CN101663084A - 用于连续流反应器的混合器、形成该混合器的方法及操作该混合器的方法 - Google Patents

用于连续流反应器的混合器、形成该混合器的方法及操作该混合器的方法 Download PDF

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Abstract

一种用于连续流反应器(330)的混合器(100)和用于形成混合器及其操作的方法。所述混合器允许通过多个孔口(124)将第一反应物流分成多个更小的流，所述多个更小的流以射流的形式注入到混合器的通道中的第二反应物流中。所述通道(126)具有恒定宽度尺寸，以改善第一和第二反应物流的均匀流动分布和局部湍流。可以设定所述通道的恒定宽度尺寸以及所述混合器的所述孔口的大小和数量，以在正常的操作条件下确保注入到所述通道中的第一反应物流直接碰撞通道(116)的与注入点相反的表面。

Description

用于连续流反应器的混合器、形成该混合器的方法及操作该混合器的方法
技术领域
本公开总体上涉及混合器，具体为用于连续流反应器的混合器。
背景技术
在许多化学工艺中，湍流促进化学反应、传热操作、混合和燃烧过程。湍流的有效利用可以增加试剂的界面接触，从而减少反应时间和制备许多化学品的成本以及时间。
许多现存的化学工艺装置利用管状反应器将两种以上的试剂在湍流扩散条件(Re＞2000)下连续地混合并且反应。可以将试剂以多种不同的方式注入到管状反应器中。一种方法是引入试剂使得它们以一定角度(例如90度)会合。另一种方法是使试剂同轴式会合。然而，与流体以一定角度会合时相比，同轴方法在两种流体之间进行快速混合方面效率更低。
这些管状反应器的实例包括Mitchel的美国专利4,909,997中所示的那些，该美国专利4,909,997提供了在用于制备四溴双酚-A的反应方案中使用的碰撞混合器的举例说明。管状反应器的其它实例可以在Reed的美国专利3,332,442、Shirtum的美国专利5,845,993以及Zaby的美国专利5,117,048中找到。
发明内容
本公开的实施方案包括一种用于连续流反应器的混合器和用于形成混合器及其操作的方法，所述混合器提供返混最少的快速混合。具体地，本公开的混合器的实施方案允许通过多个孔口将第一反应物流分为多个更小的流，它们以射流的形式被注入到混合器的通道中的第二反应物流中。
对于各个实施方案，第二反应物流在其中通过并且第一反应物流被注入到其中的通道可以具有恒定的宽度尺寸，以改善均匀的流动分布和局部湍流。对于各个实施方案，通道的恒定宽度尺寸以及混合器孔口的大小和数量被设定成确保在正常的操作条件下被注入到通道中的第一反应物流与通道的与注入点相对的表面直接碰撞。
为了达到这个目的，混合器的相对尺寸和预定比例关系使得孔口的数量和直径大小合适，以提供例如至少0.9的喷射混合值。喷射混合值为至少0.9与孔口数量和它们相对于通道的相对壁的位置相结合，使得射流的分开程度更高，同时保持高的射流速度以及良好的局部混合。本公开的混合器可以用于对混合敏感(选择性)的快速反应流。
附图说明
图1示出了根据本公开的用于连续流反应器的混合器的一个实施方案。
图2示出了根据本公开的用于连续流反应器的混合器的一个实施方案。
图3示出了根据本公开的连续流反应器和混合器的一个实施方案的横截面图。
图4示出了根据本公开的一个实施方案的连续流反应器和混合器的部分的横截面图。
图5示出了根据本公开的用于连续流反应器的混合器的一个实施方案。
具体实施方式
本公开的实施方案包括用于连续流反应器的混合器，该混合器提供返混最少的快速混合，从而有助于减少不需要的副产物的形成。为了实现快速混合，混合器包括具有恒定宽度尺寸的通道，以及通向通道的孔口。本公开的混合器的实施方案可以通过混合器的孔口将第一反应物流分开并且注入到流经混合器通道的第二反应物流中。将第一反应物流分开并且注入到第二反应物流中可以有助于使试剂的混合长度最小化(即，允许流在很短的空间内混合)。
对于各个实施方案，第一和第二反应物流的相对流动可以依赖于反应物浓度和所需的一个或多个反应的化学计量。在这样的情况下，可以确定孔口的数量和大小(即，分开程度)以确保在正常的操作条件下被注入到通道中的第一反应物流碰撞通道的与注入点相反的表面。通过所述数量和大小的多个孔口注入第一反应物流还对试剂提供与任何部分的平均停留时间变化很少的停留时间分布。
在一个实施方案中，最小的混合长度得自于以这样的方式使孔口和通道大小合适，以确保第一反应物流可以最大程度地夹带第二反应物流并且碰撞与通道注入点相反的通道表面，以引起反应物流在混合器的通道内的湍流混合。当存在反应物的快速竞争反应并且工艺需要组成的快速均匀化时，这种类型的混合可以是重要的。
如本文中使用，“第一反应物流”包括至少一种经由孔口流入混合器通道内的试剂。如本文中使用，“第二反应物流”包括至少一种完全流经通道(即，从第一端部通过第二端部)并且第一反应物流喷射到其中的试剂。
对于各个实施方案，第一反应物流的流量可以大于第二反应物流的流量。例如，第一反应物流的流量可以包括从混合器排出的总体积流量中的大部分。在一个具体实例中，第一反应物流的流量可以为第二反应物流的体积流量的至少两倍。在一个备选的实施方案中，第一反应物流的流量可以小于第二反应物流的流量。例如，第一反应物流的流量可以包括从混合器排出的总体积流量中的小部分。
本文中的图遵从编号习惯，其中第一个数字或第一组数字对应附图编号，而其余数字表示该附图中的元件或组件。在不同图之间类似的元件或组件可以通过使用类似的数字表示。例如，110可以指图1中的元件″10″，而在图2中类似的元件可以由210表示。如应理解的，在本文的实施方案中所示的元件可以增加，调换和/或省略，以提供阀的多个附加实施方案。另外，相对于一个图的元件的特征和/或属性的论述也可以适用于在一个或多个其它图中所示的元件。在图中所示的实施方案并一定是按比例绘制的。
如本文中使用，术语″一个″、″一种″、″所述″、″一个或多个″和″至少一个″可交换使用，并且包括多个对象，除非上下文中明确地另外指明。除非另有限定，否则所有科技术语应理解为具有所属领域中通常使用的相同含义。对于本发明来说，通篇定义了额外特别(additional specific)术语。
图1提供了根据本公开的一个实施方案的混合器100的图示。对于各个实施方案，混合器100包括细长内套管102和细长外套管104。如所示的，细长内套管102和细长外套管104在混合器100的第一端部108和第二端部110之间延伸。
对于各个实施方案，细长内套管102包括限定轴向开口114的内表面112。轴向开口114被构造成接纳连续流反应器(在本文中论述)的安装轴，所述的安装轴贯穿细长内套管102的第一端部108和第二端部110。细长内套管102还包括与内表面112相反的外表面116。在一个实施方案中，外表面116和内表面112被同心安置在混合器100的纵轴118周围。
对于各个实施方案，细长外套管104是与细长内套管102同心地安置的。细长外套管104包括第一表面120以及与第一表面120相反的第二表面122。细长外套管104还包括在细长外套管104的第一表面120和第二表面122之间延伸并且贯穿第一表面120和第二表面122的多个孔口124。
混合器100还包括贯穿细长内套管102和细长外套管104的第一端部108和第二端部110的通道126。如所示的，通道126可以由细长内套管102的外表面116和细长外套管104的第一表面120的表面限定。孔口124提供通道126与细长外套管104的第二表面122外部的区域之间的流体连通。
对于各个实施方案，通道126可以具有垂直混合器100的纵轴118截取的环面(即，环形通道)的横截面形状。其它横截面形状是可以的。另外，通道126具有在外表面116和第一表面120之间截取的恒定宽度尺寸。如本文中论述的，恒定宽度尺寸还可以具有与混合器100的其它尺寸的预定比例关系。
如所论述的，孔口124贯穿细长外套管104通向通道126。在一个实施方案中，孔口124可以均匀地分布在帮助限定通道126的细长外套管104的整个区域上。在一个备选的实施方案中，孔口124可以不均匀地分布在帮助限定通道126的细长外套管104的整个区域上。例如，孔口124可以具有在混合器100的第一端部108和第二端部110之间延伸的梯度状分布。其它构造是可以的。
对于各个实施方案，孔口124将第一反应物流分成多个更小的流，所述多个更小的流以射流形式注入到第二反应物流中。第二反应物流和合并的反应物流受到恒定宽度尺寸的通道126的限制，从而改善均匀的流动分布和局部湍流。第一反应物流的射流大小合适，从而在正常的操作条件下穿透到达相对的壁，以提供混合器100中的试剂的良好的混合和翻转。
对于各个实施方案，用于表征射流通过孔口124流入交叉流(即，通道126中的第二反应物流)的方法可以通过由式I计算的喷射混合值(JMN)定义：
Figure G2007800521863D00051
式I
如本文中使用，JMN的值提供穿过孔口124的射流是否穿透交叉流并且到达相对的壁(例如细长内套管102的外表面116)的指标。例如，对于约0.07至约1.0的JMN值，射流穿透交叉流，在其撞击相对的壁上之前改变方向。对于小于约0.07的JMN值，射流停留在最初的壁上，并且不明显地穿透交叉流。对于1.0以上的JMN值，射流穿透交叉流，从而接触相对的壁。
对于本公开的各个实施方案，如本文中论述的相对尺寸和预定比例关系使得孔口124的直径大小合适，从而提供至少0.07的MN。在另一个实施方案中，孔口124的直径可以大小合适，从而提供在0.07至2.0的范围内的JMN。在一个具体实施方案中，孔口124的直径可以大小合适，从而提供在至少1.0至2.0的范围内的JMN。JMN的其它值也是可以的。这些JMN值包括0.9和1.0等。
这些至少0.9的JMN值还提供少于约0.5秒的均匀化时间。如本文中使用，“均匀化时间”被认为是第一和第二反应物流的反应物流所达到与通道内的平均浓度的浓度差小于约百分之五(5％)之前所需的停留时间。在一个实施方案中，少于约0.5秒的均匀化时间可以有利于混合具有对混合敏感的反应的快速反应组分和高度湍流和快速混合有利的其它体系。
如图1的实例示出，孔口124可以以行和/或列的形式排列在通道126的第一端部108和第二端部110之间。如所示的，图1中所示的混合器100的实施方案具有一百四十四(144)个孔口124，所述孔口124分布成具有六(6)行，每行各四(4)个孔口的多个部分。如应理解的，孔口124的数量、大小、间隔和/或分布可以被构造成确保细长外套管104的机械完整性，并且确保第一反应物流碰撞细长内套管102的外表面116(即，JMN为0.9以上)。具有不同数量和构造的孔口124的混合器是可以的。
另外，可以选择孔口124的数量和总横截面积，以如本文中论述那样提供进入第二反应物流的第一反应物流的充分分开和体积流量。对于各个实施方案，用于混合器100的孔口124的数量、大小和形状与通道126一起被构造，以确保来自孔口124的流体射流在正常的流动条件下穿透第二反应物流而碰撞相对的壁。
对于各个实施方案，可以选择各个孔口124的横截面形状和大小，以允许从各个孔口124递送第一反应物流的射流，在各个孔口124，第一反应物流既被第二反应物流夹带，又碰撞细长内套管102的外表面116。对于各个实施方案，外表面116被构造成连续弓形表面，对于所述连续弓形表面，第一反应物流可以碰撞表面116以提供两种反应物流的湍流混合。
如所提及的，孔口124的大小和横截面形状都可以选择以最佳地实现在混合器100的通道126内的快速混合。例如，本公开的孔口124可以具有多种不同的横截面形状。这些包括但不限于圆形、椭圆形(即，非圆形)以及多边形等。另外，限定开口的壁可以是锥形或非锥形的(即，从第一表面120至第二表面122的横截面面积变化或者不变化)。在另一个实施方案中，孔口124的横截面形状和/或大小不必是恒定的。例如，对于给定的混合器100，孔口124可以具有各种横截面形状、大小和轮廓。
对于各个实施方案，混合器100的特征可以具有允许特征的尺寸基于规定特征之一的尺寸而确定的预定比例关系。混合器100具有预定的比例关系转而可以适应混合器100的放大或缩小，同时保持跨过孔口的压降几乎恒定。
因此，例如，细长外套管104的内径(在第一表面120至纵轴118之间测量的)可以被认为是可以确定其它值的相对尺寸。假设细长外套管104的内径具有1.00的公称值，在外表面116测量的细长内套管102的直径可以具有0.81的相对值(即，细长外套管104的内径值的81％)。
类似地，通道126的恒定宽度尺寸相对于细长外套管104的内径可以具有在0.01至1.0的范围内的相对值。在一个具体实施方案中，通道的恒定宽度尺寸相对于细长外套管104的内径具有0.09的相对值。在另一个实施方案中，孔口124的直径可以具有0.04的相对值(即，细长外套管104的内径值的4％)。在另一个实施方案中，对于每一个孔口的直径，相对于环形通道126的恒定宽度尺寸，多个孔口124中的每一个可以具有0.4的比率。
因此，利用这些相对值允许混合器100的不同特征的尺寸通过规定相关特征的一个尺寸值而确定。例如，当通道具有约3.2cm的恒定宽度(即，在细长内套管的外表面与细长外套管的第一表面之间的距离)时，第一表面120的直径具有约13.9cm的值，每一个孔口124具有约1.4cm的直径，并且细长内套管102的直径约为11.3cm。因此，这些相对值可以用来根据用户的需要将混合器100的特征放大或缩小。
在一个备选的实施方案中，环形通道136的恒定宽度尺寸可以具有恒定值，而不考虑与混合器100的其它特征的预定比例关系。例如，环形通道136可以具有约3.2cm的恒定值，而与连续流反应器130中的其它特征尺寸无关。
如本文中论述的，混合器100可以由细长内套管102和细长外套管104形成。在一个实施方案中，内套管102和外套管104都由耐腐蚀性材料形成。如本文中使用，耐腐蚀性材料包括对它们接触的试剂(例如第一和/或第二反应物流)和/或由所述试剂形成的一种或多种反应产物的反应有抵抗力或者不反应的那些材料。这些试剂可以包括但不限于酸、碱、卤素、卤盐如溴、碘、氯化锌和次氯酸钠，有机卤化物和有机酸酰卤，以及酸酐等。
用来形成混合器100的适宜耐腐蚀性材料的实例可以包括聚合物，所述聚合物选自聚甲醛、含氟聚合物如聚四氟乙烯(例如
Figure G2007800521863D00071
)和聚偏二氟乙烯(例如
Figure G2007800521863D00072
)、聚乙烯、聚氯乙烯、聚酯聚氨酯、聚丙烯、聚苯硫、聚砜、聚醚醚酮、聚醚酰亚胺、氯化(聚氯乙烯)和乙烯-氯三氟乙烯。
用于混合器100的适宜耐腐蚀性材料的另外的实例可以包括陶瓷如工业陶瓷，其选自氧化物，氧化铝、氧化锆的；非氧化物如碳化物、硼化物、氮化物、硅化物；以及氧化物和非氧化物的复合材料。另外，这些聚合物和/或陶瓷可以在使用或不使用高达30％或更高的玻璃纤维和/或碳纤维增强的情况下使用。
图2提供了根据本公开的一个实施方案的混合器200的图示。对于各个实施方案，与图1中所示的两片式结构相比，混合器200具有单片式结构。如本文中使用，“单片式结构”包括由没有接缝或缝线(即，两个部件沿其接合的位置)的单片材料形成的结构，所述接缝或缝线提供了发生疲劳和/或腐蚀的区域。
对于各个实施方案，混合器200包括细长内套管202、细长外套管204和支撑壁206，所述支撑壁206连接细长内套管202和细长外套管204。如所示的，细长内套管202、细长外套管204和支撑壁206在混合器200的第一端部208和第二端部210之间延伸。
如所示的，细长内套管202包括限定轴向开口214的内表面212，所述轴向开口214被构造成接纳本文中论述的连续流反应器的安装轴。细长内套管202还包括与内表面212相反的外表面216。在一个实施方案中，外表面216和内表面212同轴地被安置在混合器200的纵轴218周围。
对于各个实施方案，将细长外套管204与细长内套管202同轴地安置。细长外套管204包括第一表面220和与第一表面220相反的第二表面222，其中多个孔口224在细长外套管204的第一表面220和第二表面222之间延伸并且贯穿第一表面220和第二表面222。
混合器200还包括贯穿细长内和外套管202、204的第一端部208和第二端部210和支撑壁206的通道226。如所示的，每一个通道226可以由支撑壁206的表面、细长内套管202的外表面216和细长外套管204的第一表面220限定。孔口224提供在通道226与细长外套管204的第二表面222外部的区域之间的流体连通。
对于各个实施方案，通道226可以具有垂直混合器200的纵轴218截取的扇形环面(a sector of an annulus)的横截面形状。其它横截面形状是可以的。另外，通道226具有在外表面216和第一表面220之间截取的恒定宽度尺寸。如应理解的，恒定宽度尺寸可以由在外表面216和第一表面220之间延伸的支撑壁206的长度的确定。如本文中论述的，恒定宽度尺寸也可以具有与混合器200的其它尺寸的预定比例关系。
如所论述的，孔口224贯穿细长外套管204而通向通道226。在一个实施方案中，如本文中论述，孔口224可以均匀地和/或不均匀地分布在帮助限定通道226的细长外套管204的整个区域上。例如，孔口224可以具有在混合器200的第一端部208和第二端部210之间延伸的梯度状分布。其它构造是可以的。
对于各个实施方案，孔口224将第一反应物流分成多个更小的流，所述多个更小的流以射流形式注入到流经通道226的第二反应物流中。第二反应物流和合并的反应物流受到恒定宽度尺寸的通道226的限制，从而改善均匀的流动分布和局部湍流。第一反应物流的射流大小合适，从而在正常的操作条件下穿透到达相对的壁，以提供混合器100中的试剂的良好的混合和翻转。
对于各个实施方案，用于表征射流通过孔口224流入交叉流(即，通道226中的第二反应物流)的方法可以通过由本文中论述的式I计算的喷射混合值(JMN)定义。在一个实施方案中，如本文中论述的，相对尺寸和预定比例关系允许孔口224的直径大小合适，从而提供至少0.07的JMN。在另一个实施方案中，孔口124的直径可以大小合适，从而提供在0.07至2.0的范围内的JMN。在一个具体实施方案中，孔口124的直径可以大小合适，从而提供在至少1.0至2.0的范围内的JMN。如本文中论述，这些至少0.9的JMN值还提供少于约0.5秒的均匀化时间。
如图2中示出，孔口224可以以行和/或列的形式排列在每一个通道226的第一和第二端部208、210与支撑壁206之间。每一个区域可以包括预定数量的孔口224，其具有如本文中论述那样足以使第一反应物流的量被引入到第二反应物流中的总横截面积。
例如，如图2中所示，混合器200包括在帮助限定通道226的细长外套管204的每一个区域中的二十四(24)个孔口224。如所示的，混合器200有总共六(6)个通道226，这提供了混合器200的一百四十四(144)个孔口224的总数。如应理解的，可以使孔口224的总数、它们的形状、分布和总横截面积合适，以满足如本文中所述那样用于混合器200的第一反应物流的流动要求。
对于各个实施方案，可以选择各个孔口224的横截面形状和大小，以允许从各个孔口224递送第一反应物流的射流，在各个孔口224，第一反应物流既被第二反应物流夹带，又碰撞细长内套管202的外表面216。对于各个实施方案，外表面216被构造成连续弓形表面，对于所述的连续弓形表面，第一反应物流可以碰撞表面216以提供两种反应物流的湍流混合。
如所提及的，孔口224的大小和横截面形状都可以选择以最佳地实现在混合器200的通道226内的快速混合。例如，如本文中所述的，本公开的孔口224可以具有多种不同的横截面形状。这些包括但不限于圆形、椭圆形(即，非圆形)以及多边形等。另外，限定开口的壁可以是锥形或非锥形的(即，从第一表面220至第二表面222的横截面面积变化或者不变化)。在另一个实施方案中，孔口224的横截面形状和/或大小不必是恒定的。例如，对于给定的混合器200，孔口224可以具有各种横截面形状、大小和剖面。
对于各个实施方案，混合器200的特征可以具有允许特征的尺寸基于规定特征之一的尺寸而确定的预定比例关系。混合器200具有预定的比例关系转而可以调节混合器200的放大或缩小，同时保持跨过孔口的压降几乎恒定。
因此，例如，细长外套管204的内径(在第一表面220至纵轴218之间测量的)可以被认为是可以确定其它值的相对尺寸。假设细长外套管204的内径具有1.00的公称值，在外表面216测量的细长内套管202的直径可以具有0.81的相对值(即，细长外套管204的内径值的81％)。
类似地，通道226的恒定宽度尺寸相对于细长外套管204的内径可以具有在0.01至1.0的范围内的相对值。在一个具体实施方案中，通道的恒定宽度尺寸相对于细长外套管204的内径具有0.09的相对值。在另一个实施方案中，孔口224的直径可以具有0.04的相对值(即，细长外套管204的内径值的4％)。在另一个实施方案中，对于每一个孔口的直径，相对于环形通道226的恒定宽度尺寸，多个孔口224中的每一个可以具有0.4的比率。因此，如本文中论述那样，利用这些相对值允许混合器200的不同特征的尺寸通过规定相关特征的一个尺寸值而确定。
在一个备选的实施方案中，环形通道236的恒定宽度尺寸可以具有恒定值，而不考虑与混合器200的其它特征的预定比例关系。例如，环形通道236可以具有约3.2cm的恒定值，而与连续流反应器230中的其它特征尺寸无关。
如本文中论述的，混合器200可以在单片构造工艺中形成。换言之，混合器200可以由单片材料形成。单片构造允许混合器的无缝构造，从而允许混合器在接缝和缝线可能不耐久的腐蚀环境中使用。另外，如本文中论述，混合器200还可以由增强或不增强的多种不同耐腐蚀性材料形成。
图3示出了具有根据本公开的混合器300的连续流反应器330的横截面图。对于各个实施方案，连续流反应器330包括隔开并且通过环形通道336连接的流体入口端332和流体出口端334。连续流反应器330还包括可以在所需的位置用于接合(couple)连续流反应器330的第一安装悬臂338和第二安装悬臂340。
对于各个实施方案，连续流反应器330还包括具有第一外表面344和安装轴346的细长芯342。如所示的，混合器300可以被安置在安装轴346周围，在此安装轴346通过混合器300的轴向开口314。另外，混合器300的通道326可以限定贯穿连续流反应器330的环形通道336的第一部分348。
在一个实施方案中，细长芯342的第一外表面344可以限定第一圆锥形端部350以及与第一圆锥形端部350相反的第二圆锥形端部352。这些圆锥形端部350、352可以帮助在流体入口端332进入连续流反应器330的反应物流转移到环形通道336中并且在流体出口端334从环形通道336中转移出来。如应理解的，除圆锥形以外的其它形状也可以用于端部350和352，例如但不限于非圆锥形的形状，如半球形的形状。
对于各个实施方案，第一和第二圆锥形端部350、352和细长芯342可以接合至具有径向支撑构件354的安装悬臂338、340，所述径向支撑构件354在圆锥形端部350、352与它们相应的安装悬臂338、340之间延伸。在一个实施方案中，径向支撑构件354相对于细长芯342的纵轴356各自可以具有螺旋形间距。在一个实施方案中，这可以使第二反应物流在进入混合器300之前产生螺旋形扭转。
连续流反应器330还包括细长外壳360，所述细长外壳360被同心地安置在混合器300以及在细长芯342的至少一部分周围。如所示的，细长外壳360包括第一内表面362，所述第一内表面362与细长芯342的第一外表面344一起限定环形通道336的第二部分364。在一个实施方案中，环形通道336的第二部分364可以位于由混合器300限定的第一部分348的任一侧。对于各个实施方案，如本文中论述，环形通道336的第一部分348和第二部分364可以具有恒定宽度尺寸。
细长外壳360还包括环形管道366，所述环形管道366由细长外壳360的第一内表面368和细长外套管304的第二外表面322限定。环形管道366可以完全在细长外套管304的第二表面322周围延伸。环形管道366还包括入口370，通过该入口370，压力下的流体(例如第一反应物流)可以流入环形管道366。在一个实施方案中，入口370在纵向上与孔口124相隔最小的预定距离，以确保到孔口124的适当的流体分布。
环形管道366与孔口324流体连通，以使在管道366中流动的流体通过混合器300的孔口324被注入到环形通道336中。如所理解的，一个或多个另外的流体供给管道或入口可以操作性地连接至环形管道366。
对于各个实施方案，从环形管道366流经孔口324的流体的流量不一定是均匀的。例如，对于恒定的入口流体压力以及对于相同尺寸的孔口324，与更靠近入口370的那些孔口324相比，离入口370更远的孔口324的体积流量可以增加。换言之，与位于入口370更近处的孔口324相比，在入口370的下游更远处的孔口324可以具有更高的体积流量。
如本文中对混合器300所论述的，连续流反应器330的不同特征可以具有允许具体特征的尺寸基于规定特征之一的尺寸而确定的预定比例关系。因此，例如，假设第一表面320的直径具有1.00的公称值，则在外表面316测量的细长内套管302的直径具有0.81的相对值(即，细长外套管304的内径值的81％)。细长外壳360的外表面372具有1.8的相对值。类似地，通道326的恒定宽度尺寸相对于细长外套管304的内径可以具有在0.01至1.0的范围内的相对值。在一个具体实施方案中，通道的恒定宽度尺寸相对于细长外套管304的内径具有0.09的相对值。在另一个实施方案中，孔口324的直径可以具有0.04的相对值(即，细长外套管304的内径值的4％)。在另一个实施方案中，对于每一个孔口的直径，相对于环形通道326的恒定宽度尺寸，多个孔口324中的每一个可以具有0.4的比率。
因此，利用这些相对值允许混合器330的不同特征的尺寸通过规定相关特征的一个尺寸值而确定。例如，当环形通道336具有约3.2cm的恒定宽度(即，在细长内套管302的外表面316与细长外套管304的第一表面320之间的距离)时，在第一表面320之间测量的直径具有约35.3cm的值，每一个孔口324具有约1.4cm的直径，并且在外表面316测量的细长内套管302的直径约为28.6cm。另外，在细长外壳360的外表面372之间测量的直径约为63.5cm。连续流反应器330的其它尺寸的实例包括约1.5至约1.8米的长度，以及入口370的约25.4至约28.0cm的直径。
在一个备选的实施方案中，环形通道336的恒定宽度尺寸具有恒定值，而不考虑与混合器300和/或连续流反应器330的其它特征的预定比例关系。例如，环形通道336可以具有约3.2cm的恒定值，而与连续流反应器330中的特征的其它尺寸无关。
对于各个实施方案，连续流反应器330的环形通道336具有可以适应通过细长内套管302的第二端部310的10至19立方米/分钟的液体体积流量的横截面面积。在另一个实施方案中，连续流反应器330的环形通道336可以适应通过细长内套管302的第二端部310的小于10立方米/分钟或大于19立方米/分钟的液体流量。
在一个实施方案中，孔口324可以具有足以适应流经细长内套管302的第二端部310的总体积的三分之二(2/3)的第一反应物流体积的总横截面积。这种体积的第一反应物流可以以射流的形式经由孔口324注入到第二反应物流中，所述第二反应物流构成流经混合器300的通道326的总体积的剩余之一(1/3)。换言之，通过注入到混合器中移动的较大流量(flowvolume)所具有的流量可以是流经通道的较小流量的至少两倍。如本文中论述的其它流量是可以的。
连续流反应器330和混合器300的实施方案可用于各种用途。说明性的非限制用途包括改善敏感(选择性)的快速反应流的混合。例如，本公开的连续流反应器和混合器的在商业上重要的用途是在烯烃氯代醇(例如氯丙醇(propylene chlorohydrin))与碱如氢氧化钠、氢氧化钾或氢氧化钙反应以生成环氧化物的过程中。用于本公开的连续流反应器和混合器的一个具体实例包括由氯丙醇和氢氧化钠制备环氧丙烷。本公开的连续流反应器和混合器的实施方案也可以用于混合混溶性的液-液反应物、产生沉淀物的试剂、溶解固体、气-液体系、聚合以及非混溶性的液-液体系。
在本公开的连续流反应器和混合器中使用的许多产物和/或试剂可以由于它们的pH、所用的反应温度和/或流量等因素而是高度腐蚀性的。同样，已认识到混合器和/或连续流反应器的其它组件(例如细长芯和细长外壳)可能必须由耐腐蚀性材料形成。
另外，已经发现，混合器优选由不同于连续流反应器的其余部分的材料形成。例如，混合器可以由第一材料形成，而细长芯和细长外壳可以由不同于第一材料的第二材料形成。如本文中论述的，适用于形成混合器的第一材料可以包括耐腐蚀性的聚合物和陶瓷。对于用于形成细长芯和细长外壳的第二材料适合的材料可以包括耐腐蚀性金属，所述耐腐蚀性金属选自钛、钛合金(例如第7级钛)、奥氏体不锈钢、铁素体不锈钢、沉淀硬化性不锈钢等。在一个具体实施方案中，混合器可以由含氟聚合物形成，而连续流反应器的其余部分可以由第7级钛形成。其它的材料组合也是可以的。
图4示出了根据本公开的另一个实施方案的连续流反应器430的一部分和混合器400的横截面图。如本文中论述的，混合器400可以由第一材料形成，所述第一材料不同于用于形成连续流反应器430的其余部分的第二材料。同样，由于连续流反应器中的操作条件变化(例如温度变化)，因此混合器400和连续流反应器430的其余部分可以以不同的速率膨胀和/或收缩并且膨胀和/或收缩至不同的程度。
图4示出了通过包括位于细长外套管404的第一端部408和第二端部410中的每一个与细长外壳460之间的O-环480来解决这些问题的方法。在一个实施方案中，细长外套管404和/或细长外壳460中的任一个或两个还可以包括接纳O-环480的环形凹槽。
另外，连续流反应器430和混合器400可以包括位于细长芯442和混合器400之间的推动器型密封件482。推动器型密封件482可以包括偏置(biasing)构件484，所述偏置构件484位于混合器400的细长芯442和细长内套管402之间，以在混合器400与细长芯442和细长外壳460之间提供压缩力。在一个实施方案中，偏置构件484可以是Belleville垫圈(washer)。
图5提供了根据本公开的混合器500的一个备选实施方案的图示。混合器500可以具有通道526，所述通道526具有垂直混合器500的纵轴518截取的矩形横截面形状。如本文中论述的，通道526具有恒定宽度尺寸。混合器500还包括多个孔口524，所述多个孔口524提供通道526和管道566之间的流体连通，所述管道566由通道526的外表面580和外壳560形成。
对于各个实施方案，孔口524将第一反应物流分成多个更小的流，所述多个更小的流以射流形式注入到第二反应物流中。第二反应物流和合并的反应物流受到恒定宽度尺寸的通道526的限制，从而改善均匀的流动分布和局部湍流。第一反应物流的射流大小合适，从而在正常的操作条件下穿透到达相对的壁，以提供混合器500中的试剂的良好的混合和翻转。
另外，从环形管道566流经孔口554的流体的流量不一定是均匀的。例如，对于恒定的入口流体压力以及对于相同尺寸的孔口524，通过孔口524注入分开的第一反应物流可以使得穿过多个孔口的第一部分(例如离入口570更远的那些孔口524)的分开的第一反应物流的体积流量比穿过多个孔口的第二部分(例如更靠近入口570的那些孔口524)的体积流量更大。换言之，与更靠近入口570的孔口524相比，在入口570的下游更远处的孔口524可以具有更高的体积流量。
如本文中论述的，本公开的混合器的实施方案可以具有单片式结构。各种方法可以用于形成根据本公开的具有单片式结构的混合器。例如，如本文中论述，混合器可以由第一材料的直圆柱体形成。轴向开口可以通过钻孔和/或铣磨穿第一材料的直圆柱体而形成。
钻孔和/或铣磨技术还可以用于形成穿过第一材料的直圆柱体的一个或多个具有恒定宽度的通道。如本文中论述的，所述一个或多个通道可以与在第一材料中形成的轴向开口同心地安置。孔口还可以通过钻孔和/或铣磨技术穿过第一材料的直圆柱体而形成，以将两个以上的通道连接至直圆柱体的外表面。在一个备选的实施方案中，混合器的实施方案可以利用提供单片构造工艺的压制(molding)、铸造和/或烧结技术形成。
应理解，上面的描述是以举例说明的方式进行的，而不是以限制性的方式进行的。尽管在本文中已经举例说明并且描述了具体实施方案，但是本领域普通技术人员应理解其它的组件布置可以替代所示的具体实施方案。除达到被现有技术限制的程度以外，权利要求意在涵盖本公开的各个实施方案的这些改编或变化。
在前述具体实施方式中，为了简化本公开，在示例性实施方案中将各个特征归类在一起。这种公开的方法不应解释为反映任何权利要求需要比该权利要求中清楚叙述更多的特征的意图。相反，如后附的权利要求反映，发明主题在于少于所公开的单个实施方案的全部特征。因此，后附权利要求由此结合到具体实施方式，而每一个权利要求本身代表本发明的一个独立实施方案。

Claims (31)

1.一种用于连续流反应器的混合器，其包括：
细长内套管，所述细长内套管具有内表面以及与所述内表面相反的外表面，所述内表面限定接纳安装轴的轴向开口，所述安装轴贯穿所述细长套管的第一端部和第二端部；和
细长外套管，所述细长外套管是与所述细长内套管同心安置的，所述细长外套管具有第一表面以及与第一表面相反的第二表面，以及多个孔口，所述多个孔口贯穿所述细长外套管的第一表面和第二表面，其中所述细长内套管的所述外表面和所述细长外套管的第一表面限定环形通道，所述环形通道贯穿所述细长内套管的第一端部和第二端部。
2.权利要求1所述的混合器，其中所述通道具有相对于所述细长外套管的第一表面的直径在0.01至1.0的范围内的恒定宽度尺寸。
3.权利要求1所述的混合器，其中所述通道具有约3.2cm的恒定宽度尺寸。
4.权利要求1所述的混合器，其中所述细长内套管的所述外表面具有完整的连续壁，所述连续壁具有弓形表面。
5.权利要求1所述的混合器，其中所述多个孔口中的每一个的直径相对于所述环形通道的宽度为0.4。
6.权利要求1所述的混合器，其中所述细长内套管、所述细长外套管和支撑壁由含氟聚合物形成。
7.一种用于连续流反应器的混合器，其包括：
细长内套管，所述细长内套管具有内表面以及与所述内表面相反的外表面，所述内表面限定接纳安装轴的轴向开口，所述安装轴贯穿所述细长套管的第一端部和第二端部；和
细长外套管，所述细长外套管是与所述细长内套管同心安置的，所述细长外套管具有第一表面以及与第一表面相反的第二表面，以及多个孔口，所述多个孔口贯穿所述细长外套管的第一表面和第二表面；和
支撑壁，所述支撑壁连接所述细长内套管和所述细长外套管，其中所述支撑壁、所述细长内套管的所述外表面和所述细长外套管的第一表面限定通道，所述通道贯穿所述细长内套管的第一端部和第二端部。
8.权利要求7所述的混合器，其中所述通道的恒定宽度尺寸相对于所述细长外套管的第一表面的直径在0.01至1.0的范围内。
9.权利要求7所述的混合器，其中所述细长内套管的所述外表面具有完整的连续壁，所述连续壁具有弓形表面。
10.权利要求9所述的混合器，其中所述通道具有垂直所述混合器的纵轴截取的扇形环面的横截面形状。
11.权利要求7所述的混合器，其中所述多个孔口中的每一个的直径相对于所述环形通道的宽度为0.4。
12.权利要求7所述的混合器，其中所述细长内套管、所述细长外套管和所述支撑壁由含氟聚合物形成。
13.一种连续流反应器，其包括：
细长芯，所述细长芯具有第一外表面和安装轴；
混合器，所述混合器被安置在所述安装轴周围，所述混合器具有：
细长内套管，所述细长内套管具有内表面以及与所述内表面相反的外表面，所述内表面限定所述安装轴从其中通过的轴向开口；和
细长外套管，所述细长外套管是与所述细长内套管同心安置的，所述细长外套管具有第一表面以及与第一表面相反的第二表面，以及多个孔口，所述多个孔口贯穿所述细长外套管的第一表面和第二表面；
支撑壁，所述支撑壁连接所述细长内套管和所述细长外套管，其中所述支撑壁、所述细长内套管的所述外表面和所述细长外套管的第一表面限定环形通道的第一部分，所述环形通道贯穿所述连续流反应器；以及
细长外壳，所述细长外壳被同心地安置在所述混合器和在所述细长芯的至少一部分周围，其中所述细长芯的第一外表面和所述细长外壳的第一内表面限定所述环形通道的第二部分，并且其中所述细长外壳的内表面和所述细长外套管的第二表面限定具有入口的环形管道，通过所述入口，流体可以进入所述环形管道，并且经由所述多个孔口进入所述环形通道。
14.权利要求13所述的连续流反应器，其中所述环形通道的第二部分位于由所述混合器限定的第一部分的任一侧。
15.权利要求13所述的连续流反应器，其中所述通道具有适应大于0.07的喷射混合值的横截面面积。
16.权利要求13所述的连续流反应器，其中所述孔口具有适应流经所述通道的较小流量的至少两倍的较大流量的总横截面积。
17.权利要求13所述的连续流反应器，其中所述通道的恒定宽度尺寸相对于所述细长外套管的第一表面的直径为0.09，并且所述多个孔口中的每一个的直径相对于所述环形通道的宽度为0.4。
18.权利要求13所述的连续流反应器，其中所述细长芯的第一外表面限定第一圆锥形端部，以及与第一圆锥形端部相反的第二圆锥形端部，第一圆锥形端部连接到第一安装悬臂上，以提供用于所述环形通道的入口端，并且第二圆锥形端部连接到第二安装悬臂上，以提供用于所述环形通道的出口端。
19.权利要求18所述的连续流反应器，其中第一安装悬臂和第二安装悬臂包括径向支撑构件，所述径向支撑构件各自相对于所述细长芯的纵轴具有螺旋形间距。
20.权利要求13所述的连续流反应器，其中所述混合器由第一材料形成，并且所述细长芯和所述细长外壳由不同于第一材料的第二材料形成。
21.权利要求20所述的连续流反应器，其中第一材料是含氟聚合物，并且第二材料是钛。
22.权利要求13所述的连续流反应器，所述连续流反应器包括O-环，所述O-环位于所述细长外套管的第一端部和第二端部中的每一个与所述细长外壳之间。
23.权利要求13所述的连续流反应器，所述连续流反应器包括推动器型密封件，所述推动器型密封件位于所述细长芯和所述混合器之间，以在所述混合器与所述细长芯和所述细长外壳之间提供压缩力。
24.一种形成用于连续流反应器的混合器的方法，所述方法包括：
形成穿过含氟聚合物材料的直圆柱体的轴向开口；
形成穿过所述含氟聚合物材料的直圆柱体的两个以上具有恒定宽度的通道，所述两个以上的通道是与所述轴向开口同心安置的；和
形成穿过所述直圆柱体的孔口以将所述两个以上的通道连接到所述直圆柱体的外表面上。
25.权利要求24所述的方法，其中形成所述孔口包括：形成所述多个孔口中的每一个，使其具有相对于所述通道的所述恒定宽度为0.4的直径/宽度比率的直径。
26.权利要求24所述的方法，所述方法包括：相对于其中所述孔口通向所述两个以上的通道的混合器的直径，确定所述两个以上的通道的所述恒定宽度，其中所述恒定宽度/直径的比率在0.01至1.0的范围内。
27.权利要求24所述的方法，其中形成所述孔口包括：提供用于所述孔口的横截面面积，所述横截面面积足以适应将较大流量输送至所述混合器的所述两个以上的通道中。
28.一种操作连续流反应器的方法，所述方法包括：
采用多个孔口将第一反应物流分成多个射流；和
将分开的第一反应物流注入到所述连续流反应器的通道内的第二反应物流中，以对第一和第二反应物流提供至少0.9的喷射混合值和少于0.5秒的均匀化时间。
29.权利要求28所述的方法，其中将分开的第一反应物流注入到第二反应物流中包括：提供1.0至2.0的喷射混合值。
30.权利要求28所述的方法，所述方法包括：以第二反应物流的流量的至少两倍的流量供给第一反应物流。
31.权利要求28所述的方法，其中注入所述分开的第一反应物流包括：使所述分开的第一反应物流通过所述多个孔口的第一部分的体积流量比通过所述多个孔口的第二部分的体积流量更大。
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