CN103402618B - 用于混合两种流体流动的方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于混合一种流体流动与另一流体流动的装置，其包括引导流体流动经过的管道(32)。在所述管道内设置至少两个用于引导流体流动的分布器(31)。管道壳中钻孔(33)使得所述分布器设置成为可能，并且所述分布器具有自由流动截面，其沿着流体主要流动方向恒定或连续减小，并且所述分布器具有一排或多排用于将第二流体引导至所述流体中的孔。

Description

用于混合两种流体流动的方法和装置

本申请通过引用包括2011年3月1日提交的美国临时申请61/447721。

本发明涉及一种用于混合两种流体料流(1)和(2)的改进装置以及一种使用本发明装置混合两种流体料流的方法。此外，还涉及一种使用本发明装置生产己二酸的改进方法。

混合两种流体料流的许多技术方案是已知的。就本发明而言，流体料流在该情况下通常应理解为是指在普通条件下以液体或气体形式存在的物质料流，其中普通条件能够由于广泛不同的技术应用而在通常相关参数如压力或温度方面明显改变。在该情况下，流体料流也可由多种不同物质的混合物构成，所述物质全部处于相同的聚体状态(液态或气态)。因此，例如液体原料借助以交叉流动安装的管道和环形分布器在连续-通流反应器几何结构中混合。其他已知的方案为T形管、静态混合器或多个分布器组合(Paul，E.L.，Handbook of Industrial Mixing，Jon Wiley&Sons，2004，第391–452页)。DE102008037374A1描述了一种环形分布器，其中带孔的磁环(toridal ring)在燃气喷嘴中用于混合多股气体料流。

如果要求一种原料(流体)的量大于其他原料(流体)，则具有最大体积流动的原料(下文称为流体料流(1))通常在管线几何结构中供入反应部分，而较小原料体积流动随后以交叉流动添加，例如借助插入式管道分布器添加，如图1以图解示出(下文称为流体料流(2))。这里可看到的是穿过管道(11)的截面，其中安装带有用于分布第二流体料流的钻孔的喷杆(12)。已知的管道或环形分布器大部分包含圆形截面，其带有一排或多排用于分布待混入主要料流中的体积流动的孔。为了确保液体体积流动均匀分配至所有孔，管道分布器与孔面积总和的截面之比必须足够高(Perry’s ChemicalEngineers Handbook，第8版，Mc Graw Hill，2008，第6-32–6-33页)。否则，沿着分布器流动方向逐个孔减小的质量流动提高了分布器中静压和由此对于孔流出物的可获得的推进力。相比于进一步位于分布器上游的孔，这导致位于下游的孔的优选通流，当沿着流动方向观察时。

就管道分布器而言，已知可能性为在分布器管道中流动截面的不连续改变，使得静压沿着流送管尽可能保持恒定。这示于图2中。箭头代表流体流动方向，并且可看到沿着流动方向流动截面减小。

此外，已知的是改变孔径，而分布器截面面积恒定，使得孔压力损失同样沿着流动方向提高，相当于分布器管道中静压提高。这也可以狭缝形式实现，其宽度可在长度范围内改变。另一常规替代在于改变与分布器邻接的侧管的长径比，使得侧管中压力损失适应主管中静压的提高(Chen，A.W.Sparrow，E.M.，Journal Fluid.Eng.，第131卷2009，第1-9页)。

如果待混合流体参与放热反应，则分布器几何结构的体积尽可能低基本上是有利的。由于通常不能防止回流至分布器几何结构中和原料的不可控反应，有利的是限制分布器反应体积直到下一上游安全装置(例如止逆阀)。

DE102007054770A1描述了一种在载液中空截面，尤其是载水管线中的设置，其中安装排出器其限制液体可用的截面。从而要提高在温度诱导的流体体积改变(固化/冷冻)的情况下管线的稳定性。

EP1354866B1描述了一种生产烷烃二羧酸的方法，其中使用混合装置(权利要求1)。

然而，已知的混合装置具有缺点。因此，不理想的不均匀性反复出现在两种流体混合期间，并且为了实现满意的分布作用，需要施加较高的体积-比压损失，其对混合方法的有效性不利。就本发明而言，分布作用应理解为是指经由分布器涌入另一空间的流体的浓度分布的宽度，相对于理想完全混合状态的平均值。为了描述浓度分布的宽度，通常使用标准偏差。良好的分布作用表示在特定位置具有小的浓度分布宽度的状态，相对于理想完全混合状态的平均值，即低的标准偏差。通常认为相对于平均值90–95%的标准偏差是完全混合的。取决于混合任务，甚至更低标准偏差(<90%)对于具有分布器的管道截面也可能是足够的。在湍流管道流动的情况下，由于湍流旋涡构造和流动中扩散过程，额外完全混合发生在分布器下游。则认为混合任务是两阶段过程。其包括一方面在具有分布器的管道截面上预混合流体和另一方面在管道中随后湍流混合。已知的是，在良好预分布下，可改进在管道流动中随后湍流混合过程，使得为了实现良好完全混合需要较短管道长度。为了良好预混合，从分布器涌出的流体应直接覆盖尽可能大的管道截面比例，当沿着径向观察时。

为了实现较低压力损失，需要设计已知的混合装置使得分布器内体积填充有待混合流体(2)，但这同样对混合方法具有不利影响。

因此，所设定的目的在于找到一种用于混合两种流体料流的改进装置，其避免所述缺点并允许就工艺工程而言简单和有效的混合以及高的分布作用。此外，要提供混合两种流体料流的改进方法。

因此，找到一种用于混合流体料流(1)与流体料流(2)的装置，其包括流体料流(1)经由其输送的管道，其中在管道内设置至少两个用于输送流体料流(2)的分布器，管道壳中钻孔使得该分布器设置成为可能，并且这些分布器具有自由流动截面，当沿着流体(2)主要流动方向观察时，其恒定或连续减小，并且分布器具有一排或多排用于将流体(2)输送至流体(1)中的孔。分布器的入口位置优选设置在与管道纵轴垂直的平面中，或尤其优选使得彼此偏离至多高达五倍管道直径的距离。

借助径向伸向其中输送流体(1)的管道中的至少两个分布器的本发明设置，可实现良好的分布作用以及较低的体积-比压损失。为了更详细解释，参照图3，其例如示出装置的发明实施方案。此处可看到的是穿过管道(32)的断面，所述管道载有流体(1)，并且三个分布器(31)径向伸向其中，其中分布器具有钻孔，供应至分布器的流体(2)通过所述钻孔与流体(1)在管道(32)的内部空间混合。与图1中示出的装置相比，当本发明装置在操作中时，可有利地实现正如在较低体积-比压损失情况下一样好的分布作用或实现在相同体积-比压损失情况下更好的分布作用，其结果是操作本发明装置证实显著地更有效。该显著的积极效果也可归因于如下事实：在图3中示出的装置中，三个分布器从外侧独立地对流体2起作用，并且由于该按比例地分配物质料流，需要覆盖通过各排孔的更短距离，结果是可以在更低的压力损失下实现所需的分布作用。

本发明装置适用于混合最不同的可能流体料流。因此，例如，可彼此混合多种气态流体或呈液体聚集状态的流体。优选其中经由分布器将一股或多股较小流体料流(2)混入较大流体料流(1)中的定量比。优选流体料流(2)与流体料流(1)的体积比为0.001–1。尤其优选0.01–0.5的范围。优选的物质组为含水或非水无机或有机酸和碱液以及短链、芳族、环状和脂环族烃和金属催化剂，有机金属催化剂或有机催化剂。优选彼此反应而同时放热的流体。尤其优选与氧化剂反应使得发生氧化反应同时放热的环己烷衍生物。该反应的原料可已经存在于流体料流之一中。尤其优选水、硝酸、环己醇、环己酮以及铜和钒催化剂，其在放热同时一起反应以形成己二酸以及戊二酸和琥珀酸。在该情况下，优选地，环己醇/环己酮料流为较小量的流体料流(2)，含水硝酸料流以及铜和钒催化剂为较大流体料流(1)，定量比在上文给出。

根据本发明使用的分布器具有锐孔，供应的流体(2)可通过所述锐孔涌出。这些优选为圆形孔，其以一排或多排形式沿着分布器设置。这些锐孔的直径相对于分布器的入口直径优选为0.001-0.5，尤其优选0.05-0.2。尤其推荐3-8排孔，结果是可实现分布的进一步均等化。

分布器的自由流动截面应理解为是指当流体(2)流经分布器时可获得的截面面积。该截面面积可为恒定的或可变的，当沿着流体(2)流动方向观察时。分布器的优选实施方案可在图4中看到。这里，分布器(41)具有连续渐缩的截面(42)。此外，可看到锐孔(47)(孔)，供应的流体可经其流出。安装在分布器中的排出器也可导致自由流动截面减小。这示于图5中。这里可看到在内部具有排出器(52)的分布器(51)。由于渐缩的截面，有利地，由于逐个孔减小的质量流动导致的推进压力差提高(不在该措施下发生)正好被保留在分布器中的质量流动的速率提高补偿。沿着流动方向的分布器中流速提高可通过不带排出器的圆锥形分布器，通过带圆锥形排出器的圆柱形分布器，通过带圆柱形排出器的圆锥形分布器或通过带圆锥形排出器的圆锥形分布器实现。在圆锥形分布器的情况下，沿着流动方向的截面面积减小是有利的。分布器中截面面积可优选为环形的。排出器可在分布器的整个长度或仅一部分范围内延伸。优选地，在伸向管道中的分布器情况下，自由流动截面连续减小，当沿着流体(2)的主要流动方向观察时，该减小可通过不同措施实现。在该情况下推荐使用具有圆形截面的分布器，所述截面优选相同或减小，当沿着流体(2)的主要流动方向观察时。自由流动截面在该情况下可在分布器内形成环形间隙。

定义和优选范围：

分布器的优选实施方案具有直的或弯曲的几何结构，在该情况下还尤其优选圆柱形或圆锥形几何结构。对于优选实施方案，作出以下定义，由此不明确描述具有椭圆形或矩形截面的实施方案。

就本发明而言，体积-比压损失应理解为是指就流经分布器的流体料流而言相对于分布器上圆柱形体积元件的自由体积的压力损失，具有如下定义：

在图3中，在分布器和管道(33)共界面处的分布器直径在下文由符号D₀表示。在入口截面处指定相应面积。所包括的流体体积V_F位于分布器中。分布器中的流体体积定义为流体(2)的体积，在孔关闭下，其占据分布器中可获得的容积，直至入口截面。

管道(32)示于图3中。相应直径在下文由D_R表示。通过体积比定义，使未被分布器覆盖且位于具有长度D₀和直径D_R的圆柱形管道元件中的主要流动中的流体的自由体积与不带分布器的相同管道组件的总体积有关。

体积比ε按如下定义：

$\mathrm{\&epsiv;}=\frac{\frac{{{\mathrm{\&pi;D}}_R}^2}{4}{D}_0-V_F}{\frac{{{\mathrm{\&pi;D}}_R}^2}{4}{D}_0}$

为了描述有利的几何结构和体积-比压损失，无因次的特性数DPV定义为：

$\mathrm{DPV}=\frac{\mathrm{\&zeta;}}{\mathrm{\&epsiv;}}.$

压力损失

${\mathrm{\&Delta;p}}_v=\mathrm{\&zeta;}\frac{\mathrm{\&rho;}}{2}{v}^2$

流体(2)的密度             ρ

压力损失系数              ζ

入口截面中流体(2)的速率   v

在相同地将体积流动分配至所有孔下，当DPV值低时，分布器是有利的。相比于在具有较高DPV值的分布器中，在具有低DPV值的分布器中更有效地利用将体积流动均匀分配至分布器各个孔所需的能量，相对于分布器的自由体积。

在图4示出的分布器中，示出了入口截面的边界(43)与分布器末端(44)之间的长度，并且在下文由L₁表示。

L_M为分布器长度，用管道直径标准化：

$L_M=\frac{L_1}{D_R}$

分布器的优选长度相对于管道直径为0.05-1，尤其优选0.1-0.5。

D_0,M为入口截面中的分布器直径，用管道直径标准化。

$D_{0,M}=\frac{D_0}{D_R}$

分布器的优选标准化直径相对于管道直径为0.005-0.5，尤其优选0.01-0.2。

图4中示出的分布器末端(44)的直径在下文由D₁表示。无因次的圆锥/直径比为末端直径与分布器开端(43)处的入口直径之比：

$D_{1,M}=\frac{D_1}{D_0}$

分布器的优选圆锥/直径比为0-1，尤其优选0.25-1。

在图7中示出的分布器中，提供排出器(71)。这在分布器入口截面(73)处具有直径D_0,K。排出器的末端(72)处的直径由D_1,K表示。开端(73)与末端(72)之间的长度由L_1,K表示。标准化的排出器长度为：

$L_K=\frac{L_{1,K}}{L_1}$

优选的排出器长度为0.1-1，尤其优选0.3-1。

D_0,K为入口截面中排出器的外径。D_KM为排出器与分布器的直径比：

$D_{\mathrm{KM}}=\frac{D_{0,K}}{D_0}$

排出器与分布器的优选直径比为0-0.95，尤其优选0-0.7。

D_1,K为在距入口截面最远端的排出器的直径。排出器的标准化直径比为：

$D_K=\frac{D_{0,K}}{D_{1,K}}$

排出器的直径比优选为0.1-1，尤其优选0.3-1。

尤其优选圆锥形式的分布器。在该情况下，尤其优选圆柱形排出器可存在于分布器中入口截面上游的流动截面中。此外，尤其优选具有圆锥形排出器的圆柱形分布器几何结构，如图7中所示，其中末端直径(72)大于开端直径(71)。

在优选的实施方案中，在垂直于管道纵轴的平面内设置分布器在管道中的入口位置。该变型例如可由图3看到。在该情况下，入口位置应理解为是指分布器的截面面积的重力面积中心，与管道(32)的表面积在同一水平面上。在此处示出的分布器情况下，在圆形截面面积下，重力面积中心例如位于该圆形面积中心，并且这些重力面积中心之和由此位于通过分布器的纵向中轴上，如通过草图箭头延长至分布器中所形成的那样。入口位置由此位于该轴与管道表面积(32)的界面处，并且此处在图3中示出的三个入口位置位于一个平面中。由于在一个平面中的设置，分布器是直接邻近的，并且可由此确保短时间内管道(32)整个截面上快速和有效的混合。当分布器的入口位置或分布器在管道中实际上设置在与管道纵轴垂直的平面内时，该效果尤其突出。然而，一定程度上的“偏离”也导致非常好的结果，并且根据本发明，相对于管道(32)的纵轴在纵轴上偏移至多1.5倍管道(32)的水力直径的入口位置也作为“位于一个平面中”包括在本发明中。在该情况下，水力直径应理解为是指四倍流体截面与被流体润湿的周长的商。在圆形管道(32)的情况下，水力直径相当于管道直径。对于管道(32)的其他几何结构如具有矩形截面的管，水力直径可容易地确定。

例如如图3中示出，本发明分布器伸向管道(32)中。与已知的环形分布器相比，该原理提供优点，因为例如它们可借助连接组件简单地引入管道中。就工艺工程、维护以及改型而言的容易安装由此也是可以的。优选3-5个分布器伸向管道中，优选至少一个分布器在其内部具有排出器。

为了确保有效和均匀分布，尤其推荐3-5个分布器。尤其推荐设置它们使得在管道圆周上均匀分布，以进一步提高完全混合的均匀性。

在分布器中提供的用于分布流体(2)的孔可具有圆形、椭圆形或矩形设计或可以狭缝形式设计。

如图4所示出，引入孔间距(48)作为两个相邻锐孔(47)的中心间距。其在下文用孔径标准化并由变量s_L表示。对于圆孔，由孔间距和孔径产生的长度比s_L优选为0.1-10，尤其优选0.2-1.5。

分布器的中轴(45)和孔的中轴(46)示于图4中。孔的中轴(46)可沿着分布器的中轴(44)的法线方向设置或可偏离其特定倾斜角度的量，下文称为指定α_L。在中轴(45)和中轴(46)之间形成的角优选为90-300°，尤其优选90-70°。

孔径相对于分布器直径D₀优选为0.01-0.5，尤其优选0.05-0.2。尤其优选孔具有圆形截面或至少一个相同面积的狭缝，沿着纵轴设置，具有与在带孔的设置情况下相同的作为与入口截面间隔的长度的函数的截面面积分布。孔径可优选沿着至少一个分布器在一排孔内改变，当沿着流体(2)的流动方向观察时。优选其中孔的孔径相对于下一上游直接相邻孔的孔径至多改变0.5-1.5倍，尤其优选0.8-1.2倍的变型。

如上所述，分布器的入口位置以根据本发明限定的方式位于一个平面中。如图3所示，则分布器就其纵轴而言可成直线地伸入管道(32)中。

另一优选实施方案示于图6中。此处，伸向管道(62)中的分布器(61)具有弯曲几何结构，在尤其优选的实施方案中，分布器的曲率应以如下的方式构造：就上述定义的特性变量(重力面积中心)而言，在与管道(62)的纵轴垂直的平面中，在整个圆周上设置分布器，即不仅相对于在管道(62)中的入口位置。

如它们所伸向的管道一样，分布器优选具有圆形截面。然而，也可使用其他几何结构如矩形截面或其他形式。

与现有技术相比，本发明装置具有更低的体积-比压损失或在所给定义下更低DPV值。

本发明装置提供就工艺工程而言简单的混合两种或更多种流体的有效方式。这里可实现高的分布作用和良好完全混合以及较低的体积-比压损失。所述装置可有利地容易地安装和维护。

实施例

将根据已知现有技术的非本发明装置和本发明装置彼此对比。将相同量和相同流体供入两种装置。在该情况下，以如下设计标准为基础，以确保装置就混合作用而言的可比性：无因次长度L_M、孔数量、孔间距和入口截面直径D₀对于两种装置是相同的。在分布器中流动和全部体积流动分配至各个孔期间的错误分布定义为与其中经过各孔的体积流动相同的理想分配状态的偏差。为了此处认为的混合成员的良好可比性，至各个孔的错误分布同样应相同。这根据现有和通常已知的现有技术计算(Perry’sChemical Engineers Handbook，第8版，Mc Graw Hill，2008，第6-32–6-33页)且规定为5%。孔径基于此而确定。在下文称为变型(1)的非本发明装置具有不带其他配件的圆柱形形式。在下文称为变型(2)的本发明装置具有圆柱形外形和圆锥形排出器。两种装置在每种情况下都具有在圆周上分布的4排孔和每排孔的31个孔。对于两种变型推定在每种情况下三个装置径向引入流体料流(1)中。可在制表结果中看到，在混合作用相同下，变型(2)就DPV值而言更有利，因为后者更低。

实施例的定义和有效性范围：

使用流体的粘度η，流体的密度ρ，分布器的入口直径D₀和入口截面中相应入口速率u₀，雷诺数Re按如下定义：

$\mathrm{Re}=\frac{{\mathrm{\&rho;u}}_0{D}_0}{\mathrm{\&eta;}}.$

上述实施例对于雷诺数Re高于2300的分布器的使用范围是有效的。

Claims (10)

1.一种用于混合流体料流1与流体料流2的装置，其包括流体料流1经由其输送的管道，其中在管道内设置3-5个用于输送流体料流2的分布器，所述分布器伸向管道中，其中分布器以围绕管道圆周均匀分布的方式设置，管道壳中钻孔使得该分布器设置成为可能，并且这些分布器具有自由流动截面，当沿着流体料流2主要流动方向观察时，其连续减小，并且分布器具有一排或多排用于将流体料流2输送至流体料流1中的孔。

2.根据权利要求1的装置，其中分布器在管道中的入口位置设置在与管道纵轴垂直的平面内。

3.根据权利要求2的装置，其中分布器设置在与管道纵轴垂直的平面内。

4.根据权利要求1的装置，其包括至少一个其中孔径在一排孔内改变的分布器，当沿着流体料流2的主要流动方向观察时。

5.根据权利要求2的装置，其包括至少一个其中孔径在一排孔内改变的分布器，当沿着流体料流2的主要流动方向观察时。

6.根据权利要求3的装置，其包括至少一个其中孔径在一排孔内改变的分布器，当沿着流体料流2的主要流动方向观察时。

7.根据权利要求1-6中任一项的装置，其中分布器具有圆形截面，其相同或减小，当沿着流体料流2的主要流动方向观察时。

8.根据权利要求1-6中任一项的装置，其中管道具有圆形截面。

9.根据权利要求7的装置，其中管道具有圆形截面。

10.一种混合两种流体料流1和2的方法，其中使用根据权利要求1-9中任一项的装置。