替代，或者另外，容器110可充当其中生成大部分乙酸乙酯的初级反应容器。容器/反应器110可以连续流或半连续流的方式操作，或者可以间歇方式操作。使用加热和/或冷却设备(例如冷却盘管)和温度测量仪器使容器110的内容物保持在所指定的反应温度。在实施方案中，容器110可为反应性蒸馏塔。容器内的压力可使用合适的压力测量仪器进行监控，并且容器内反应物的水平面可使用液面调节器(未示出)进行控制，采用本领域技术人员已知的技术进行。内容物经历连续搅拌或半连续搅拌。
可适当地使用一般已知的反应条件来生产乙酸乙酯。对于该反应条件没有特别的限制。然而，通常选择压力为约等于大气压力到100个大气压，或者为约20到约40个大气压，以及反应温度可为约15℃到约350℃，或者为约75℃到约150℃。
如上所述，被供给到管道112的羰基共反应物可为本领域技术人员已知的任何用于生产乙酸乙酯的羰基共反应物。例子包括但不限于乙酸、乙酸酐、乙醛等等。羰基共反应物的来源可来自任何合适的来源。同样地，用于反应的乙醇可来自任何合适的来源。例如，乙醇可得自乙烯水合法，费-托法或发酵法。
如果需要，反应溶液在进入容器110之前可进行进一步的处理。容器的内容物可经历连续搅拌或半连续搅拌，反应物温度可受到控制(例如使用换热器)，容器110内的液面可采用标准技术进行调节。反应可以连续方式、半连续方式或间歇方式进行，根据特定应用的要求而定。所产生的任何副产物经由管道117离开反应器110。该排出物流117可包含例如未反应的羰基共反应物，并且如果需要，其可经过处理并被再循环到高剪切装置的进口。
在其中羰基共反应物是乙醛的实施方案中，通过蒸发从容器110除去可蒸馏产物。然后在一系列蒸馏步骤中分离被合并的可蒸馏产物以得到乙酸乙酯产品；未转化的乙醛，用于再循环；轻馏分，其可被用作燃料；乙酸乙酯和乙醇的混合物；以及副产物，乙醛二乙基缩醛，其可被回收用于销售或经历水解用于回收乙醛和乙醇。
在其中羰基共反应物是乙酸和/或乙酸酐的实施方案中，酯化反应得到作为废产物的水。水妨碍所述反应，并且当产生水时反应塔110可适于除去作为共沸物的水。酯化反应产生水，乙酸乙酯和未反应的乙酸，其可在物流129中被除去。塔顶蒸气可在冷凝器130中被冷凝以形成塔顶冷凝物，其可被收集在倾析器中，在倾析器中产物被分成两相，富含乙酸乙酯的有机相和主要含有水的水相。有机相可被部分地再循环到反应容器110并且有机相的其余部分131可被供给到第二蒸馏塔180，该第二蒸馏塔180产生乙酸乙酯的塔底产物物流116和乙酸乙酯、水和乙醇的共沸物的塔顶物流181。含有乙酸乙酯的反应产物物流116可包含未转化的乙醇并且经由管道116离开容器181。乙酸乙酯产品可被回收并通过本领域技术人员已知的任何方法(例如蒸馏法，液-液提取法，膜分离，等等)进行处理。
塔顶物流181可在第二冷凝器132中被冷凝，其中的冷凝物可被收集在第二倾析器中，如前所述，在该第二倾析器中冷凝物被分成两相。有机相被再循环到塔181，同时水相与来自第一塔的水相合并在物流134中并被供给到第三塔183中以从塔底产生废水物流119和从塔顶产生共沸物物流185。共沸物物流185可被再循环到反应容器110。图1所示的方法仅仅是所公开方法的示例性实施方案。还可使用高剪切装置140来进行乙酸乙酯的其它已知的产生方法。
催化剂。如果使用催化剂来促进反应，则可经由管道115向容器中引入作为水性或非水性浆料或物流形式的催化剂。作为替代，或者另外，催化剂可在系统100中的别处被加入。例如，催化剂浆料可被注入到管道121内。在一些实施方案中，管道121可含有得自容器110的流动的羰基共反应物再循环液流。
在实施方案中，可使用任何的适于催化氢化反应的催化剂。根据一个实施方案，催化剂是强酸催化剂。在所公开的方法的范围内可采用多种的均相的或非均相的酸。本文可使用盐酸，硫酸，烷基磺酸和芳族磺酸。示例性的酸包括但不限于磺酸诸如甲磺酸，苯磺酸和对甲苯磺酸。或者，在本发明的范围内可使用硫酸或杂多聚酸。在反应器110中可使用强酸离子交换树脂诸如Rohm和Haas A-16。催化剂以足够引发和保持反应的量被使用。在本发明范围内可使用均相催化剂液相或围绕床的泵，其能够使液体被泵送通过固体催化剂142的填充床。催化剂可通过催化剂物料物流115被供给到反应器110内。可供选择合适的催化剂的其它例子包括包含Pd、Ti、Ru或其组合的金属催化剂。
如上所述，代替浆料催化剂方法，物流118可任选地进入流化床或固定床142。然而，在浆料催化剂实施方案中，高剪切出口物流118可直接进入反应器110用于乙酸乙酯的生产。如果采用浆料基催化剂，则反应更可能在图1所示的反应器(110)以外的点处发生。尽管如此，通常希望离散的反应器，从而使得可增加停留时间，搅拌以及加热和/或冷却。当使用固定床反应器时，反应器由于催化剂的存在而变成反应发生的主要场所。在反应器110中可使用冷却盘管将反应物流保持在所指定的反应温度下，从而保持反应温度。
多程操作。在图1所示的实施方案中，所述系统被配置用于单程操作，其中得自反应器110的输出物直接经历进一步的处理用于回收乙酸乙酯产品。在一些实施方案中，可能希望使容器110的内容物或含有乙酸乙酯产品、未反应的乙醇和/或羰基共反应物的液体级分第二次经过HSD 140。在该情况下，管道116通过虚线120被连接至管道121，从而使得得自容器110的再循环液流通过泵105被泵送进管道113中，并从而进入HSD 140内。可将另外的羰基共反应物经由管道122注入管道113内，或者可直接将其加入到高剪切装置内(未示出)。
多个高剪切混合装置。在一些实施方案中，两个或更多个高剪切装置如HSD 140或不同构型的高剪切装置被串连对准，并被用于进一步增强反应。它们可以间歇方式或连续方式进行操作。在一些其中希望单程或“一回”方法的情况中，使用多个串联的高剪切装置也是有利的。在一些其中多个高剪切装置串连操作的实施方案中，可省略容器110。在一些实施方案中，多个高剪切装置140平行操作，并且得自它们的出口分散体被引入到一个或多个容器110中。
尽管已经显示和描述了本发明的优选方案，但是可由本领域技术人员对其进行修饰而不脱离本发明的精神和教导。本文所述的实施方案只是示例性的，而非限制性的。本文所公开的本文的许多变体和修饰是可能的并处于本发明的范围内。当清楚表明数值范围或限制时，这些表述范围或限制应被理解为包括落入所明确表述的范围或限制内的相同数量级的叠代范围和限制。使用更上位概念诸如包括、包含、具有等，应被理解为对更狭义的术语诸如由…组成、基本上包含、实质上包含等的支持。因此，本发明的保护范围不受上述说明书的限制，而是只受权利要求书的限制，该保护范围包括权利要求所述主题的所有的等价体。每个原始的权利要求作为本发明的实施方案被并入本说明书中。因此，权利要求书是进一步的描述并且是本发明的优选方案的附加。本文引用的所有的专利、专利申请和出版物的公开作为参考并入本文，并入程度为它们为本文所述的那些提供了示例性的、程序上的或其它详细的补充。