CN104023837A - 管模块 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种管状流动模块，其包括具有螺旋特征的至少两个同心管(1,2)，其中管(2)同轴地布置于管(1)内侧并且每个管具有最大直径和最小直径，其中管(2)的最大直径大于管(1)的最小直径，从而限定管(1)与(2)之间用于流体的流动路径(3)。本发明还涉及一种管状流动模块系统和管状流动模块的用途。

Description

管模块

技术领域

本发明大体涉及管模块或管模块系统，以及管模块或管模块系统的用途。本发明特别地涉及同轴管反应器或同轴管反应器系统。

背景技术

管状反应器使用了数年，这样的反应器的示例公开于US3052524和GB932048，其描述了一种同心管状反应器，这种同心管状反应器由三个管构成，其中传热流体在最内管和最外管中流动，并且反应物流体在中间管中流动。另一示例公开于WO2009150677，其示出了用于催化反应的三同心管系统。

传统同心管状反应器具有恒定轮廓，即，在工艺侧和实用(utility)侧，流动路径为直的。这意味着，在管状反应器内在两侧的流动常常是层流，特别是在较低的流率，该较低的流率当反应经过数秒直到数分钟而完成时通常采用于工艺侧上。

以层流流态操作提供：

·较差混合 

·较差的传热(除非在壁之间的距离很小)

·较差的柱塞流(plug flow)。

这可导致所希望的产品的降低的产品产率或选择性，并且因此终端混合物将包含非希望的副产物，其需要从所希望的产品分离。

发明内容

因此，本发明发现了上文所提到的问题的解决方案，通过提供一种管状流动模块或同轴管流动模块，特别地同轴管反应器或同轴管热交换器，该管状流动模块包括至少两个螺旋形同心管。因此本发明涉及一种管状流动模块，该流动模块包括具有连续环形螺旋特征的至少两个同心管。同心管可以彼此布置成一个管(即，第二管)可以同轴地布置于另一管(即，第一管)内侧，并且每个管具有最大直径和最小直径。第二管的最大直径可以大于第一管的最小直径并且因此在第一管与第二管之间形成空间。该空间限定在第一管与第二管之间用于流体的流动路径，并且流动路径限定为环形螺旋流动路径与轴向卷绕(winding)流动路径的组合。

具有连续环形螺旋特征的第一同心管和第二同心管，即外螺旋管和内螺旋管，可以被同轴地布置使得空间可以形成于它们之间。这种几何形状迫使流体流持续地改变方向并且因此引起漩涡，漩涡改进了混合、传热和柱塞流。因此流动路径可限定用于流体的环形路径，用于流体的环形路径由表面限制并且可以成形为螺旋波形。因此，具有螺旋特征的外管和内管可以类似螺钉和螺母地接合，其中螺旋特征充当螺纹。当管彼此组装时，内螺纹管可以被旋拧到外螺旋管内。在螺旋特征之间的空隙中，可以形成所希望的环形卷绕流动路径。

管状流动模块也可包括在第一管外侧同轴地布置的管。外侧管的最小直径可大于或小于第一管的最大直径，并且所形成的环形空间可以限定为在外管与第一管之间的空间并且环形空间可以用于传热流体或其它流体。

管状流动模块也可包括在第二管内侧同轴地布置的管。内侧管的最大直径可以小于或大于第二管的最小直径，并且所形成的环形空间可以被限定为在内侧管与第二管之间的空间并且环形空间可以用于传热流体或其它流体。

内侧管和外侧管可分别合适地选自圆柱形管、波纹管、加肋管、螺旋形管或者具有螺旋翅片的管。

管状流动模块可包括多于两个同心管，其具有彼此同轴地布置螺旋特征，从而形成用于流体的多于一个环形流动路径。

流动模块因此可以具有一个或多个流动路径和一个或多个环形流动空间。环形流动路径可以用于工艺流，但也可能的是，环形流动路径可以用于传热流体。环形流动空间可以用于传热流体或工艺流体。

管状流动模块可包括彼此同轴地布置的多于两个螺旋形同心管，从而形成多于一个环形流动路径。而且，环形流动空间，即用于传热流体或用于工艺流体的流动空间，可以同轴地布置于流动模块内。每个环形流动路径和每个环形空间可以具有至少一个入口和至少一个出口。若干同心环形流动路径和环形流动空间可以在同一流动模块内，并且管可以为任何类型的合适形状并且可以选自圆柱形管、波纹管、加肋管、螺旋形管或具有螺旋翅片的管。

在根据本发明的管状流动模块中，具有螺旋特征的管可以选自螺旋状形成的壁或者具有附连的螺旋翅片的管。螺旋特征具有适合于获得每个环形流动路径中改进的柱塞流类型的流体流动的节距(pitch)(A)、空隙(B)和螺旋特征高度(C)。环形流动空间也可以具有适合于在每个环形流动空间中获得柱塞流类型的流体流动的节距(A)、空隙(B)和螺旋特征高度(C)。

在螺旋形同心管与内侧管或外侧管之间的环形空间可以具有布置在空间内的一个或多个间隔件以保持流动路径并且在螺旋形同心管与内管或外管之间提供预先设计的距离。流动路径还可由一个或多个端部连接件保持。本发明的管可以具有定位器件，其与一个或多个端部连接件一起定位，并且因此定位和稳定管布置。端部连接件可以具有用于流体的端口。端口可以在切向方向上布置到流动路径，在径向方向上布置到流动路径或者与在端部连接件上的管纵向对准，即轴向方向。

所有部件，即具有螺旋特征的管，内管、外管和端部连接件可以利用例如螺栓安装在一起，但其它方案也是可能的，诸如焊接、钎焊、液压。一个或两个螺母可以为与螺栓一起将模块闭合的器件。布置于两个端部连接件内的端帽可以是与螺母或螺栓一起或者不与螺母或螺栓一起将模块闭合的一种方式。端部连接件与端帽一起可以是单独件或者整合为单件，取决于模块可被构造和闭合的方式。可以使用一个或两个弹簧诸如螺旋弹簧、盘簧、盘簧组，其被调整以补偿热膨胀和/或作为安全件来允许管在太高压力下打开。

管状流动模块可以具有一个或多个进入端口或一个或多个端口孔或其组合，这些进入端口或端口孔可以通向环形流动路径或环形空间。进入端口或端口孔口可以是流体入口、流体出口或用于器械的端口。进入端口或端口孔可以切向地、径向地或轴向地布置到环形流动路径或环形空间。

一个或多个进入端口或一个或多个端口孔或其组合可以配备一个或多个端口配件。端口配件可以具有布置，用于喷嘴、用于传感器单元、用于热电偶、用于弹簧加载的传感器或用于电阻温度计。

根据本发明可以穿过端口配件插入的喷嘴可以选自任何合适喷嘴。喷嘴的示例为喷射喷嘴、分散喷嘴、再分散喷嘴、再混合喷嘴、同轴喷嘴、喷嘴管等。

同轴喷嘴可以被限定为一个布置于另一个内的两个或更多个管，具有较大半径的较大管包围具有较小半径的较小管。当使用这样的喷嘴时两种或更多种流体可以混合或者形成分散液。再混合喷嘴可以是带有孔的管喷嘴，孔具有喷嘴头，并且孔具有比管更小的半径。喷嘴可以是分散喷嘴，其可以在分散喷嘴的出口处具有一个或多个孔并且孔可以被布置为同心圆或者孔可以被布置为其它合适样式。

流动模块的管的材料可选自：不锈钢、铁基合金、镍基合金、钛、钛合金、钽、钽合金、钼基合金、锆、锆合金、玻璃、石英、石墨、强化石墨、哈氏合金(Hasteloy)，或抗工艺介质的任何其它材料。用于管的其它适当材料为诸如塑料的专门材料，该塑料诸如PEEK(聚醚醚酮)、PPS(聚苯硫醚)、PTFE(聚四氟乙烯)、芳香橡胶或含氟橡胶，PP(聚丙烯)等，管道可由上述材料制成。不同的管可由相同材料制成，但也可能的是，不同的管可由不同材料制成。也可能的是，管中的至少一个可以由膜材料制成并且因此管模块可以具有膜容量。管可以被涂覆有例如催化剂材料或者具有适合于流动模块的目的的性质的任何其它类型的材料。

本发明还涉及管状流动模块系统，管状流动模块系统可包括可以彼此串联、并联或其组合的至少两个管状流动模块。另一替代方案可以是管状流动模块系统可以在壳内侧或内部，从而形成一种壳与管系统。

根据本发明的管状流动模块可以作为用于化学反应的反应器、作为用于传热的热交换器，作为用于分离或提取的接触器(contactor)或其组合。

参考附图，本发明的其它方面和优点将在本发明的实施例的下文详细描述中给出。以下附图旨在说明本发明而不是限制本发明的范围。

附图说明

图1公开了具有两个螺旋形管的本发明的流动模块。

图2公开了本发明的另一实施例，其中，流动模块具有两个螺旋形管以及内管和外管，从而形成用于传热流体的路径。

图3公开了本发明的又一实施例，其中，流动模块具有两个螺旋形管以及内管和外管，从而形成用于传热流体的路径。

图4公开了管的节距、空隙和螺旋特征高度。

具体实施方式

两个同心螺旋形管1和2以如下方式形成，这种方式允许它们之一接合到另一个中。螺旋形状将用作螺纹，其中，内管2的外径大于外管1的内径。在两个管之间的空隙中，形成空间，即流动路径3。流动路径3在管1和2的轴向和纵向方向上形成螺旋形路径以及卷绕路径。

这种设计可以合适地用作流体流动路径，流体可以是工艺流体或传热流体。平均流动方向是在轴向方向上。也将可以在管的径向和切向方向上存在变化的速度。速度分量的大小可以由螺旋节距A、空隙B和特征高度C来调整。速度变化在所有方向上引起漩涡。这良好地用于混合、打破边界层并且形成改进的柱塞流条件。湿润表面与空间体积的比例可以由螺旋之间的空隙调节。这些特征使得设计适合于流动模块、反应器、热交换器等。流体流可以为任何类型，诸如液体、浆或气体。

图2示出了，外螺旋管1可以封闭于外管4中，从而在外螺旋管1与外管4之间形成用于流体流(例如传热流体)的环形空间5或路径。内螺旋管2可以封闭内管6，从而在内管6与内螺旋管2之间形成用于流体流(例如传热流体)的环形空间7。管4和6可以是直同心即圆柱形管，如图2所示。管4和6可以是螺旋形的或者带有螺旋翅片的管，或者管4和6可以具有任何其它合适形状，诸如波纹、加肋管或任何其它形状，其装配于螺旋管(即管1和2)内侧或外侧，管4和6的除了圆柱形状之外的其它类型形状未在图2中示出。

环形空间5和7可以分别在外圆柱形管4与外螺旋管1之间、内圆柱形管6与内螺旋管2之间配备一个或多个间隔件，所述间隔件在图2中并未示出。间隔件可以用于加强的目的、用于对准、用作混合增强元件或者用作固定位点。

螺旋管1和2由端部连接件9在每个端部在轴向和切向方向彼此定位。定位器件整合于配合部件中。螺旋管1和2和端部连接件9通过可替换的密封件(即O形环等)或者永久密封(即焊接、钎焊等)彼此相靠密封。端部连接件9具有一个或多个端口10，用于连接到流体管线或者例如热电偶或压力换能器的器械等。

外管4和外螺旋管1由端部连接件11密封。对于圆柱形管4的情况，无需切向定位。端部连接件11具有一个或多个端口12，用于连接到流体管线或者例如热电偶或压力换能器的器械等。端口12可以在切向方向上布置到螺旋形管1，在以优选方向引导流体的方向上。

内管6和内螺旋管2由端部连接件13密封。对于圆柱形管6的情况，无需切向定位。端部连接件具有一个或多个端口14，用于连接到流体管线或者例如热电偶或压力换能器的器械等。端口14可以在切向方向上布置到螺旋形管2，在以优选方向引导流体的方向上。所有密封件是包围的(ambient)而不是在流动路径或环形空间3、5和7之间，以最小化交叉污染的风险。

所有部件，即，螺旋管1和2，圆柱形管4和6和端部连接件9、11和13由螺栓15、螺母17、端帽16和盘簧组18保持在一起。可以调整盘簧18以补偿热膨胀效应和/或用作安全特征或装置以允许管在太高压力下打开。

形成流动模块系统的若干单元可以连接在一起。端口10、12和14可以连接于这些单元之间或者歧管中。

图3示出了管状流动模块，其中在螺旋管2与圆柱形管6之间的空间7配备有布置于圆柱形管6上的混合增强元件19。混合增强元件19可以是螺纹19或者螺纹翅片19，其遵循螺旋管2的螺旋形状。相应布置可以形成于圆柱形管4与螺旋管1之间的空间5中，这在图3中未示出。端口10、12和14为流体入口、流体出口或器械端口。在图3中，端口10、12和14切向地或径向地布置到环形流动路径3或环形空间5和7，但其它替代方案也是可能的。一种可能的端口布置将端口轴向地布置于流动路径或流动空间，这在图3中未示出。

图4示出了螺旋管的节距A、空隙B和螺旋特征高度C的关系。节距A、空隙B和螺旋特征高度C也适用于具有螺旋翅片19的圆柱形管，螺旋翅片19被布置成增强流动空间5和7内的混合。图4并未公开这点。节距A、空隙B和螺旋特征高度C也可以促进在每个环形流动路径3和流动空间5和7中的柱塞流类型的流体流动。

当进行以下工艺操作时，本发明的流动模块是有用的；制备、反应、混合、掺合、作冷冻操作、洗涤、萃取和提纯、pH调节、溶剂交换、化学制品的制备、中间化学制品的制备、当与低温操作一起工作时制备API(活性药物成分)、药物中间体的制备、放大和缩小研制、沉淀或结晶、执行多重喷射或多重添加或多重测量或多重取样、与多级反应一起工作、预冷操作、预热操作、后热和后冷操作、用于将分批工艺转换成连续工艺的工艺和用于对流进行分开和重组的操作。

在本发明中可执行的反应类型包括加成反应、排代反应、消除反应、交换反应、熄灭反应、还原、中和、分解、置换或取代反应、歧化反应、催化反应、切断反应、氧化、闭环和开环、芳构化和脱芳构化反应、保护和去保护反应、相转移和相转移催化、光化学反应、涉及气相、液相和固相的反应，并且其可涉及自由基、亲电体、亲核基团、离子、中性分子等。

合成，诸如氨基酸合成、不对称合成、手性合成、液相肽合成、烯烃复分解、肽合成等，也可利用流动模块实现。流动模块可在其中使用的其它类型的合成为在碳水化合物化学、二硫化碳化学、氰化物化学、乙硼烷化学、表氯醇化学、肼化学、硝基甲烷化学等内的反应或杂环化合物的、乙炔化合物的、酰基氯的、催化剂的、细胞毒素化合物的、类固醇中间体的、离子流体的、吡啶化学制品的、聚合体的、单体的、碳水化合物的、硝酮等的合成。

流动模块适合于照某人姓名命名的反应，诸如Aldol缩合、Birch还原、Baeyer-Villiger氧化、Curtius重排、Dieckmann缩合、Diels-Alder反应、Doebner-Knoevenagel缩合、Friedel-Crafts反应、Fries重排、Gabriel合成、Gomberg-Bachmann反应、Grignard反应、Heck反应、Hofmann重排、Japp-Klingemann反应、Leimgruber-Batcho吲哚合成、Mannich反应、Michael加成、Michaelis-Arbuzov反应、Mitsunobu反应、Miyaura-Suzuki反应、Reformatsky反应、Ritter反应、Rosenmund还原、Sandmeyer反应、Schiff碱还原、Schotten-Baumann反应、Sharpless环氧化作用、Skraup合成、Sonogashira偶联、Strecker氨基酸合成、Swern氧化、Ullmann反应、Willgerodt重排、Vilsmeier-Haack反应、Williamson醚反应、Wittig反应等。

流动模块适合的更多的反应为：缩合反应、偶联反应、皂化、臭氧分解、环化反应、环聚反应、脱卤作用、脱氢环化作用、脱氢作用、脱氢卤化作用、重氮化作用、二甲基硫酸盐(酯)反应、卤化物交换、氰化氢反应、氟化氢反应、氢化反应、碘化反应、异氰酸盐(酯)反应、乙烯酮反应、液氨反应、甲基化反应、偶联、有机金属反应、金属化作用、氧化反应、氧化耦合作用、含氧化合物合成反应、缩聚作用、聚酯化作用、聚合作用，其它反应，诸如乙酰化作用、芳基化作用、丙烯酸酯化作用、烷氧基化作用、氨解作用、烷基化作用、烯丙位溴化作用、酰胺化作用、胺化作用、叠氮化作用、苯甲酰作用、溴化作用、丁基化作用、羰基化作用、羧化作用、氯化作用、氯甲基化作用、氯磺酰化作用、氢化作用、氰乙基化作用、氰甲基化作用、氰尿酸盐(酯)化作用、环氧化作用、酯化作用、醚化作用、卤化作用、加氢甲酰基化作用、氢化硅烷化作用、羟基化作用、缩酮化作用、硝化作用、硝基甲基化作用、亚硝化作用、过氧化作用、光气化作用、季胺化作用、甲硅烷基化作用、氯磺化作用、磺化作用、磺化氧化作用、硫代羰基化作用、硫光气化作用、甲苯磺酰化作用、氨基交换作用、酯交换作用等。

上文的描述并不限于所提到的本发明的实施例，但对于本领域技术人员而言，能在所要求保护的本发明的范围内进行若干可能修改。

Claims (14)

1. 一种管状流动模块，其包括具有连续环形螺旋特征的至少两个同心管(1, 2)，其中管(2)同轴地布置于管(1)内侧并且每个管具有最大直径和最小直径，其中管(2)的最大直径大于管(1)的最小直径，从而在管(1)与管(2)之间形成空间，并且所述空间限定管(1)与(2)之间用于流体的流动路径(3)，其中流动路径(3)限定为环形螺旋流动路径与轴向卷绕流动路径的组合。

2. 根据权利要求1所述的管状流动模块，其特征在于，所述管状流动模块还包括同轴地布置在管(1)外侧的管(4)，其中管(4)的最小直径大于或小于管(1)的最大直径，并且环形空间(5)限定为在管(4)与管(1)之间的空间并且所述环形空间用于传热流体或其它流体。

3. 根据权利要求1或2所述的管状流动模块，其特征在于，所述管状流动模块还包括同轴地布置在管(2)内侧的管(6)，其中内管(6)的最大直径小于或大于管(2)的最小直径，并且环形空间(7)限定为管(6)与管(2)之间用于传热流体或其它流体的空间。

4. 根据权利要求1、2或3所述的管状流动模块，其特征在于，管(6)和管(4)分别选自圆柱形管、波纹管、加肋管、螺旋形管或带螺旋翅片的管。

5. 根据权利要求1至4中任一项所述的管状流动模块，其特征在于，所述管状流动模块包括多于两个同心管(1, 2)，其具有彼此相对同轴地布置的螺旋特征，从而形成用于流体的多于一个环形流动路径(3)。

6. 根据权利要求1至5中任一项所述的管状流动模块，其特征在于，每个环形流动路径(3)和每个环形空间(5, 7)具有至少一个入口和至少一个出口。

7. 根据权利要求1至6所述的管状流动模块，其特征在于，一个或多个进入端口或一个或多个端口孔或其组合通向环形流动路径(3)或环形空间(5, 7)。

8. 根据权利要求1至7中任一项所述的管状流动模块，其特征在于，端口(10, 12, 14)为流体入口、流体出口或用于器械的端口，并且端口(10, 12, 14)切向地、径向地、轴向地或纵向地布置到环形流动路径(3)或环形空间(5, 7)。

9. 根据权利要求1至8中任一项所述的管状流动模块，其特征在于，具有连续环形螺旋特征的管选自螺旋状形成的壁和具有附连的螺旋翅片的管。

10. 根据权利要求1至9中任一项所述的管状流动模块，其特征在于，所述连续环形螺旋特征具有适合于形成每个环形流动路径(3)的节距(A)、空隙(B)和螺旋特征高度(C)。

11. 根据权利要求1至10中任一项所述的管状流动模块，其特征在于，所述流动路径限定用于流体的环形流动路径并且由所述两个同心管(1, 2)的表面限制，并且所述表面被成形为螺旋波形并且当组装时充当螺纹。

12. 一种管状流动模块系统，其包括至少两个根据前述权利要求中任一项所述的管状流动模块，其中所述管状流动模块彼此串联、并联或者其组合。

13. 根据权利要求12所述的管状流动模块系统，其特征在于，所述管状流动模块系统在壳内侧，从而形成一种壳与管系统。

14. 根据权利要求1至11中任一项所述的管状流动模块或者根据权利要求12至13中任一项所述的管状流动系统作为用于化学反应的反应器、用于传热的热交换器、用于分离或提取的接触器或其组合的用途。