CN104010720A - 用于胺的光气化的高度隔离的喷射混合器 - Google Patents
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Abstract
本发明的实施方式提供了具有至少圆柱状内表面或圆柱状外表面和增加数目的喷射孔(102)的混合导管(100)。根据本发明的实施方式的混合导管改进了混合速度，从而减少了不期望的副产物的形成，而不会损失结构完整性。特别地，本发明的实施方式提供了具有基本上为圆形的混合导管(100)的静态混合器(150)，所述混合导管(100)具有超过约22个喷射孔。
Description
发明背景
技术领域
本发明的实施方式涉及用于混合流体组分(如在反应性化学过程中光气和胺的混合)的混合设备。
相关技术说明
常用混合装置的领域可以大致分为两个主要区域：动态或机械混合器和静态混合器。动态或机械混合器依靠的是某种类型的运动部件或某些类型的多个运动部件，以确保组分得到期望的或充分的混合。静态混合器通常不具有明显的运动部件，取而代之的是，其依靠所混合的流体内的压差和流型来促进混合。本申请的主要目的在于静态混合器，但也可以与动态混合器联用。
异氰酸酯是特征为N=C=O官能团的分子。最广泛使用的异氰酸酯是芳族化合物。商业上广泛生产两种芳族异氰酸酯，即甲苯二异氰酸酯(TDI)和亚甲基二苯基二异氰酸酯(MDI)。异氰酸酯可以与多元醇反应形成聚氨酯。主要的聚氨酯应用是硬质泡沫体(所述硬质泡沫体是良好的绝缘体，且大量地用于器械、汽车和建筑业中)和软质泡沫体(所述软质泡沫体可以用于褥垫和家具应用中)。此外，还广泛生产了脂族异氰酸酯(如六亚甲基二异氰酸酯)，并且将其用于特殊应用中，如耐磨损和抗UV的涂层。
光气和胺的混合在异氰酸酯的生产过程中是一个重要的步骤。异氰酸酯的产品质量和产率取决于包括两股连续反应物流料(即胺和光气)的混合和随后的反应过程的效率。次级反应(如光气化产物和胺之间反应形成脲和其它脲的衍生物)最终降低了生产过程的产率和质量。当需要制备异氰酸酯时，次级反应导致了不期望的产物(例如脲和脲的衍生物(如碳二亚胺和脲酮亚胺(uretonimines)))的产生。总的化学反应可描述如下：
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了主要反应的质量，但是光气与胺的比例的增加、胺在溶剂中的稀释、或有效的混合使不期望的副产物的形成最小化。一些不期望的副产物可以是固体，且与生产过程中采用的工艺设备的污垢有关。
因此，具有不适当混合的混合器设计可导致较低的期望产物的总产率，或者可产生会阻塞或弄脏反应器系统的产物，从而导致停机时间和/或增加的维修成本。
图1说明了圆柱状导管3的局部剖面透视图，其中光气流1从右至左地行进，将胺流2通过穿过圆柱状导管3的喷射孔4注入光气流1中。传统上，在导管3中仅制造了少量喷射孔4。然而，传统的静态混合物常常由于无效的混合而产生不期望的产物。
Zaby等(美国专利5,117,048)指出导管和喷射孔的直径限制了喷射孔的数目，其提供了具有6至12个喷射孔的导管(权利要求9和实施例1-6)。Shang等(美国公开2011/0124907)教导了具有2至20个喷射孔的圆柱状导管(权利要求2)。
Ding等(美国公开2008/0159065)教导了具有22、24或52个喷射孔的矩形导管(图4-6，实施例1-4)。Ding指出，使用具有大纵横比的矩形导管(其中横截面的一个尺寸显著大于其它尺寸)可以容纳上述数目的喷射孔，从而改进射流的混合。然而，由于光气导管的内部和外部之间的高压差以及在弯曲处的大量结构应力使得需要相当厚的混合导管，所以矩形导管对于安装是不实用的。
具有如下所述的静态混合器是合乎期望的：其改进了光气和胺的混合，从而限制了不期望产物的制备。
发明概述
本发明的实施方式涉及可以单独使用或与动态混合器联用的静态混合设备。
静态混合设备的一种实施方式提供了混合导管。混合导管包含围绕着轴且沿着所述轴包封内体积的侧壁。所述内体积在相对的末端上具有两个孔，使得轴向流沿着所述轴进入和离开所述内体积。所述侧壁具有面向内体积的内表面和面向外部的外表面。所述内表面的横截面和所述外表面的横截面中的至少一个是圆形的。在垂直于所述轴的平面中形成了穿过侧壁的多个喷射孔。多个喷射孔使得侧向流流入内体积中，所述多个喷射孔的数目大于20。
另一本发明的实施方式提供了静态混合器，其包含根据本发明的实施方式的混合导管。
附图说明
为了可以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文简要概述的本发明，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典型实施方式，因此不应认为其限制了本发明的范围，因为本发明可允许其它等效的实施方式。
图1示意性的说明了在用于混合光气和胺的现有技术的典型静态混合器中的流动排布。
图2是根据本发明的一种实施方式的静态混合器的剖视图。
图3A是根据本发明的一种实施方式的混合导管的剖视图。
图3B是图3A的混合导管的侧视图。
图4是展示图2中所示的静态混合器的模拟的混合器性能的图。
图5是根据本发明的另一实施方式的静态混合器的剖视图。
图6是展示图5中所示的静态混合物的预测的模拟混合器性能的图。
图7是根据本发明的一种实施方式的混合导管的剖视图。
图8是根据本发明的另一实施方式的混合导管的剖视图。
图9是根据本发明的另一实施方式的混合导管的剖视图。
为了便于理解，已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特殊说明的情况下可有利地用于其它实施方式中。
具体说明
本发明的实施方式涉及在涉及或不涉及化学反应的应用中用于混合各组分的静态混合设备，其中混合是决速步，可能引起不期望的副产物的形成。本发明的实施方式提供了用于在高反应性化学反应进行期间混合流体组分(如光气和胺)的混合设备。
当第一流通过混合导管并且与经一个或多个穿过混合导管而形成的喷射孔注入混合导管中的第二流相交时，本发明的实施方式在第一流(通常是主错流(main cross-flow))中产生了速度分布。
本发明的实施方式提供了具有至少圆柱状内表面和/或圆柱状外表面和增加数目的喷射孔的混合导管。根据本发明的实施方式的混合导管改进了混合速度，从而减少了不期望的副产物的形成，而不损失结构完整性。具体地，本发明的实施方式提供了具有基本上为圆形的混合导管的静态混合器，所述混合导管具有超过约20个喷射孔。
图2是根据本发明的一种实施方式的静态混合器150的剖视图。静态混合器150包含限定了内体积154的第一流导管153，其使得第一流105沿着纵轴156流过。在一种实施方式中，第一流导管153包含入口端152和出口端158。
在第一流导管153的入口端152和出口端158之间连结混合导管100。混合导管100包含围绕中心轴103的侧壁101。定位混合导管100，以使得中心轴103与第一流导管153的纵轴156重合。侧壁101限定了与第一流导管153的内体积154同轴的内体积107。形成穿过侧壁101的多个喷射孔102，所述多个喷射孔102使混合导管100的内体积107与混合导管100的外部流体连通。
将第二流导管155与第一流导管153连接。使第二流导管155连结第一流导管153的入口端152和出口端158，第二流导管155限定了包围混合导管100的环形腔159。环形腔159使得第二流104通过多个喷射孔102进入混合导管100的内体积107，与第一流105混合。
第一流105进入静态混合器150，其从入口端152通过内体积154流向出口端158。第二流104在第二流导管155的入口108处进入静态混合器150，流向环形腔159，随后进入混合导管100的内体积107，从而通过多个喷射孔102与第一流105混合。混合流157通过第一流导管153的出口端158离开静态混合器150。
混合导管100隔离了第一流导管153与第二流导管155，以使得第二流104可以仅与第一流105通过在混合导管100中的多个喷射孔102混合。可以设计混合导管100的参数和结构，以获得期望的混合结果。
图3A是根据本发明的一种实施方式的混合导管100的剖视图。图3B是混合导管100的侧视图。混合导管100的侧壁101包围了中心轴103，形成了内体积107。侧壁101是关于中心轴103旋转对称的，从而使得侧壁101的强度最大化，而无需增加侧壁101的厚度来经受在操作期间承载于侧壁101上的径向应力和轴向应力，例如，在图2的静态混合器150中，由第一流105和第二流104之间的压差引起的对侧壁101的应力。在一种实施方式中，侧壁101具有基本上为圆形的横截面，内体积107为圆柱体体积。在一种实施方式中，内表面111和外表面112中的至少一个具有圆形横截面。
形成穿过侧壁101的多个喷射孔102。在一种实施方式中，多个喷射孔102沿侧壁101均匀地分布于基本上与中心轴103垂直的平面113中。每个喷射孔102可以是圆形的、椭圆形的、多边形的、或其它合适的形状。每个喷射孔102具有在外表面112上的第一端102a和在内表面111上的第二端102b。在一种实施方式中，每个喷射孔102的第一端102a和第二端102b具有相同的形状，从而提供了圆柱状的孔。在可替换的实施方式中，每个喷射孔102可以是锥形的，其具有宽于第二端102b的第一端102a。
设定喷射孔102的数目，以获得改进的混合结果和减少不期望的副产物。多种参数可以影响喷射孔102的数目，如混合导管100的直径、进入混合导管100的第一流105的平均速度、以及第一流105和第二流104的流速之比。当将混合导管100用于光气化过程中时，用于胺流的喷射孔102的数目可以受多种因素影响，如用于进入光气的管道的直径、光气的平均速度、和胺/光气流速之比。
根据本发明的一种实施方式，在相同的流速下，可以通过增加喷射孔102的数目来改进静态混合器(如静态混合器150)的性能。通过喷射孔102的压力下降与这些孔的总横截面面积紧密相关。可以通过在增加喷射孔102的数目时减少喷射孔尺寸，来保持压差。通过产率损失(或不期望的副产物的百分数)来测量静态混合器150的性能。不意图受理论约束，第二物料流的较小物料流(通过较多的喷射孔获得)与第一物料流的混合快于第二物料流的较大物料流与第一物料流的混合。
然而，机械完整性和污垢问题可能将喷射孔限制在合理的数目之内。例如，喷射孔102的数目可能受侧壁101的几何结构限制。在一种实施方式中，各喷射孔102的第一端102a具有宽度115，相邻的喷射孔102彼此相距距离114。随着喷射孔102的数目的增加，距离114与宽度115的比例减少。距离114与宽度115的比例需保持在高于一定数值，以确保混合导管100在结构上是完好的。基于用于构建导管100的材料的强度来确定该比例。
可替换地，可以根据内体积107的横截面面积和多个喷射孔102的总横截面面积来确定喷射孔102的数目。最大化多个喷射孔102的数目，以保持多个喷射孔102的总横截面面积与内体积107的横截面面积的比例。
根据本发明的实施方式，喷射孔102的数目为约22。在另一实施方式中，喷射孔102的数目为至少24。在一种实施方式中，喷射孔102的数目为约24至约32。在另一实施方式中，喷射孔的数目为约28。图4是显示与图2中所示的静态混合器150类似的静态混合器的模拟的混合器性能的图。该模拟是基于计算机模型，已通过与实验数据的比较验证了所述计算机模型。所模拟的过程是光气和胺的混合过程，其中光气流进入第一流导管153，胺流进入第二流导管155，胺流与光气流通过多个喷射孔102混合。在模拟过程中，评定了具有混合导管100的静态混合器150的性能，所述混合导管100具有在圆柱状侧壁上形成的不同数目的喷射孔102。当喷射孔102的数目变化时，所有的混合过程参数、光气和胺的流速、多个喷射孔102的总横截面面积、工艺物料流的温度保持不变。
x轴表示喷射孔的数目。y轴表示在不期望的副产物的标准速率中混合器的模拟的性能。y轴中的较小值表示较优的性能。
如图4中所示，随着喷射孔102的数目由16增至28，模拟的静态混合器性能得到改进。随着喷射孔102的数目增至32，静态混合器的性能下降。图4中的模拟结果表明对于圆柱状混合导管，可以通过将喷射孔的数目增加到约24至28，来获得改进的混合性能。该结果不能由现有技术得到启示，现有技术教导了对于圆柱状混合导管，喷射孔的数目为2至20。
图5是根据本发明的一种实施方式的静态混合器250的剖视图。静态混合器250类似于图2的静态混合器150，不同之处在于静态混合器250具有代替混合导管100的混合导管200。
混合导管200包含围绕中心轴203和限定内体积207的基本上为圆柱状的侧壁201。穿过侧壁201在基本上垂直于中心轴203的平面213内形成了多个喷射孔202。混合导管200还包含固定于多个辐条221的流线型轴流障碍物220。轴流障碍物220可以具有圆柱状中间部分和锥形末端。在一种实施方式中，轴流障碍物220与侧壁201同轴，且与平面213相交。
轴流障碍物220减少了在混合导管200中的横截面面积，从而增加了在平面213附近的第一流105的速度，在平面213第二流进入。轴流障碍物220消除了中心轴203附近的第一流105，从而在来自喷射孔202的流不能到达中心轴206的情况中改进混合。此外，轴流障碍物220还提供了沿混合导管200的纵向的障碍，以使得来自辐条221的障碍和轴流障碍物220的作用进一步延伸至下游。可以在由至少部分相同的发明人于2010年3月16日提交的美国专利申请12/725,262中找到轴流障碍物设计的具体描述，将该申请通过参考并入本申请。
根据本发明的一种实施方式，喷射孔202的数目为约22至约50。在另一实施方式中，喷射孔202的数目为至少24。在一种实施方式中，喷射孔202的数目为约24至约36。在另一实施方式中，喷射孔202的数目为约28。
图6是显示图5中所示的静态混合器250的模拟性能的图。使用已通过与实施数据的比较完成了验证的模型来进行模拟。模拟的过程是光气和胺的混合过程，其中光气流进入第一流导管153，胺流进入第二流导管155，胺流与光气流通过多个喷射孔202进行混合。在模拟过程中，评定了具有混合导管200的静态混合器250的性能，所述混合导管200具有在圆柱状侧壁上形成的不同数目的喷射孔202。当喷射孔202的数目变化时，光气和胺的流速、多个喷射孔202的总横截面面积保持不变。
x轴表示喷射孔的数目。y轴表示在不期望的副产物的标准速率中的混合器性能。y轴中的较小值表示较优的性能。
如图6中所示，随着喷射孔502的数目由16增至28，静态混合器的性能得到改进。随着喷射孔202的数目增至36，静态混合器的性能逐渐下降。图6中的模拟结果表明对于具有轴流障碍物的圆柱状混合导管，可以通过将喷射孔的数目增加到约24至36，来获得优化的混合性能。
图7是根据本发明的另一实施方式的混合导管300的剖视图。在静态混合器150或250中，可以使用混合导管300来代替混合导管100或200。
混合导管300具有限定内体积307的侧壁301。侧壁301是关于中心轴303旋转对称的。内体积307沿中心轴303扩展。穿过侧壁301形成多个喷射孔302。多个喷射孔302可以沿侧壁301的圆周均匀地分布。在一种实施方式中，喷射孔302的数目可以大于约22。在另一实施方式中，喷射孔302的数目为至少24。在另一实施方式中，喷射孔302的数目为约24至约32。
侧壁301具有外表面305和内表面304。外表面305是具有圆形横截面的圆柱状表面。内表面304可以具有非圆形的横截面，其沿中心轴303的方向形成凹槽306，以用于引导其中的料流。圆柱状的外表面305提供了圆柱状侧壁的优势，多边形内表面304提供了对于料流的影响。内表面304可以具有其它形状，以获得对于料流的期望的影响。
图8是根据本发明的另一实施方式的混合导管400的剖视图。在静态混合器150或250中，可以使用混合导管400代替混合导管100或200。
混合导管400具有限定内体积407的侧壁401。侧壁401是关于中心轴403旋转对称的。内体积407沿中心轴403扩展。穿过侧壁401形成多个喷射孔402。多个喷射孔402可以沿侧壁401的圆周均匀地分布。在一种实施方式中，喷射孔402的数目可以大于22。在另一实施方式中，喷射孔402的数目为至少24。在另一实施方式中，喷射孔402的数目为约24至约32。
侧壁401具有外表面405和内表面404。外表面405具有非圆形的横截面。内表面404为具有圆形横截面的圆柱状表面。圆柱状内表面404提供了圆柱状侧壁的优势。
图9是根据本发明的另一实施方式的混合导管500的剖视图。在静态混合器150或250中，可以使用混合导管500代替混合导管100或200。
混合导管500具有限定内体积507的侧壁501。侧壁501是关于中心轴503对称的。内体积507沿中心轴503扩展。穿过侧壁501形成多个喷射孔502。多个喷射孔502可以沿侧壁501的圆周均匀地分布。在一种实施方式中，各喷射孔502可以是锥形的。在一种实施方式中，喷射孔502的数目可以大于32。在另一实施方式中，喷射孔502的数目为至少24。在另一实施方式中，喷射孔502的数目为约24至约32。
侧壁501具有外表面505和内表面504。外表面505和内表面504二者均具有非圆形的横截面。例如，外表面505和内表面504二者均具有正多边形的横截面。正多边形侧壁501可以提供类似于圆柱状侧壁的结构优势。
本发明的实施方式提供了具有基本上为圆柱状的混合导管的静态混合器，所述混合导管具有增加数目的喷射孔，其改进了混合性能。关于增加数目的喷射孔的设计使得在系统中存在较少的同时操作的混合器，从而降低了总的操作成本。
本发明的实施方式可以用作在静态混合器中的其它设计(如具有锥形喷射孔、复杂喷射孔、光气流分流器的混合器)的直接扩展。例如，喷射孔可以与描述于2005年7月7日提交的美国专利申请11/658,193(作为USPublication2008/0087348公开，作为US7,901,128授权)中的锥形孔、或描述于2010年3月16日提交的美国专利申请12/725,266中的喷射孔、或描述于2010年9月28日提交的美国临时申请61/387,229中的料流阻碍物结合，以上专利申请具有至少部分相同的发明人，通过参考将它们并入本申请。
尽管前述部分旨在本发明的实施方式，但是可以设计本发明的其它实施方式和进一步的实施方式，而不脱离本发明的基本范围。
Claims (17)
1.混合导管，其包含：
围绕着轴和沿着所述轴包封内体积的侧壁，其中所述内体积在相对的末端上具有两个孔，使得轴向流沿着所述轴进入和离开所述内体积，所述侧壁具有面向所述内体积的内表面和面向外体积的外表面，所述内表面的横截面和所述外表面的横截面中的至少一个是圆形的，在垂直于所述轴的平面中穿过侧壁形成了多个喷射孔，所述多个喷射孔使得侧向流从所述外体积流入所述内体积中，所述多个喷射孔的数目大于22。
2.权利要求1的混合导管，其中所述喷射孔的数目为约22至约50。
3.权利要求1的混合导管，其中所述多个喷射孔的数目大于24。
4.权利要求1-3的任一项的混合导管，其中所述内表面的横截面是圆形的，所述外表面的横截面是非圆形的。
5.权利要求1-3的任一项的混合导管，其中所述外表面的横截面是圆形的，所述内表面的横截面是非圆形的。
6.权利要求1-3的任一项的混合导管，其中所述内表面的横截面是圆形的，所述外表面的横截面是圆形的。
7.权利要求1-6的任一项的混合导管，其还包含沿着所述轴布置在所述内体积中的轴向流障碍物，其中所述轴向流障碍物穿过形成所述多个喷射孔的所述平面。
8.权利要求7的混合导管，其还包含两个或更多个将所述轴向流障碍物固定于所述侧壁上的辐条。
9.权利要求1-8的任一项的混合导管，其中所述多个喷射孔中的每一个是锥形的，其具有在所述侧壁的所述外表面处的大孔和在所述侧壁的所述内表面处的小孔。
10.混合导管，其包含：
限定圆柱状内体积的圆柱状侧壁，其中所述内体积具有第一横截面面积，在与所述圆柱状内体积的轴垂直的平面中穿过所述圆柱状侧壁形成了多个喷射孔，最大化所述多个喷射孔的数目，以保持所述多个喷射孔的总横截面面积与所述第一横截面面积的比例和所述圆柱状侧壁的物理完整性。
11.权利要求10的混合导管，其中所述喷射孔的数目为约22至约50。
12.权利要求11的混合导管，其中所述多个喷射孔的数目大于24。
13.静态混合器，其包含：
第一流接收导管；
第二流接收导管，其中所述第一和第二接收导管限定了环形腔的一个或多个外壁；和
权利要求1-12的任一项的混合导管，将它布置在第一导管中，形成至少所述环形腔的内壁，其中所述环形腔与所述混合导管的所述一个或多个喷射孔流体连通。
14.混合方法，其包含：
使第一流沿权利要求1-13的任一项的混合导管的纵向流动；和
使第二流流动通过权利要求1-13的任一项的混合导管的所述一个或多个喷射孔。
15.权利要求14的方法，其中所述第一流包含光气，所述第二流包含胺。
16.权利要求15的方法，其中所述第二流包含亚甲基二苯二胺、甲苯二胺、和六亚甲基二胺中的至少一种。
17.权利要求14-16的任一项的方法，其中布置在所述内体积中的所述一个或多个流障碍物改变了在所述第一流中的速度分布，从而使得所形成的脲、碳二亚胺、和脲酮亚胺的量低于在不将障碍物布置在所述内体积中的方法中所形成的脲、碳二亚胺、和脲酮亚胺的量。
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