CN103140280A - 具有错流障碍物的反应流静态混合器 - Google Patents

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Abstract

本发明的实施方式涉及混合装置。具体而言，本发明的实施方式提供用于在高活性化学反应期间混合流体组分诸如光气和胺的混合装置。一种实施方式提供混合导管(100)，其包括：限定内体积的圆柱形侧壁(101)，其中穿过所述圆柱形侧壁形成一个或多个喷射口并且所述一个或多个喷射口与该内体积相连；以及置于所述内体积中的一个或多个流动障碍物(103)，其中各流动障碍物位于相关的通孔(102)的上游。

Description

具有错流障碍物的反应流静态混合器
技术领域
本发明的实施方式涉及混合流体组分诸如在反应性化学工艺中混合光气和胺的混合装置。
背景技术
常规混合设备的领域可大致分成两个主要区域：动态或机械混合器和静态混合器。动态或机械混合器依赖于一些类型的移动部件以确保组分的期望或彻底混合。静态混合器通常没有突出的移动部件，而是依赖于待混合的流体中的流动分布和压力差来促进混合。现有技术主要涉及静态混合器，但是也可能将其与动态混合器组合使用。
异氰酸酯是以N=C=O官能团为特征的分子。最广泛使用的异氰酸酯是芳族化合物。商业上广泛制造两种芳族异氰酸酯，即甲苯二异氰酸酯(TDI)和二苯基甲烷二异氰酸酯(MDI)。异氰酸酯可与多元醇反应形成聚氨酯。主要的聚氨酯应用是刚性泡沫体，其是优良的绝缘体并大量用于器具、汽车和建筑业；以及柔性泡沫体，其可用于床垫和家具应用中。此外，还广泛制造了脂肪族异氰酸酯诸如亚己基二异氰酸酯并用于特种应用诸如耐磨损和耐UV的涂层中。
混合在异氰酸酯制备中是至关重要的。异氰酸酯产品质量和产率依赖于多步化学反应网络。在该工艺的第一步中，混合两股连续的反应物(胺和光气)流料。次级反应如光气化产物与胺之间的反应形成脲和其它脲衍生物最终降低了产品组合物的品质。产生异氰酸酯是期望的，而次级反应导致生成不期望的产物。这些次级反应中的一些据信生成产物诸如脲和脲衍生物如碳二亚胺和脲酮亚胺(uretonimine)。总的化学反应可表示如下：
胺+光气→异氰酸酯+盐酸+脲+碳二亚胺+脲酮亚胺+不期望的产物
尽管许多已知和未知的因素控制主要反应的质量，但是提高光气与胺之比、胺在溶剂中的稀释比、或者改善的混合使不期望的副产物形成最小化。不期望的副产物中的一些可能是固体并可能与工艺设备中的污垢相关。
因此，具有不当混合的混合器设计会导致较低的期望产物总产率或者会堵塞或弄脏反应器系统导致停机时间和/或提高了维护成本。
图1示意性说明了在现有技术的静态混合器中的光气浓度。图1示出了圆柱形导管3的局部剖面图，其中光气流1从左至右行进，胺流2从穿过圆柱形导管3形成的喷射口4注入光气流1中。随着胺横移并与光气反应，发生主要反应和次级反应。位于与胺流1进入处相距L的圆5示出了在喷射口4的下游侧的区域，在此处光气浓度是相对低的(接近0)。因为光气和胺反应是放热的，所以围绕圆形5的区域具有升高的温度。低的光气浓度和高温促进了不期望的次级反应的形成和副产物的产生。
值得期望的是，具有改善光气和胺的混合的静态混合器，由此限制不期望的副产物的产生。
发明内容
本发明的实施方式涉及静态混合装置，其可单独使用或者与动态混合器组合使用。
静态混合装置的一种实施方式提供混合导管，其包括限定内体积的圆柱形侧壁，其中穿过所述圆柱形侧壁形成一个或多个喷射口并且所述喷射口与该内体积相连；以及置于所述内体积中的一个或多个流动障碍物，其中各流动障碍物在上游与相关的通孔对齐以针对喷射口渗透和喷射口混合改善错流并降低混合导管中的返混。
本发明的另一实施方式提供静态混合器，其包括定义一个或多个环形腔外壁的一个或多个流体接收导管；以及置于定义至少一个环形腔内壁的第一导管中的本发明混合导管，其中所述环形腔与所述混合导管的一个或多个喷射口流体连通。
附图说明
为了能够具体理解本发明的上述特征，可参照实施方式更具体地描述上面简要概括的本发明，所述实施方式中的一些在附图中进行了说明。然而，应注意，附图仅仅说明了本发明的一些经典实施方式，因此不认为限制本发明的范围，因为本发明可承认其它等效的实施方式。
图1示意性说明了在现有技术中用于混合光气和胺的静态混合器中的光气浓度。
图2A是根据本发明一种实施方式的用于静态混合器的混合导管的局部剖面图。
图2B是图2A的混合导管的透视图。
图3是根据本发明一种实施方式的静态混合器的剖面图。
图4A-4D示意性说明了具有以不同构型安装的障碍物的混合导管的各种实施方式。
图5A-5G示意性说明了根据本发明实施方式的障碍物的各种实施方式，该障碍物用于混合导管中使得障碍物在径向的形状进一步流线化错流。
图6A-6D示意性说明了根据本发明实施方式的在混合导管中安装障碍物的各种机件。
图7A-7B示意性说明了根据本发明实施方式的在中心轴附近具有各种构造的混合导管。
图7C示出了在鱼雷形中心障碍物上安装流动障碍物。
图8A-8C示意性说明了根据本发明实施方式的具有与导引错流的叶片型流动障碍物偶联的中心圆盘的各种混合导管。
图9示意性说明了根据本发明一种实施方式的具有多排障碍物的混合导管。
图10A-10D示意性说明了根据本发明实施方式的具有复杂喷射口设计的混合导管。
为了便于理解，已经尽可能地使用相同的附图标记来指示各图中共同的相同要件。预期在一种实施方式中披露的要件在没有具体描述的情况下可有利地用于其它实施方式中。
具体实施方式
本发明的实施方式涉及用于在有或没有化学反应的应用中混合组分的静态混合装置，其中混合是决速步并可能引起形成不期望的产物。具体而言，本发明的实施方式提供用于在高活性化学反应期间混合流体组分诸如光气和胺的混合装置。
本发明的静态混合器设计为在工业反应性工艺诸如MDA与光气反应形成MDI中提供快速混合。本发明的实施方式提供能够使光气包住胺流料并最小化次级反应的静态混合器。用于混合流体的能量来源于混合设备中的压力降。本发明的静态混合器改善了喷射口混合工艺，其能够提高生产率同时保持可行的压力降并改善产物品质。
本发明的实施方式随着第一流通过导管并横穿经一个或多个穿过导管的喷射口注入导管中的第二流在第一流(通常是主错流)中产生速度分布。在一种实施方式中，在第一流中的速度分布通过一个或多个置于导管上游的流动障碍物得到。一个或多个流动障碍物沿着第二流诸如胺导引第一流诸如光气。流动障碍物最小化靠近胺喷射口的缺光气区域使得光气更好地包住胺流料。
本发明的一种实施方式提供具有导管的静态混合器，所述导管具有至少一个穿过导管圆周形成的通孔以及置于导管在所述至少一个通孔的上游中的至少一个障碍物。混合期间，第一流组分以通过所述至少一个障碍物的方式流经导管，然后遇到经相关的至少一个通孔进入导管的第二流。
图2A是用于根据本发明一种实施方式的静态混合器的混合导管100的局部剖面图。图2B是图2A的混合导管100的透视图。
混合导管100包括定义内体积107的圆柱形侧壁101。第一流105配置为从混合导管100的进口端108进入内体积107。混合导管100具有中心轴106。
沿着混合导管100的圆周穿过圆柱形侧壁101形成多个通孔102。所述多个通孔102配置为将第二流104注入混合导管100的内体积107。在一种实施方式中，所述多个通孔102沿着混合导管100的圆周平均分布。
图2A显示各通孔102具有锥形。通孔102的锥形随着第二流104进入混合导管100在第二流104中产生速度分布，从而第二流104能够进入得更靠近中心轴106。然而，通孔102也可采用其它设计。具有至少部分共同发明人的并且涉及具有锥形通孔的静态混合器的2005年7月7日提交的美国专利申请11/658,193(出版为US公开2008/0087348)引入本文作为参考。
混合导管100还包括多个置于所述多个通孔102与混合导管100的进口端108之间的辐条103。所述多个辐条103中的每一个与相关的通孔102对齐以在第一流抵达相关的通孔102之前在第一流105中产生流动障碍物。
在一种实施方式中，所述多个辐条103穿过圆柱形侧壁101插入混合导管100中。各辐条103可具有内端1031和外端1032。内端1031小于外端1032从而在内端103a通过穿透圆柱形侧壁101进入混合导管100之后，外端1032堵塞住该口以密封混合导管100。因为各辐条103与相关的通孔102直接对齐，所以辐条103在来自各通孔102的第二流104的入口上游产生第一流速度降低，因此允许第二流104穿透入内体积107更深并改善混合。
根据工艺条件，可调节各种因素来改善混合。例如，可调节在通孔102与辐条103之间的距离、各辐条103的尺寸、辐条103的安装角度、各辐条103的长度、辐条103的形状、相关的通孔102的设计。
混合期间，第一流105从进口端108进入混合导管100，遭遇所述多个辐条103。所述多个辐条103在第一流105的错流的下游遮掩第二流104，增大了第一流105在来自通孔102的第二流之间的空间中的速度。
图3是根据本发明一种实施方式的静态混合器150的剖面图。静态混合器150定义在具有纵轴156的第一流导管153内相连的第二流导管155的错流腔。如图2A中所示的混合导管100置于第一流导管153中，从而混合导管100与第一流导管153共轴并且所述多个通孔102流体连接第二流导管155和混合导管100的内体积107。混合导管100至少定义由导管壁154和155形成的环形腔的内壁，其中该环形腔与混合导管100的一个或多个喷射口流体连通。混合流157从与混合导管100共轴的第一流导管153的出口端158离开。
混合导管100从第二流导管155中分离出第一流导管153从而第二流104能够经混合导管100中的所述多个通孔102仅与第二流105混合。第一流105从第一流导管153的进口端152进入混合导管100，通过所述多个辐条103，然后与经所述多个通孔102从第二导管155进入混合导管100的第二流104混合。混合流157从出口端158离开混合导管100。在一种实施方式中在第一流导管153内的流动区域可变化，以赋予例如降低的和扩展的流动分布。
应注意混合导管100可与其它混合设备一起使用。各种混合导管可与本发明的静态混合器一起使用。
图4A-4D示意性说明了具有以不同角度安装的各种障碍物的混合导管的各种实施方式。
图4A示出了与图2A的混合导管类似的混合导管100a。混合导管100a具有多个与平面110平行安装的辐条103a，平面110与混合导管100a的中心轴106垂直。图4B示出了具有多个以相对于平面110成角度α安装的辐条103b的混合导管100b。所述多个辐条103b的末端朝向下游方向成一角度放置。图4C示出了具有多个以相对于平面110成角度β安装的辐条103c的混合导管100c。所述多个辐条103d的末端朝向上游方向成一角度放置。图4D示出了具有多个相对平面110安装的弯曲辐条103d的混合导管100d。所述多个辐条103d朝向在导管100d的外区域的上游方向成一角度放置并且朝向靠近导管100d的中心的下游方向成一角度放置。角度取向以及障碍物的形状可进一步在第一流与第二流之间提供改善的横截面相互作用。
图5A-5G示意性说明了用于根据本发明实施方式的混合导管的辐条的各种实施方式。各图5A-5G包括辐条的剖面图和顶视图。图5A示出了具有圆形横截面和局部锥形端的辐条203a。图5B示出了具有椭圆形横截面和局部锥形端但无头的辐条203b。图5C示出了具有三角形横截面的辐条203c。图5D示出了具有菱形横截面的辐条203d。图5E示出了具有菱形横截面(风筝型)但无任何锥形端的辐条203e。图5F示出了具有泪滴型横截面和完全锥形的辐条203f。图5G示出了具有椭圆形横截面的辐条203g，辐条203f的内端大于外端。
图6A-6D示意性说明了用于在根据本发明实施方式的混合导管中安装障碍物的各种机件。在图6A中，辐条103是简单地插入混合导管100的侧壁101中并且固定在那里。辐条103在与图2A的混合导管100相连的一端(103b)上具有增大的直径以避免其移入混合导管100中。在图6B中，所述多个辐条103与在混合导管100中的中心环111偶联。中心环111使所述多个辐条103保持在其位置上。在一种实施方式中，中心环111可以是如图7B中所示的中心盘。在图6C中，在混合导管100内的两个同轴中心环111、112用于固定所述多个辐条103。在图6D中，置于侧壁101之外的保持环113用于避免辐条103跳出混合导管100。
图7A-7C示意性说明了根据本发明实施方式的在中心轴附近具有各种构造的混合导管。
图7A示出了具有多个置于多个通孔202的上游的辐条203的混合导管200a。辐条203未抵达混合导管200a的中心轴206，从而在混合导管200a的中央附近留下圆形间隙210。错流205在混合导管200a的中心的附近没有障碍物。
图7B示出了混合导管200b在混合导管200b的中心的附近具有固定至所述多个辐条203上的圆盘211。混合导管200b的侧视图示于图8A中。圆盘211不但固定辐条203而且向错流205提供额外的障碍物。由于在混合导管200b中的横截面积减小，来自圆盘211的障碍物进一步提高错流205的速度。圆盘211还造成错流205在中心轴206的附近不足，从而在来自通孔202的流动不能抵达中心轴206的情形中改善混合。在一种实施方式中，保持环213布置在混合导管200b的圆柱形壁201之外用于固定辐条203。
图7C示出了在混合导管200c的中心的附近具有固定在所述多个辐条203上的流线型轴向流动障碍物或者鱼雷形部件212的混合导管200c。鱼雷形部件212可具有圆柱形中间区和锥形端。鱼雷形部件212提供与图7B中的圆盘211相同的功能。此外，鱼雷形部件212沿着混合条件200c的纵轴还提供障碍物，从而来自辐条203和鱼雷形部件212的障碍效果向下游进一步延伸。鱼雷形部件设计的进一步描述可参见2010年3月16日提交的具有部分共同发明人的美国专利申请12/725,262，该申请引入本文作为参考。
图8A-8C示意性说明了根据本发明实施方式的各种混合导管，其具有与障碍物偶联的中心圆盘。当使用中心圆盘诸如图8A和7B中的圆盘211时，各种辐条可用于提供定制的功能。在图8A中，在混合导管200b中具有锥形的直辐条2031与圆盘211偶联。在图8B中，在混合导管200c中使用弯曲叶片2032。在图8C中，扩散和收缩叶片2033用于混合导管200d。这些叶片起着流动导向的作用并可设计为提供有利的速度分布。
图9示意性说明了根据本发明一种实施方式的具有复杂障碍物的混合导管300。两组或更多组辐条可用于混合导管300中。如图9中所示，两组辐条303a、303b布置于穿过混合导管300的侧壁301形成的多个通孔302的上游。在一种实施方式中，各辐条303a、303b可与各个通孔302对齐。在另一实施方式中，辐条303a、303b可以使得这些辐条不完全相对于彼此对齐。在进一步的实施方式中，所述组的辐条在形状和/或尺寸上不同。
上述辐条的实施方式可与各种通孔设计组合使用。图10A-10D示意性说明了根据本发明实施方式的具有复杂喷射口的混合导管。
图10A示意性说明了具有多个位于两组通孔402a、402b的上游的辐条403的混合导管400a的剖面图。通孔402a位于通孔402b的上游，其可用于冷却和/或用溶剂或用主流中的组分稀释第二流。错流405将与来自分别在不同的纵向位置的通孔402a、402b的两组喷射流411、412混合。所述多个辐条403向这两组通孔402a、402b均提供障碍。
图10B示意性说明了具有多个位于两组通孔402c、402d的上游的辐条403的混合导管400b的剖面图。在通孔402d内形成通孔402c。来自通孔402c的喷射流413可具有与来自通孔402d的喷射流414不同的流速，其可用于冷却和/或用溶剂或用主流中的组分稀释第二流。错流405将与在基本上相同纵向位置的两组喷射流413、414混合。所述多个辐条403向这两组通孔402c、402d均提供障碍。
图10C示意性说明了具有多个位于多个通孔402e的上游的辐条403的混合导管400c的剖面图，通孔402e相对于与混合导管400c的中心轴406垂直的平面410成一定角度。
图10D示意性说明了具有多个位于两组通孔402e、402f的上游的辐条403的混合导管400d的剖面图。混合导管400d与混合导管400a类似，不同的是通孔402e和402f以不同角度倾斜。
可与本文所述障碍物组合的其它喷射口的具体描述可参见2010年3月16日提交的至少部分共同发明人的美国专利申请12/725,266，该专利申请并入本文作为参考。
实施例
本发明的实施方式用于MDI制造工艺中混合作为第一流的光气与作为第二流的胺。静态混合器的性能通过不期望的副产物诸如脲酮亚胺的水平和静态混合器中的压力损失来决定。在一种实施方式中，第二流包括亚甲基二苯基二胺、甲苯二胺和己二胺中的至少一种。根据本发明实施方式的具有流动障碍物的混合导管改变了第一流中的速度分布，使得形成的脲、碳二亚胺和脲酮亚胺的量少于在内体积中未布置障碍物的方法。几种混合器的性能比较在表1中给出。
对于表1中示出的混合器，胺喷射口的数量、尺寸和形状保持恒定。选项1代表没有上游流动障碍物的现有技术，如图1中所示。选项2代表图7B中所示的混合器。选项2降低了不期望的副产物脲酮亚胺，与选项1相比错流光气流料的压力损失仅有少许变化。选项3代表图7A中所示的设计。选项3具有较少的脲酮亚胺水平改善，但是压力降的变化也较小。选项4是图2A-2B中所示的长钉混合器。选项4导致较高的脲酮亚胺降低，与前面的选项2和3相比。选项5代表图7C中所示的设计。由于中央错流的主导性障碍，选项5给出最低的脲酮亚胺而且还具有最好的光气压力降。
表1：选择性和压力降的相对比较
Figure BDA00002979903300091
尽管以上涉及了本发明的实施方式，但是在不脱离本发明的基本范围的情况下可设计本发明的其它和进一步的实施方式。

Claims (17)

1.混合导管，其包括：
限定内体积的圆柱形侧壁，其中穿过所述圆柱形侧壁形成一个或多个喷射口，并且所述一个或多个喷射口与该内体积相连；以及
置于所述内体积中的一个或多个流动障碍物，其中各流动障碍物在上游与相关的通孔对齐。
2.权利要求1的混合导管，其中所述一个或多个喷射口包括沿着圆柱形侧壁的圆周形成的多个通孔，并且所述一个或多个流动障碍物包括多个沿着所述圆柱形侧壁的圆周插入内体积的辐条。
3.权利要求2的混合导管，其中各辐条的剖面形状为圆形、椭圆形、三角形、菱形、不对称菱形或泪滴型中的一种。
4.权利要求2或3的混合导管，其中各辐条为锥形，其具有与圆柱形侧壁偶联的大端和靠近混合导管的中心轴的小端。
5.权利要求2-4中任一项的混合导管，其中所述多个辐条和与圆柱形侧壁基本上同心的盘偶联。
6.权利要求2-4中任一项的混合导管，其中所述多个辐条和一个或多个与圆柱形侧壁基本上同心的环偶联。
7.权利要求2-4中任一项的混合导管，其中所述多个辐条与沿着混合导管的中心轴布置的鱼雷形部件偶联。
8.权利要求1-7中任一项的混合导管，其中各喷射口包括锥形通孔，其具有在混合导管外侧的大开口和在混合导管内侧的小开口。
9.权利要求1-7中任一项的混合导管，其中额外的喷射口置于所述多个喷射口中的每一个在圆柱形侧壁的纵轴的下游的相邻处。
10.权利要求1-7中任一项的混合导管，其中各喷射口包括同中心布置的两个通孔。
11.权利要求1-10中任一项的混合导管，其中各喷射口包括相对于与混合导管的纵轴垂直的平面成一定角度倾斜的通孔。
12.权利要求1-11中任一项的混合导管，其中所述一个或多个障碍物相对于与混合导管的纵轴垂直的平面成一定角度安装。
13.静态混合器，其包括：
定义一个或多个环形腔外壁的一个或多个流体接收导管；以及
置于定义至少一个环形腔内壁的第一导管中的权利要求1-12中任一项的混合导管，其中所述环形腔与所述混合导管的一个或多个喷射口流体连通。
14.一种混合方法，其包括：
使第一流沿着权利要求1-13中任一项的混合导管的经度流动，其中所述混合导管的一个或多个障碍物位于所述混合导管的一个或多个喷射口的上游；以及
使第二流流经权利要求1-13中任一项的混合导管的一个或多个喷射口。
15.权利要求14的方法，其中第一流包括光气，第二流包括胺。
16.权利要求15的方法，其中第二流包括亚甲基二苯基二胺、甲苯二胺和己二胺中的至少一种。
17.权利要求13-16中任一项的方法，其中置于内体积中的一个或多个流动障碍物改变第一流中的速度分布，使得形成的脲、碳二亚胺和脲酮亚胺的量低于在内体积中未布置障碍物的方法中的量。
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