生产亚烷基二醇的方法.pdf

本发明描述生产亚烷基二醇的方法和系统。该方法和系统并入了高剪切装置的新应用，以促进氧化烯烃与水的分散和溶解。该高剪切装置使得可采用较低的反应温度和压力，并且还可以减少反应时间。

1.  氧化烯烃水合方法，该方法包括：
a)将氧化烯烃气体引入水物流以形成气体-液体物流；
b)使气体-液体物流流过高剪切装置，从而形成具有平均直径小于约1微米的气泡的分散体；以及
c)使气体-液体物流接触反应器中的催化剂，以使氧化烯烃气体水合并形成亚烷基二醇。

2.  根据权利要求1的方法，其中气泡具有小于约400纳米的平均直径。

3.  根据权利要求1的方法，其中氧化烯烃气体包含氧化乙烯，氧化丙烯，氧化丁烯，或其组合。

4.  根据权利要求1的方法、其中(b)包括使所述气体-液体物流经历在至少约23m/sec的尖端速度下的高剪切混合。

5.  根据权利要求1的方法，其中(b)包括使所述气体-液体物流经历大于约20,000s^-1的剪切速率。

6.  根据权利要求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。

7.  根据权利要求1的方法，进一步包括将分散体引入含有催化剂的固定床。

8.  根据权利要求1的方法，进一步包括在(a)之前使催化剂与水物流混合以形成浆料。

9.  根据权利要求1的方法，其中催化剂包括胺，酸催化剂，有机金属化合物，碱金属卤化物，季铵卤化物，沸石，或其组合。

10.  根据权利要求1的方法，其中亚烷基二醇包含乙二醇。

11.  氧化烯烃水合用系统，该系统包含：
至少一个被配置为形成氧化烯烃和水的分散体的高剪切装置，其包含转子和定子，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，其中该剪切缝隙是在所述转子和所述定子之间的最小距离，并且其中该高剪切装置能够产生至少一个转子的大于约23m/sec(4,500ft/min)的尖端速度；
泵，其被配置用于将包括液相的液体物流递送至高剪切装置；和
被连接至所述高剪切装置的氧化烯烃水合用反应器，其被配置用于从所述高剪切装置接收所述分散体。

12.  根据权利要求11的系统，其中所述高剪切装置包含两个或更多个转子和两个或更多个定子。

13.  根据权利要求11的系统，其中所述高剪切装置包含转子尖端，并且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。

14.  根据权利要求11的系统，其中所述高剪切装置被配置为提供大于1000W/m³的能量消耗。

15.  根据权利要求11的系统，其中至少一个高剪切装置被配置用于产生氧化烯烃气体气泡在液相中的分散体，其中该分散体具有平均直径小于400纳米的气泡。

16.  根据权利要求11的系统，进一步包含多于一个的高剪切装置。

17.  根据权利要求11的系统，其中所述高剪切装置能够产生气泡直径小于约1微米的氧化烯烃气体气泡在液体中的分散体。

18.  根据权利要求11的系统，其中所述高剪切装置具有大于约20m/sec(4000ft/min)的尖端速度。

19.  根据权利要求11的系统，进一步包含固定床反应器，该反应器包含水合催化剂。

20.  根据权利要求11的系统，其中所述高剪切装置包含至少两个发生器。

生产亚烷基二醇的方法
由联邦政府资助的研究或开发有关的声明
不适用。
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亚烷基二醇的方法。
背景技术
乙二醇在冷却和加热系统中、在液压制动液中被用作防冻剂，作为工业增湿剂，作为电解质电容器的成分，在油漆和塑料工业中、打印机油墨、印油和圆珠笔油墨的配方中作为溶剂，作为用于玻璃纸的软化剂，并且用在安全炸药、增塑剂、合成纤维()和合成石蜡的合成中。乙二醇也用于机场跑道和飞行器除冰。显然，乙二醇是在工业中具有许多应用的重要化合物。
现有用于氧化烯烃水合形成亚烷基二醇的方法包括没有催化剂帮助的直接水合反应以及使用无机酸催化剂的氧化烯烃催化水合。这些无机酸催化反应是均质的，从而提出了大规模生产乙二醇的问题，因为催化剂被携带进入产物中并且必须被分离。现有的商业方法使用无催化的水合过程，其相对于氧化烯烃必须使用大比例的水，从而提出了从最终产物分离水的问题。这种分离消耗了大量的能量，其最近已经引起了许多关注。
最近，已经进行了发现用于将氧化烯烃水合为相应的二醇的新催化剂的尝试。例如，其它的催化方法使用碘化四甲铵以及溴化四乙铵，或者有机叔胺诸如三乙胺和吡啶。尽管集中于催化剂技术，几乎没有进行针对改善氧化烯烃与水相的混合以优化反应的做法。
因此，存在对通过改进环氧乙烷被混入水相来生产烷基二醇的加速方法的需要。
发明内容
本文描述用于生产亚烷基二醇的方法和系统。该方法和系统并入了高剪切装置的新应用，以促进氧化烯烃在水中的分散和溶解。该高剪切装置使得可采用较低的反应温度和压力，并且还可以减少反应时间。下面描述所公开的方法和系统的其它优点和方面。
在实施方式中，生产亚烷基二醇的方法包括将氧化烯烃气体引入液体水物流以形成气体-液体物流。该方法进一步包括使气体-液体物流流过高剪切装置，从而形成具有平均直径小于约1微米的气泡的分散体。另外，该方法包括使该气体-液体物流接触反应器中的催化剂，以使氧化烯烃水合并形成亚烷基二醇。
在实施方式中，生产亚烷基二醇的系统包含至少一个被配置为形成氧化烯烃和水的分散体的高剪切装置。该高剪切装置包含转子和定子。转子和定子以约0.02毫米到约5毫米的剪切缝隙分隔开。剪切空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/sec(4,500ft/min)的尖端速度。另外，该系统包含被配置用于将包括液相的液体物流递送至高剪切装置的泵。该系统还包含被连接至所述装置的氧化烯烃水合用反应器。该反应器被配置用于从高剪切装置接收分散体。
为了随后可以更好地理解本发明的详细说明，前述事项已经相当广泛地概述了本发明的特点和技术优势。在下文将描述本发明另外的特点和优点，其构成了本发明权利要求的主题。本领域普通技术人员应该领会，可以容易地使用所公开的概念和具体的实施方式作为用于改进或设计用于进行本发明相同目的的其它结构的基础。本领域普通技术人员还应该认识这些等价结构不会背离如所附权利要求中所陈述的本发明的主旨和范围。
附图说明
为了更详细地说明本发明的优选实施方式，下面将参照附图，其中：
图1是根据本发明的某个实施方式，用于使氧化烯烃与水在液相中水合的方法的工艺流程图。
图2是作为在图1的系统的实施方式中使用的多级高剪切装置的纵向截面视图。
标记和命名
贯穿以下说明书和权利要求使用的某个术语涉及特定的系统部分。这个文件不意欲区别名称而不是功能不同的部分。
在下面的讨论和权利要求中，术语“包括”和“包含”用于开放型方式，因而应该解释为意味着“包括，但不限于”。
具体实施方式
所公开的用于氧化烯烃水合的方法和系统使用高剪切机械装置，以在反应器/混合器装置中在受控环境中提供氧化烯烃气体与水的快速接触和混合。本文中使用的术语“氧化烯烃气体”包括基本上纯的氧化烯烃以及含有氧化烯烃的气体混合物两者。特别是，该系统和方法的实施方式可以用于从氧化烯烃的水合生产亚烷基二醇。优选地，该方法包含液体水与氧化烯烃气体的非均相反应。该高剪切装置减少了对反应的传质限制，因此增加了总反应速率。
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减少传质限制，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。
氧化烯烃水合用系统。现在参考图1来描述高剪切氧化烯烃水合用系统，图1是用于经由氧化烯烃的水合来生产亚烷基二醇的高剪切系统100的实施方式的工艺流程图。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用于引入任一的氧化烯烃反应物。管道113将泵105连接至HSD 140，以及管道118将HSD 140连接至容器110。管道122连接至管道113用于引入氧化烯烃气体。管道117连接至容器110用于除去未反应的氧化烯烃和其它反应气体。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。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。
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压力更低的环境中。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0.01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)可获得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至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/sec)。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/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)。为了所公开的目的，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物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，在剪切混合器的尖端处产生约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1，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250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。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，缝隙被保持在约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适合的尺寸。在一个实施方式中，转子的内径为约64毫米并且定子的外径为约60毫米。在其它的实施方式中，转子的内径为约11.8厘米并且定子的外径为约15.4厘米。在另外的实施方案中，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较窄分布，或者，如果物料物流205包含液体则产生在产品分散体210中的液滴尺寸的较窄分布。
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具有平均尺寸小于约1.5微米的气体粒子或气泡；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微米至约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。为了所公开的目的，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，从而使得反应速度提高至少约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，高剪切混合装置诱导具有足够强度的空化作用，从而使反应物中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混合器。加热和/或冷却设备可包括例如热交换器。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和容器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被配置为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，Roper 1型齿轮泵，Roper Pump Company(Commerce Georgia)DaytonPressure Booster 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。
氧化烯烃的水合。在进行氧化烯烃的催化水合操作中，分别经由管道122将可分散的氧化烯烃气体物流引入到系统100中，并在管道113内与水物流合并以形成气体-液体物流。或者，氧化烯烃气体可被直接供应到HSD 140，而不是在管道113内与液体反应物(即水)合并。泵105可进行工作从而将液体反应物(水)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，氧化烯烃气体可被连续地供给到水物流112中以形成高剪切物料物流113(例如气体-液体物流)。在高剪切装置140内，水和氧化烯烃蒸气经过高度混合，从而使得形成了氧化烯烃的纳米级气泡和/或微米级气泡，用于氧化烯烃蒸气在溶液中的出色溶解。当被分散后，分散体在高剪切出口管道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可直接进入水合反应器110用于水合。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。水合产物(例如亚烷基二醇)可在产物物流116处被抽出。
在示例性的实施方案中，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。使用分散器来产生氧化烯烃在包括水的液体介质中的分散体(即，“反应物”)。例如，转子/定子组合可如图2所示被配置。被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用来密切地混合氧化烯烃蒸气和反应物液体(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(即，反应速率)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尖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。高剪切获得微米级或亚微米级的氧化烯烃气体气泡的分散体。在一些实施方案中，获得的分散体具有平均尺寸小于约1.5微米的气泡。因此，经由管道118离开HSD 140的分散体包括微米级和/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，微泡分散体能够在大气压力下保持被分散历时至少15分钟。
当被分散后，得到的氧化烯烃/水分散体经由管道118离开HSD140并被供给到容器110，如图1所示。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亚烷基二醇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亚烷基二醇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。内容物进行连续搅拌或半连续搅拌。
可适当地使用一般已知的水合反应条件作为通过采用催化剂进行氧化烯烃水合来生产亚烷基二醇的条件。对反应条件没有特别的限制。为了示例性目的，将相对于乙二醇来讨论所述方法。然而，预计本方法的实施方式可以用来产生任何的亚烷基二醇。在乙二醇的生产中，理论上需要一摩尔的水来水合一摩尔的氧化乙烯。然而，实际上，为了获得良好的结果，需要大于水与氧化乙烯的等分子比例。虽然当使用水对环氧乙烷为约2的反应物比例时，有时可以获得约90％的转化率，然而通常需要大于6的反应物比例以获得合理的产物高产率，否则形成的乙二醇与氧化乙烯反应以形成二甘醇和三甘醇。反应物比例对生产乙二醇以及其它亚烷基二醇获得的结果的影响是公知的。在要求保护的催化剂的固定床上，比例为至少17∶1的水气和氧化乙烯发生反应中，发现基于所消耗的氧化乙烯的产率合理地高。
水合反应的主要副产物是二聚二醇和多聚二醇，例如二亚烷基二醇，三亚烷基二醇和四亚烷基二醇。二聚二醇和多聚二醇的形成被认为主要是由氧化烯烃与亚烷基二醇反应所致。由于氧化烯烃与亚烷基二醇的反应性通常高于氧化烯烃与水的反应性，因此使用大过量的水以利于氧化烯烃与水的反应，并从而获得商业上吸引人的对单二醇产物的选择性。
反应温度的改变根据起始氧化烯烃的种类、催化剂的种类、在反应早期反应混合物的组分等等的不同而异，通常为50℃至200℃，优选110℃至160℃。反应压力根据二氧化碳的量、反应温度、反应进展程度的不同而异，通常为3至50kg/cm²。如果期望的话，可以不时调节反应器内的压力。反应时间可以是约30分钟至约3小时。反应物与催化剂的接触时间可以从小于1秒到高达25秒的范围内任意改变。
用于反应的氧化烯烃可以单独使用或者作为不同类型的混合物被组合使用。氧化烯烃可以具有任何结构，诸如脂族、芳香族、杂芳香族、脂族-芳香族或者脂族-杂芳香族。它们还可以含有其它的官能团，并且应该预先确定这些官能团是否应该保持不变还是应该自身发生水合。
所公开的方法的实施方式可以适合于水合直链或支链的氧化烯烃。氧化烯烃的实例包括但不限于氧化乙烯、氧化丁烯、氧化丙烯等等。氧化烯烃可以含2到4个碳原子。
催化剂。如果催化剂被用来促进水合反应，可以作为水性或非水浆料或物流形式经由管道115被引入容器。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的流动的水物流和/或氧化烯烃再循环物流。
在实施方案中，可使用任何的适于催化水合反应的催化剂。惰性气体诸如氮气可用于填充反应器110并且吹扫其中任何的空气和/或氧气。根据一实施方案，可用于所公开的方法的催化剂可以是酸催化剂。例如，部分胺中和的磺酸催化剂可以用作催化剂。这些催化剂是非均相的，并且可以更完全地被描述为是磺酸类型的离子交换树脂。然后通过使足够的胺通过树脂以部分中和其中含有的磺酸基，来对这些树脂进行改性。伯胺、仲胺或者叔胺都是可接受的。叔胺可以用于所公开的方法。结果是由最初游离的磺酸和磺酸的胺盐的混合物组成的催化剂仍然全部是非均相形式。
在具体的实施方式中，催化剂包含具有悬垂的磺酸侧基的苯乙烯-二乙烯基苯共聚物基质。属于这类物质的催化剂可以从罗门哈斯(Rohmand Haas)获得，标识为Amberlyst RTM 15和Amberlyst XN-1010，它们可利用的表面积的量不同。能够使用不同于苯乙烯-二乙烯基苯类型的其它基质，包括其它有机聚合物和无机材料，只要提供的基材能够结合磺酸基以维持非均相催化系统即可。
已经被提出用在氧化烯烃水合中的许多酸催化剂的其它代表包括氟化的烷基磺酸离子交换树脂，羧酸类和卤酸，强酸阳离子交换树脂，脂肪族单羧酸和/或多羧酸，阳离子交换树脂，酸性沸石，二氧化硫，三卤乙酸。
除酸催化剂之外，已经提出许多催化剂用于氧化烯烃的水合。例如，催化剂可以是铝磷酸盐催化剂，有机叔胺诸如三乙胺和吡啶，季鏻盐，氟烷基磺酸树脂，碱金属卤化物，诸如钾、钠和锂的氯化物、溴化物和碘化物，或者季铵卤化物，诸如碘化四甲铵和溴化四乙铵，或其组合。
各种含金属的化合物，包括金属氧化物，可以用作用于氧化烯烃水合的催化剂。例如，脱水金属氧化物诸如但不限于氧化铝、氧化钍，或钨、钛、钒、钼或锆的氧化物。或者作为选择可以使用碱金属碱，诸如钛、钨和钍的乙醇盐，氧化物。
催化剂还可以包含有机金属化合物，包括诸如钒、钼、钨、钛、铬、锆、硒、碲、钽、铼、铀或其组合的金属。
更近一些，于1981年7月7日授权的美国专利4,277,632公开了在催化剂的存在下通过氧化烯烃的水合用于生产亚烷基二醇的方法，该催化剂的至少一个成员选自钼和钨。催化剂可以通过催化剂进料物流115被注入反应器110。作为选择，催化剂可以存在于固定床或流化床142内。
反应物的本体或总操作温度希望被保持在低于它们的闪点。在一些实施方式中，系统100的操作条件包含从约50℃到约300℃范围内的温度。在具体的实施方式中，容器110中的反应温度特别是在约90℃到约220℃的范围之内。在一些实施方式中，容器110中的反应压力在从约5个大气压到约50个大气压的范围之内。
如果需要，分散体在进入容器110之前可进行进一步的处理(如箭头18所示)。在容器110中，氧化烯烃水合借助于催化水合而发生。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。氧化烯烃水合可以连续方式、半连续方式或间歇方式进行，根据特定应用的要求而定。所产生的任何反应气体经由气体管道117离开反应器110。该气体物流可包含例如未反应的氧化烯烃。经由管道117被除去的反应气体可经历进一步的处理，并且根据需要可将组分再循环。
包含未转化的氧化烯烃和相应的副产物(例如二聚二醇和多聚二醇，二亚烷基二醇，三亚烷基二醇和四亚烷基二醇)的反应产物物流经由管道116离开容器110。亚烷基二醇产物如本领域技术人员已知的那样被回收和处理。
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亚烷基二醇产物。在一些实施方案中，可能希望使容器110的内容物或包含未反应的氧化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。可将另外的氧化烯烃气体经由管道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。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。