Система и способ гидратации олефинов

В данном документе описываются системы и способы синтеза спиртов. Способы и системы включают новое использование устройства высокой скорости сдвига для образования дисперсии и улучшения растворимости олефинов в воде. Устройство высокой скорости сдвига позволяет понижать температуру и давление в реакциях, а также сокращать время реакции. В варианте осуществления способ получения спиртов включает введение олефина в поток воды для образования газожидкостного потока. Способ дополнительно включает прохождение газожидкостного потока через устройство высокой скорости сдвига с образованием дисперсии с пузырьками газа, средний диаметр которых составляет менее 1 мкм. Дополнительно способ включает контактирование газожидкостного потока с катализатором в реакторе, приводящее к гидратации газообразного олефина и образованию спирта. Область техники, к которой относится изобретение Данное изобретение, в общем, относится к области химических реакций. Более конкретно, изобретение относится к способам синтеза спиртов, включающим перемешивание высокой скоростью сдвига. Сведения о предшествующем уровне техники Процесс гидратации олефина, в особенности низших олефинов, таких как этилен, пропилен и бутен,приводящий к получению соответствующего спирта, такого как этанол, пропанол или бутанол, является промышленно значимым, поскольку спирты применяются во многих областях промышленности, науки,медицины и технологии. В свете последних разработок по использованию этанола в качестве источника топлива, возникла еще большая необходимость в улучшенных способах получения спиртов. Известны различные способы, в которых проводится реакция гидратации олефинов, но в наиболее распространенном способе получения в качестве катализатора используется минеральная кислота, например серная или фосфорная кислота. Кроме того, на сегодняшний день изопропанол (изопропиловый спирт) широко используется в качестве растворителя, добавки к дезинфицирующему средству и присадки к топливу. В химической промышленности, в органическом синтезе он представляет собой часто используемое промежуточное соединение. Как правило, спирты, такие как этанол или изопропанол, могут быть получены гидратацией олефинов с помощью фосфорной кислоты, нанесенной на силикагель. Однако в таком процессе фосфорная кислота, нанесенная на силикагель, может вымываться, что приводит к ухудшению активности катализатора. Соответственно, при этом необходимо постоянно добавлять фосфорную кислоту. Вследствие этого возникают проблемы, связанные с обработкой отработанных жидких отходов и коррозией материала оборудования. Более того, из-за низкой конверсии этилена для извлечения непрореагировавшего этилена, отделения и очистки образующегося этанола требуется большое количество энергии. Также для гидратации пропилена или бутенов промышленным способом широко применяется жидкофазный способ с использованием серной кислоты. Однако в данном способе требуется большое количество энергии для гидролиза образующегося сложного эфира серной кислоты. Из-за необходимости в концентрировании и регенерации разбавленного водного раствора серной кислоты оборудование может подвергаться коррозии под действием кислоты при высоких температурах. Из соображений смещения равновесия реакции в нужную сторону предпочтительно, чтобы гидратация олефинов осуществлялась при низкой температуре и высоком давлении, обычно при таких условиях реакции обеспечивается высокая конверсия олефинов в спирты. Однако необходимо, чтобы реакция протекала со скоростью, удовлетворяющей с промышленной точки зрения, и на практике жесткие условия (высокие температуры и давления) приспосабливают для получения такой высокой скорости реакции. По этим причинам необходимо разработать очень активный твердый кислотный катализатор гидратации олефинов, который способствует сокращению расхода энергии и не вызывает коррозию оборудования или иные проблемы. Были предприняты попытки использовать твердые катализаторы для гидратации олефинов. Например, для таких процессов было предложено использовать смешанные оксиды, состоящие из диоксида кремния, оксида алюминия, диоксида циркония, оксида титана, оксида молибдена и вольфрама, фосфаты металлов, такие как фосфат алюминия и циркония, и кристаллические алюмосиликаты, называющиеся"цеолитами", такие как морденит и цеолит типа Y. Однако эти катализаторы обладают низкой активностью, и, кроме того, активность постепенно снижается при проведении реакции при высокой температуре. Как можно увидеть из вышесказанного, предыдущие способы основываются на усовершенствовании катализаторов, используемых в реакции гидратации. К настоящему времени вообще не проводилось и проводилось небольшое количество исследований по улучшению смешивания реагентов, например олефинов и воды, с целью усовершенствования и оптимизации реакции. Следовательно, существует необходимость в ускоренных способах получения спиртов, достигаемых за счет улучшения смешивания олефинов с водной фазой. Сущность изобретения В данном документе описываются способы и системы синтеза спиртов. Способы и системы включают новое использование устройства высокой скорости сдвига, способствующего образованию дисперсии и улучшению растворимости олефинов в воде. Устройство высокой скорости сдвига позволяет понижать температуру и давление в реакциях, а также сокращать время реакции. Дополнительные преимущества и аспекты раскрытых способов и системы описываются ниже. В варианте осуществления способ получения спиртов включает введение олефина в поток воды для образования газожидкостного потока. Способ, кроме того, включает прохождение газожидкостного потока через устройство высокой скорости сдвига так, чтобы образовывалась дисперсия с пузырьками газа,средний диаметр которых составляет менее 1 мкм. Кроме того, способ включает контактирование газожидкостного потока с катализатором в реакторе, приводящее к гидратации газообразного олефина и образованию спирта. В варианте осуществления система гидратации олефина включает по меньшей мере одно устройство высокой скорости сдвига, содержащее ротор и статор. Ротор и статор разделены сдвиговым зазором, размер которого составляет от 0,02 до 5 мм. Сдвиговый зазор - это минимальное расстоя-1 020291 ние между ротором и статором. Устройство высокой скорости сдвига способно вырабатывать окружную скорость на конце лопатки по меньшей мере одного ротора более 23 м/с (4500 футов/мин). Кроме того,система включает насос, выполненный для доставки жидкого потока, содержащего жидкую фазу, к устройству высокой скорости сдвига. Система также включает реактор гидратации олефина, соединенный с устройством высокой скорости сдвига. Реактор выполнен для приема указанной дисперсии из указанного устройства высокой скорости сдвига. Вышеизложенное описывает в общих чертах особенности и технические преимущества настоящего изобретения для более лучшего понимания подробного описания изобретения, представленного ниже. Дополнительные особенности и преимущества будут описаны ниже и составляют предмет пунктов формулы изобретения. Специалисту в данной области техники необходимо учитывать, что концепцию изобретения и раскрытые особые варианты осуществления можно легко использовать в качестве основы для модификации или проектирования других конструкций, позволяющих осуществлять те же самые цели настоящего изобретения. Также специалисту в данной области техники следует понимать, что такие эквивалентные конструкции не отклоняются от сути и объема изобретения в том виде, как оно изложено в прилагаемой формуле изобретения. Перечень фигур Фиг. 1 - схема технологического процесса получения спирта согласно отдельным вариантам осуществления изобретения. Фиг. 2 - продольный разрез многоступенчатого устройства высокой скорости сдвига согласно варианту осуществления системы на фиг. 1. Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения На протяжении следующего описания и формулы изобретения используются определенные термины, которые относятся к отдельным компонентам системы. В данном документе не ставится целью проведение различения между компонентами, отличающимися по названию, но не отличающимися по своему предназначению. В следующем обсуждении и формуле изобретения термины "включающий" и "содержащий" используются в образе, не допускающем ограничения, и поэтому надо толковать их как "включающий чтолибо, но не ограниченный этим". В раскрытых способах и системах гидратации олефинов применяется механическое устройство высокой скорости сдвига, обеспечивающее быстрый контакт и перемешивание газообразного олефина и воды в регулируемой среде реактора или перемешивающего устройства. Используемый в данном документе термин "газообразный олефин" включает как по существу чистые олефины, так и газообразные смеси, содержащие олефины. В частности, варианты осуществления систем и способов можно использовать при получении спиртов гидратацией олефинов. Предпочтительно способ включает гетерогенную реакцию жидкой воды с газообразным олефином. Устройство высокой скорости сдвига снижает ограничения на массоперенос в реакции и таким образом повышает суммарную скорость реакции. Протекание химических реакций, в которых участвуют жидкости, газы, твердые вещества, зависит от времени, температуры и давления, определяющих скорость реакций. В тех случаях, когда желательно,чтобы реагировали два или более исходных материалов, находящихся в различных фазах (например,твердое вещество и жидкость; жидкость и газ; твердое вещество, газ и жидкость), одним из ограничивающих факторов, регулирующих скорость реакции, является продолжительность контакта реагентов. В случае гетерогенно катализируемых реакций имеется дополнительный фактор, ограничивающий скорость, заключающийся в необходимости удаления прореагировавших продуктов с поверхности катализатора, чтобы дать ему возможность катализировать реакцию оставшихся реагентов. Продолжительность контакта реагентов и/или катализатора часто регулируют перемешиванием, которое обеспечивает контакт с двумя или более реагентами, участвующими в химической реакции. Реактор, который содержит внешнее устройство или смеситель высокой скорости сдвига, описанный в этом документе, дает возможность снизить ограничения на массоперенос и тем самым позволяет реакции подойти к кинетическим ограничениям более близко. При ускорении реакции возможно снижение продолжительности обработки,что тем самым повышает достигаемую пропускную способность. Также в результате использования системы или способа высокой скорости сдвига может быть повышен выход продукта. В качестве альтернативы, в том случае, когда выход продукта в существующем процессе находится на приемлемом уровне,при уменьшении требуемой продолжительности обработки за счет установки высокой скорости сдвига возможно использование более низких температур и/или давлений, чем в традиционных процессах. Система гидратации олефинов Далее описывается система гидратации олефинов высокой скорости сдвига в отношении фиг. 1, которая представляет собой схему технологического процесса для варианта осуществления системы 100 высокой скорости сдвига, предназначенной для получения спиртов посредством гидратации олефинов. К основным компонентам представленной системы относятся внешнее устройство 140 высокой скорости сдвига (УВСС), резервуар 110 и насос 105. Как показано на фиг. 1, устройство высокой скорости сдвига может быть расположено снаружи от резервуара/реактора 110. Кроме того, каждый из этих компонентов описывается ниже более подробно. Линия 121 подсоединена к насосу 105 для введения любого реагирующего олефина. Линия 113 соединяет насос 105 с УВСС 140, а линия 118 соединяет УВСС 140 с резервуаром 110. Линия 122 подсоединена к линии 113 для ввода газообразного олефина. Линия 117 подсоединена к резервуару 110 для отвода непрореагировавших олефинов и других химически активных газов. При желании между резервуаром 110 и УВСС 140 или спереди от насоса 105 или от УВСС 140 можно установить дополнительные компоненты или технологические переходы. Устройства высокой скорости сдвига (УВСС), такие как мешалка или мельница высокой скорости сдвига, обычно подразделяют на три группы на основе их способности перемешивать текучие среды. Перемешивание - это процесс сокращения размера неоднородных веществ или частиц внутри текучей среды. Одной из мер степени или тщательности перемешивания является плотность энергии на единицу объема, которую создает перемешивающее устройство для разрыва частиц текучей среды. Группы отличаются по плотности передаваемой энергии. Существует три группы промышленных мешалок с достаточной плотностью энергии для образования равномерных смесей или эмульсий с размером частиц или пузырьков в диапазоне от 0 до 50 мкм. К механическим устройствам высокой скорости сдвига относятся гомогенизаторы, а также коллоидные мельницы. Клапанные системы гомогенизации, как правило, относятся к группе высокоэнергетических устройств. Обрабатываемая текучая среда прокачивается под очень высоким давлением через клапан с узким зазором в среду с пониженным давлением. Перепады давления вдоль клапана и возникающие в результате турбулентность и кавитации разрушают любые частицы в текучей среде. Эти клапанные системы наиболее широко применяются при гомогенизации молока и могут давать частицы со средним размером в диапазоне от 0,01 до 1 мкм. На другом конце спектра находятся системы высокой скорости сдвига,относящиеся к группе низкоэнергетических устройств. У этих систем обычно имеются лопастные мешалки и жидкостные роторы, которые вращаются с высокой скоростью в резервуаре обрабатываемой текучей среды, которой во многих наиболее применяемых приложениях является пищевой продукт. Эти системы обычно используют в тех случаях, когда в обрабатываемой текучей среде допустимый средний размер частиц, или пузырьков, превышает 20 мкм. Между низкоэнергетическими смесителями высокой скорости сдвига и клапанными системами гомогенизации, в показателях плотности энергии перемешивания, передаваемой текучей среде, находятся коллоидные мельницы, которые относятся к группе устройств с промежуточной энергией. Типовая конструкция коллоидной мельницы включает конический или дисковый ротор, который отделен от дополнительного статора с жидкостным охлаждением точно регулируемым зазором между ротором и статором, величина которого обычно составляет от 0,025 до 10,0 мм. Роторы обычно приводятся в движение электрическим двигателем напрямую или через ленточный механизм. Во многих коллоидных мельницах с надлежащей настройкой достигаемый средний размер частиц или пузырьков в обрабатываемой текучей среде составляет от 0,01 до 25 мкм. Такие возможности делают коллоидные мельницы пригодными для различных приложений, включая обработку коллоида и водомасляной эмульсии, например, обработку,которая требуется для составления косметических средств, майонеза, кремниевой/серебряной амальгамы и для перемешивания кровельной мастики. Приблизительную величину энергии, подводимой к жидкости (кВт/(лмин, можно оценить измерением мощности двигателя (кВт) и количеством выходящей текучей среды (л/мин). В вариантах осуществления расход энергии устройства высокой скорости сдвига составляет более 1000 Вт/м 3. В вариантах осуществления расход энергии составляет от 3000 до 7500 Вт/м 3. Скорость сдвига, генерируемая в устройстве высокой скорости сдвига, может превышать 20000 с-1. В вариантах осуществления генерируемая скорость сдвига находится в диапазоне от 20000 до 100000 с-1. Окружная скорость - это скорость (м/с), связанная с концом одного или нескольких вращающихся элементов, которые передают энергию реагентам. Окружная скорость вращающегося элемента представляет собой расстояние на окружности, проходимое концом лопатки ротора за единицу времени, и обычно определяется по формуле V (м/с) = Dn, где V - это окружная скорость, D - диаметр ротора, измеряемый в метрах, a n - частота вращения ротора, измеряемая количеством оборотов в минуту. Таким образом, окружная скорость является функцией диаметра и частоты вращения ротора. Кроме того, окружная скорость может быть рассчитана путем умножения окружного расстояния, описываемого роторной лопаткой, 2/R, где R - это радиус ротора (измеряемый, например, в метрах), на частоту вращения (измеряемую, например, числом оборотов в минуту, об/мин). В случае коллоидных мельниц окружная скорость составляет более 23 м/с (4500 футов/мин) и может превышать 40 м/с (7900 футов/мин). С целью данного раскрытия термин "высокая скорость сдвига" относится к механическим роторно-статорным устройствам, таким как мельницы или мешалки, которые способны создавать окружную скорость более 5 м/с (1000 футов/мин) и для которых требуется внешняя силовая установка с механическим приводом, подающая энергию в поток реагентов. Устройство высокой скорости сдвига сочетает в себе высокую окружную скорость с очень малым сдвиговым зазором, что обеспечивает значительное растирание обрабатываемого материала. Соответственно, во время работы устройства на конце лопатки сдвиговой мешалки возникают локальное давление от 1000 МПа (145000 фунтов/кв. дюйм) до 1050 МПа (152300 фунтов/кв. дюйм) и повышенные температуры. В отдельных вариантах осуществления локальное давление составляет по меньшей мере 1034 МПа (150000 фунтов/кв. дюйм). Теперь что касается фиг. 1, на ней представлена принципиальная схема устройства 200 высокой скорости сдвига. Устройство 200 высокой скорости сдвига содержит по меньшей мере один набор ротор/статор. Наборы ротор/статор могут, в частности, называться генераторами 220, 230, 240 или ступенями. Устройство 200 высокой скорости сдвига содержит по меньшей мере два генератора, наиболее предпочтительно устройство высокой скорости сдвига содержит по меньшей мере три генератора. Первый генератор 220 включает в себя ротор 222 и статор 227. Второй генератор 230 содержит ротор 223 и статор 228, а третий генератор содержит ротор 224 и статор 229. В каждом генераторе 220, 230,240 ротор приводится во вращение входным валом 250. Генераторы 220, 230, 240 вращаются вокруг оси 260 в направлении вращения 265. Статор 227 неподвижно соединен со стенкой 255 устройства высокой скорости сдвига. В генераторах между ротором и статором имеются зазоры. Первый генератор 220 содержит первый сдвиговый зазор 225, второй генератор 230 - второй сдвиговый зазор 235, а третий генератор 240 - третий сдвиговый зазор 245. Ширина зазоров 225, 235, 245 составляет от 0,025 (0,01 дюйм) до 10,0 мм (0,4 дюйм). В качестве альтернативы, в процессе применяется устройство 200 высокой скорости сдвига, в котором ширина зазоров 225, 235, 245 составляет от 0,5 (0,02 дюйма) до 2,5 мм (0,1 дюйма). В отдельных случаях ширина сдвигового зазора поддерживается около значения 1,5 мм (0,06 дюйма). В качестве альтернативы, зазоры 225, 235, 245 в генераторах 220, 230, 240 различаются между собой. В отдельных случаях зазор 225 первого генератора 220 больше зазора 235 второго генератора 230, который, в свою очередь, больше зазора 245 третьего генератора 240. Кроме того, ширина зазоров 225, 235 и 245 может быть крупной, средней, мелкой и очень мелкой. Роторы 222, 223 и 224 и статоры 227, 228 и 229 могут иметь зубчатую конструкцию. Каждый генератор может содержать два или более двух групп роторностаторных зубцов, известных в данной области техники. Роторы 222, 223 и 224 могут содержать группу роторных зубцов, расположенных на одной окружности каждого ротора. Статоры 227, 228 и 229 могут содержать группу статорных зубцов, расположенных на одной окружности каждого статора. В вариантах осуществления внутренний диаметр ротора составляет около 11,8 см. В вариантах осуществления внешний диаметр статора составляет около 15,4 см. В дополнительных вариантах осуществления ротор и статор могут иметь переменные диаметры, что позволяет изменять окружную скорость и давления сдвига. В отдельных вариантах осуществления каждая из трех ступеней приводится в действие высокодисперсным генератором с зазором, составляющим от 0,025 до 3 мм. В том случае, когда сырьевой поток 205, содержащий твердые частицы, проходит через устройство 200 высокой скорости сдвига, сначала подбирают подходящую ширину зазора с целью надлежащего снижения размера частиц и увеличения площади их поверхности. В вариантах осуществления преимуществом является увеличение площади поверхности катализатора посредством сдвигового деформирования или диспергирования частиц. В устройство 200 высокой скорости сдвига подается реакционная смесь, содержащая сырьевой поток 205. Сырьевой поток 205 содержит эмульсию диспергируемой и непрерывной фаз. Термин "эмульсия" относится к сжиженной смеси, которая содержит два различимых вещества (или "фазы"), которые неохотно смешиваются или растворяются друг в друге. Большинство эмульсий содержат "непрерывную" фазу (или "матрицу"), которая удерживает внутри себя дискретные капли, пузырьки и/или частицы другой фазы или вещества. Эмульсии могут быть очень вязкими, такими как суспензии или пасты, или могут представлять собой пены, в которых очень маленькие пузырьки газа суспендированы в жидкости. Используемый в этом документе термин "эмульсии" охватывает непрерывные фазы, содержащие пузырьки газа, непрерывные фазы, содержащие частицы (например, частицы твердого катализатора), непрерывные фазы, содержащие капли жидкости, которая по существу нерастворима в непрерывной фазе,и их комбинации. Сырьевой поток 205 может включать измельченный компонент твердого катализатора. Сырьевой поток 205 прокачивается через генераторы 220, 230, 240, для того чтобы образовалась дисперсия продукта 210. Роторы 222, 223, 224 каждого генератора вращаются с высокой скоростью относительно неподвижных статоров 227, 228, 229. Роторы за счет вращения прокачивают жидкость, например, сырьевой поток 205, между внешней поверхностью ротора 222 и внутренней поверхностью статора 227, создавая большое локализованное сдвиговое усилие. Зазоры 225, 235, 245 генерируют высокие сдвиговые усилия,которые способствуют переработке сырьевого потока 205. Большие сдвиговые усилия между ротором и статором предназначены для переработки сырьевого потока 205 с целью создания дисперсии 210 продукта. Каждый генератор 220, 230, 240 устройства 200 высокой скорости сдвига имеет взаимозаменяемые наборы ротор/статор для обеспечения узкого распределения пузырьков, если сырьевой поток 205 содержит газ, или глобул, если сырьевой поток 205 содержит жидкость, по желаемым размерам в дисперсии 210 продукта. Получаемая дисперсия 210 частиц газа, или пузырьков, в жидкости включает эмульсии. В вариантах осуществления дисперсия 210 продукта может содержать дисперсию газа, жидкости или твердого вещества в непрерывной фазе, несмешиваемых или нерастворимых в предыдущем состоянии. Средний размер частиц или пузырьков газа в дисперсии 210 продукта составляет менее 1,5 мкм, предпочтительно пузырьки имеют субмикронный диаметр. В отдельных случаях средний размер пузырьков составляет от 0,1 до 1,0 мкм. В качестве альтернативы, средний размер пузырьков составляет менее 400 нм (0,4 мкм) и наиболее предпочтительно менее 100 нм (0,1 мкм). Устройство 200 высокой скорости сдвига вырабатывает эмульсию газа, которая при атмосферном давлении способна оставаться в диспергированном состоянии в течение по меньшей мере 15 мин. С целью данного раскрытия эмульсия частиц или пузырьков газа, диаметр которых составляет менее 1,5 мкм, в диспергированной фазе дисперсии 210 продукта может содержать микропену. Не ограничиваясь частной теорией, в химии эмульсий известно, что субмикронные частицы или пузырьки, диспергированные в текучей среде, претерпевают движение в основном за счет эффектов броуновского движения. Пузырьки в эмульсии получаемой дисперсии 210, которая создается устройством 200 высокой скорости сдвига, могут обладать большей подвижностью через пограничные слои частиц твердого катализатора, облегчая и ускоряя тем самым каталитическую реакцию за счет улучшенного переноса реагентов. Ротор настраивают так, чтобы он вращался со скоростью, соизмеримой с диаметром ротора и желаемой окружной скоростью, как описывалось выше. За счет введения устройства 200 высокой скорости сдвига снижается сопротивление переносу так, что скорость реакции повышается по меньшей мере на 5%. В качестве альтернативы, устройство 200 высокой скорости сдвига включает коллоидную мельницу высокой скорости сдвига, которая служит в качестве реактора с увеличенной скоростью (ARR). Реактор с увеличенной скоростью содержит одноступенчатую камеру диспергирования. Реактор с увеличенной скоростью содержит встроенную в линию многоступенчатую камеру диспергирования, содержащую по меньшей мере 2 ступени. Выбор устройства 200 высокой скорости сдвига зависит от требований по пропускной способности и желаемого размера частиц или пузырьков в выходящей дисперсии 210. В отдельных случаях устройство 200 высокой скорости сдвига включает реактор Dispax Reactor фирмы IKA Works, Inc. Wilmington,NC и реактор фирмы APV North America, Inc. Wilmington, MA. Например, модель DR 2000/4 включает в себя ременный привод, 4 М генератор, уплотняющее кольцо из ПТФЭ, санитарный зажим для впускного фланца размером 1, санитарный зажим для выпускного фланца 3/4", имеет мощность 1,5 кВт (2 л.с),частоту вращения выходного вала 7900 об/мин, пропускную способность (для воды) 300-700 л/ч (в зависимости от генератора), окружную скорость 9,4-41 м/с (1850-8070 футов/мин). Доступно несколько альтернативных моделей с различными входными/выходными соединениями, мощностью, номинальной окружной скоростью, частотой вращения выходного вала и номинальной скоростью потока. Не стремясь ограничиться частной теорией, предполагают, что уровень или степень перемешивания высокой скоростью сдвига достаточны для повышения скорости массопереноса, а также могут давать локализованные неидеальные условия, обеспечивающие протекание таких реакций, которых по-другому нельзя ожидать, исходя из предварительных оценок свободной энергии Гиббса. Локализованные неидеальные условия, которые, как полагают, возникают внутри устройства высокой скорости сдвига, приводят к повышенным температурам и давлениям, при этом полагают, что наиболее существенное увеличение происходит в значениях локализованного давления. Увеличение значений давления и температуры внутри устройства высокой скорости сдвига является мгновенным и локализованным, и эти параметры возвращаются в основное или среднее состояние системы после выхода потока из устройства высокой скорости сдвига. В некоторых случаях устройство высокой скорости сдвига вызывает кавитацию с интенсивностью, достаточной для диссоциации одного или нескольких реагентов на свободные радикалы,которые могут ускорять химическую реакцию или способствовать протеканию реакции при менее жестких условиях, которые могли бы потребоваться в иных способах. Кавитация может также повышать скорость процессов переноса за счет порождения локальной турбулентности и микроциркуляции жидкости(акустический поток). Резервуар Резервуаром или реактором 110 является любой тип резервуара, в котором можно проводить гетерогенную реакцию для осуществления вышеописанного(ых) превращения(ий). Например, можно использовать корпусной реактор с непрерывным или полунепрерывным перемешиванием, либо один или группу реакторов периодического действия, которые располагаются последовательно или параллельно. В некоторых приложениях резервуаром 110 может являться башенный реактор, а в других приложениях трубчатый или многотрубчатый реактор. Линия 115, подводящая катализатор, может быть подсоединена к резервуару 110 для приема раствора или суспензии катализатора во время эксплуатации системы. Резервуар 110 может включать один или группу следующих компонентов: систему перемешивания,нагревательные и/или охлаждающие устройства, приборы для измерения давления, температуры, одну или несколько точек инжекции и регулятор уровня (не показан), известных в области конструирования реакционных реакторов. Например, система перемешивания может включать мешалку с приводом от двигателя. Нагревательное и/или охлаждающее устройство может включать, например, теплообменник. В качестве альтернативы, поскольку в некоторых вариантах осуществления значительная часть реакции конверсии может происходить внутри УВСС 140, то в некоторых случаях резервуар 110 может служить в качестве резервуара для хранения. Хотя обычно этого не особо желают, в некоторых приложениях резервуар 110 может быть исключен, в частности, если используют несколько последовательно расположен-5 020291 ных мешалок/ реакторов высокой скорости сдвига, что описывается далее. Устройства теплопередачи В дополнение к вышеупомянутым нагревательным/охлаждающим устройствам резервуара 110 в вариантах осуществления, проиллюстрированных на фиг. 1, предполагаются также другие внешние или внутренние устройства теплопередачи для нагрева или охлаждения технологического потока. Некоторые подходящие расположения для одного или группы таких устройств теплопередачи находятся между насосом 105 и УВСС 140, между УВСС 140 и резервуаром 110, между резервуаром 110 и насосом 105 в том случае, когда система работает в многопроходном режиме. Некоторыми неограничительными примерами таких устройств теплопередачи являются кольцевые, трубчатые, пластинчатые и змеевиковые теплообменники, известные в данной области техники. Насосы Насос 105 выполнен либо для непрерывной, либо для полунепрерывной работы и может представлять собой любое подходящее насосное устройство, которое способно обеспечивать давление более 202,6 кПа (2 атм), предпочтительно более 304 кПа (3 атм), что позволяет регулировать поток через УВСС 140 и систему 100. Например, одним из подходящих насосов может являться шестеренчатый насос Roper 1 типа, Roper Pump Company (Commerce Georgia), насос для повышения давления Dayton, модель 2 Р 372 Е, Dayton Electric Co (Niles, IL). Предпочтительно все контактирующие детали насоса изготовлены из нержавеющей стали. В некоторых вариантах осуществления системы насос 105 способен выдавать давления, превышающие 2026 кПа (20 атм). В дополнение к насосу 105 в систему, проиллюстрированную на фиг. 1, может быть включен один или несколько дополнительных насосов высокого давления (не показаны). Например, подкачивающий насос, который похож на насос 105, может быть размещен между УВСС 140 и резервуаром 110 для повышения напора в резервуар 110. В качестве другого примера, дополнительный подающий насос, который похож на насос 105, может быть размещен для введения дополнительных реагентов или катализатора в резервуар 110. Гидратация олефинов При работе в режиме каталитической гидратации олефинов, соответственно, газовый поток диспергируемого олефина вводится в систему 100 через линию 122 и объединяется на линии 113 с потоком воды для образования газожидкостного потока. В качестве альтернативы, газообразный олефин может подаваться в УВСС 140 вместо объединения его с жидким реагентом (т.е. водой) на линии 113. Насос 105 служит для прокачивания жидкого реагента (воды) через линию 121 и для создания давления и питания УВСС 140, обеспечивая регулируемый поток через устройство (УВСС) 140 или систему 100 высокой скорости сдвига. В предпочтительном варианте осуществления газообразный олефин может непрерывно подаваться в водяной поток 112 для образования потока 113, поступающего в устройство высокой скорости сдвига(например, газожидкостного потока). В устройстве 140 высокой скорости сдвига вода и газообразный олефин диспергируются в высокой степени, так что образуются нанопузырьки и/или микропузырьки газообразного олефина, превосходно растворяющиеся в растворе. После диспергирования дисперсия может выходить из устройства 140 высокой скорости сдвига через выпускную линию 118. Поток 118 может необязательно поступать в псевдоожиженный или неподвижный слой 142 вместо процесса с использованием суспензионного катализатора. Однако в варианте осуществления с использованием суспензионного катализатора поток 118, выходящий из устройства высокой скорости сдвига, может сразу поступать в гидратационный реактор 110. Реакционный поток может поддерживаться при заданной температуре реакции с помощью охлаждающих змеевиков, установленных в реакторе 110 для поддержания температуры реакции. Продукты гидратации (например, спирты) могут выводиться в виде потока 116 продуктов. В примерном варианте осуществления устройство высокой скорости сдвига включает промышленный диспергатор, например диспергатор IKA модель DR 2000/4, мешалку высокой скорости сдвига,трехступенчатое диспергирующее устройство, состоящее из трех наборов ротор/статор, расположенных последовательно. Диспергатор используют для создания дисперсии олефинов в жидкой среде, содержащей воду (т.е. реагенты). Наборы ротор/статор могут быть выполнены, например, как показано на фиг. 2. Объединенные реагенты входят в устройство высокой скорости сдвига через линию 113 и поступают на первую ступень набора ротор/статор со сдвиговыми отверстиями, расположенными на одной окружности. Механическая взвесь, выходящая из первой ступени, поступает на вторую ступень набора ротор/статор, имеющую сдвиговые отверстия. Дисперсия с уменьшенным размером пузырьков, выходящая из второй ступени, поступает на третью ступень набора ротор/статор, имеющую сдвиговые отверстия. Дисперсия выходит из устройства высокой скорости сдвига через линию 118. В некоторых вариантах осуществления скорость сдвига повышается постепенно вдоль направления потока. Например, в некоторых вариантах осуществления скорость сдвига на первой ступени набора ротор/статор превышает скорость сдвига на последующей(их) ступени(ях). В других вариантах осуществления скорость сдвига по существу постоянна вдоль направления потока, при этом скорость сдвига на каждой ступени является по существу одинаковой. Если устройство высокой скорости сдвига включает, например, ПТФЭ уплотнение, то уплотнение можно охлаждать любым подходящим способом, известным в данной области техни-6 020291 ки. Например, для охлаждения уплотнения можно использовать поток реагентов, текущих по линии 113,и при желании этот поток можно предварительно подогревать до поступления его в систему высокой скорости сдвига. Скорость вращения ротора в УВСС 140 настраивается до значения, сопоставимого с диаметром ротора и с необходимой окружной скоростью. Как описано выше, расстояние между статором и ротором в устройстве высокой скорости сдвига (например, в коллоидной мельнице) имеет либо фиксированное,либо настраиваемое значение. УВСС 140 предназначено для тщательного перемешивания газообразного олефина и реагирующей жидкости (т.е. воды). В некоторых вариантах осуществления способа сопротивление переносу реагентов снижается при эксплуатации устройства высокой скорости сдвига так, что скорость реакции увеличивается более чем в 5 раз. В некоторых вариантах осуществления скорость реакции увеличивается по меньшей мере в 10 раз. В некоторых вариантах осуществления скорость реакции увеличивается в 10-100 раз. В некоторых вариантах осуществления УВСС 140 выпускает поток со скоростью, составляющей по меньшей мере 300 л/ч при потребляемой мощности в 1,5 кВт и номинальной окружной скорости, которая составляет по меньшей мере 4500 футов/мин (23 м/с) и может превышать 7900 футов/мин (40 м/с). Хотя измерение мгновенных значений температуры и давления на конце лопатки вращающегося сдвигового устройства или вращающегося элемента в УВСС 140 затруднено, по оценкам,локализованная температура, наблюдаемая в тщательно смешиваемых реагентах, может превышать 500 С при давлениях более 5 кПа (500 кг/см 2), возникающих при больших сдвиговых условиях. Перемешивание высокой скоростью сдвига приводит к образованию дисперсии газообразного олефина с пузырьками микронного или субмикронного размера. В некоторых вариантах осуществления средний размер пузырьков в получаемой дисперсии составляет менее 1,5 мкм. Соответственно, дисперсия, выходящая из УВСС 140 через линию 118, содержит пузырьки газа микронного и/или субмикронного размера. В некоторых вариантах осуществления средний размер пузырьков находится в диапазоне от 0,4 до 1,5 мкм. В некоторых вариантах осуществления средний размер пузырьков составляет менее 400 нм и в некоторых случаях может составлять менее 100 нм. Во многих вариантах осуществления микропузырьковая дисперсия способна сохраняться в диспергированном виде в течение по меньшей мере 15 мин при атмосферном давлении. После диспергирования полученная дисперсия олефина и воды выходит из УВСС 140 через линию 118 и поступает в резервуар 110, как показано на фиг. 1. В результате тщательного перемешивания газообразных реагентов до ввода их в резервуар 110 в УВСС 140 может протекать значительная часть химической реакции, при наличии или отсутствии катализатора. Соответственно, в некоторых вариантах осуществления реактор/резервуар 110 можно использовать в основном для нагрева и отделения летучих продуктов реакции от образующегося спирта. В качестве альтернативы или дополнения, резервуар 110 может служить в качестве основного реакционного сосуда, в котором образуется большая часть спиртового продукта. Резервуар/реактор 110 может работать либо в режиме непрерывного, либо полунепрерывного потока, или он может работать в пакетном режиме. Содержимое резервуара 110 может поддерживаться при заданной температуре реакции с помощью нагревательных и/или охлаждающих устройств(например, охлаждающих змеевиков) и приборов для измерения температуры. За давлением в резервуаре можно наблюдать с помощью подходящего прибора для измерения давления, а уровень реагентов в резервуаре можено регулировать с помощью регулятора уровня (не показан) способами, известными специалистам в данной области техники. Содержимое перемешивают непрерывно или полунепрерывно. Общеизвестные условия реакции гидратации можно использовать надлежащим образом в качестве условий для получения спиртов гидратацией олефинов с помощью катализаторов. На условия реакции не накладываются какие-то особые ограничения. Реакция гидратации олефина находится в равновесии с обратной реакцией, т.е. реакцией дегидратации спирта, и обычно низкая температура и высокое давление благоприятствуют образованию спирта. Однако, предпочтительные условия сильно различаются в зависимости от конкретного исходного олефина. С точки зрения скорости реакции чем выше температура,тем лучше. Соответственно, определение условий реакций не является простой задачей. Однако, в вариантах осуществления температура реакции может варьироваться от 50 до 300 С, предпочтительно от 100 до 300 С. Более того, давление в реакции может варьироваться от 101,3 до 30400 кПа (от 1 до 300 атм), в качестве альтернативы, от 101,3 до 25330 кПа (от 1 до 250 атм). Способ может проводиться по существу при тех же самых условиях, которые использовались в известных до настоящего времени способах прямой гидратации; однако, в способе согласно изобретению возможно и благоприятно, чтобы молярное отношение воды к олефину в загрузке было очень низким. Однако в реакторе молярное отношение воды к олефину может значительно превышать соответствующее молярное отношение в загрузке, поскольку часть жидкой воды, подаваемой вместе с загрузкой, претерпевает превращение в отстойнике реактора и отводится вместе с потоком парообразного продукта. Соответственно, в отстойнике реактора в изобретении может постоянно поддерживаться значительный молярный избыток воды (или водного раствора кислоты), при этом обеспечивается высокая селективность реакции гидратации в отношении спирта. Для загрузки реактора обычно достаточно 1-1,5 моль жидкой воды на 1 моль превращающегося олефина. Тем не менее, молярное отношение воды к олефину можно установить на уровне от 15:30 и выше в зависимости от требуемой селективности способа гидра-7 020291 тации в отношении образования спирта, при этом нет необходимости в учете недостатков, возникающих при тщательном извлечении сырого продукта из водной фазы. В реакции можно использовать олефины по отдельности, либо в комбинации в виде смеси различных олефинов. Структура олефинов может быть различной, например, алифатической, ароматической,гетероароматической, алифатически-ароматической или алифатически-гетероароматической. Они могут также содержать другие функциональные группы, поэтому необходимо заранее определить, должны ли функциональные группы остаться неизмененными или они будут гидратироваться сами по себе. Варианты осуществления раскрытого способа могут быть пригодны для гидратации неразветвленных или разветвленных олефинов. Описанный способ можно использовать для гидратации разнообразных олефинов с разветвленной или неразветвленной цепью, содержащих от 2 до 8 атомов углерода. Катализатор Если для активации реакции гидратации используют катализатор, то он может вводиться в резервуар через линию 115 в виде водной или неводной суспензии или потока. В качестве альтернативы или дополнения, катализатор можно добавлять в любом месте системы 100. Например, суспензию катализатора можно вводить в линию 121. В некоторых вариантах осуществления линия 121 может содержать водный поток и/или поток олефина, рециркулированный из резервуара 110. В вариантах осуществления можно использовать любой катализатор, пригодный для катализа реакции гидратации. Для заполнения реактора 110 и продувки его с целью удаления воздуха и/или кислорода можно использовать инертный газ, такой как азот. Согласно одному варианту осуществления катализатором является фосфорная кислота, нанесенная на твердую подложку, например на диоксид кремния. В других вариантах осуществления катализатором может быть серная кислота или сульфокислота. Более того, катализатор может содержать цеолит. К примерам цеолитов, используемых в различных вариантах осуществления, относятся кристаллические алюмосиликаты, такие как морденит, эриоцит, ферриэрит и цеолиты ZSM, разработанные корпорацией Мобайл Оил Корп., алюмометаллосиликаты, содержащие нетипичные элементы, такие как бор, железо, галлий, титан, медь, серебро и т.д., и металлосиликаты,которые по существу не содержат алюминия, такие как галлосиликаты и боросиликаты. Что касается катионных частиц, которые могут обмениваться внутри цеолитов, обычно используют цеолиты протонно-обменного типа (Н-типа), но также возможно использование цеолитов, которые обмениваются ионами по меньшей мере с одним типом катионных частиц, например, с щелочно-земельными элементами,такими как Mg, Са и Sr, редкоземельными элементами, такими как La и Се, элементами VIII группы, такими как Fe, Co, Ni, Ru, Pd и Pt, или другими элементами, такими как Ti, Zr, Hf, Cr, Mo, W и Th. Катализатор можно вводить в реактор 110 через поток поступающего катализатора 115. В качестве альтернативы, катализатор может находиться в неподвижном или псведоожиженном слое 142. Объемная или общая рабочая температура реагентов при желании поддерживается на уровне ниже их температуры воспламенения. В некоторых вариантах осуществления рабочие условия системы 100 включают температуру в диапазоне от 50 до 300 С. В особых вариантах осуществления температура реакции в резервуаре 110, в частности, составляет от 90 до 220 С. В некоторых вариантах осуществления давление реакции в резервуаре 110 составляет от 506,6 до 5066 кПа (от 5 до 50 атм). При желании дисперсия может дополнительно обрабатываться до поступления в резервуар 110 (как указано стрелкой 118). В резервуаре 110 гидратация олефина протекает с участием катализатора. Содержимое резервуара перемешивается непрерывно или полунепрерывно, температура реакции регулируется(например, с помощью теплообменника), а уровень текучей среды внутри резервуара 110 регулируется стандартными приемами. Гидратация олефина может протекать либо непрерывно, полунепрерывно, либо в пакетном режиме, в зависимости от конкретного приложения. Любой образующийся химически активный газ выходит из реактора 110 через газовую линию 117. Газовый поток может содержать, например,непрореагировавшие олефины. Химически активный газ, выводимый через линию 117, может дополнительно обрабатываться, а его компоненты при желании можно рециркулировать. Поток продукта реакции, включающий непрореагировавшие олефины и соответствующие побочные продукты, выходит из резервуара 110 через линию 116. Полученный спирт может быть извлечен и обработан способами, известными специалистам в данной области техники. Многопроходной режим работы В варианте осуществления, показанном на фиг. 1, система выполнена для однопроходного режима работы, в котором продукты, выходящие из резервуара 110, поступают сразу на дальнейшую обработку с целью извлечения полученного спирта. В некоторых вариантах осуществления может понадобиться пропускать содержимое резевуара 110 или жидкую фракцию, содержащую непрореагировавший олефин,через УВСС 140 второй раз. В этом случае линия 116 подсоединяется к линии 121 через пунктирную линию 120, а поток, рециркулированный из резервуара 110, прокачивается насосом 105 в линию 113, а оттуда в УВСС 140. Дополнительное количество газообразного олефина можно вводить через линию 122 в линию 113, или его можно добавлять непосредственно в устройство высокой скорости сдвига (не показано). Составные перемешивающие устройства высокой скорости сдвига В некоторых вариантах осуществления два или более устройств высокой скорости сдвига, подоб-8 020291 ных УВСС 140 или выполненных отличными от них, располагают последовательно и используют для дополнительного ускорения реакции. Их эксплуатация может проводиться либо в пакетном, либо в непрерывном режиме. В некоторых случаях, когда предпочтителен однопроходной или "однократный" способ, использование составных устройств высокой скорости сдвига может также оказаться полезным. В некоторых вариантах осуществления, в которых составные устройства высокой скорости сдвига работают последовательно, резервуар 110 может быть исключен. В некоторых вариантах осуществления группа устройств 140 высокой скорости сдвига работают параллельно, а выходящие из них дисперсии поступают в один или группу резервуаров 110. Несмотря на то что показаны и описаны варианты осуществления изобретения, специалист в данной области техники может осуществить их модификации, не отклоняясь от сущности и идей изобретения. Варианты осуществления, описанные в данном документе, приведены лишь в качестве примера и не предназначены для ограничения. Многие варианты и модификации изобретения, раскрытого в этом документе, являются возможными и находятся в пределах объема изобретения. Там, где числовые диапазоны или пределы установлены точно, следует понимать, что такие отчетливые диапазоны или пределы включают итеративные диапазоны или пределы схожей величины, попадающей в рамки точно установленных диапазонов или пределов. Следует понимать, что использование более широких терминов, таких как содержит, включает, имеет и т.д, обеспечивает поддержку для более узких терминов, таких как состоит из, состоящий в основном из, состоящий по существу из и т.п. Соответственно, объем охраны не ограничивается вышеизложенным описанием, а только ограничивается следующей формулой изобретения, при этом объем охраны включает все эквиваленты предмета формулы изобретения. Каждый и любой пункт первоначальной формулы изобретения включается в описание в виде варианта осуществления настоящего изобретения. Таким образом, формула изобретения является дополнительным описанием и дополнением к предпочтительным вариантам осуществления настоящего изобретения. Раскрытия всех патентов, патентных заявок и изданий, цитированных в этом документе, включаются посредством ссылок, в пределах даваемых ими примерных, процедурных или других деталей, дополняющих детали, изложенные в этом документе. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ 1. Способ гидратации олефина, включающий подачу газообразного олефина в поток воды с образованием газожидкостного потока,пропускание газожидкостного потока через устройство высокой скорости сдвига с образованием дисперсии с пузырьками газа, средний диаметр которых составляет менее 1 мкм, с осуществлением кавитации с интенсивностью, достаточной для диссоциации одного или нескольких реагентов на свободные радикалы, и приведение в контакт газожидкостного потока с катализатором в реакторе с осуществлением гидратации газообразного олефина и образованием спирта. 2. Способ по п.1, в котором средний диаметр пузырьков газа составляет меньше 100 нм. 3. Способ по п.1, в котором газообразный олефин содержит от 2 до 8 атомов углерода. 4. Способ по п.1, в котором при прохождении газожидкостного потока через устройство высокой скорости сдвига указанный газожидкостный поток перемешивают высокой скоростью сдвига при окружной скорости, составляющей по меньшей мере 23 м/с. 5. Способ по п.1, в котором при прохождении газожидкостного потока через устройство высокой скорости сдвига на указанный газожидкостный поток воздействуют скоростью сдвига более 20000 с-1. 6. Способ по п.1, в котором при образовании указанной дисперсии расход энергии составляет по меньшей мере 1000 Вт/м 3. 7. Способ по п.1, который дополнительно включает подачу дисперсии в неподвижный слой, содержащий катализатор. 8. Способ по п.1, который дополнительно включает перемешивание катализатора с водным потоком с образованием суспензии до подачи газообразного олефина в поток воды. 9. Способ по п.1, в котором катализатор выбирают из группы, включающей фосфорную кислоту,сульфокислоту, серную кислоту, цеолит или их комбинации. 10. Способ по п.1, в котором спиртом является этанол, изопропанол, бутанол, пропанол или их комбинации. 11. Система гидратации олефина, включающая по меньшей мере одно устройство высокой скорости сдвига, снабженное ротором и статором, отделенными друг от друга сдвиговым зазором шириной от 0,02 до 5 мм, выполненное с возможностью вырабатывания окружной скорости на конце лопатки по меньшей мере одного ротора более 23 м/с для осуществления кавитации с интенсивностью, достаточной для диссоциации реагентов на свободные радикалы,насос, выполненный с возможностью подачи жидкого потока, содержащего жидкую среду, в устройство высокой скорости сдвига, и реактор гидратации олефина, связанный с указанным устройством высокой скорости сдвига и выполненный с возможностью приема указанной дисперсии из указанного устройства высокой скорости сдвига. 12. Система по п.11, в которой устройство высокой скорости сдвига содержит по меньшей мере два ротора и по меньшей мере два статора. 13. Система по п.11, в которой указанное устройство высокой скорости сдвига снабжено роторной лопаткой и установлено с возможностью работы при скорости потока, составляющей по меньшей мере 300 л/ч, и при окружной скорости, составляющей по меньшей мере 23 м/с. 14. Система по п.11, в которой указанное устройство высокой скорости сдвига установлено с возможностью работы при окружной скорости, составляющей по меньшей мере 40 м/с. 15. Система по п.11, в которой указанное устройство высокой скорости сдвига выполнено с возможностью расхода энергии больше чем 1000 Вт/м 3. 16. Система по п.11, в которой по меньшей мере одно устройство высокой скорости сдвига выполнено с возможностью образования дисперсии пузырьков газообразного олефина в жидкой фазе, со средним диаметром пузырьков дисперсии менее 400 нм. 17. Система по п.11, которая дополнительно включает группу устройств высокой скорости сдвига. 18. Система по п.11, которая дополнительно включает реактор с неподвижным слоем, содержащий катализатор гидратации. 19. Система по п.11, в которой устройство высокой скорости сдвига содержит по меньшей мере два генератора. 20. Система по п.19, в которой скорость сдвига, создаваемая одним генератором, больше скорости сдвига, создаваемой другим генератором.