CN102917779A - 包括拉伸流动混合器的混合系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种混合系统，包括下述：A）至少一个拉伸流动混合器，混合器包括：大致开口并中空的主体，主体具有波状起伏的外表面并具有单一入口和单一出口；用于压缩的装置；B）流动导向件；和C）主添加剂流注入器，其中当松散材料流流过大致开口并中空的流动混合器主体时，主添加剂流注射器沿着流动方向将添加剂流注入到流动混合器的内部，以允许在拉伸流动混合器中将松散材料流和添加剂流压缩和扩宽，从而促使松散材料流和主添加剂流在拉伸流动混合器的出口处混合；和其中拉伸流动混合器后接D）至少一个螺旋的静止混合元件，混合元件位于拉伸流动混合器的出口下游的至少半个“流动导向件直径（D1）”处。

Description

包括拉伸流动混合器的混合系统
相关申请交叉引用
本申请是非临时申请，要求2010年1月22日提交、题为
“MIXING SYSTEM COMPRISING AN EXTENSIONAL FLOWMIXER”的美国国家专利申请No.12/692,009的优先权，该申请的教导通过引用包含在本文中，就好像在以下内容中完整复述。
背景技术
本发明一般涉及静止混合器，更具体地说，涉及后接螺旋型混合元件的拉伸流动混合器，优选还后接高剪切、高压降的静止混合元件，该混合器将在管件中流动的两种或更多种流体流混合。
通常希望在管件中混合粘性不同的流体。在湍流中，由于引入湍流而使混合更快速地发生。在层流中，混合流体流更为困难。在一些聚合方案中，例如，经常希望将粘性相对较高的松散材料流，诸如聚合物溶体与粘性相对较低的液体添加剂流混合。液体添加剂、催化剂、液体单体和溶剂通常添加到聚合物溶体中，以实现其他聚合物产物。
但是，由于促使混合所需的剪切力较高，所以高粘性的松散材料流和低粘性的添加剂流基本上保持分离，导致添加剂流包含到松散材料流中的速率较低。在层流中，通过将一种流扩散到另一种流而发生混合，这通常是一个缓慢的过程。当需要更快速的混合时间以用于分散时，缓慢扩散不可接受。通常，当添加剂流注入到松散材料流时，添加剂流将基本保持原封不动并且通过松散材料流管送，而不会有所述流的明显交界混合。这种低混合速率部分原因是因为松散材料流和添加剂流之间的表面积接触较低。为了应对这一结果，具有优势地是让添加剂流从添加剂流原有的柱状形状变形成表面积更大的相对平坦的片状。已经发现，通过增大其纵横比，即宽度与高度的比率，而使添加剂流变形，增大其表面积并因此增大其潜在的交界混合面积。表面积增大还有利于在传统静止混合器中切割、划分和重组所述流的战略。将添加剂流分布成薄片，也提高了可能存在的跟随在拉伸流动混合器之后的静止混合元件的混合效率。
已经知道若干种类型的结构来促使松散材料流与添加剂流混合，包括挡板结构和剪切混合器。授予King的美国专利No.4,808,007公开了一种双粘性混合器，该混合器通过混合器内的入口将添加剂流引入到松散材料流中，以产生添加剂流的细长平坦平面。
但是，利用这种和其他混合结构，遇到了一些问题。例如，在聚合应用中，在添加剂流注入器和松散材料流聚合物之间的接触点处观察到了聚合物积累。当添加剂流从静止混合器内注入时，经常发生这种积累。聚合物积累问题本身恶化，直到最终堵塞或完全闭合添加剂注入器，导致
静止混合器中流动分布不匀。
此外，当添加剂流，诸如催化剂，接触挡板或者其他固体接触面或壁板时，发生催化剂浸湿所述表面，由此降低催化剂与松散材料流的总体混合效率。
在那些存在重度角区域或者台阶状特征的混合器中，松散材料流和添加剂流，虽然从这些特征流出，但是可能发展出回流区和涡流，这降低了混合器的总体混合效率。
另一个问题是流线经过混合器时损失流体压力。其他可用的双粘性混合器具有相对较高的压降，因为流线在进入和离开混合器之间损失流体压力。
国际公开No.WO00/21650公开了一种用于混合松散材料流和添加剂流的拉伸流动混合器。两个拉伸混合器可以串列布置，带有大约流动导向件的直径的间隙，以提高额外的混合能力。拉伸混合器可以用于层流、过渡流和湍流条件。
虽然现有技术公开了混合松散材料流和添加剂流的混合器，但是仍然需要一种混合系统，该系统通过增大添加剂流在松散材料流中的分散度来提高松散材料流与添加剂流的混合度，分散度增大进一步增大了两种流之间的交界面积。
发明内容
本发明提供一种混合系统，包括下述：
A）至少一个拉伸流动混合器，所述混合器包括：
大致开口并中空的主体，所述主体具有波状起伏的外表面并具有单一入口和单一出口；
用于压缩沿着流动方向通过大致开口并中空主体流动的松散材料流以及沿着流动方向在单一入口引入的至少一种注入添加剂流的装置；和
用于扩宽所述松散材料流和所述至少一种注入添加剂流的装置，以使所述松散材料流和所述至少一种注入添加剂流之间的交界面积随着所述松散材料流和所述至少一种注入添加剂流通过所述大致开口并中空主体沿着流动方向流动而增大，以促使所述松散材料流与所述至少一种注入添加剂流混合；
B）具有轴线和具有固定于其中的大致开口并中空的流动混合器主体的流动导向件；和
C）定位于所述大致开口并中空的流动混合器主体的所述入口的主添加剂流注入器，其中当所述松散材料流过所述大致开口并中空的流动混合器主体时，所述主添加剂流注入器沿着流动方向将添加剂流注入到所述流动混合器的内部，以允许在所述拉伸流动混合器中将所述松散材料流和所述添加剂流压缩和扩宽，从而促使所述松散材料流和所述主添加剂流在所述拉伸流动混合器的出口处混合；和
其中所述拉伸流动混合器后接D）至少一个螺旋的静止混合元件，所述混合0元件位于所述拉伸流动混合器的出口下游的至少半个“流动导向件直径（D1）”处。
附图说明
图1是本发明拉伸流动混合器的一种实施例的透视图，具有单一添加剂流注入器；
图2是沿着图1中的线2-2截取、向下游观察的拉伸流动混合器的正视图，
示出了拉伸流动混合器固定在流动导向件的一部分内；
图3是向上游观察的图2的拉伸流动混合器的后视图；
图4是根据本发明的拉伸流动混合器的侧视图，固定在分段的流动导向件内；
图5是根据本发明，沿着图1中的线5-5截取的，拉伸流动混合器的侧视截面图，示出了压缩区域；
图6是根据本发明，沿着图1中的线6-6截取的，拉伸流动混合器的俯视截面图，示出了扩宽区域；
图7是透视图，示出了主添加剂流注入器，加上指向根据本发明一个方面的拉伸流动混合器的外部的两个额外的添加剂注入流的优选位置；
图8是沿着图7中的线8-8截取的正视图，示出了主添加剂流注入器，加上根据本发明一个方面的两个额外的添加剂流注入器的优选位置；
图9是带有主添加剂流注入器的本发明实施例的每个区域3个凸耳的透视图；
图10是沿着图9中的线10-10截取的、向下游观察的本发明实施例的每个区域3个凸耳的正视图；
图11是向上游观察的图9实施例每个区域3个凸耳的后视图；
图12是图9中本发明实施例的3个凸耳的侧视图；
图13是在图12上方60度观察，示出本发明实施例的每个区域3个凸耳的平面图；
图14是带有主添加剂流注入器和辅助添加剂流注入器的优选位置的本发明实施例每个区域3个凸耳的透视图；
图15是沿着图14中的线15-15截取的、向下游观察的本发明实施例的每个区域3个凸耳的正视图；
图16是带有主添加剂流注入器的本发明实施例每个区域4个凸耳的透视图；
图17是沿着图16中的线17-17截取的、向下游观察的本发明实施例的每个区域4个凸耳的正视图；
图18是向上游观察的图16实施例每个区域4个凸耳的后视图；
图19是图16中本发明实施例每个区域4个凸耳的侧视图；
图20是在图19上方45度观察，示出本发明实施例的每个区域4个凸耳的平面图；
图21是带有主添加剂流注入器和辅助添加剂流注入器的优选位置的本发明实施例每个区域4个凸耳的透视图；
图22是沿着图21中的线22-22截取的、向下游观察的本发明实施例的每个区域4个凸耳的正视图；
图23是针对本发明和比较例，以每百万体积的份数计，容器的蒸汽空间中酸浓度的统计分析；
图24是针对本发明和比较例的仿真变异系数；图25是针对本发明和比较例，用于沿着导向件长度的轮廓的仿真变异系数；
图26（a）、（b）和（c）是针对本发明和比较例，用于沿着导向件长度的轮廓的仿真变异系数；
图27（a）和（b）是针对本发明，用于沿着导向件长度的轮廓的仿真变异系数；
图28（a）、（b）和（c）是针对本发明和基础比较例的树脂混合物的照片，其中在混合系统端部沿着导向件的轴线第二流为黑色而主流是白色；
图29描绘了三种螺旋型静止混合元件（例如，由chemineer Inc,.制造的Kenics静止混合元件）并定义了该元件的直径d2和长度l2；
图30描绘了由相对于管道轴线布置成45°的交叉棒阵列构成的4个高剪切、高压降混合元件（例如，Chemineer Inc,.的SMS静止混合元件）并定义了该元件的直径d2和长度l2；
图31描绘了混合系统，该系统包括与松散材料流的方向同轴注入，间隙g1，拉伸流动混合器，间隙g2，其中垂直于松散材料流方向的另一个注入器进入流动导向件的中部并且该注入器的末端切割成45°角，和位于内径D1和长度L1的流动导向件内侧的6个螺旋型静止混合元件（例如，由Chemineer Inc,.制造的Kenics静止混合元件，直径为d2，长度为l2）；
图32描绘了利用两种不同的混合系统结构，利用JMP软件用于Tukey-Kramer测试，作为酸测量的手段，得到的统计分析结果。
具体实施方式
如上所述，本发明提供一种混合系统，包括下述：
A）至少一个拉伸流动混合器，所述混合器包括：
大致开口并中空的主体，所述主体具有波状起伏的外表面并具有单一入口和单一出口；
用于压缩沿着流动方向通过大致开口并中空主体流动的松散材料流以及沿着流动方向在单一入口引入的至少一种注入添加剂流的装置；和
用于扩宽所述松散材料流和所述至少一种注入添加剂流的装置，以使所述松散材料流和所述至少一种注入添加剂流之间的交界面积随着所述松散材料流和所述至少一种注入添加剂流通过所述大致开口并中空主体沿着流动方向流动而增大，以促使所述松散材料流与所述至少一种注入添加剂流混合；
B）具有轴线和具有固定于其中的大致开口并中空的流动混合器主体的流动导向件；和
C）定位于所述大致开口并中空的流动混合器主体的所述入口的主添加剂流注入器，其中当所述松散材料流流过所述大致开口并中空的流动混合器主体时，所述主添加剂流注入器沿着流动方向将主添加剂注入到所述流动混合器的内部，以允许在所述拉伸流动混合器中将所述松散材料流和所述添加剂流压缩和扩宽，从而促使所述松散材料流和所述主添加剂流在所述拉伸流动混合器的出口处混合；和
其中所述拉伸流动混合器后接D）至少一个螺旋的静止混合元件，所述混合元件位于所述拉伸流动混合器的出口下游的至少半个“流动导向件直径（D1）”处。
优选，在所述混合系统中，所述用于压缩的装置和所述用于扩宽的装置各自包括多个波状起伏的凸耳，每个凸耳具有基本上波状起伏的表面，并且其中所述多个波状起伏的凸耳沿着流动方向在所述用于压缩的装置中尺寸减小，并且所述多个波状起伏的凸耳沿着所述流动方向在所述用于扩宽的装置中尺寸增大。
还优选，在所述混合系统中，所述用于压缩的装置处于压缩平面内，并且所述用于扩宽的装置处于与所述压缩平面垂直的扩宽平面内。
还优选，在所述混合系统中，所述用于压缩的装置沿着流动方向并沿着所述压缩平面尺寸减小，而所述用于扩宽的装置沿着流动方向并沿着所述扩宽平面尺寸增大。
还优选，在所述混合系统中，所述至少一个螺旋的静止混合元件在所述拉伸流动混合器的所述出口下游不超过4个流动导向件直径。
还优选，所述混合系统进一步包括至少一个高剪切、高压降的静止混合元件，所述高剪切、高压降的静止混合元件包括相对于所述轴线布置成45°角的交叉棒阵列，并且所述交叉棒阵列以这样的方式布置，使得连续的混合元件围绕所述轴线转动90°，并且所述高剪切、高压降的静止混合元件放置在所述至少一个螺旋的静止混合元件的下游。
还优选，在所述混合系统中，所述主添加剂流注入器定位在所述入口的中心。
还优选，在所述混合系统中，所述主添加剂流注入器沿着所述大致中空的流动混合器主体的纵轴线定位，特别是其中所述添加剂流注入器进一步定位在所述单一入口的中心。
还优选，在所述混合系统中，由所述单一入口接收的所述松散材料流包括聚合物和聚合物溶体至少其中一种。
还优选，在所述混合系统中，由所述单一入口接收的所述添加剂流包括单体和单体溶体至少其中一种，更优选地，其中所述单体溶体是溶解在溶剂中的乙烯。
还优选，在所述混合系统中，由所述单一入口接收的所述添加剂流包括添加剂或者溶体中的添加剂至少其中一种，特别是其中由所述单一入口接收的所述添加剂流选自下列材料组成的组：抗氧化剂、除酸剂、催化剂失活剂和它们的溶体。
还优选，在所述混合系统中，所述压缩区域包括在收缩的中心进入部分汇合的两个压缩区域凸耳，并且所述扩宽区域包括在收缩的中心离开部分汇合的两个扩宽区域凸耳。
还优选，在所述混合系统中，所述拉伸流动混合器的所述出口（出口）的长轴垂直于所述至少一个螺旋型静止混合元件的前导边缘。在一系列这种混合元件中，所述至少一个螺旋型静止混合元件的所述前导边缘称为该系列中的第一个混合元件的前导边缘。所述“前导边缘”是最接近所述拉伸流动混合器的所述出口的“螺旋型静止混合元件”的边缘。而且，例如，如图1所示，所述拉伸流动混合器的所述出口的长轴将沿着线6-6。
在一种优选实施例中，所述拉伸流动混合器和所述至少一个螺旋型静止混合元件定位于所述流动导向件中。
在一种优选实施例中，全部混合元件定位于所述流动导向件中。
在一种实施例中，所述至少一个螺旋型静止混合元件在所述拉伸流动混合器出口（出口）下游位于从“流动导向件直径的一半（1/2D1)”到“流动导向件直径的两倍（2D1）”的距离处。
在一种实施例中，所述至少一个螺旋型静止混合元件在拉伸流动混合器出口下游位于从“流动导向件直径的一半（1/2D1)”到“流动导向件直径（1D1）”的距离处。
在一种优选实施例中，所述流动导向件是柱体。
在一种实施例中，流动导向件是长径比(L1/D1）大于等于7的柱体。
在一种实施例中，流动导向件是长径比(L1/D1）从7到40的柱体。
在一种实施例中，流动导向件是长径比(L1/D1）从10到38的柱体。
在一种实施例中，所述混合系统包括至少一个螺旋的静止混合元件，所述螺旋的静止混合元件后接至少一个高剪切、高压降的静止混合元件。
在一种实施例中，所述混合系统包括至少八个螺旋的静止混合元件，所述螺旋的静止混合元件后接至少一个高剪切、高压降的静止混合元件。
在一种实施例中，所述混合系统包括至少十个螺旋的静止混合元件，所述螺旋的静止混合元件后接至少一个高剪切、高压降的静止混合元件。
本发明的混合系统可以包括如文中所述的两个或多个实施例的组合方案。
本发明的各种其他特征、目标和优势将从以下详细描述和附图中体现出来。
附图示出了目前考虑的用于实现本发明的优选方式。
参照图1，示出了拉伸流动混合器10。优选该混合器是静止混合器。流动混合器10具有大致开口（在该混合元件每个端部具有开放出口）并中空形状的主体，该主体终止于限定入口14的周长的边缘12的一端。流动混合器10终止于以虚线示出的边缘16的远端，该边缘限定了出口18（拉伸流动混合器的出口）的周长。流动混合器10包括压缩区域20和扩宽区域22。在所述实施例中，压缩区域由两个压缩区域凸耳34a和34b构成，而扩宽区域由两个扩宽区域凸耳36a和36b构成。压缩区域20处于压缩平面内，所述压缩平面包括线5-5和从入口14向出口18延伸的纵轴线。扩宽区域22处于扩宽平面内，所述扩宽平面包括线6-6，并且通过与所述压缩平面共用所述纵轴线而与压缩区域20的所述压缩平面同轴。优选，压缩区域20的压缩平面垂直于扩宽区域22的扩宽平面。因此，压缩区域凸耳34a和34b优选定位地与扩宽区域凸耳36a和36b离开90度。流动混合器10具有大致波状起伏形状，这种形状例如可以这样来实现：通过收缩柱体一端使柱体变形，将该柱体旋转90度，然后以类似方式收缩另一端。
通常，流动混合器10容纳于流动导向件24例如图中以虚线示出的管件内。流动导向件24在层流条件下引导通常具有高粘性的松散材料流。但是，流动混合器10在大范围的管件雷诺数下有用。在聚合应用中，流动导向件24将引导作为松散材料流的聚合物溶体。特定的聚合物可以包括但不限于乙烯、1-辛烯、1-己烯、1-丁烯、4-甲基-1-戊烯、苯乙烯，丙烯，1-戊烯或α-烯烃的许多共聚物任一种。流动导向件24将松散材料流沿着从入口14到出口18的流动方向引入流动混合器10。
考虑到在溶体聚合应用中利用本发明可能在单回路反应器或双回路反应器（未示出）中实施。适当的反应器在1997年4月1日提交的、题为“OlefinSolution Polymerization”的PCT申请、国际公开号
WO97/36942和1996年4月1日提交的美国临时申请60/014,696和60/014,705中公开。
另外容纳在流动导向件24内的是主添加剂流注入器26。主添加剂流注入器26负责携带将要与流动导向件24携带的松散材料流混合的添加剂流。通常，添加剂流具有低粘性并且不容易混合。考虑了可以使用多种类型的添加剂。具体来说，添加剂流可以包括催化剂溶体、单体、溶解于溶剂中的气体、抗氧化剂、UV稳定剂、热稳定剂、蜡、彩色染料和颜料。
本发明所考虑的适当的聚合物、催化剂和添加剂包括授予Lai等、题为“Elastic Substantially Linear Olefin Polymers”的美国专利No.5,272,236、美国专利No.5,278,272和美国专利No.5,665,800中公开的，以及授予Chum等、题为“Fabricated Articles Made From Ethylene Polymer Blends”的美国专利No.5,677,383中公开的那些聚合物、催化剂和添加剂。
在聚合过程中，添加剂流可以是催化剂溶体或者单体，诸如溶解在溶剂中的乙烯，它通过位于入口14处的主添加剂流注入器26的出口28注入。在图示实施例中，单一添加剂注入器26定位地使其添加剂流注入器出口28与入口14的平面平齐，并且指向入口14的中部。主添加剂流注入器26沿着流动方向注入添加剂流，而不与流动混合器10有任何物理接触。主添加剂注入器26可以具有除了图示管件的多种设计，只要其能精确输送添加剂流即可。
添加剂流注入器出口28的直径应当足够大，以避免因杂质造成的堵塞，但是优选足够小，以使来自主添加剂流注入器26的流线的出口速度（即，射流出口速度）大于等于松散材料流平均速度。
还优选，压缩区域20沿着流动方向并沿着所述压缩平面尺寸减小，而扩宽区域22同时沿着流动方向并沿着所述扩宽平面尺寸增大。正是同时压缩和扩宽添加剂流增大了松散材料流和添加剂流之间的交界面积，因此在它们通过流动混合器10管送时，促使添加剂流和松散材料流混合。
参照图2，沿着流动方向向下游观察，图中示出了流动混合器10。流动混合器10采用任何实用的方法，以围绕流动导向件24的中心的对称方式，悬挂并固定在流动导向件24内。在图示实施例中，流动混合器10借助支杆32固定，以使流动混合器10基本上稳定，从而能承受松散材料流施加在流动混合器10上的流体压力。但是，支杆32并非必要，因为流动混合器10可以粘结、焊接或者以其他方式连接到流动导向件24。
主添加剂流注入器26优选沿着流动混合器10的纵轴线取向，并且在收缩的中心进入部分30a和30b的中点处位于入口14的中心。将主添加剂流注入器26放置在入口14的中心，使得对添加剂流的下游阻碍最小。阻碍最小化也降低了流线在流经流动混合器10的大致开口并中空主体时的压力损失。
压缩区域20和扩宽区域22各自由一对凸耳形状的结构34a、34b和36a、36b构成。压缩区域凸耳34a和34b的尺寸在入口14处最大，并且沿着流动方向并沿着压缩区域20尺寸一般减小。相反，扩宽区域凸耳36a和36b在入口14处最小，并且沿着流动方向且沿着加宽区域22一般增大。
主添加剂流注入器26定位在入口14处，以使在注入时对于添加剂流不存在阻碍。在流动导向件24中流动的松散材料流和由添加剂流注入器26注入的添加剂流沿着压缩区域凸耳34a和34b的内表面38管送，从而在压缩区域20中变得更为狭窄。压缩区域20的凸耳34a和34b的尺寸应该相同，以有利于均匀地压缩流线。压缩区域凸耳34在中心收缩的进入部分30a和30b处汇合。
现在参照图3，逆着流动方向向上游观察并面向主添加剂流注入器26，图中示出了流动混合器10。扩宽区域凸耳36在出口18的中心收缩的离开部分40a和40b处汇合。松散材料流和添加剂流从压缩区域20的压缩区域凸耳34a和34b沿着扩宽区域凸耳36a和36b的内表面42管送，直到松散材料流和添加剂流在出口18处达到最大变形。从压缩区域20到扩宽区域22形成突变但连续的过渡流线的流动模式足以通过使添加剂流变形、产生额外的表面积而促使松散材料流和添加剂流混合。
出口18的尺寸优选为入口14的尺寸，但是出口18应该小于入口14，以避免流动混合器10内发生逆流。此外，扩宽区域22的凸耳36a和36b的尺寸应该相同，以有利于均匀地扩宽流线。
参照图4，示出了流动混合器10的侧视图。压缩区域20和扩宽区域22整体形成。流动混合器10优选用单件材料构成。本发明考虑了适用于特定构造的任何材料。优选，考虑了能变形成压缩区域20和扩宽区域22的材料，诸如金属或聚氯乙烯（PVC）。流动混合器10的长度可变，虽然优选它在最宽点接近流动混合器10的宽度。
以虚线示出的主添加剂流注入器26沿着流动混合器10的纵轴线定位。为了使混合改善效果最大化，添加剂流注入器26优选定位在中心，
指向沿着中心纵轴线。添加剂流注入器26还优选定位成在添加剂流注入器26和流动混合器10之间没有直接接触。虽然添加剂流注入器26优选定位地与入口14的平面平齐，但是添加剂流注入器出口28也可以安装在入口14的平面外侧，优选隔开小段距离，以使添加剂流进入流动混合器10的中心。
从压缩区域20的凸耳34a和34b到扩宽区域22的凸耳36a（未示出）和36b存在连续性，以减少尖角和拐角的可能性，尖角和拐角可能导致松散材料流或者添加剂流沿着流动混合器10积累。大致中空的形状以及没有尖锐的内部拐角，减少了松散材料流和添加剂流在它们流过流动混合器10时的压力损失。
参照图5，压缩区域20优选具有沿着压缩平面的大致三角形形状。压缩区域20沿着流动方向减小，以使进入流动混合器10的任何流体流将沿着流动方向被收窄并且沿着压缩区域凸耳34a和34b的内表面向着来自主添加剂流注入器26的被注入添加剂流的路径管送。
参照图6，扩宽区域22也优选具有沿着扩宽平面的大致三角形形状。扩宽区域22沿着流动方向增大。扩宽区域22内的流体将沿着扩宽区域凸耳36a和36b的内表面42管送。这导致在扩宽区域22内将流动扩宽。因此，来自主添加剂流注入器26的添加剂流的表面积增大，从而增大其与松散材料流的潜在交界混合面积。
参照图7，示出了流动混合系统的另一种实施例。在这种实施例中，松散材料流围绕大致开口并中空的流动混合器10持续流过该混合器。除了定位在入口14处的主添加剂流注入器26之外，一对辅助添加剂流注入器50a和50b优选定位地与入口14的平面平齐并且指向沿着大致开口并中空的流动混合器10的外部。辅助添加剂流注入器50a和50b可以注入不同于主添加剂流注入器26所注入的添加剂流的添加剂流。优选，添加剂流注入器50a和50b定位在主添加剂流26的任一侧。还考虑
辅助添加剂流注入器50a和50b两者或者其中之一可以单独使用，或者分别与主添加剂流注入器26联合使用，取决于将要包含在松散材料流中的添加剂流的数量和类型。可以使用单一辅助添加剂流注入器。
参照图8，辅助添加剂流注入器50a和50b优选放置在收缩的中心进入部分30a和30b和流动导向件24之间的中途，以使添加剂流注入器126a和126b取向成将它们各自的添加剂流注入到扩宽区域22的外部区域37中。来自添加剂流注入器126a和126b的每一条添加剂流则在扩宽区域22的外部区域37中变形，使得每一条添加剂流和松散材料流之间的交界面积增大，并有利于松散材料流和添加剂流混合。优选，辅助添加剂流注入器50a和50b同时注入它们各自的添加剂流。添加剂流注入器50a和50b可以定位地离流动混合器10更远或者更近。辅助注入点例如可以位于从中心收缩的进入部分30a和30b到流动导向件24的距离的三分之一和三分之二处，位于主添加剂流注入器26的任一侧上，并且指向沿着流动混合器10的外部37。
现在参照图9，示出了本发明的另一种实施例。图中总体以附图标记110示出的拉伸流动混合器，包括大致开口并中空的流动混合器主体112。大致开口并中空的流动混合器主体112具有波状起伏的外表面114和波状起伏的内表面116，内表面跟随波状起伏的外表面114的形状。
拉伸流动混合器110包括单一入口118和单一出口120。流动方向定义为从单一入口118到单一出口120的移动方向。前导边缘126形成单一入口118的轮廓。
大致开口并中空的流动混合器主体112包括压缩区域122。压缩区域122包括波状起伏的凸耳124a、124b和124c。
压缩区域122的波状起伏的凸耳124a、124b和124c沿着从单一入口118的前导边缘126到单一出口120的流动方向尺寸减小。大致开口并中空的流动混合器主体112包括扩宽区域128。扩宽区域128类似地包括波状起伏的凸耳130a、130b和130c（未示出）。扩宽区域128的波状起伏的凸耳130a、130b和130c沿着从单一入口118到单一出口120的流动方向尺寸增大。压缩区域122的波状起伏的凸耳124a、124b和124c与扩宽区域128的波状起伏的凸耳130a、130b和130c围绕大致开口并中空的流动混合器主体112的波状起伏的外表面114交替。
主添加剂流注入器132定位在单一入口118处，以使主添加剂流注入器132的出口134定位在单一出口118的中心并与之平齐。
现在参照图10，压缩区域122的波状起伏的凸耳124a、124b和124c的尺寸和形状优选与扩宽区域128的波状起伏的凸耳130a、130b和130c的尺寸和形状相同。
主添加剂流注入器132优选定位地通过大致开口并中空的流动混合器主体112的内部将主添加剂流注入，而不会遇到任何阻碍。
在操作中，流经大致开口并中空的流动混合器主体112的松散材料流将在压缩区域122中压缩，并因此压缩主添加剂流和增大其交界混合面积。
松散材料流进入单一入口118并被每个波状起伏的凸耳的波状起伏的内表面116压缩。
拉伸流动混合器110连接到流动导向件123，通常为柱体，优选通过支杆125连接，虽然可以接受任何适当的连接方法。
现在参照图11，可以从单一出口120看到主添加剂流注入器132的出口134。单一出口120优选与单一入口118尺寸相同，但是不小于它。扩宽区域128的波状起伏的凸耳130a、130b和130c在其最大处并终止于限定单一出口120的外周长的拖尾边缘136处。
参照图12，拉伸流动混合器110的侧视图示出了主添加剂流注入器沿着拉伸流动混合器110的纵轴线定位。优选，主添加剂流注入器132与单一入口118的平面平齐。
压缩区域122沿着流动方向尺寸减小，而扩宽区域128沿着流动方向尺寸增大。正是压缩区域122汇聚与扩宽区域128发散同时发生，导致松散材料流和由主添加剂流注入器132注入的任何添加剂流之间的交界面积增大。
现在参照图13，压缩区域122与扩宽区域128整体形成，以使波状起伏的外表面114不会包含可能导致拉伸流动混合器110的总体混合效率下降的任何重度角区域或者台阶状特征。
现在参照图14，辅助添加剂流注入器138a、138b和138c可以取向地让它们指向大致开口并中空的流动混合器主体112的波状起伏的外表面114。
现在参照图15，图中示出了辅助添加剂流注入器138a、138b和138c的优选位置。优选地，辅助添加剂流注入器138a、138b和138c指向扩宽区域128的每个波状起伏的凸耳130a、130b和130c的外部。应该理解，可以结合主添加剂流注入器132使用更少的辅助添加剂流。重要的是注意，同样，主添加剂流注入器132或者辅助添加剂流注入器138a、138b和138c与大致开口并中空的流动混合器主体112之间没有直接接触。没有直接接触降低了操作过程中添加剂在流动混合器主体112上积累并结垢的可能性。
现在参照图16，示出了本发明的的另一种实施例。图中总体以附图标记210示出的拉伸流动混合器，包括大致开口并中空的流动混合器主体212。大致开口并中空的流动混合器主体212具有波状起伏的外表面214和波状起伏的内表面216，内表面跟随波状起伏的外表面214的形状。
拉伸流动混合器210包括单一入口218和单一出口220。流动方向定义为从单一入口218到单一出口220的移动方向。
大致开口并中空的流动混合器主体212包括压缩区域222。压缩区域222包括波状起伏的凸耳224a、224b和224c和224d。压缩区域222的波状起伏的凸耳224a、224b、224c和224d沿着从单一入口218的前导边缘226到单一出口220的流动方向尺寸减小。前导边缘226形成单一入口218的轮廓。大致开口并中空的流动混合器主体212包括扩宽区域228。扩宽区域228类似地包括波状起伏的凸耳230a、230b、230c和230d（未示出）。扩宽区域228的波状起伏的凸耳230a、230b、230c和230d沿着从单一入口218到单一出口220的流动方向尺寸增大。压缩区域222的波状起伏的凸耳224a、224b、224c和224d与扩宽区域228的波状起伏的凸耳230a、230b、230c和230d围绕大致开口并中空的流动混合器主体212的波状起伏的外表面214交替。
主添加剂流注入器232优选定位在单一入口218处，以使主添加剂流注入器232的出口234定位在单一出口218的中心并与之平齐。
现在参照图17，压缩区域222的波状起伏的凸耳224a、224b、
224c和224d的尺寸和形状优选与扩宽区域228的波状起伏的凸耳230a、230b、230c和240d的尺寸和形状相同。
主添加剂流注入器232优选定位地通过大致开口并中空的流动混合器主体212的内部将主添加剂流注入，而不会遇到任何阻碍。
在操作中，类似于其他实施例，流经大致开口并中空的流动混合器主体212的松散材料流将在压缩区域222中压缩，并因此压缩主添加剂流和增大其交界混合面积。
松散材料流进入单一入口218并被每个波状起伏的凸耳的波状起伏的内表面216压缩。
拉伸流动混合器210连接到流动导向件223，通常为柱体，优选通过支杆225连接，虽然可以接受任何适当的连接模式。
现在参照图18，可以从单一出口220看到主添加剂流注入器232的出口234。单一出口220优选与单一入口218尺寸相同，但是不小于它。扩宽区域228的波状起伏的凸耳230a、230b、230c和230d在其最大处并终止于限定单一出口220的外周长的拖尾边缘236处。
参照图19，拉伸流动混合器210的侧视图示出了主添加剂流注入器232沿着拉伸流动混合器210的纵轴线定位。优选，主添加剂流注入器232与单一入口218的平面平齐。
压缩区域222沿着流动方向尺寸减小，而扩宽区域228沿着流动方向尺寸增大。正是压缩区域222汇聚与扩宽区域228发散同时发生，导致松散材料流和由主添加剂流注入器232注入的任何添加剂流之间的交界面积增大。
现在参照图20，压缩区域222与扩宽区域228整体形成，以使波状起伏的外表面214不会包含可能导致拉伸流动混合器210的总体混合效率下降的任何重度角区域或者台阶状特征。
现在参照图21，辅助添加剂流注入器238a、238b、238c和238d可以取向地让它们指向大致开口并中空的流动混合器主体212的波状起伏的外表面214。
现在参照图22，图中示出了辅助添加剂流注入器238a、238b、238c和238d的优选位置。优选地，辅助添加剂流注入器238a、238b、238c和238d指向扩宽区域228的每个波状起伏的凸耳230a、230b、230c和230d的外部。应该理解，可以结合主添加剂流注入器232使用更少的辅助添加剂流注入器。主添加剂流注入器232或者辅助添加剂流注入器238a、238b、238c和238d与大致开口并中空的流动混合器主体212之间没有直接接触。所述
没有直接接触降低了操作过程中流动混合器结垢的可能性。
本发明的方法指导混合添加剂流和松散材料流。重要的是注意，本发明所考虑的方法独立于进入流动混合器的具体松散材料流和添加剂流的顺序，并且也独立于松散材料流相对于主辅添加剂流的相对浓度。此外，本发明考虑了前述多种类型的松散材料流和添加剂流。具体来说，添加剂诸如催化剂、单体、颜料、燃料、抗氧化剂、稳定剂、蜡和改性剂添加到松散材料流中，所述松散材料流包括各种聚合物和共聚物熔料、溶体和其他粘性液体。
根据所述方法，提供了如前所述的大致开口并中空的流动混合器。添加剂流注入到大致开口并中空的流动混合器主体的单一入口中。添加剂流和松散材料流在压缩区域中被压缩并且在扩宽区域中被扩宽，以增大松散材料流和添加剂流之间的交界面积，从而促使松散材料流和添加剂流混合。压缩和扩宽步骤优选同时发生。
在所述方法的另一方面，至少一个辅助添加剂注入器连同至少一个主添加剂流注入器一起使用，向大致中空的流动混合器主体的外部区域注入至少一种辅助添加剂流，导致每一种辅助添加剂流在大致中空的流动混合器主体的外部区域中变形。辅助添加剂流被大致中空的流动混合器主体的外部所产生的松散材料流场塑形成弯曲的片状。可以理解，存在主辅添加剂流注入器的多种组合，将它们的流线从内部和外部注入到大致中空的流动混合器主体。
已经针对优选实施例描述了本发明，并且应该认识到，不同于这些明确描述的等同方案、替代方案和改动方案是可行的并且落入附带的权利要求书的范围。
例如，考虑了每个区域可以使用多于4个凸耳。每个区域具有额外凸耳的多凸耳结构可以用于混合更多添加剂与松散材料流。还考虑了
在流动混合器主体内侧和外侧，布置成各种结构的其他数量和组合的主辅添加剂流注入器。此外，两个拉伸流动混合器可以串列布置，带有大约流动导向件24的直径的间隙，以提高额外的混合能力。除了液体，拉伸流动混合器10可以用于混合气体与气体、气体与液体，或者不相混的液体与液体。最后，拉伸流动混合器10可以用于层流、过渡流和湍流条件。
在另一种实施例中，拉伸流动混合器后接一个或多个螺旋型混合元件（例如，参见图29）。如图29所示，示例螺旋型混合器包括3个混合元件，每个混合元件由沿着其纵向扭转的矩形板所表示。长度l2表示扭转板的长度，而直径d2表示扭转板的宽度。扭转度数通常从120到210度，并且优选从160到180度。扭转度数沿着矩形板的纵轴线。“沿着松散材料流的方向，在一系列这种混合元件中，第一个螺旋型静止混合元件的前导边缘”称为第一混合元件的前导边缘。
在一种实施例中，螺旋型静止混合元件后接高剪切、高压降的混合元件，所述高剪切、高压降的混合元件由相对于管道轴线布置成45°的交叉棒阵列构成（例如，参见图30）。图30示出了尺寸相同的4个这种混合元件，布置成当沿着纵轴线比较与其相邻的混合元件时，一个元件旋转90度。长度l2表示交叉棒阵列的长度，而直径d2表示交叉棒阵列的宽度。
螺旋型和高剪切高压降混合元件可以放置在齿轮泵和滤网组件之间，优选还后接制粒机，其中侧臂挤出机可以在聚合过程特别是乙烯聚合过程中，以相对于主加工流0.1%直至30%（重量）的速率
将添加剂浓缩物馈送到齿轮泵和拉伸流动混合器之间。
螺旋型混合元件的代表示例是由Chemineer，Inc.提供的Kenics型静止混合元件。螺旋型混合元件也由Ross Koflo Corporation and StaMixCo.制造。螺旋型混合元件
也称为“螺旋扭转带”。高剪切、高压降混合元件的代表示例是由Chemineer，Inc.提供的SMX型
静止混合而元件。
高剪切、高压降混合元件使得它们引发比螺旋型混合元件高2至3倍的剪切速率，和比螺旋型混合元件高至少6倍的压降。
在一种实施例中，至少一个螺旋型静止混合元件在拉伸流动混合器出口下游位于从“流动导向件直径的一半（1/2D1)”到“流动导向件直径的两倍（2D1）”的距离处。
在一种实施例中，至少一个螺旋型静止混合元件在拉伸流动混合器出口下游位于从“流动导向件直径的一半（1/2D1)”到“流动导向件直径（1D1）”的距离处。
在一种实施例中，至少一个螺旋型静止混合元件以这样的方式放置，以使拉伸流动混合器的出口的主轴线与螺旋型静止混合元件的前导边缘成90度。
在一种实施例中，添加剂流与主流同轴注入，并且在拉伸流动混合器的中心注入。
在一种实施例中，同轴注入器放置在距离拉伸流动混合器入口“至少流动导向件直径的0.1倍（0.1D1)”到“流动导向件直径（1D1）”的距离处。
在一种实施例中，流动导向件是长径比(L1/D1）大于等于7的柱体。
在一种实施例中，流动导向件是长径比(L1/D1）从7到40的柱体。
在一种实施例中，流动导向件是长径比(L1/D1）从10到38的柱体。
在一种实施例中，混合系统包括至少4个螺旋的静止混合元件，它们放置地使得第一个螺旋的静止混合元件的前导边缘定位垂直于拉伸流动导向件的出口的主轴线（主轴线）。
在一种实施例中，所述系统包括至少一个螺旋的静止混合元件，所述螺旋的静止混合元件后接至少一个高剪切、高压降静止混合元件。
在一种实施例中，所述系统包括至少八个螺旋的静止混合元件，所述螺旋的静止混合元件后接至少一个高剪切、高压降静止混合元件。
在一种实施例中，所述系统包括至少十个螺旋的静止混合元件，所述螺旋的静止混合元件后接至少一个高剪切、高压降静止混合元件。
本发明的混合系统可以包括如文中所述的两个或多个实施例的组合方案。
虽然本发明对于混合和掺合聚合物和聚合物溶体特别有用，但是其他应用包括但不限于食品制备和颜料混合。
例如，聚合物和聚合物溶体在具有类似的粘性和类似的流动速率时，可以混合，但是该混合系统在粘性比率和流动速率比率并不都接近单一值时最为有效。例如，在一种应用中，粘性比率的范围对于主（松散材料）:添加剂流来说从300：1到6100：1，而对应的流量比率对于相同的两种流来说从300:1到600：1。在另一种应用中，粘性比率的范围对于松散材料：添加剂流为100:1到对于两种流为1:100，即添加剂流的粘性可以高于或低于松散材料流。此外，常用的流动速率比率的范围对于松散材料:添加剂流而言，是从70:30到98:2，以重量计。即使在使用拉伸流动混合器时，在粘性和流动速率比率接近单一值时，实现最好的混合效果。
我们已经发现，如果拉伸流动混合器和下游混合器没有彼此正确对准，则可能出现问题。例如，如果添加剂流比松散材料流更冷，并且拉伸流动混合器出口与螺旋型混合元件的前导边缘直接对准，则对于该元件的冲击可能导致足够的冷却，从而可能冻结、结垢或析出聚合物。我们现在相信，如果我们的发明的出口“流动片”拉伸流动混合器垂直对准螺旋型混合元件的第一下游元件的前导边缘，则拉伸流动混合器的效率最高。
我们还发现，拉伸流动混合器连同螺旋型混合元件一起，表明了较之混合良好的回路反应器而言，层流管流混合系统中的更大改进，回路反应器几乎是连续搅拌槽反应器混合。因此，本发明对于在反应器之后的管流中混合催化剂中和剂或者添加剂特别有用，以及对于混合两种聚合物熔体流诸如在聚乙烯过程中在侧臂挤出机混合中特别有用。
我们还发现拉伸流动混合器之前的注入流的位置和形状对于该设备的性能特别重要。计算流体动力学研究已经显示，如果注入喷嘴和拉伸流动混合器之间的间隔足够允许注入流直径与周围流平衡，则性能得到改善，这种平衡可以在1到5英寸的范围内发生。
单独使用的拉伸流动混合器应该通过增大注入点处的中心开口尺寸而针对给定应用进行改进，以使被平衡的添加剂流的直径略小于拉伸流动混合器设备的内壁。可以依据简单质量平衡，根据主流与添加剂流的体积比计算平衡的添加剂流直径。
我们发现，拉伸流动混合器对于混合流体非常有效，其中主流粘性可以高于或低于添加剂流。
在另一种应用中，该混合系统可以应用于向反应器下游的聚乙烯溶解过程添加催化剂中和剂和抗氧化剂，目的是将催化剂水解并且中和形成的酸。在线测量混合并不容易。因此，可以通过测量注入点下游的罐中的蒸汽空间中的酸来推导混合效果：所测量的酸越高，则混合可能越不好。
本发明的混合系统可以包括如文中所述的两个或多个实施例的组合方案。
实验
一般信息
以下所述的全部研究中的拉伸流动混合器（EFM）具有图1所示的设计，具备两个压缩区域凸耳和两个扩展区域凸耳。另参见图31中的EFM元件。
计算流体动力学（CFD；由Fluent Inc,提供的FLUENT软件，版本6.3，2006年)用于以下一些研究中，以仿真利用以下条件的添加剂注入的典型案例：两种液体流（松散材料流和添加剂流）在单流体相系统中建模成两种不同的类型。每个节点处的粘性根据三次幂定律平均来获取：
Figure BDA00002091153200201
其中x1和x2指代两种流的质量分数，而μ1和μ2指代两种流的粘性。质量分数和粘性输入到软件程序中，并且建立在期望的情形上。“压力出口”边界条件选择为流动导向件的出口并且设定为大气压。“质量流入口”边界条件选择为两个入口边界（松散材料和添加剂流）。通过在侧流入口设定该流的质量分数值为“1”而定义添加剂流。构建由用于拉伸流动混合器和高剪切、高压力类型的静止混合元件的非结构网格构成的混合计算网格，并且构建用于螺旋型静止混合元件的结构网格。用于全部几何结构（一个拉伸流动混合器和23个静止混合元件）的近似网格尺寸大约高达1000万个节点。
利用每种情况下的变异系数来估计混合度。变异系数利用每个混合元件的端部处的轴向平面上局部浓度偏离平均浓度的相对偏差来确定。因此，变异系数的值越低，则混合度越好。
变异系数定义：利用局部浓度偏离平均浓度的相对偏差来确定CoV，如下方程1中所示。
CoV = | C - C avg | C avg （方程1）
这里，C是添加剂流的局部浓度，而Cavg是在混合器中沿着轴向平面的平均浓度。在假设两种流完美混合的前提下，计算平均浓度。一旦计算出每个轴向平面上每个节点处的局部CoV，则根据用于该轴向平面的质量加权平均来计算用于该平面的平均CoV。较低的CoV值暗示混合物高度均质。
压降（正如本节所讨论）是从紧邻拉伸流动混合器上游的注入输入口压力到每个混合系统中最后一个混合元件的最终出口的压力差异，如下所述。
研究1-酸测量
混合系统由具备带两个凸耳（参见图1）的拉伸流动混合器的2英寸流动导向件（内径1.94"的管件）构成，并且利用半英寸管件将添加剂同轴地注入到拉伸流动混合器（EFM）的中部。混合器的下游是与主流垂直放置的另一个注入器（管件），放置四分之一英寸到半英寸直径的管件，以使该管件的末端处于主流的中部，并且该末端切成45°并放置在距离拉伸流动混合器1英寸的距离处。该注入器的下游是12个螺旋型静止混合元件（参见图31）。图31示出了同轴注入器；2英寸间隙（g1）；EFM（l2=1.94英寸，d2=1.94英寸）；EFM和第一螺旋型静止混合元件之间的间隙g2为1.0D1；另一个注入器垂直于主流放置在间隙g2内；12个螺旋混合元件中的6个。每个螺旋型混合元件具有彼此相同的尺寸（l2=2.90英寸，d2=1.94英寸）。流动导向件具有L1/D1=21。
实施注入，以使酸中和剂从上游（同轴注入）或者下游（注入口旁路）进入该过程，而所述系统运行在稳定态条件。获取一组读数（参见下面的CASTEC探头），并且注入切换到交替位置。在允许足够的时间让该系统到达新的稳定态之后，获取另一组读数，并且该过程重复大约1个月。利用JMP统计分析软件版本8（JMP是SAS公司提供的版本8统计软件包）比较读数的均值和标准偏差。结果在图23中显示，并且在表1中显示Tukey-Kramer（图基-克莱默）对比较。Tukey-Kramer方法比较不等样本量的均值。对于在拉伸流动混合器的下游和上游进行注入的案例，酸测量结果的均值大约分别是每百万体积9和4份。
所有用于测量酸的方法都涉及使用GASTEC No.14L检测器探头，带有GASTEC GV-1000手动气体采样泵。采样流程如下：在冲洗线路后，经由管道连接，在1或3升TEDLAR气囊中收集来自下游罐的蒸汽流的气体。该管道一方面钩接到样本囊，另一方面钩接到泵。利用注射器型操作（泵），随着气囊膨胀，将一个测试气体样本吸入管道，并且从获取第一个样本开始，在10至150分钟内吸入另一个测试气体样本。检测器中的颜色变化指示流中的盐酸（HCl）的“每百万体积的份数”水平。记录两个读数的平均值，它们对于所有的案例基本上相同。
如表1所示，在酸中和剂经由同轴注入口进入拉伸流动混合器时，观察到较低的酸水平。
表1
Figure BDA00002091153200211
研究2-混合度
典型仿真（利用一般信息小节中所述的软件和技术）包括下述：a）混合系统，所述混合系统包含一个垂直于主流的注入器，四分之一英寸到半英寸直径的管件放置地让该管件的末端处于主流的中部，并且该末端切成45°，后接0.5D1的间隙，后接12个螺旋型静止混合元件（每个l2=0.6858m，d2=0.4572m），并且没有拉伸流动混合器；和b）混合系统，所述混合系统包含一个同轴注入器，后接0.4D1间隙g1，一个拉伸流动混合器（l2=0.4572m，d2=0.4572m），后接1.0D1间隙g2，后接12个螺旋型静止混合元件（每个l2=0.6858m，d2=0.4572m）。两种流的密度设置为741kg/m3，并且两种混合结构封闭在D1=0.4572m的流动导向件中。
仿真结果在图24中总结，其中变异系数针对螺旋型混合元件的数量进行绘图。仿真结果预测，在螺旋型静止混合器的上游增加拉伸流动混合器之后，变异系数将从0.80下降到0.15。
研究3-混合度/最小能量
计算流体动力学（如上所述）用于仿真各种情况，以尝试利用表现形式为压降的最小能量需求来获得改善的混合效果。如图25所示的4种案例比较了混合系统出口处的最终变异系数，所述混合系统包括同轴注入拉伸流动混合器，其后接一系列各种静止混合器。每种结构选择地让总体压降在所有案例中大约相同。在所有案例中，流动导向件直径D1为9.75英寸，并且注入器流经由0.48英寸的管件进入。松散材料流为149000kg/hr，而添加剂流为750kg/hr。松散材料流的粘性为6000cp，而添加剂流的粘性为1cp。
基础案例如下：同轴注入器管件直径为0.48英寸，后接0.4D1的间隙（g1），后接拉伸流动混合器（d2=9.75英寸，l2=9.75英寸），后接1.0D1间隙（g2），后接12个螺旋型静止混合元件（每个d2=9.75英寸，l2=14.625英寸）。
案例I如下：同轴注入器管件的直径为0.48英寸，后接0.4D1间隙（g1），后接拉伸流动混合器（d2=9.75英寸，l2=9.75英寸），后接1.0D1间隙（g2），后接一个高剪切、高压降静止混合元件，所述高剪切、高压降静止混合元件由相对于管道轴线（诸如SMX，d2=9.75英寸，l2=9.75英寸）布置成45°角的交叉棒阵列构成，后接0.5D1间隙，后接6个螺旋型静止混合元件（每个元件d2=9.75英寸，l2=14.624英寸）。
案例II如下：同轴注入器管件的直径为0.48英寸，后接0.4D1间隙（g1），后接拉伸流动混合器（d2=9.75英寸，l2=9.75英寸），后接1.0D1间隙（g2），后接4个螺旋型静止混合元件（每个元件d2=9.75英寸，l2=14.625英寸），后接1.0D1间隙，后接一个高剪切、高压降静止混合元件，（诸如SMX，d2=9.75英寸，l2=9.75英寸），后接1.0D1间隙，后接2个螺旋型静止混合元件（每个元件d2=9.75英寸，l2=14.624英寸）。
案例III如下：同轴注入器管件的直径为0.48英寸，后接0.4D1间隙（g1），后接拉伸流动混合器（d2=9.75英寸，l2=9.75英寸），后接1.0D1间隙（g2），后接6个螺旋型静止混合元件（每个元件d2=9.75英寸，l2=14.625英寸），后接1.0D1间隙，后接一个高剪切、高压降静止混合元件，（诸如SMX，d2=9.75英寸，l2=9.75英寸）。
基础案例（参见图25）具有估计的变异系数（参见方程1）0.15。案例I具有估计的变异系数0.24。案例II具有估计的变异系数0.14。案例III具有估计的变异系数0.085。由于所有这些案例具有非常类似的压降，所以在案例III中所示的结构用于混合这些流最理想。
研究4-混合度/利用不同混合系统结构仿真/混合两种树脂
混合系统的另一种应用是混合不同粘性的树脂。作为较小的流添加到主流树脂中的树脂可以比主流树脂粘性更高或者更低，或者甚至与主流树脂具有相同的粘性。计算流体动力学（参见上述）仿真指示，当两种系统在以压降为表现形式的类似能量需求下进行比较时，混合系统优于在螺旋型混合元件上游使用切向型注入，其中所述混合系统包括贯穿拉伸流动混合器的同轴注入，后接螺旋型混合元件，后接额外的高剪切、高压降混合元件（由相对于管道轴线布置成45°角的交叉棒阵列构成）。流动导向件的内径为D1=9.75英寸，而添加剂注入的直径为0.48英寸。拉伸流动混合器的直径为9.75英寸，长度为9.75英寸。每个螺旋型静止混合元件相同，且d2=9.7英寸和l2=14.625英寸。每个高剪切、高压降混合元件（由相对于管道轴线布置成45°角的交叉棒阵列构成）为d2=9.75英寸，和l2=9.75英寸。此外，如果混合系统在拉伸流动混合器的上游包括同轴注入，后接一个管件直径的间隙，后接螺旋型混合元件，则较之混合系统在拉伸流动混合器上游包括同轴注入，后接一个管件直径的间隙，后接高剪切、高压降混合元件（由相对于管道轴线布置成45°角的交叉棒阵列构成），可以预期混合效果更好，如果这两种混合系统在相同的压降需求下比较的话。
图26表示用于混合两种树脂的变异系数（如方程1所定义），其中主流树脂具有大约30500泊（poise）的粘性，而侧流树脂具有大约20000泊的粘性。侧流与主流的流量比为8.3，以质量计。在图26中比较了三种案例，全部示出在相同的压降时的混合度，并且变异系数在每个混合系统的端部显示。
图26中的案例（a），包括混合系统，该混合系统包括以不伸入松散材料流的管件垂直于松散材料流注入，后接0.5D1的间隙，后接14个螺旋型混合元件，并且展现出变异系数为0.047。图26中的案例（b），包括在拉伸流动混合器（d2＝9.75英寸，和l2=9.75英寸）上游的同轴注入以及后接2英寸间隙，后接一个管件直径的间隙（1.0D1，g2），后接13个螺旋型混合元件（每个元件d2=9.75英寸，和l2=14.625英寸）。案例（b）具有变异系数0.017。图26中的案例（c）包括混合系统，该混合系统包括同轴注入，后接2英寸的间隙（g1），后接2英寸拉伸流动混合器（d2=9.75英寸和l2=9.75英寸）上游的2英寸间隙（g1），后接一个管件直径的间隙（1.0D1，g2），后接2个高剪切、高压降混合元件（由相对于管道轴线布置成45°角的交叉棒阵列构成（SMX型混合元件，每个元件d2=9.75英寸和l2=9.75英寸，第二个元件相对于第一个元件转动90度））。案例（b）具有变异系数0.23。
这些仿真结果显示，在该装置置于螺旋型混合元件的上游，并且调整螺旋型混合元件的数量时，拉伸流动混合器上游的同轴注入改善混合效果，以使两种混合系统展现出大致相同的压力降。此外，由相对于管道轴线布置成45°角的交叉棒阵列构成的高剪切、高压降混合元件在混合粘性不同的树脂时，并不像螺旋型混合元件那样有效，当它们在类似地压力降下进行比较时。
研究5-混合度/不同粘性的树脂/仿真
实施了另一组仿真来比较混合两种树脂的情况，其中松散材料流的粘性为5000泊，而小流粘性为20000泊，并且小流的量以总流的7.5%（重量）进入。针对混合度比较了两种案例，并且仿真结果在图27中示出。
图27中的案例（a），包括混合系统，该混合系统包括以0.25英寸管件同轴注入到内径D1为2.3英寸的流动导向件中。同轴注入后接拉伸流动混合器（d2=2.3英寸，l2=2.3英寸）上游的1英寸间隙（g1），后接1.0D1的间隙，然后后接18个螺旋型混合元件（d2=2.3英寸，l2=3.0英寸），全部进入内径D1为2.3英寸的导向件中。
图27中的案例（b）包括混合系统，该混合系统包括以0.25英寸管件同轴注入到内径D1为2.3英寸的流动导向件中。同轴注入后接拉伸流动混合器（d2=2.3英寸，l2=2.3英寸）上游的1英寸间隙（g1），后接1.0D1的间隙，然后后接9个螺旋型混合元件（d2=2.3英寸，l2=3.0英寸），全部进入内径为2.3英寸的导向件中；直径适配器，所述直径适配器将导向件内径从2.3英寸增大到3.2英寸，后接3个高剪切、高压降混合元件，所述高剪切、高压降混合元件由相对于管道轴线布置成45°角的交叉棒阵列构成（SMX型元件，每个d2=3.2英寸，l2=3.2英寸，每个相对于前一个元件转动90度，并且全部位于3.2英寸导向件内侧）。
图27中的案例（a）在混合系统端部具有变异系数（如方程1定义）0.0063，并且估计压降为91磅力每平方英寸。图27中的案例（b）在混合系统端部具有变异系数0.0019，并且估计压降为80磅力每平方英寸。
研究6-混合度/不同粘性的树脂/实验室实验
以上研究5中所示的仿真还在实验室装置中利用相同的装置进行了测试。聚合物通过水下制粒机获取，并且产生的聚合物颗粒利用各种分析技术测试。在混合装置的端部，存在打开的换向阀，并且聚合物被允许作为连续柱状“绳”而流出该系统。为了流动
视觉效果，添加剂注入流中大约20%（重量）的颗粒以与1%（重量）炭黑混合的颗粒所取代。因此，当两种流混合时，可以观察到条纹，并且估计混合度。观察混合效果的一种方式是获取垂直于轴向切割并且沿着管件轴线切割的聚合物柱状“绳”的薄片，并且在光照下估计样本。
图28针对3种物理特性和以上研究5中描述的流动速率以及三种结构比较了3种案例。案例（a）包括混合系统，该系统包括0.25英寸管件垂直注入到流动方向中，但是并不伸入内径D1为2.3英寸的松散材料流导向件中。垂直注入后接拉伸流动混合器（d2=2.3英寸，l2=2.3英寸）上游的1英寸间隙（g1），后接1.0D1的间隙，然后后接18个螺旋型混合元件（d2=2.3英寸，l2=3.0英寸），全部进入内径2.3英寸的导向件中。
案例（b）是与图27的案例（a）严格相同的混合结构。
案例（c）是与图27的案例（b）严格相同的混合结构。图28示出了针对上述三种案例，表示混合度的轴向和纵向条纹。在图28中，包含黑色材料（第二流）或者白色材料（主流）的区域，对于案例（b）而言，比案例（a）更小。此外，那些区域沿着导向件的整个直径，对于案例（c）而言，较之案例（b）分布地更为均匀。图28中的案例（c）相对于案例（b）提供了边界改善。对于图28中的案例（a），估计压降为86.5磅力每平方英寸，而对于图28中的案例（b），压降估计为91磅力每平方英寸。对于图28中的案例（c），压降估计为80磅力每平方英寸。
研究7-不同混合结构的仿真
以下研究表示物理特性和操作条件如表2所示的5种混合结构的仿真结果，并且使用了上述软件和技术。利用以下方程来仿真添加剂的粘性：
η = η ∞ + ( η 0 - η ∞ ) · [ 1 + ( γ · · λ ) 2 ] ( n - 1 ) 2
其中λ=47.965(s);n=0.5624；γ=剪切率（s-1），在节点处进行计算，η0＝38873.4；η∞＝1。
比较结构A包括混合系统，该系统包括2英寸管件垂直注入到流动方向并且放置地让该管件的末端处于主流的中部，并且所述末端在内径D1为23英寸的流动导向件内切割成45°，后接0.5D1的间隙，后接18个螺旋型静止混合元件（每个元件d2=23英寸和l2=17.7英寸），全部位于内径D1的流动导向件内侧。
比较结构B包括混合系统，该系统包括2英寸管件垂直注入到流动方向并且放置地让该管件的末端处于主流的中部，并且所述末端在内径D1为23英寸的流动导向件内切割成45°，后接0.5D1的间隙，后接23个螺旋型静止混合元件（每个元件d2=23英寸和l2=17.7英寸），全部位于内径D1的流动导向件内侧。
本发明的结构（1）包括混合系统，该系统包括2英寸管件与流动方向同轴注入并且有4英寸长进入流动，并且放置在内径D1为23英寸的流动导向件内侧，后接0.5D1的间隙，后接拉伸流动混合器（d2=23英寸，l2=23英寸），后接1.0D1的间隙，后接18个螺旋型静止混合元件（每个元件d2=23英寸和l2=17.7英寸），全部位于内径D1的流动导向件内侧。
比较结构C包括混合系统，该系统包括1英寸管件垂直注入到流动方向并且放置地让该管件的末端处于主流的中部，并且所述末端在内径D1为9英寸的流动导向件内切割成45°，后接0.5D1的间隙，后接18个螺旋型静止混合元件（每个元件d2=9英寸和l2=13.5英寸），全部位于内径D1的流动导向件内侧。
比较结构D包括混合系统，该系统包括1英寸管件垂直注入到流动方向并且放置地让该管件的末端处于主流的中部，并且所述末端在内径D1为9英寸的流动导向件内切割成45°，后接0.5D1的间隙，后接18个
螺旋型静止混合元件（每个元件d2=9英寸和l2=6.9英寸），全部位于内径D1的流动导向件内侧。
在混合系统出口处的变异系数CoV（如方程1所定义）用于判断不同结构中的混合度。
比较结构A具有高的CoV，表示它的混合效果最差。仿真结果示出本发明的结构1优于比较结构
A或B，即使比较结构B比本发明的结构1包括更多的静止混合元件。此外，利用仅仅略高于比较结构A且远低于比较结构B的压降实现了更好的混合效果。比较结构C和D指出，混合效果优于具有相同物理特性和流动条件的结构，但是流动导向件具有较大直径或者混合元件具有较低的l2/d2。本发明的结构1显示了比全部比较例更好的混合效果，即使本发明的结构1比比较结构D具有更大的流动导向件直径，且比比较结构C具有更小的l2/d2。
表2：流动速率和物理特性相同但是结构不同的四种比较混合系统和本发明混合系统的比较结果
Figure BDA00002091153200271
Figure BDA00002091153200281
研究8-利用两种不同的混合结构进行酸测量
采用与上述研究1相同的实验技术、设备和同等位置进行酸测量。流动导向件为10英寸流动导向件（内径9.3英寸），添加剂注入器尺寸为1英寸管件，松散材料流大约为48kg/s，添加剂流大约为0.20kg/s，两种流的密度大约为780kg/m3，松散材料流的粘性范围从小于1000到大约6000cp，添加剂流的粘性大约为1cp。
比较结构E：添加剂注入器垂直于松散材料流，并且放置成让该管件的末端处于松散材料流导向件的中部，并且该末端切割成45°，后接0.4D1的间隙，后接6个螺旋型静止混合元件（全部d2为9.3英寸，l2为14.625英寸），后接1D1的间隙，后接6个螺旋型静止混合元件（全部为d2为9.3英寸，l2为14.625英寸）。
本发明的结构2：添加剂注入器同轴注入到松散材料流中，并且与流动共线4英寸，后接0.2D1的间隙g1，后接EFM（d2=9.3英寸和l2=9.3英寸），后接1D1的间隙，后接13个螺旋型的静止
混合元件（全部相同，d2为9.3英寸，l2为12.1英寸），第一个螺旋型混合元件的前导边缘放置成垂直于EFM的出口的主轴线（长轴）。
图32示出了利用JMP软件（以上定义）和Tukey-Kramer测试描绘的针对两种案例（比较结构E和本发明的结构2）的酸测量结果。Tukey-Kramer测试显示，比较结构和本发明的结构中的酸测量结果明显不同，具有95%的置信区间。下表3示出了对于这些结构的均值和标准偏差的详细内容。对于本发明的结构2，较之比较结构E，均值减小大约65%，而在本发明的结构2中，较之比较结构E，标准偏差减小大约50%。这些结果表示，本发明的结构2在混合两种流的结果方面，较之比较结构E更优。
表3
Figure BDA00002091153200282
研究9-不同混合结构针对添加剂注入的仿真
以下研究表示利用表4中所示的物理特性和操作条件，
针对6种混合结构的8种案例的仿真，采用了上述的软件和技术。这里有两种比较结构和4种本发明的结构。对于所有案例，流动导向件都是10英寸管件（内径9.3英寸）和注入器为1英寸管件。松散材料流和添加剂流的流动速率在表4中示出。松散材料流的粘性在表4中示出，而添加剂流的粘性取值为1cp。
比较结构F如下：添加剂注入器垂直于松散材料流，放置成让该管件的末端处于松散材料流动导向件的中部，并且该末端切割成45°，后接0.4D1的间隙，后接9个螺旋型静止混合
元件（全部相同，d2为9.3英寸和l2为14.625英寸），全部位于L1/D1为14.0的流动导向件内。
比较结构G如下：添加剂注入器垂直于松散材料流，并且放置成让该管件的末端处于松散材料流导向件的中部，并且该末端切割成45°，后接0.4D1的间隙，后接12个螺旋型静止混合元件（全部d2为9.3英寸，l2为14.625英寸），全部位于L1/D1为18.5的流动导向件内。
本发明的结构3：添加剂注入器与松散材料流同轴，并且4英寸长与流动共线，后接0.2D1的间隙g1，后接EFM（d2=9.3英寸和l2=9.3英寸），后接1D1的间隙g2，后接8个螺旋型静止混合元件（全部相同，d2为9.3英寸和l2为11.2英寸），第一个螺旋型元件的前导边缘放置成与EFM的出口的主轴线（长轴）垂直，全部位于L1/D1为11.0的流动导向件内。
本发明的结构4：添加剂注入器与松散材料流同轴，并且4英寸长与流动共线，后接0.2D1的间隙g1，后接EFM（d2=9.3英寸和l2=9.3英寸），后接1D1的间隙g2，后接13个螺旋型静止混合元件（全部相同，d2为9.3英寸和l2为11.2英寸），第一个螺旋型元件的前导边缘放置成与EFM的出口的主轴线（长轴）垂直，全部位于L1/D1为17.0的流动导向件内。
本发明的结构5：添加剂注入器与松散材料流同轴，并且4英寸长与流动共线，后接0.2D1的间隙g1，后接EFM（d2=9.3英寸和l2=9.3英寸），后接1D1的间隙g2，后接18个螺旋型静止混合元件（全部相同，d2为9.3英寸和l2为11.2英寸），第一个螺旋型元件的前导边缘放置成与EFM的出口的主轴线（长轴）垂直，全部位于L1/D1为23.0的流动导向件内。
本发明的结构6：添加剂注入器与松散材料流同轴，并且4英寸长与流动共线，后接0.2D1的间隙g1，后接EFM（d2=9.3英寸和l2=9.3英寸），后接1D1的间隙g2，后接11个螺旋型静止混合元件（全部相同，d2为9.3英寸和l2为11.2英寸），第一个螺旋型元件的前导边缘放置成与EFM的出口的主轴线（长轴）垂直，全部位于L1/D1为17.9的流动导向件内。
在表4中针对上述5种结构描述了8种案例。如表4所示，针对相同的条件和压降，本发明的结构3示
出了比比较结构F更好的CoV。本发明的结构4和5表明，较之比较结构F，可以在压降增大最小的情况下，进一步提高混合度。本发明的结构6和本发明的结构4分别针对案例6和7表明，针对较低或者大致相同的压降以及相同的处理条件，它们具有比比较结构G更好的混合度。
本发明的结构5在案例8中表明，针对相同的处理条件，在压降增大最小的情况下，可以实现比比较结构G远远更好的混合度。
表4
Figure BDA00002091153200301
虽然在前述例子中，相当详细地描述了本发明，但是这些细节的目的是例述，并且不应该认为是限制如以下权利要求书所述的本发明。

Claims (19)

1.一种混合系统，包括下述：
A）至少一个拉伸流动混合器，所述混合器包括：
大致开口并中空的主体，所述主体具有波状起伏的外表面并具有单一入口和单一出口；
用于压缩沿着流动方向通过大致开口并中空主体流动的松散材料流以及沿着流动方向在单一入口引入的至少一种注入添加剂流的装置；和
用于扩宽所述松散材料流和所述至少一种注入添加剂流的装置，以使所述松散材料流和所述至少一种注入添加剂流之间的交界面积随着所述松散材料流和所述至少一种注入添加剂流通过所述大致开口并中空主体沿着流动方向流动而增大，以促使所述松散材料流与所述至少一种注入添加剂流混合；
B）具有轴线和具有固定于其中的大致开口并中空的流动混合器主体的流动导向件；和
C）定位于所述大致开口并中空的流动混合器主体的所述入口的主添加剂流注入器，其中当所述松散材料流过所述大致开口并中空的流动混合器主体时，所述主添加剂流注入器沿着流动方向将添加剂流注入到所述流动混合器的内部，以允许在所述拉伸流动混合器中将所述松散材料流和所述添加剂流压缩和扩宽，从而促使所述松散材料流和所述主添加剂流在所述拉伸流动混合器的出口处混合；和
其中所述拉伸流动混合器后接D）至少一个螺旋的静止混合元件，所述混合元件位于所述拉伸流动混合器的出口下游的至少半个“流动导向件直径（D1）”处。
2.如权利要求1所述的混合系统，其特征在于，所述用于压缩的装置和所述用于扩宽的装置各自包括多个波状起伏的凸耳，每个凸耳具有基本上波状起伏的表面，并且其中所述多个波状起伏的凸耳沿着流动方向在所述用于压缩的装置中尺寸减小，并且所述多个波状起伏的凸耳沿着所述流动方向在所述用于扩宽的装置中尺寸增大。
3.如权利要求1所述的混合系统，其特征在于，所述用于压缩的装置处于压缩平面内，并且所述用于扩宽的装置处于与所述压缩平面垂直的扩宽平面内。
4.如权利要求1所述的混合系统，其特征在于，所述用于压缩的装置沿着流动方向并沿着所述压缩平面尺寸减小，而所述用于扩宽的装置沿着流动方向并沿着所述扩宽平面尺寸增大。
5.如权利要求1所述的混合系统，其特征在于，所述螺旋的混合元件在所述拉伸流动混合器的所述出口下游不超过“4个流动导向件直径”处。
6.如权利要求1所述的混合系统，其特征在于，进一步包括至少一个高剪切、高压降的静止混合元件，所述高剪切、高压降的静止混合元件包括相对于所述轴线布置成45°角的交叉棒阵列，并且所述交叉棒阵列以这样的方式布置，使得连续的混合元件围绕所述轴线转动90°，并且所述高剪切、高压降的静止混合元件放置在所述至少一个螺旋的静止混合元件的下游。
7.如权利要求1所述的混合系统，其特征在于，所述主添加剂流注入器定位在所述入口的中心。
8.如权利要求1所述的混合系统，其特征在于，所述主添加剂流注入器沿着所述大致中空的流动混合器主体的纵轴线定位。
9.如权利要求8所述的混合系统，其特征在于，所述添加剂流注入器进一步定位在所述单一入口的中心。
10.如权利要求1所述的混合系统，其特征在于，由所述单一入口接收的所述松散材料流包括聚合物和聚合物溶体至少其中一种。
11.如权利要求1所述的混合系统，其特征在于，由所述单一入口接收的所述添加剂流包括单体和单体溶体至少其中一种。
12.如权利要求1所述的混合系统，其特征在于，由所述单一入口接收的所述添加剂流包括添加剂和溶体中的添加剂至少其中一种。
13.如权利要求12所述的混合系统，其特征在于，由所述单一入口接收的所述添加剂流选自下列材料组成的组:抗氧化剂、除酸剂、催化剂失活剂和它们的溶体。
14.如权利要求11所述的混合系统，其特征在于，所述添加剂流包括单体溶体，并且所述单体溶体是溶解在溶剂中的乙烯。
15.如权利要求1所述的混合系统，其特征在于，所述压缩区域包括在收缩的中心进入部分汇合的两个压缩区域凸耳，并且所述扩宽区域包括在收缩的中心离开部分汇合的两个扩宽区域凸耳。
16.如权利要求1所述的混合系统，其特征在于，所述拉伸流动混合器的所述出口的长轴垂直于所述至少一个螺旋型静止混合元件的前导边缘。
17.如前述权利要求任一项所述的混合系统，其特征在于，所述至少一个螺旋型静止混合元件在所述拉伸流动混合器的下游定位在从“所述流动导向件直径的一半（1/2D1）”到“所述流动导向件直径的两倍（2D1）”的距离处。
18.如前述权利要求任一项所述的混合系统，其特征在于，流动导向件是长径比(L1/D1）大于等于7的柱体。
19.如前述权利要求任一项所述的混合系统，其特征在于，所述系统包括至少一个螺旋型静止混合元件，后接至少一个高剪切、高压降的静止混合元件。
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