生产直链烷基苯的方法.pdf

本发明描述了生产直链烷基苯的方法和系统。所述方法和系统并入了高剪切装置的新应用，从而改善了一种或多种烯烃(例如丙烯)与芳族物质的分散和混合。所述高剪切装置使得可降低反应温度和压力，还可以在现有催化剂存在下缩短反应时间。

1.  生产直链烷基苯的方法，所述方法包括：
a)向芳族物流中引入一种或多种烯烃以形成反应物物流；和
b)利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)使所述反应物物流与催化剂接触以形成直链烷基苯。

2.  如权利要求1所述的方法，其中在步骤(b)中形成气泡，并且其中所述气泡的平均直径小于100纳米。

3.  如权利要求1所述的方法，还包括在(a)之前将所述芳族物流与催化剂接触。

4.  如权利要求3所述的方法，还包括使所述催化剂与存在于反应区域中的一种或多种成分乳化。

5.  如权利要求1所述的方法，其中形成所述分散体气泡包括使所述气泡经历在至少约23m/sec的尖端速度下的高剪切混合。

6.  如权利要求1所述的方法，其中所述催化剂包括路易斯酸。

7.  如权利要求1所述的方法，其中所述烷基苯包括十二烷基苯。

8.  如权利要求1所述的方法，还包括向含所述催化剂的流化床或固定床中引入所述分散体。

9.  如权利要求1所述的方法，其中所述催化剂包括卤化铝、卤化钛、卤化锆、卤化铁、卤化钒、卤化铬或其组合。

10.  如权利要求1所述的方法，其中所述直链烷基苯由下式表示：

其中R为含1到20个碳原子的烷基且R可为支链或非支链。

11.  如权利要求1所述的方法，其中所述烯烃含1到10个碳原子。

12.  生产直链烷基苯的系统，所述系统包含：
高剪切装置，所述装置包括用于液体物流的进口和用于产物分散体的出口，其中所述高剪切装置的出口流体连接至反应器的进口，并且其中所述高剪切装置能够产生在液体中的气泡直径小于约5微米的分散体气泡；和
泵，配置所述泵以将包括液相的液体物流递送至所述高剪切装置；和
固定或流化催化剂床；和
烷基化反应器，配置所述反应器以从所述高剪切装置接收所述分散体并保持预定的压力和温度。

13.  如权利要求12所述的系统，其中所述高剪切装置包含以约0.02毫米到约5毫米的剪切缝隙分隔开的至少一个转子和至少一个定子，其中所述剪切缝隙是在所述至少一个转子和所述至少一个定子之间的最小距离，并且其中所述高剪切装置能够产生所述至少一个转子的大于约23m/sec的尖端速度。

14.  如权利要求12所述的系统，其中配置所述高剪切装置以产生大于约20,000s^-1的剪切速率。

15.  如权利要求12所述的系统，其中配置所述高剪切装置以用于至少约1000W/m³的能量消耗。

16.  如权利要求12所述的系统，包含至少两个高剪切装置。

17.  如权利要求12所述的系统，还包括固定床反应器，所述反应器包含酸催化剂。

18.  如权利要求12所述的系统，其中所述高剪切装置包含至少两个发生器。

19.  如权利要求18所述的系统，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.  如权利要求12所述的系统，还包括被连接到所述反应器、用于纯化所述烷基苯的一个或多个汽提塔。

生产直链烷基苯的方法
技术领域
本发明总地涉及化学反应领域。更具体地，本发明涉及并入高剪切混合来生产直链烷基苯的方法，所述直链烷基苯即用链烷烃链取代了苯环中的氢原子的烷基芳族化合物。
背景技术
烷基苯具有广泛的技术用途。例如，侧链中具有数目为8到16的大量碳原子的烷基苯是生产磺酸化洗涤剂的中间体。其中在洗涤剂和表面活性剂产品的应用中，使用烷基苯衍生物如烷基苯磺酸盐。环境法要求这些产品是生物可降解的。具有支链脂肪链的烷基苯不能通过需氧细菌从具有直链的烷基苯出发被降解，因此在使用这种洗涤剂的工厂所排放的水中累积。众所周知，为了生物可降解，重要的是烷基链为直链，即具有非常少的支链或不存在支链，并且如果存在季碳原子的话，也只有很少数目的季碳原子。因此，自20世纪60年代早期收到为生产生物可降解的洗涤剂的环境需要的驱动，直链烷基苯已经成为占主导地位的洗涤剂中间体。
直链烷基苯的商业性开发已集中于提取源于经加氢处理的煤油原料的高纯度直链链烷烃。最初，这些直链链烷烃在低于完全转化率下经过脱氢得到直链内单烯烃。使用脱氢排出物即烯烃和链烷烃的混合物，使用氢氟酸作为催化剂，进行苯的烷基化以生产直链烷基苯。烯烃向烷基苯的转化使得容易进行未反应的直链链烷烃的分馏分离和未反应的直链链烷烃向脱氢过程的再循环。得到的直链烷基苯产物变成合成洗涤剂用中间体，用于生产直链烷基苯磺酸盐，即主要的生物可降解的合成表面活性剂。直链烷基苯磺酸盐仍然是占主导地位的主要的表面活性剂，但是其在北美和西欧的地位经常受到洗涤剂醇衍生物的挑战。
该洗涤剂用烷基化物通过芳族烃与每分子含约6到20个碳原子的烯烃反应而形成。较好质量的清洁剂前体通常得自每分子含10-15个碳原子的烯烃的使用。在一实施方案中，烷基化反应可为弗瑞德-克来福特烷基化反应。直链烷基苯已经通过以下途径进行商业生产：1)正链烷烃脱氢形成内烯烃，然后使用氢氟酸(HF)催化剂使用苯进行烷基化；2)正链烷烃脱氢形成内烯烃，然后使用酸性的、非腐蚀性固体催化剂的固定床使用苯进行烷基化；3)正链烷烃氯化形成一氯链烷烃。该一氯链烷烃随后在氯化铝(AlCl₃)催化剂存在下用苯进行烷基化；和4)正链烷烃氯化形成氯化链烷烃。该氯化链烷烃随后经过脱氢氯化形成烯烃(既存在α烯烃又存在内烯烃)。这些烯烃随后在氯化铝催化剂存在下经历苯的烷基化。优选的芳族烃是苯，但是还可以同样方式使用其它的烃，包括甲苯、二甲苯和乙苯。
通过苯与正烯烃进行催化烷基化生产直链烷基苯可在路易斯酸催化剂存在下进行，所述路易斯酸催化剂诸如氯化铝，三氟化硼，氢氟酸，硫酸，磷酸酐等等。在工业实践中，用于苯与高级α或内单烯烃(C₁₀-C₁₆清洁剂范围的烯烃)的烷基化的两个主要的催化剂是氯化铝和氢氟酸。基于HF的方法比基于氯化铝的方法变得更加普遍。或者，正烯烃和氯代链烷烃的混合物在氯化铝或铝粉催化剂的存在下可用作苯的烷基化试剂。
HF和AlCl₃催化剂的使用提出了许多挑战。例如，氯化铝在反应后很难分离并产生大量的废排放物。避免使用具有潜在危险的化学品诸如HF的愿望刺激了对于改进烷基苯的生产机制的开发。直链烷基苯生产的开发已集中于开发催化剂和不同反应途径。牵涉烯烃并且通过氟化氢来催化的反应通常以非常快的速率进行。为了降低烯烃聚合的量和为了促进一烷基化芳族产物的生产，在烯烃反应物首次接触氟化氢和芳族反应物时，反应物通常经历剧烈混合和搅拌。所希望的结果是烃和氟化氢相的均匀分散和密切接触，以及避免形成局部高温或高氟化氢浓度。没有进行任何关于改善反应物的混合和分散以缩短反应时间或降低反应压力和温度的措施。
因此，需要通过改善烯烃被混入液体苯相中的混合来生产直链烷基苯的加速方法。
发明概述
本文中描述了生产直链烷基苯的方法和系统。所述方法和系统并入了高剪切装置的新应用，以提高烯烃在芳族液相中的分散和溶解。所述高剪切装置使得可降低反应温度和压力，还可缩短烷基化时间。下面描述所公开方法和系统的其它优势和方面。
在实施方案中，生产直链烷基苯的方法包括向芳族物流中引入一种或多种烯烃以形成反应物物流。所述方法还包括利用高剪切装置使所述反应物物流经历大于约20,000s^-1的剪切速度。此外，所述方法包括使所述反应物物流与催化剂接触以形成直链烷基苯。
在实施方案中，生产直链烷基苯的系统包含至少一个高剪切装置，该高剪切装置包含转子和定子。所述转子和定子以约0.02毫米到约5毫米的剪切缝隙分隔开。所述剪切缝隙为转子与定子之间的最小距离。所述高剪切装置能够产生所述至少一个转子的大于约23m/s(4500ft/分钟)的尖端速度。另外，所述系统包括泵，配置所述泵以将液体物流递送至高剪切装置。所述系统还包括被连接到所述高剪切装置的烷基化反应器。配置所述反应器以从所述高剪切装置接收所述液体物流。
将烯烃引入芳族物流。所述方法还包括使烯烃和芳族物流流过高剪切装置，从而形成具有直径小于约5微米的气泡的分散体。
上文已经相当概括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了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
为了详细说明本发明的优选实施方案，现在可参考附图，其中：
图1显示了使用高剪切装置的方法的实施方案的通用流程图。
图2显示了用于图1系统的实施方案中的多级高剪切装置的纵向剖视图。
符号说明
在以下的说明书和权利要求书中通篇使用的某些术语是指具体的系统部件。该文献不意在区别名称不同但功能相同的组件。
在以下的讨论和权利要求书中，术语“包含”和“包括”以开放式形式被使用，并因此可被解释为是指“包括，但不限于”。
发明详述
本公开的用于苯的直链烷基化的方法包括使用外部高剪切机械装置，从而提供化学成分在反应器/混合器装置中在受控环境下的快速接触和混合。所述高剪切装置为机械反应器、混合器或磨。高剪切装置降低了反应的传质限制，从而提高了总反应速度。
牵涉液体、气体和固体的化学反应依赖于涉及时间、温度和压力的动力学定律来决定反应速率。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。本文使用的“多相”是指这样的反应，该反应涉及具有两个或更多个不同的相的反应。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。
在催化剂存在下用烯烃对苯进行烷基化是多相反应。在多相反应期间，所述相自发分离。期望提供必要的强烈混合和接触时间，并期望提供使得烃-氟化氢混合物分离成各液相的工具。本文公开了方法和系统，凭借其，两相被密切接触以形成乳液，从而增加了反应成分之间的接触表面，从而使反应增强，
“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。
在常规的反应器中，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。所公开的方法的实施方案包括外部高剪切装置，以降低传质限制，并从而更密切地接近动力学极限。当反应速率被加速时，停留时间可被减小，从而增加可获得的处理量。或者，如果现有的收率是可接受的话，那么缩短所需的停留时间使得可使用比传统方法更低的温度和/或压力。另外，在均相反应中，所公开的方法可用于在反应器内提供均匀的温度分布，从而使得可能的副反应最小化。
生产直链烷基苯的系统。现在参考图1来描述高剪切烷基苯生产系统，所述图1是用于通过在催化剂存在下使用烯烃对苯进行烷基化来生产烷基苯的高剪切系统(HSS)100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装置(HSD)140、容器110、泵105和流化床或固定床142。如图1所示，高剪切装置位于容器/反应器10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用于引入反应物。管道113将泵105连接至HSD 140，以及管道118将HSD 140连接至流化床或固定床142并且管道119将流化床或固定床连接至容器110。管道122连接至管道113用于引入含氧气体(例如，氧气或空气)。管道117连接至容器110用于除去未转化的反应物和其它的副产物。
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对这些装置进行分类。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。
在被称作匀化阀系统的第一类高能量装置内，待处理的流体在极高压下被泵送通过狭隙阀进入压力更低的环境。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0-1微米范围内的平均粒子尺寸。
位于该能量密度系列的另一端的是被称作低能量装置的第三类装置。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平均粒子尺寸大于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分隔开，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0.1微米到约25微米的平均粒子尺寸。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)可获得进入流体的能量输入近似值(kW/L/min)。尖端速度是转子尖端在每单位时间内操作的圆周距离。尖端速度是转子直径和转速的函数。尖端速度(例如，单位是米/分钟)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)。例如，胶体磨可具有的尖端速度大于22.9m/sec，并且可大于40m/sec。为了本公开的目的，术语“高剪切”是指能够达到超过5m/sec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材料物流内的机械式转子定子装置(诸如磨或混合器)。例如，在HSD 140内，可以获得超过22.9m/sec的尖端速度，并且该尖端速度可超过40m/sec。在一些实施方案中，HSD 140能够在至少22.9m/sec的公称尖端速度下以约1.5kW的能量消耗递送至少300L/h。
HSD 140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，在剪切混合器的尖端处产生约1034.2MPa的局部压力和高温。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，HSD 140的能量消耗为约3000W/m³到约7500W/m³。剪切速率为剪切速度除以剪切缝隙宽度(转子和定子之间的最小间隙)。在HSD 140中产生的剪切速率可大于20,000s^-1。在一些实施方案中，剪切速率至少为1,600,000s^-1。在实施方案中，由HSD 140产生的剪切速率为20,000s^-1到100,000s^-1。例如，在一种应用中，转子尖端速度为约40m/sec且剪切缝隙宽度为0.0254毫米，得到的剪切速率为1,600,000s^-1。在另一种应用中，转子尖端速度为约22.9m/sec且剪切缝隙宽度为0.0254毫米，得到的剪切速率为902,000s^-1。
在使得至少一部分单体发生反应以生产聚合产物的条件下，HSD140能够高度混合反应物和液体介质，其中某些通常是不能混溶的。在一些实施方案中，HSD 140包含胶体磨。例如，合适的胶体磨由Works，Inc.Wilmington，NC和APV North America，Inc.Wilmington，MA生产。在某些情况下，HSD 140包括Works，Inc.的Dispax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和公称流量速率的可供选择的型号。根据预定应用的具体处理量要求、以及根据得自高剪切装置的出口分散体内的所需的粒子尺寸，来选择特殊装置。在一些实施方案中，在HSD 140内选择适当的混合工具(发生器)使得可减小催化剂的尺寸/增大催化剂的表面积。
高剪切装置包括至少一个产生被施加于反应物上的机械力的旋转部件。高剪切装置包括以一定间隙被分隔开的至少一个定子和至少一个转子。例如，转子可以是锥形的或碟形的并且可与包括多个周边间隔的高剪切开口的、具有互补形状的定子分隔开。例如，转子可以是锥形的或碟形的并且可与具有互补形状的定子分隔开；转子和定子二者都可包括多个周边间隔的齿。在一些实施方案中，一个或多个定子是可调节的，从而在每个发生器(转子/定子组)的转子和定子之间获得所需的缝隙。在转子和/或定子内的凹槽可在交替阶段改变方向用于增加的湍流。每个发生器可由任何被配置用于提供必要旋转的合适的驱动系统所驱动。
在一些实施方案中，在定子和转子之间的最小间隙为约0.0254毫米到约3.175毫米。在某些实施方案中，在定子和转子之间的最小间隙为约1.524毫米。在某些构造中，在转子和定子之间的最小间隙为至少1.778毫米。由高剪切混合器产生的剪切速率可随着沿流通道的纵向位置而变化。在一些实施方案中，转子被设定为在与转子的直径和所需尖端速度相称的速度下旋转。在一些实施方案中，胶体磨在定子和转子之间具有固定的间隙。或者，胶体磨具有可调节的间隙。
在一些实施方案中，HSD 140包括单级分散室(即单一的转子/定子组合，单一发生器)。在一些实施方案中，高剪切装置140是多级串联的胶体磨并且包括多个发生器。在某些实施方案中，HSD 140包含至少两个发生器。在其它实施方案中，高剪切装置140包含至少三个高剪切发生器。在一些实施方案中，高剪切装置140是多级混合器，凭借其，剪切速率(其与尖端速度成正比并与转子/定子缝隙成反比)随着沿流通道的纵向位置而改变，这在下文中进一步进行描述。
在一些实施方案中，外部高剪切装置的每一级具有可互换的混合工具，提供了灵活性。例如，Works，Inc.Wilmington，NC和APVNorth America，Inc.Wilmington，MA的DR 2000/4Dispax包括三级分散模块。该模块可包括最多三个转子/定子组合(发生器)，每一级为细、中等、粗糙和超细的选择。这使得可产生具有所需粒子尺寸的狭窄分布的分散体。在一些实施方案中，每一级采用超细发生器进行操作。在一些实施方案中，发生器组中的至少一个具有大于约5.08毫米的转子/定子最小间隙。在备选的实施方案中，发生器组中的至少一个具有大于约1.778毫米的最小转子/定子间隙。
可以根据本领域技术人员所已知的技术来冷却外部高剪切装置140。例如可以使用液体反应物来冷却密封，并从而根据需要对所述液体反应物进行预热。
在实施方案中，外部高剪切装置140用于将液体溶液与液体反应物物流122进行密切混合。在实施方案中，得到的分散体包括微米级的气泡。在实施方案中，得到的分散体包括亚微米级的微泡。在实施方案中，得到的分散体包括平均气泡尺寸小于约1.5微米的气泡。在实施方案中，气泡尺寸为约0.4到1.5微米。在实施方案中，高剪切混合产生水气泡，其在大气压下能够保持被分散历时约15分钟。
如本文中所使用的，高剪切装置能够将一个相或一种成分(如液体、固体、气体)分散或转运进入主要连续相(例如液体)中，所述相或成分与主要连续相通常不混溶或不溶。在实施方案中，高剪切装置是用于将气体分散进入含水液体中并从而产生乳液或泡沫的胶体磨。
现在参考图2，提供了高剪切装置200的示意图。高剪切装置200包含至少一个转子-定子组合。转子-定子组合还被非限制性地称作发生器220、230、240或级。高剪切装置200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；第三发生器包括转子224和定子229。对于每个发生器，转子由输入250进行可旋转式驱动。定子227固定地接合到高剪切装置的壁255。
发生器包含在转子和定子之间的剪切缝隙。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毫米到10毫米。或者，所述方法包括采用其中缝隙225、235、245为约0.5毫米到约2.5毫米的高剪切装置200。在某些情况中，缝隙被保持在约1.5毫米。或者，缝隙225、235、245的宽度对于发生器220、230、240而言是不同的。在某些情况中，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又大于第三发生器的缝隙245。如上所述，高剪切装置200的各级发生器具有可互换的工具，从而提供了灵活性。
另外，发生器220、230和240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。每个发生器可包括两组或更多组转子-定子齿，这是本领域已知的。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。转子和定子可以为任意合适的尺寸。在一个实施方案中，转子的内径为约64毫米且定子的外径为约60毫米。在其它实施方案中，转子的内径为约11.8厘米且定子的外径为约15.4厘米。为了改变尖端速度和剪切压力，转子和定子可以具有不同的直径。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将被发送通过高剪切装置200时，可首先选择合适的缝隙用于适当减小粒子尺寸和适当增加粒子表面积。在实施方案中，通过剪切和分散粒子，有助于提高催化剂的表面积。
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。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。
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0.1微米到约1.0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。
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和公称流量速率的可供选择的型号。
尽管不希望束缚于特定的理论，但是相信高剪切混合的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泵统条件。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。
容器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，和液而调节器(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。
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：位于泵105和HSD 140之间，位于HSD 140和容器110之间，和当系统100以多程模式操作时位于容器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105的所有接触部分是不锈钢，例如316不锈钢。在实施方案中，例如在泵送腐蚀性物质(例如硫酸)时，期望泵具有镀金接触面。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和容器110之间，用于助推压力进入容器110。
流化床或固定床142。可以使用流化床或固定床来实施化学反应。能够以如下方式操作所述床：(a)以使粒子流化的液体速度向上流；或(b)向下流，在所述情况中床是固定的。使用这种方法在反应器和再生工段中连续地移动催化剂。当大量固体粒状物质(通常存在于保持容器中)被迫而表现为流体时，形成了流化床；通常通过加压引入增压流体来实现，通常是穿过粒状介质的气体。固定床是将催化剂固定在一个位置而将反应物转化成所需的产物。
在实施方案中，加热一段时间以熔融催化剂上的保护性小滴。在整个过程中可以添加其它反应物，使得反应物达到所需温度如35℃。在实施方案中，然后将反应物引入高剪切装置140中，在该高剪切装置140中反应物可经过连续循环且反应持续一段足以产生例如具有规定纯度或参数值的所需产品的时间，然后，终止反应。在实施方案中，可以使用泵105来提供受控流以流过高剪切装置140和系统100。
直链烷基苯的生产。现在将描述与加速直链烷基苯的生产有关的方法和系统100的实施方案。所述方法的实施方案包括在反应器110中在液相中在催化剂存在下利用烯烃和链烷烃对苯及其衍生物进行烷基化的方法。所述方法的实施方案的特征为使用高剪切装置140并在进入所述高剪切装置140之前将烯烃引入到催化剂-苯的混合物中。可以结合所述方法被使用的苯的衍生物包括但不限于甲苯、苯酚、苯胺和二甲苯等。通常，通过含约1到约10个碳原子的烯烃与苯和/或其衍生物反应来实施所述方法的实施方案，从而得到所需的烷基苯反应产物。在优选实施方案中，所述烯烃为丙烯或乙烯。
在优选实施方案中，可以向芳族物流112连续供应烯烃，以形成反应物物流113。在高剪切装置140中，烯烃和苯经过高度分散，从而形成了纳米级气泡和微米级气泡，用于烯烃在溶液中的出色的溶解。当被分散后，分散体在高剪切装置出口管道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用于烷基化。在反应器110中使用冷却盘管可将反应物流113保持在所指定的反应温度下，从而保持反应温度。可以在产物物流116处抽出烷基化产物(如直链烷基苯)。可以将产物物流116引向一个或多个汽提塔(未示出)，用于除去催化剂并纯化烷基苯。
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。该分配器用来产生烯烃在包含水的液体介质的分散体(即反应物)。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用来密切地混合烯烃蒸汽和反应物液体(即水)。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，从而使得反应速度提高超过约5倍。在一些实施方案中，反应速度提高至少10倍。在一些实施方案中，反应速度提高约10至约100倍。在一些实施方案中，HSD 140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HSD 140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/或业微米级的气泡。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。
当被分散后，得到的烯烃/水分散体经由管道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HSD140内发生。涉及烯烃并被催化的化学反应通常非常迅速地进行。为了降低烯烃聚合量并提高一烷基化芳族产物的产量，通常在烯烃和液相催化剂(即氟化氢)最初接触的点处使反应物经历剧烈的混合和搅拌。所需的结果是烃和催化剂相的均匀分散和密切混合，并避免局部高温或避免烯烃或氟化氢的局部高浓度。因此，在某些实施方案中，首先使用反应器/容器110进行加热并将挥发性反应产物从烷基苯产物中分离出来。作为选择、或者附加地，容器110充当其中生成大部分烷基苯产物的初级反应容器。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。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。
可以在这种催化烷基化反应通常使用的温度和压力条件下进行所述反应。在实施方案中，反应温度为约0℃到约80℃，优选约30℃到约60℃。另外，反应压力为约1个大气压到约10个大气压，优选约1个大气压到约5个大气压。
在实施方案中，得到的直链烷基苯具有下式：

其中R为含1到20个碳原子的烷基且R可为支链或非支链。
在替代实施方案中，高剪切装置140可充当烷基化反应器。即，将高剪切装置140加热至所指定的温度以引发烷基化反应。高剪切装置140增大了烯烃进入液体芳族相的分散和溶解，从而提高了传质和反应动力学。
催化剂。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，催化剂溶液或浆料可被注入到管道121内。一般地，催化剂为卤化铝或铝粉催化剂。在其它实施方案中，催化剂包括钛、锆、钒、铬、铁的卤化物及其组合。适合的催化剂还可以基于路易斯酸，例如HF和AlCl₃。通过催化剂进料物流115将催化剂供应至反应器110内。反应器中的催化剂浓度明显影响烷基化所率。最有利的浓度为每升苯对应1到5g的卤化铝。在烷基化期间，苯的存在量将根据烷基苯的转化选择性的不同而异。通常，苯的化学计量过量越大，则烷基苯的选择性越大。
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烷基苯产品。在一些实施方案中，可能希望使容器110的内容物或含有未反应的烯烃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的再循环物流通过泵105被泵送进管道113中，并从而进入HSD 140内。可将另外的烯烃经由管道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并联操作，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。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。
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