BRPI0711430A2 - aparelho de mistura para misturar pelo menos dois fluidos, e, sistema de reação quìmica - Google Patents

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John Colin Middleton
Neil Tindale
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Abstract

APARELHO DE MISTURA PARA MISTURAR PELO MENOS DOIS FLUIDOS, E, SISTEMA DE REAçãO QUìMICA. é descrito um aparelho de mistura (100) para misturar pelo menos dois fluidos, o aparelho de mistura (100) compreendendo um eixo mecânico (120) rotativo em torno de seu eixo geométrico longitudinal (121), um primeiro (122) e um segundo (124) propulsores estendidos radialmente montados no eixo mecânico (120) e respectivamente espaçados axialmente um do outro, caracterizado em que o primeiro propulsor (122) compreende uma pluralidade de pás curvas (125) operável para mover os ditos fluidos em uma direção axial para o segundo propulsor (124), e o segundo propulsor (124) compreende uma pluralidade de pás curvas (125) operável para mover os ditos fluidos em uma direção axial para o primeiro propulsor (122).

Description

"APARELHO DE MISTURA PARA MISTURAR PELO MENOS DOIS FLUIDOS, E, SISTEMA DE REAÇÃO QUÍMICA"
A invenção diz respeito a um aparelho de mistura. Em particular, mas não exclusivamente, a invenção diz respeito a um aparelho para dispensar gás em líquido.
Muitos processos industriais incorporam um sistema de mistura acionado por propulsor, por exemplo, processos para fermentação, hidrogenação, cloração, oxidação e carbonilação.
Sistemas de mistura acionados por propulsores no geral incorporam um propulsor montado em um eixo mecânico rotativo. Pode-se dizer que tais sistemas têm um fluxo longitudinal axial paralelo ao eixo geométrico do eixo mecânico rotativo e/ou um fluxo radial paralelo às pás estendidas radialmente montadas no eixo mecânico. O propulsor pode assim ser um propulsor de fluxo radial que projeta fluido em uma direção radial para uma parede de uma câmara na qual o propulsor está alojado, por exemplo, uma turbina Chemineer BT-6", ou, adicionalmente, o propulsor pode ser um propulsor de fluxo axial que compreende pás estendidas radialmente em um passo em um ângulo de forma a direcionar o fluxo de fluido em uma direção axial. Exemplos de propulsores de fluxo axial incluem propulsores marítimos e propulsores de hidrofólio. Sistemas de fluxo misto são conhecidos, onde o propulsor causa fluxo tanto na direção axial quanto radial. Um exemplo de um propulsor de fluxo misto é a turbina de pás espaçadas 45 Tais sistemas de mistura podem ser usados em reações líquido-líquido, líquido-sólido ou líquido-gás.
Um sistema propulsor duplo para dispensar um gás em um líquido, em um vaso, é conhecido. Especificamente, em um trabalho de Kuboi, intitulado "The Power Drawn by Dual Impeller Systems Under Gassed and Ungassed Conditions" Fourth European Conference on Mixing, abril 27- 29 1982, a combinação de duas turbinas de pás espaçadas axialmente em um passo de 45° é revelada, por meio do que um primeiro propulsor é montado abaixo de um segundo propulsor em um eixo mecânico comum. As pás do propulsor são orientadas de maneira tal que o primeiro propulsor projeta líquido para cima e para fora, e o segundo propulsor projeta líquido para baixo e para fora. Em condições gaseificadas, à medida que gás é introduzido no vaso, o primeiro propulsor faz com que o fluxo que chega de bolhas de gás se divida de forma que parte do fluxo seja impulsionado radialmente para fora em direção às paredes do vaso, e parte seja impulsionado axialmente para cima em direção ao segundo propulsor.
A eficiência do sistema de dois propulsores em condições de gaseificação depende da velocidade de rotação dos propulsores. A menores velocidades, é possível que as bolhas que foram projetadas para cima pelo primeiro propulsor não sejam afetadas pelo segundo propulsor. O segundo propulsor não pode superar as forças de flutuação e, portanto, o segundo propulsor não exerce parte na dispersão de gás no líquido. Somente quando a velocidade rotacional do segundo propulsor é aumentada é que as forças de flutuação são superadas. Desvantajosamente, isto resulta em dispersão não uniforme do gás no líquido. Isto está mostrado na figura 1 do pedido. A fim de se obter dispersão uniforme, ainda mais desvantajosamente, a velocidade rotacional do segundo propulsor tem que ser aumentada abruptamente.
E altamente desejável poder conseguir dispersão uniforme e completa em um processo industrial. Em processos industriais onde a transferência de massa gás/líquido é um recurso essencial, isto aumenta a controlabilidade de melhora o desempenho do reator. Em tais processos, quando o gás é bem disperso, pode existir uma região de dissipação de turbilhão cinética turbulenta razoavelmente uniforme no líquido entre e em torno dos propulsores que controla a coalescência e quebra das bolhas. Se a dissipação de gás for altamente não uniforme, a coalescência indesejável pode resultar em um aumento abrupto no tamanho de bolha e, portanto, na área superficial para transferência de massa da interface ocorrer é reduzida. Vantajosamente, um campo de dissipação de energia cinética turbulenta controlado resulta em uma distribuição de tamanho de bolhas estreita em uma faixa de potência específica do propulsor.
E um objetivo da presente invenção prover um aparelho de mistura que permite a mistura controlada de fluidos ou sólidos, simultaneamente provendo um ambiente de mistura efetiva.
De acordo com um primeiro aspecto da presente invenção, é provido um aparelho de mistura para misturar pelo menos dois fluidos, o aparelho de mistura compreendendo um eixo mecânico rotativo em torno de seu eixo geométrico longitudinal, um primeiro e segundo propulsores estendidos radialmente montados no eixo mecânico e, respectivamente, espaçados axialmente, caracterizado em que o primeiro propulsor compreende uma pluralidade de pás curvas operável para mover os ditos fluidos em uma direção axial em direção ao segundo propulsor, e o segundo propulsor compreende uma pluralidade de pás curvas operável para mover os ditos fluidos em uma direção axial em direção ao primeiro propulsor.
Preferivelmente, as pás em cada propulsor bombeiam para dentro para o espaço entre os propulsores. No caso de um eixo mecânico substancialmente vertical, o propulsor inferior, portanto, está bombeando para cima e o propulsor superior está bombeando para baixo. Preferivelmente, as pás de cada propulsor são pás de hidrofólio. Uma pá de hidrofólio adequada é a Chemineer Maxflo™ W. Alternativamente, pode-se usar a Lightnin A315™, A320™ ou A340™.
Vantajosamente, por causa dos fluxos axiais opostos criados pelo primeiro propulsor e pelo segundo propulsor, observa-se uma região de alta turbulência em uma zona de mistura central entre os ditos propulsores. A alta turbulência é mantida nesta zona, e assim existe pouca variação na dissipação de energia pela turbulência. Conseqüentemente, existe mínima variação no tamanho de bolhas na zona de mistura central. Vantajosamente, existe uma variação mínima no tamanho de bolha que resulta em uma distribuição de tamanho estreita das bolhas na zona de mistura central. Vantajosamente, a distribuição de tamanho de bolhas estreita permite que o processo ou reação química sejam mais facilmente controlados. Esta região fornece uma zona onde pelo menos dois fluidos são agrupados para ser misturados. Uma reação química pode portanto ser facilitada na zona de mistura central. Os fluidos podem ser líquido-sólido, líquido-líquido ou líquido-gás. Preferivelmente, os pelo menos dois fluidos compreendem um líquido e um gás.
É vantajoso prover um ambiente de mistura gás/líquido onde o tamanho de bolhas seja bastante independente da potência específica do propulsor. Em um sistema como este, o tempo de mistura do líquido pode variar independentemente do tamanho das bolhas.
Preferivelmente, o primeiro propulsor e o segundo propulsor compreendem cada qual duas ou mais pás curvas, mais preferivelmente três ou mais pás curvas. Acima de tudo preferivelmente existem propulsores com quatro pás curvas. A provisão de um propulsor com uma grande quantidade de pás curvas aumenta as forças de cisalhamento que agem para quebrar as bolhas grandes. As bolhas pequenas produzidas têm um menor diâmetro de bolha médio do que as produzidas com um primeiro propulsor e/ou um segundo propulsor com menos pás curvas e, portanto, a área superficial disponível para ocorrer uma reação é aumentada.
Preferivelmente, o diâmetro do primeiro propulsor é o mesmo do diâmetro do segundo propulsor. Preferivelmente, o diâmetro de todo ou qualquer propulsor é substancialmente a metade do diâmetro do vaso no qual o dito propulsor é montado.
Vantajosamente, quanto menor o diâmetro do propulsor, tanto maior a força de cisalhamento criada para uma dada potência e, portanto, uma maior quantidade de bolhas pequenas é produzida, que leva a um aumento na área superficial disponível para ocorrer uma reação.
Preferivelmente5 a distância axial entre o primeiro propulsor e o segundo propulsor é separada pelo menos um diâmetro do propulsor. Nesta configuração, a turbulência criada pelos propulsores opostos é um equilíbrio na zona de mistura central que permite a previsão de tamanho de bolha e, portanto, o controle da reação que ocorre.
É preferível que a potência total extraída pela combinação de propulsores seja baixa. Preferivelmente, os propulsores operam a um baixo valor de potência, preferivelmente substancialmente entre 1 e 5, mais preferivelmente substancialmente entre 1 e 3, acima de tudo preferivelmente substancialmente 1,75. Assim procedendo, o sistema consome menos energia que sistemas convencionais que operam em valores de potência tipicamente 3,2. A potência pode ser medida usando equipamento convencional, por exemplo, extensômetros resistivos.
Preferivelmente, durante operação a um baixo valor de potência, consegue-se uma distribuição de fase dispersa uniforme completa. Isto é altamente desejável e deve-se à eficiência de energia das pás, preferivelmente, pás de hidrofólio.
Sem ficar preso a teoria, uma possível explanação para a eficiência da invenção é que o uso de pás de hidrofólio reduz vórtices de ponta e converte a maior parte da energia do eixo mecânico em fluxo, em vez de energia cinética turbulenta, ajudando na dispersão completa.
Preferivelmente, a potência específica usada quando o primeiro propulsor e o segundo propulsor giram é substancialmente entre 50 W/m3 e 900 W/m3 , mais preferivelmente substancialmente entre 100 W/m e 800 W/m3.
Preferivelmente, quando são usados propulsores tipo Maxflo opostos duplos, a potência específica preferida é substancialmente entre 50 W/m e 900 W/m . Preferivelmente, quando são usados propulsores tipo B6- 6, a potência específica preferida é substancialmente entre 400 W/m3 e 3.200 W/m3. A tais potências específicas, é mantida uma distribuição de tamanho de bolhas estreita e a reação é controlada.
Preferivelmente, quando são usados propulsores Maxflo opostos duplos, o tamanho médio aritmético (d10) é substancialmente entre 250 μ e 550 μm e o diâmetro médio do volume superficial (d32) é substancialmente entre 400 μm e 750 μm. Preferivelmente, durante operação substancialmente a 750 μm, o djo é substancialmente entre 250 μm e 350 μm, acima de tudo preferivelmente substancialmente 296 μm, e preferivelmente o d32 é substancialmente entre 400 μm e 500 μπι, acima de tudo preferivelmente substancialmente 450 μm. Preferivelmente, quando se opera a substancialmente 991 rpm, o dio é substancialmente entre 300 μm e 400 μm, acima de tudo preferivelmente substancialmente 330 μm, e preferivelmente o d32 é substancialmente entre 460 μm e 560 μm, acima de tudo preferivelmente substancialmente 510 μm. Preferivelmente, quando se opera a substancialmente 1.200 rpm, o dio é substancialmente entre 350 μm e 450 μm, acima de tudo preferivelmente substancialmente 394 μm, e preferivelmente o d32 é substancialmente entre 450 pm e 550 μm, acima de tudo preferivelmente substancialmente 500 μm.
Preferivelmente, quando são usados propulsores tipo BT-6, o d10 é substancialmente entre 250 μm e 1.500 μm. Particularmente, quando se opera a substancialmente 251 rpm, preferivelmente o dio é substancialmente entre 550 μm e 650 μm, acima de tudo preferivelmente substancialmente 633 μm, e o d32 é preferivelmente substancialmente entre 800 μm e 1000 μm, acima de tudo preferivelmente substancialmente 978 μm. Preferivelmente, quando se opera a substancialmente 380 rpm, o di0 é preferivelmente substancialmente entre 800 μm e 900 μm, acima de tudo preferivelmente substancialmente 841 μm, e o d32 é preferivelmente substancialmente entre 1000 μm e 1500 μm, acima de tudo preferivelmente substancialmente 1.345 μm. A substancialmente 500 rpm, o dio é preferivelmente substancialmente entre 500 μm e 600 μm, acima de tudo preferivelmente substancialmente 597 μm, e o d32 é preferivelmente substancialmente entre 700 μm e 800 μm, acima de tudo preferivelmente substancialmente 721 μm. Preferivelmente, quando se opera a substancialmente 765 rpm, o dio é preferivelmente substancialmente entre 300 m e 400 μm, acima de tudo preferivelmente substancialmente 378 μm, e o d32 é preferivelmente substancialmente entre 400 μm e 500 μm, acima de tudo preferivelmente substancialmente 445 μm.
Em um reator onde gás é aspergido em um meio líquido agitado, preferivelmente a vazão de gás aspergido é substancialmente entre 0,05 e 1,0 m /s, preferivelmente substancialmente entre 0,1 e 0,5 m /s, acima de tudo preferivelmente substancialmente 0,13 m3/s a uma velocidade do propulsor preferivelmente entre 50 rpm e 1.200 rpm, acima de tudo preferivelmente substancialmente 50 rpm e 200 rpm.
Um parâmetro chave usado no projeto de sistemas de mistura gás-líquido é a velocidade de dispersão crítica. Esta é a mínima velocidade do propulsor necessária para garantir dispersão das bolhas de gás. A velocidade de dispersão crítica para atingir dispersão em um sistema de hidrofólio de fluxo oposto duplo em um vaso que tem um diâmetro substancialmente entre 1 e 10 m, mais substancialmente entre 2 e 5 m, é preferivelmente 100 rpm, preferivelmente substancialmente entre 5 e 100 rpm, preferivelmente substancialmente entre 5 e 50 rpm, mais preferivelmente substancialmente entre 10 e 20 rpm, acima de tudo preferivelmente substancialmente 14 rpm.
Dessa maneira, em um aspecto adicional da presente invenção, é provido um sistema de reação química compreendendo uma fase líquida e um aparelho de mistura de acordo com o primeiro aspecto da invenção para misturar um fluido na fase líquida. Preferivelmente, o fluido é um sólido ou acima de tudo preferivelmente o fluido é um gás. Preferivelmente, a fase líquida compreende pelo menos um reagente de fase líquida para reagir com um gás introduzido na fase líquida, bem como pelo menos um produto de reação da fase líquida. Preferivelmente, a fase líquida inclui um gás introduzido nela. Preferivelmente, o dito gás compreende um ou mais reagentes capazes de reagir com o dito um ou mais reagentes. Preferivelmente, a fase líquida compreende um sistema catalítico. Preferivelmente, o sistema de reação é um sistema de reação de carbonilação tal como um descrito no pedido de patente co-pendente do Reino Unido GB 0516556.8, ou com referido nas patentes e pedidos de patente europeus EP-A- 10 0055875, EP-A-04489472, EP-A-0106379, EP-A-0235864, EP-A-0274795, EP-A-0499329, EP-A-03 86833, EP-A-0441447, EP-A-0489472, EP-A- 0282142, EP-A-0227160, EP-A-0495547, EP-A-0495548, EP-A-1651587, EP-A-1565425, EP-A-1554039, EP-A-1534427, EP-A- 1527038, EP-A- 1204476, W02005118519 e W02005079981.
Preferivelmente, o sistema de reação é um processo de carbonilação compreendendo carbonilar um composto etilenicamente insaturado com monóxido de carbono na presença de uma fonte de grupos hidroxila, preferivelmente metanol, e um sistema catalítico compreendendo (a) um ligante fosfina, arsina ou estibina bidentato, e (b) um metal catalítico selecionado de um metal do grupo 8, 9 ou 10, ou um composto destes, preferivelmente paládio. Preferivelmente, o ligante de fosfina é selecionado de 1,2-bis-(di-terc-butilfosfinometil)benzeno, 1,2 bis-(di-terc- pentilfosfinometil)benzeno, 1,2-bis-(di-terc-butilfosfinometil)naftaleno, 1,2- bis(diadamantilfosfinometil)benzeno, 1,2 bis(di-3,5-dimetil- adamantilfosfinometil)benzeno, 1,2bis(di-5 terc-butiladamantil-fosfinometil) benzeno, 1,2bis( 1 -adamantil terc-butil-fosfinometil)benzeno, 1(diadamantil- fosfinometil)-2-(di-terc-butilfosfmo-metil)benzeno, 1-(di-terc-butilfosfino- metil)-2-(dicongressil-fosfinometil) benzeno, 1-(di-terc-butilfosfinometil)-2- (fosfa-adamantil-P-metil)benzeno, 1-(diadamantilfosfinometil)-2-(fosfa- adamantil-P-metil)benzeno, 1-(terc-butiladamantilfosfinometil)-2-(di- adamantilfosfino-metil) benzeno e l-[(P-(2,2,6,6, tetra-metilfosfinan-4- ona)fosfinometil)]-2-(fosfadamantil-P-metil)benzeno, em que "fosfa- adamantil" é selecionado de 2-fosfa-l,3,5,7-tetrametil-6,9,10- trioxadamantil,2-fosfa-1,3,5-trimetil-6,9,10-trioxadamantil,2-fosfa-1,3,5,7- tetra(trifluormetil) 6,9,10-trioxadamantil ou 2-fosfa-l,3,5 tri(trifluormetil)- 6,9,10-tríoxadamantil; 1,2-bis (dimetilaminometil)ferroceno, 1,2-bis (ditercbutilfosfinometil)ferroceno, l-hidroximetil-2-dimetilaminometil- ferroceno,l ,2-bis (ditercbutilfosfinometil)ferroceno,l-hidroximetil 2,3-bis- (dimetilaminometil)ferroceno, 1,2,3-tris (ditercbutilfosfinometil)ferroceno, 1,2- bis (diciclo-hexilfosfínometil)ferroceno, 1,2-bis-(di-iso butilfosfínometil) ferroceno, 1,2-bis (diciclopentilfosfinometil)ferroceno, 1,2-bis (dietilfosfino- metil)ferroceno, 1,2-bis(diisopropilfosfinometil)ferroceno, 1,2-bis- (dimetilfosfinometil)ferroceno, 1,2-bis-(di-( 1,3,5,7 tetrametil-6,9,10-trioxa-2- fosfaadamantilmetil))ferroceno, iodeto de 1,2-bis (dimetilaminometil) ferroceno-bismetila, 1,2 bis(diidroximetilfosfinometil)ferroceno, 1,2 bis(difosfinometil)ferroceno,l,2-bis-a,a-(P-(2,2,6,6,tetrametilfosfinan-4- ona))dimetilferroceno, e 1,2 bis-(di-1,3,5,7-tetrametil-6,9,10-trioxa-2-fosfa- adamantilmetil))benzeno; eis-1,2-bis(di-t-butilfosfinometil)-4,5-dimetil ciclo- hexano; cis-l,2-bis(di-t-butilfosfinometil)-5-metilciclopentano; cis-l,2-bis(2- fosfinometil-1,3,5,7-tetrametil-6,9,10trioxa-adamantil)-4,5-dimetilciclo- hexano; cis-1,2-bis(2-fosfinometil-l ,3,5,7-tetrametil-6,9,10-trioxaadamantil) 5-metilciclopentano; eis-1,2-bis(diadamantilfosfinometil)-4,5 dimetilciclo- hexano; cis-l,2-bis(di-adamantilfosfinometil)-5-metil ciclopentano; cis-l-(P,P adamantil, t-butil fosfinometil)-2-(di-t-butilfosfinometil)-4,5 dimetilciclo- hexano; bis-l-(P,P adamantil, t-butilfosfinometil)-2-(di-t-butilfosfmometil)-5- metileielopentano; eis-1 -(2-fosfinometil-1,3,5,7tetrametil-6,9,10-trioxa- adamantil)-2-(di-t-butilfosfinometil)4,5-dimetilciclo-hexano; eis-1 -(2- fosfinometil-l,3,5,7-tetrametil-6,9,10-trioxaadamantil)-2-(di-t- butilfosfinometil)-5-metil ciclopentano; cis-l-(2-fosfinometil-1,3,5,7 tetrametil-6,9,10-trioxa-adamantil)-2(diadamantilfosfinometil)-5-metil ciclo-hexano; cis-1 (2-fosfinometil-1,3,5,7-tetrametil-6,9,10-trioxa adamantil)-2-(diadamantilfosfinometil)-5 -metil ciclopentano; eis-1 -(2- fosfmometil-1,3,5,7 tetrametil-6,9,10-trioxa-adamantil)-2 (diadamantilfosfinometil)ciclobutano; eis-1 -(di-t butilfosfinometil)-2- (diadamantilfosfmometil) 4,5-dimetil ciclo-hexano; cis-l-(di-t- butilfosfinometil)-2-(diadamantilfosfmometil)-5-metil ciclopentano;cis-1,2- bis(2-fosfa-l,3,5-trimetil-6, 9, 10-trioxatriciclo-3.3.1.1 [3.7] }decil)-4, 5 dimetil ciclo-hexano;cis-l,2-bis(2-fosfa-l,3,5 trimetil-6,9,10-trioxatriciclo- {3.3.1.1[3.7]}decil)-5-metil ciclopentano; cis-l-(2-fosfa-l,3,5-trimetil 6,9,10- trioxatriciclo- {3.3.1.1[3.7]}decil)-2-(di-t-butilfosfinometil)-4,5-dimetil ciclo- hexano;cis-1 (2-fosfa-1,3,5-trimetil-6,9,10-trioxatriciclo {3.3.1.1 [3.7]}decil)- 2-(di-t-butilfosfInometil)-5 metil ciclopentano;cis-1 -(2-fosfa-1,3,5-trimetil 6,9,10-trioxatriciclo-{3.3.1.1 [3.7]}decil)-2(diadamantilfosfinometil)-4,5- dimetil ciclo-hexano; eis-1 -(2-fosfa-1,3,5-trimetil-6,9,10-trioxatriciclo {3.3.1.1 [3.7]}decil)-2-(diadamantilfosfinometil)-5-metil ciclopentano;cis-1,2- bis-perfluoro(2-fosfa-1,3,5,7-tetrametil-6,9,10-trioxatriciclo {3.3.1.1 [3.7]} decil)-4,5-dimetil ciclo-hexano; eis-1,2-bis-perfluoro(2-fosfa-1,3,5,7- tetrametil-6,9,10-trioxatriciclo {3.3.1.1 [3.7]}decil)-5-metil ciclopentano; cis- 1,2-bis-(2-fosfa-1,3,5,7-tetra(trifluoro-metil) 6,9,10- trioxatriciclo {3.3.1.1 [3.7]} decil)-4,5-dimetil ciclo-hexano; eis-1,2-bis-(2- fosfa-1,3,5,7-tetra(trifluoro-metil)-6,9,10-trioxatriciclo {3.3.1.1 [3.71} decil)-5- metil ciclopentano; eis-1,2-bis(di-t-butilfosfinometil)ciclo-hexano;cis-1,2- bis(di-t-butilfosfinometil) ciclopentano; cis-l,2-bis(di-t- butilfosfinometil)ciclobutano; eis-1,2-bis(2-fosfinometil-1,3,5,7-tetrametil- 6,9,10-trioxa-adamantil)cielo-hexano; cis-1,2-bis(2-fosfinometil-l ,3,5,7- tetrametil-6,9,10-trioxa-adamantil)ciclopentano; eis-1,2-bis(2-fosfinometil- 1,3,5,7-tetrametil-6,9,10-trioxa-adamantil) ciclobutano; cis-1,2-bis(di- adamantilfosfinometil)ciclo-hexano; eis-1,2-bis(di- adamantilfosfinometil)ciclopentano; cis-1,2-bis(di-adamantilfosfinometil) ciclobutano; cis-l-(P,P-adamantil, t-butil-fosfinometil)-2-(di-t- butilfosfinometil)ciclo-hexano; cis-1 -(Ρ,Ρ-adamantil, t-butil-fosfinometil)-2- (di-t-butilfosfinometil)ciclopentano; eis-1 -(2,P-adamantil, t-butil- fosfinometil)-2-(di-t-butilfosfinometil)ciclobutano; eis-1 -(2-fosfinometil- 1,3,5,7-tetrametil-6,9,10-tríoxa-adamantil)-2-(di-t-butilfosfinometil) ciclo- hexano; eis-1 -(2-fosfinometil-1,3,5,7-tetrametil-6,9,10-trioxa-adamantil)-2- (di-t-butilfosfinometil)ciclopentano; eis-1 -(2-fosfinometil-1,3,5,7-tetrametil- 6,9,10-trioxa-adamantil)-2-(di-t-butilfosfinometil) ciclobutano; eis-1 -(2- fosfinometil-1,3,5,7-tetrametil-6,9,10-trioxa-adamantil) -2- (diadamantilfosfinometil)ciclo-hexano; eis-1 -(2-fosfinometil-1,3,5,7- tetrametil-6,9,10-trioxa-adamantil)-2-(diadamantilfosfinometil)cielopentano; eis-1 -(2-fosfinometil-1,3,5,7-tetrametil-6,9,10-trioxa-adamantil) -2- (diadamantilfosfinometil)eielobutano; eis-1 -(di-t-butilfosfinometil)-2- (diadamantilfosfinometil)eielo-hexano; eis-1 -(di-t-butilfosfinometil)-2- (diadamantilfosfinometil)eielopentano; eis-1 -(di-t-butilfosfinometil)-2- (diadamantilfosfinometil)eielobutano;eis-1,2-bis(2-fosfa-1,3,5-trimetil-6,9,10- trioxatriciclo- {3.3.1.1 [3.71} decil)ciclo-hexano;cis-1,2-bis(2-fosfa-1,3,5- trimetil-6,9,10-trioxatriciclo- {3.3.1.1 [3.71 }deeil)eielopentano; eis-1,2-bis(2- fosfa-1,3,5 -trimetil-6,9,10-trioxatriciclo-(3.3.1.1 [3.71 )decil)ciclobutano;cis-1 - (2-fosfa-l,3,5-trimetil-6,9,10-trioxatriciclo-{3.3. 1.1 (3.71 }decil)-2-(di-t- butilfosfinometil)ciclo-hexano;cis-l-(2-fosfa-1,3,5-trimetil-6,9,10- trioxatriciclo-{3.3.1. 1 [3. 7] }decil)-2--(di-t-butilfosfinometil)ciclopentano; eis-1 -(2-fosfor-1,3,5-trimetil-6,9,10-trioxatriciclo- {3.3.1.1 [3.7]} decil)-2-(di-t- tilfosfinometil)ciclobutano;cis-1 -(2-fosfa-1,3,5-trimetil-6,9,10-trioxatriciclo- {3.3. 1. 1 [3. 7] }decil) -2-(diadamantilfosfinometil)ciclo-hexano; cis-l-(2- fosfa-1,3,5-trimetil-6,9,10-trioxatriciclo-(3.3.1.1 [3.7]} decil)-2- (diadamantilfosfinometil)ciclopentano;cis-1 -(2-fosfa-1,3,5-trimetil-6,9,10- trioxatriciclo-{3.3.1.1[3. 7]}decil)-2-(diadamantilfosfinometil) ciclobutano; eis-1,2-bis-perfIuoro(2-fosfa-1,3,5,7-tetrametil-6,9,10-trioxatriciclo { 3.3.1.1 [3.7]}-decil)ciclo-hexano; eis-1,2-bis-perfluoro(2-fosfa-1,3,5,7- tetrametil-6,9,10-trioxatriciclo {3.3.1.1 [3.77 } decil)ciclopentano; eis-1,2-bis- perfluoro(2-fosfa-1,3,5,7-tetrametil-6,9,10-trioxatriciclo {3.3.1.1 [3.7]} decil)ciclobutano;cis-l,2-bis-(2-fosfa-1, 3, 5,7-tetra (trifluoro-metil)-6, 9, 10- trioxatriciclo {3.3.1.1 [3.7]} decil)ciclo-hexano;cis-1,2-bis-(2-fosfa-1,3,5,7- tetra(trifluoro-metil)-6,9,10-trioxatriciclo{3.3.1.1 [3.7]} decil)ciclopentano; e eis-1,2-bis-(2-fosfa-1,3,5,7-tetra(trifluoro-metil)-6,9,10- trioxatriciclo{3.3.1.1[3.7]}decil)ciclobutano;(2-exo,3-exo)- biciclo[2.2.1]heptano-2,3-bis(di-terc-butilfosfinometil) e (2-endo, 3-endo)- biciclo[2.2.1]heptano-2,3-bis(di-terc-butilfosfinometil).
O tamanho de bolha produzida pela invenção pode ser pequeno e, portanto, é provida uma grande área superficial para ocorrer transferência de massa na interface. Além disso, em virtude de a distribuição de tamanho de bolha ser estreita com pequeno desvio, a reação de carbonilação pode ser controlada.
Todos os recursos aqui descritos podem ser combinados com qualquer dos aspectos citados, em qualquer combinação, a menos que tais combinações sejam mutuamente exclusivas.
Uma modalidade da invenção será agora descrita, apenas a título de exemplo, com referência aos desenhos anexos, em que:
A figura 1 é uma vista lateral seccional esquemática de um aparelho de mistura da tecnologia anterior;
A figura 2 é uma vista lateral seccional esquemática de um aparelho de mistura de acordo com a invenção;
A figura 3 é uma vista lateral seccional esquemática de um aparelho de mistura de acordo com a invenção em uso; e
A figura 4 é uma vista lateral seccional esquemática adicional de um aparelho de mistura de acordo com a invenção em uso.
A figura 1 mostra um aparelho de mistura da tecnologia anterior 10 em uso em um vaso 12 contendo um líquido 14. O vaso 12 tem uma entrada 16 pela qual um gás 18 é aspergido no líquido 14. O aparelho de mistura 10 compreende um eixo mecânico alongado vertical 20 rotacionável em torno de um eixo geométrico longitudinal 21 no qual são montados fixamente um primeiro propulsor 22 e um segundo propulsor 24 em relação espaçada. O primeiro propulsor 22 é montado acima do segundo propulsor 24. Tanto o primeiro quanto o segundo propulsor 22, 24 são turbinas de pás com passo de 45°.
Em uso, os ditos propulsores têm que girar na mesma velocidade. O primeiro propulsor 22 faz com que bolhas de gás que chegam 26 escoem tanto em uma direção axial quanto radial. O componente axial do fluxo cria momento, que, juntamente com a flutuabilidade, impede que o segundo propulsor 24 opere efetivamente. O momento e a flutuabilidade são somente superados aumentando-se a velocidade dos propulsores 22, 24. Isto aumenta na velocidade causa completa dispersão do gás 18 no líquido 14, mostrado na figura 1 pelas linhas A. Dispersão não uniforme do líquido 14 no gás 18 é indesejável, em virtude de o processo de mistura não poder ser controlado.
A figura 2 mostra um aparelho de mistura 100 de acordo com a presente invenção. O aparelho de mistura 100 compreende um eixo mecânico alongado vertical 120 rotacionável em torno de um eixo geométrico longitudinal 121 no qual são montados fixamente um primeiro propulsor 122 e um segundo propulsor 124 em um arranjo espaçado. Tanto o primeiro quanto o segundo propulsor 122, 124 compreende diversas pás de hidrofólio 125. Cada propulsor 122, 124 compreende quatro pás estendidas radialmente 125 montadas fixamente no eixo mecânico 120 para rotação cooperante em torno do eixo geométrico longitudinal do eixo mecânico, em uso. Cada pá 125 em cada propulsor 122, 124 é uma pá de hidrofólio arranjada de maneira a impulsionar o fluido em volta axialmente na direção do outro propulsor. O primeiro propulsor 122, ou inferior, é assim um propulsor de bombeamento para cima, e o segundo propulsor 124, ou superior, é um propulsor de bombeamento para baixo. Embora somente duas pás 125 possam ser vistas na figura, versados na técnica entendem que qualquer número de pás pode ser usada em cada um dos ditos propulsores, por exemplo, 3, 4 ou mesmo 6 pás. Propulsores comercialmente disponíveis particularmente adequados são aqueles conhecidos como propulsores Maxflo™ W, A315, A320 ou A340.
O primeiro propulsor 122 é montado no eixo mecânico 120 de forma que a face côncava das pás 125 fiquem voltadas em uma direção ascendente. O segundo propulsor 124 é espaçado ao longo do eixo mecânico 120 e é montado de forma que a face côncava das pás 125 fiquem voltadas em uma direção descendente. A distância entre o primeiro propulsor 122 e o segundo propulsor 124 é aproximadamente o diâmetro de ambos os ditos propulsores 122, 124.
A figura 3 mostra o aparelho de mistura 100 em um vaso cilíndrico 112. Uma entrada de gás 116 fica localizada na parede inferior 132 do vaso 112 adjacente à base 132. Percebe-se que o vaso 112 pode ser de qualquer configuração alternativa adequada, por exemplo, ele pode ser uma tremonha. O aparelho de mistura 100 é suspenso centralmente no vaso 112.
Embora esteja mostrado somente um aparelho de mistura 100 na figura 3, percebe-se que qualquer quantidade de aparelhos de mistura 100 poderia ser usada na câmara 112. Por exemplo, dois, três ou quatro aparelhos de mistura 100 podem ser montados na câmara 112.
Entende-se também que qualquer número de primeiro ou segundo propulsores 122, 124 pode ser montado no eixo mecânico 120, sem fugir do objetivo da invenção. Por exemplo, o arranjo 200 mostrado na figura 4, em que uma série de primeiros propulsores 222 e uma série de segundos propulsores 224 são montadas no eixo mecânico 220. Qualquer número de propulsores 222, 224 pode ser provido no eixo mecânico 220.
Uma configuração alternativa compreenderia pares de propulsores montados no eixo mecânico. Cada par compreenderia um primeiro propulsor e um segundo propulsor. Pode haver diversos pares de propulsores em qualquer dado eixo mecânico, por exemplo, dois, três ou quatro pares. Em um arranjo como esse, o fluido, por exemplo, gás, pode ser introduzido na câmara pela base ou pela sua parede lateral, sendo direcionado por baixo e a favor do primeiro propulsor.
O primeiro e segundo propulsores podem ser acionados por um dispositivo de acionamento separado, de forma que a velocidade rotacional, por exemplo, do primeiro propulsor, possa ser diferente da velocidade rotacional do dito outro propulsor.
O diâmetro do primeiro e segundo propulsores pode não ser necessariamente o mesmo em qualquer uma das modalidades mostradas. Adicionalmente, a distância ideal entre dois propulsores depende da geometria do vaso e do diâmetro dos ditos propulsores.
Em uso, como na reação de carbonilação ilustrada, o vaso 112, 212 é cheio com fluido 114, 214. Um gás 118, 218 é então direcionado para o vaso 112, 212 por meio da entrada de gás 116, 216. O eixo mecânico 120, 220 é rotacionado por um dispositivo de acionamento adequado (não mostrado) de maneira a fazer com que o primeiro propulsor 122, 222 e o segundo propulsor 124, 224 girem em torno do eixo geométrico longitudinal 121, 221 do eixo mecânico 120, 220 em um líquido 114.
O gás 118, 218 entra no vaso 112, 212 como grandes bolhas 150, 215. A rotação do primeiro propulsor 122, 222 faz com que as grandes bolhas 150, 215 movam-se em uma direção axial para as pás 125, 225. As grandes bolhas 150, 250 colidem nas pás 125, 225 e são quebradas em diversas pequenas bolhas 152, 252 na região de dissipação de energia de alta turbulência. Pequenas bolhas seguem o trajeto de fluxo de fluido que é inicialmente axial e em seguida radial.
O segundo propulsor 124, 224 causa fluxo axial descendente em direção ao primeiro propulsor 122, 222. Por causa dos trajetos de fluxo axial opostos criados pelos ditos propulsores, uma zona central 160, 260, ou zona de dissipação de energia de alta turbulência, é estabelecida. A zona central 160, 260 compreende uma área de dissipação de energia de alta turbulência relativamente uniforme com alta área interfacial para permitir a reação entre os reagentes no líquido 114, 214 e nos reagentes no gás 118, 218. Adicionalmente, em virtude de a dissipação de energia turbulenta na zona central 160, 260 ser mantida sem muita variação, uma distribuição de tamanho estreita é produzida. Uma distribuição de tamanho estreita como esta permite que o desempenho do reator seja previsto e controlado.
O aparelho de mistura 100, 200 é particularmente adequado para processos de carbonilação.
A tabela 1 dá um exemplo de tamanho de bolha resultante para um sistema propulsor Maxflo oposto duplo operando a várias velocidades, e a 4,2 mm/s. O tamanho de bolha foi determinado usando uma câmara de captura de imagem típica.
<table>table see original document page 17</column></row><table>
E uma vantagem distinta poder controlar a reação que ocorre entre dois fluidos, particularmente um líquido e um gás. É também especialmente favorável poder promover mistura efetiva e eficiente e transferência de massa de interfase entre pelo menos dois fluidos. Quando aplicadas a processos industriais, tais vantagens são de alto valor comercial.
A atenção do leitor é voltada para todos trabalhos e documento que são depositados simultaneamente ou anteriormente a esta especificação com relação a este pedido e que são abertos para inspeção pública com esta especificação, e os conteúdos de todos tais trabalhos e documentos estão aqui incorporados pela referência.
Todos os recursos revelados nesta especificação (incluindo qualquer reivindicação, resumo e desenhos anexos) e/ou todas as etapas de qualquer método ou processo assim revelados, podem ser combinados em qualquer combinação, exceto combinações onde pelo menos alguns de tais recursos e/ou etapas são mutuamente exclusivos.
Cada recurso revelado nesta especificação (incluindo qualquer reivindicação, resumo e desenhos anexos) pode ser substituído por recursos alternativos que servem ao mesmo propósito, ou a propósito equivalente ou similar, a menos que expressamente declarado de outra forma. Assim, a menos que expressamente declarado de outra forma, cada recurso revelado é apenas um exemplo de uma série genérica de recursos equivalentes ou similares.
A invenção não está restrita aos detalhes da(s) modalidade(s) apresentada(s). A invenção estende-se até qualquer um dos recursos inéditos, ou qualquer combinação inédita destes, revelados nesta especificação (incluindo qualquer reivindicação, resumo e desenhos anexos), ou a qualquer etapa inédita, ou qualquer combinação inédita destas, de qualquer método ou processo assim revelado.

Claims (19)

1. Aparelho de mistura para misturar pelo menos dois fluidos, o aparelho de mistura compreendendo um eixo mecânico rotacionável em torno de seu eixo geométrico longitudinal, um primeiro e um segundo propulsores estendidos radialmente montados no eixo mecânico e respectivamente espaçados axialmente, caracterizado pelo fato de que o primeiro propulsor compreende uma pluralidade de pás curvas operável para mover os ditos fluidos em uma direção axial para o segundo propulsor, e o segundo propulsor compreende uma pluralidade de pás curvas operável para mover os ditos fluidos em uma direção axial para o primeiro propulsor.
2. Aparelho de mistura de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que as pás em cada propulsor são de bombeamento para dentro para o espaço entre os propulsores.
3. Aparelho de mistura de acordo com a reivindicação 1 ou 2, caracterizado pelo fato de que os pelo menos dois fluidos compreendem um líquido e um gás.
4. Aparelho de mistura de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado pelo fato de que o primeiro propulsor e o segundo propulsor compreendem cada qual duas ou mais pás curvas.
5. Aparelho de mistura de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado pelo fato de que o diâmetro do primeiro propulsor é o mesmo do diâmetro do segundo propulsor.
6. Aparelho de mistura de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado pelo fato de que a distância axial entre o primeiro propulsor e o segundo propulsor é pelo menos um diâmetro do propulsor.
7. Aparelho de mistura de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado pelo fato de que os ditos propulsores operam a um valor de potência substancialmente 1,75.
8. Aparelho de mistura de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado pelo fato de que a potência específica usada quando o primeiro propulsor e o segundo propulsor giram é substancialmente entre 100 W/m3 e 800 W/m3.
9. Aparelho de mistura de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado pelo fato de que, quando são usados propulsores Maxflo opostos duplos, o valor da média aritmética (dio) é substancialmente entre 250 μηι e 550 μτη e o diâmetro médio do volume superficial (d32) é substancialmente entre 400 μ e 750 μιη.
10. Aparelho de mistura de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado pelo fato de que, quando são usados propulsores tipo BT-6, o dio é substancialmente entre 250 μηι e 1.500 μιη
11. Aparelho de mistura de acordo com a reivindicação 10, caracterizado pelo fato de que, quando opera substancialmente a 765 rpm, o dio é substancialmente 378 μηι, e o 632 é substancialmente 445 μτη.
12. Aparelho de mistura de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado pelo fato de que a vazão de gás aspergido é substancialmente entre 0,05 e 1,0 m /s.
13. Aparelho de mistura de acordo com a reivindicação 12, caracterizado pelo fato de que a vazão de gás aspergido é substancialmente -0,13 m /s a uma velocidade do propulsor de substancialmente 50 rpm a 200 rpm.
14. Aparelho de mistura de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado pelo fato de que uma velocidade de dispersão crítica em um vaso que tem um diâmetro substancialmente entre 2 e -5 m é substancialmente entre 10 e 20 rpm.
15. Sistema de reação química, caracterizado pelo fato de que compreende uma fase líquida e um aparelho de mistura de acordo com o primeiro aspecto da invenção para misturar um fluido na fase líquida.
16. Sistema de reação química de acordo com a reivindicação -15, caracterizado pelo fato de que a fase líquida compreende pelo menos um reagente de fase líquida para reagir com um gás introduzido na fase líquida, bem como pelo menos um produto de reação da fase líquida.
17. Sistema de reação química de acordo com a reivindicação -15 ou 16, caracterizado pelo fato de que a fase líquida compreende um sistema catalítico.
18. Sistema de reação química de acordo com qualquer uma das reivindicações 15 a 17, caracterizado pelo fato de que o sistema de reação é um processo de carbonilação que compreende carbonilar um composto etilenicamente insaturado com monóxido de carbono na presença de uma fonte de grupos hidroxila, e um sistema catalítico compreendendo (a) um ligante fosfina, arsina ou estibina bidentato, e (b) um metal catalítico selecionado de um metal do grupo 8, 9 ou 10 ou um composto destes.
19. Aparelho de mistura, caracterizado pelo fato de que é substancialmente da maneira supradescrita com referência a qualquer um dos desenhos anexos.
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