CN1280005C - 用于将至少两种流体混合和反应的设备 - Google Patents

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Abstract

本文公开了用于将至少两种流体混合并反应的新型设备。在包含至少两条用于向混合室中进料和产生涡流的供给通道的装置中获得了出色的混合和优良的压强下降性质。供给通道的排列方式使流体以切向方向和径向方向注入混合室。对于气体/液体混合，将液体沿切线方向注入并将气体沿径向方向注入是特别有利的。流体的反应可以在混合室中或分开在与混合室出口流体连通的反应器中发生。混合器/反应器设备对于以快速扩散为关键的反应特别有用。

Description

用于将至少两种流体混合和反应的设备
发明的背景
本发明涉及用于将至少两种流体混合和反应的新型设备。该设备包含混合室、至少两条用于以切线和径向方向向室中注入流体的管道、以及一个用于排出混合流体料流的混合室出口。可以将一个反应区结合于混合室中或与之分离。
将至少两种流体混合时，所要实现的目的是尽可能地获得均匀分布。使用W. Ehrfeld、V.Hessel、H.Lwe在Wiley-VCH出版于2000年的《微反应器，现代化学的新技术》(Microreactors，New Technology for ModernChemistry)第41-85页的静态混合器是有利的。对于液体，已知的静态混合器通过产生厚度为微米级的交替的相邻流体层获得了数毫秒至1秒之间的混合时间。气体的较高的扩散常数使其混合甚至更快。与湍流条件的影响占优势的动态混合器不同，静态混合器预先确定的几何结构实现了对流体层宽度和扩散路径的精确确定。其结果是，得到了非常狭窄的混合时间分布。这给出了针对选择性、产率甚至安全性进行化学反应的优化的大量可能性。
静态混合器的另一个优点是部件尺寸的减小，这使其与相邻设备(例如热交换器和反应器)的集成变得更容易。过程优化可以由于两个或更多个位于封闭空间内的部件之间的强制相互作用而被强化。静态混合器不仅可以用于液体/液体和气体/气体混合物类的形成，也可以用于液体/液体乳化物和液体/气体分散物的形成。也可以将静态混合器用于多相和相转移反应中。
使用多层叠片或流体层原理的静态混合器在一个平面上具有宽25-40微米的混合的通道结构(同上，第64-73页)。这些通道将两种待混合的流体分割成多个平行并交替地向相反方向流动的方式排列的、分离的流体料流。相邻的流体料流被垂直向上移出水平平面、穿过狭缝并相互接触。但是，使用适合于大规模生产的结构形成方法，仅可以以有限的程度将通道几何结构和基于此的流体层宽度减小至微米以下的范围内。
使用多层叠片原理的流体层的尺寸的进一步减小是通过所谓“几何聚焦”实现的。用于有害物质反应中的使用这一原理的静态混合器由T.M.Floyd等描述于W.Ehrfeld编辑、Springer出版于2000年的《微反应技术：工业前景；第三届微反应技术国际研讨会/IMRET3论文集》(“Microreaction technology：Industrial prospects；proceedings of theThird International Conference on Microreaction Technology/IMRET3”)第171-179页中。两种待混合流体的交替的相邻通道从外侧以半圆形径向向外开口形成延伸成漏斗形状的室，并合并成狭窄的、拉长的通道。分层的流体料流在室中混合并转移至狭窄通道中，从而减小了各流体层的宽度。在这些片状流动条件下，混合纯粹是扩散性的。因此，通过将流体层宽度减小至微米以下级获得了毫秒级的混合时间。这种构造的缺点是狭窄的通道必须足够长从而获得完全的、紧密的混合。这需要大的结构并引起了较高的压强损失。
与这些公开的内容不同，本发明的设备针对人所共知的将至少两种流体快速、均匀混合的问题提供了解决方案，而同时保留了低压强下降的性质和经济的设计。所提供的有效的混合与化学反应结合使用。在反应之前，将进料组份以促进完全混合而不带来显著压强损失的使用涡流或混合室的方式混合。令人特别感兴趣的是反应物极好的分散能够克服扩散限制那些反应。尽管可以将其用于多种应用中，本发明特别适用于与反应相结合的小规模或微混合操作。
发明概述
本发明是用于将至少两种流体混合和反应的混合器/反应器设备以及克服压强下降高和扩散不足的限制的混合方法。混合是通过在混合室的切线方向和径向方向上注射各流体的料流以提供总体上呈螺旋状的流径而实现的。尽管可以将其用于多种应用中，本发明特别适用于小规模混合操作或微混合中。本发明也可以与反应相结合。
在第一个实现方案中，本发明是用于将第一流体料流与第二流体料流混合的设备。该设备包括第一供给管道，其中该第一供给管道具有用于接受第一流体料流的第一供给管道接受端和与第一供给管道接受端相反的第一供给管道排出端。该设备还包括第二供给管道，其中该第二供给管道具有用于接受第二流体料流的第二供给管道接受端和与第二供给管道接受端相反的第二供给管道排出端。该设备还包括与第一和第二供给管道的第一和第二供给管道排出端流体连通的混合室。第一和第二供给管道排出端中的一者基本以切线方向通入混合室，而第一和第二供给管道排出端中的另一者基本以径向方向通入混合室。该设备还包括用于排出产物料流的、与混合室中心部分流体连通的混合室出口。
在另一个实现方案中，本发明是用于将第一流体料流与第二流体料流混合和反应的设备。该设备包括第一供给管道，该第一供给管道具有用于接受第一流体料流的第一供给管道接受端和与第一供给管道接受端相反的第一供给管道排出端。该设备还包括第二供给管道，该第二供给管道具有用于接受第二流体料流的第二供给管道接受端和与第二供给管道接受端相反的第二供给管道排出端。该设备还包括其中放置了催化剂的混合室。该混合室与第一和第二供给管道在第一和第二供给管道排出端流体连通。第一和第二供给管道排出端中的一者基本以切线方向通入混合室，而第一和第二供给管道排出端中的另一者基本以径向方向通入混合室。该设备还包括用于排出产物料流的与混合室中心部分流体连通的混合室出口。
在另一个实现方案中，本发明是用于将第一流体料流与第二流体料流混合和反应的设备。该设备包括第一供给管道，该第一供给管道具有用于接受第一流体料流的第一供给管道接受端和与第一供给管道接受端相反的第一供给管道排出端。该设备还包括第二供给管道，该第二供给管道具有用于接受第二流体料流的第二供给管道接受端和与第二供给管道接受端相反的第二供给管道排出端。该设备还包括与第一和第二供给管道在第一和第二供给管道排出端流体连通的混合室。第一和第二供给管道排出端中的一者基本以切线方向通入混合室，而第一和第二供给管道排出端中的另一者基本以径向方向通入混合室。该设备还包括用于排出产物料流的与混合室中心部分流体连通的混合室出口。该设备还包括具有入口和出口并确定了催化剂保留空间的反应器，其中反应器入口与混合室出口流体连通。
在另一个实现方案中，本发明是用于将第一流体料流与第二流体料流混合并反应的设备。该设备包括第一供给管道，该第一供给管道具有用于接受第一流体料流的第一供给管道接受端和与第一供给管道接受端相反的第一供给管道排出端。该设备还包括第二供给管道，该第二供给管道具有用于接受第二流体料流的第二供给管道接受端和与第二供给管道接受端相反的第二供给管道排出端。该设备还包括与第一和第二供给管道在第一和第二供给管道排出端流体连通的混合室。第一和第二供给管道排出端中的一者基本以切线方向通入混合室，而第一和第二供给管道排出端中的另一者基本以径向方向通入混合室。该设备还包括用于从混合室中排出第一和第二流体的混合料流的、与混合室中心部分流体连通的混合室出口。该设备还包括具有入口和出口并确定了催化剂保留区的反应器，其中反应器入口与混合室出口流体连通。
在另一个实现方案中，本发明是用于将至少两种流体混合的层状组件。该组件包括基本为平面的、具有外表面和内表面并定义了用于将第一和第二流体接受至组件中的第一和第二进料通道的盖层。第一和第二进料通道从外表面延伸至内表面以形成第一和第二入口端口。该组件还包括基本为平面的、具有上表面和下表面的混合层，其中混合层上表面封闭性放置在盖层内表面上从而定义了第一供给通道，该第一供给管道具有与第一进料通道流体连通的第一供给通道接受端和与第一供给通道接受端相反的第一供给通道排出端。盖层和混合层还定义了第二供给通道，该第二供给管道具有与第二进料通道流体连通的第二供给通道接受端和与第二供给通道接受端相反的第二供给通道排出端。盖层和混合层还定义了与第一和第二供给通道排出端流体连通的混合室，其中第一或第二供给通道排出端之一基本以切线方向通入混合室，而第一和第二供给通道排出端中的另一者基本以径向方向通入混合室。盖层和混合层还定义了用于将第一和第二流体的混合料流从混合室排出的、与混合室流体连通的混合室出口通道。
在另一个实现方案中，本发明是用于至少两种流体的层状组件。该组件包括基本为平面的、具有外表面和内表面并定义了用于将第一和第二流体接受至组件中的第一和第二进料通道的盖层。第一和第二进料通道从外表面延伸至内表面以形成第一和第二入口端口。该层状组件还包括基本为平面的、具有上表面和下表面的混合层，混合层上表面封闭性置于盖层内表面上从而定义了具有与第一进料通道流体连通的第一供给通道接受端和与第一进料通道接受端相反的第一供给通道排出端的第一供给通道。混合层和盖层封闭性地连接从而又定义了具有与第二进料通道流体连通的第二供给通道接受端和与第二供给通道接受端相反的第二供给通道排出端的第二供给通道。混合层和盖层封闭性地连接从而又定义了具有放置于其中的催化剂的混合室。混合室与第一和第二供给通道排出端流体连通，其中第一和第二供给通道排出端中的一者基本以切线方向通入混合室，而第一和第二供给通道排出端中的另一者基本以径向方向通入混合室。混合室出口通道与混合室流体连通从而将产物料流从混合室排出。
在另一个实现方案中，本发明是用于将第一流体料流和第二流体料流混合的设备，其中盖层还定义了用于将第三流体接受入组件的第三进料通道，第三进料通道从盖层外表面延伸至盖层内表面从而形成第三入口端口，层状组件还包括具有上表面和下表面的、基本为平面的分配层，和一个基本为平面的具有上表面和下表面的沟流层，分配层上表面封闭性地安置在盖层内表面上，分配层下表面封闭性地安置在沟流层的上表面上，并且沟流层的下表面封闭性地安置在混合层上表面上，分配层插在盖层和沟流层之间，而沟流层插在分配层和混合层之间，从而限定：
多个第二分配端口，每一端口具有与第二流体分配结构流体连通的第二分配端口入口端和第二分配端口出口端；和
多个第三分配端口，每一端口具有与第三流体分配结构流体连通的第三分配端口入口端和第三分配端口出口端，其中第二流体分配结构与第二进料通道流体连通，第三流体分配结构与第三进料通道流体连通，并且沟流层上表面封闭性地安置在分配层下表面上从而限定了具有入口和出口的聚焦室，聚焦室入口与以重复序列排列的第二和第三分配端口出口端流体连通，并且聚焦室出口与第二供给通道接受端流体连通。
在又另一个实现方案中，本发明是用于将至少两种流体料流混合并任选地反应的方法。该方法包括使第一流体料流流过第一进料通道并将第一流体料流沿径向方向注射入混合室。该方法还包括使第二流体料流流过第二进料通道并将第二流体料流沿切线方向注射入混合室以形成涡流，并且自该涡流的中心部位排出混合的第一和第二流体的混合物。该方法还可进一步包括将混合流体在反应室中反应。
这些和其它的实现方案和目的将在对发明进行详细描述后变得更清晰。
附图简述
附图1是显示了具有多个交替地以切线方向和径向方向通向混合室的供给管道的混合室的俯视图。
附图2是显示了两种流体在被注入混合室之前在供给管道中的预混合的俯视图。
附图3是显示了多个将两种流体混合的供给管道、并且供给管道相对于混合室在切线方向和径向方向之间轮换的俯视图。
附图4显示了包含叠放的板的部件的静态混合器/反应器(为清晰起见将各板分开)，其中混合器板定义了带有多个交替地以切线方向和径向方向进入混合室的供给管道的混合室的开放结构，并且混合器板下方的反应板定义了反应器的开放结构。
附图5显示了包含叠放的板的部件的静态混合器/反应器(为清楚起见将各个片分开)，其中混合器板被构造为使两种流体在被注入混合室前在供给通道中预混合，并且反应器上方的反应板定义了反应器的开放结构。
发明的详述
如上所述，本发明涉及经改进的、用于将两种或更多种流体混合和反应的设备。概括而言，所述流体可以是任何气态和液态物质或物质的混合物。流体也可以具有溶解或分散于其中的固体组份，从而使溶解了的固体的溶液和料浆(例如包含了固体催化剂颗粒的液体反应物的浆料)也可用于本发明中。包含多个相的其它流体(例如气体/液体混合物、夹带了颗粒的气体和三相料浆)也是可以用于本发明的。按照本发明，反应前实现的混合操作也包括已知的溶解、乳化和分散操作。其结果是，得到的混合物包括溶液、液体/液体乳化物和气体/液体和固体/液体分散物。本发明的混合器/反应器设备和方法有可利地用于形成气体/液体分散物，在此情况下至少一种注入混合室的流体含有气体或气体混合物，并且至少另一种注入的流体含有液体、液体混合物、溶液、分散物或乳化物。
将按照本发明的混合器/反应器用于进行化学反应，特别是以扩散控制为特征的化学反应。如下文所述，可以将反应物料流分别注入混合室或首先将其在通向该室的供给管道中预混合。最优的选择取决于反应的具体特性。例如，需要长驻留时间的反应可以使用预混合而最好地实现，而在无催化剂存在的情况下可能有非选择性副产物形成的反应最好通过避免反应物在混合室的上游相接触而进行。可以将用于控制化学反应的装置(例如温度或压力传感器、流量计、加热器元件或热交换器)整合进混合器/反应器设备中。在设备的一个包括封闭性地连接了的层的组件的实现方案(以后描述)中，这些装置可以排列在混合室上方或下方的层上并可以与之功能性连接。如上所述，为了进行非均相催化化学反应，混合器/反应器设备可以还包含催化材料。
取决于具体应用，包括化学反应(在此情况下希望得到流体的完全混合)，将多种其它流体引入混合室可能是有利的。此类补充流体包括例如化学稳定剂、乳化剂、缓蚀剂、反应促进剂、聚合链终止剂和类似物。甚至可以将固体或液体催化剂引入混合室以进行所希望的反应。当然，待混合和反应的流体可以已经含有混入的附加物质。不论反应是否在混合室中通过在混合室中放置催化剂发生，混合室中形成的混合物通过与混合室(优选其中心部分)流体连通的混合室出口排出。
按照本发明的用于将至少两种流体在反应前混合的混合器/反应器包括混合室和至少两条用于将流体注入室中并排列在其周边上的供给管道。供给管道通入混合室的方式使得以规定的流速注入的特定流体形成螺旋状向内同心流动。该涡流形成现象显著延长了流体在混合室中的驻留时间，由此改进了混合性质。所希望的螺旋状和向内液体流径的建立主要是流体注入混合室的角度和流体动能的函数。沿径向或(对于圆筒形混合室)沿直接指向其中心的方向注入的流体除非受到切线方向上具有足够动能的另一流体的作用将不会取螺旋状流径。本发明通过将待混合的第一和第二流体以切线和径向两个方向注入而获得了出色的混合。优选切线方向流体组份的动能足以具有将径向方向流体组份弯曲从而使其采用具有足够圈数从而得到有效混合的总体螺旋状流动方式。由于一种流体以切线方向注入而另一种流体以径向方向注入，切线方向流动的流体与径向方向流动的流体的流体动能的比优选大于0.5从而获得所希望的螺旋状的和向内的流动方式。
在建立了适当的条件从而形成所希望的螺旋流动方式后，仅沿着螺旋的最外圈流动的流体接触混合室的真正的内表面。取决于混合室的形状和尺寸，该流体占据了混合室中因摩擦损失而造成的压强下降的大部分。与此形成对比的是，构成内圈的流体在所有侧面上仅与旋转的流体相接触。形成此前和此后的各圈的流体在同一方向上流动。由于这些原因，本发明的混合器/反应器所产生的压强损失比仅使用多层叠片结构并相应地使用长混合路径的静态混合器可能产生的压强损失低。在此情况下，流体作为交替的层以相反的方向流动。因此，沿着直线或弯曲的路径流动的相邻流体料流之间的摩擦效应更大。与用于将流体在反应之前混合的本发明的设备的使用相联系的优点可以通过在反应前在小结构中的扩散混合得到低压强损失和大接触面积以及长驻留时间的方面实现。尽管可以容易地制造其中包含催化剂的、以微混合器为形式的紧凑设计，本发明并不排除中等或大规模的操作。
与本发明相联系的另一个优点是流体螺旋或涡流的每一圈流体与上一圈或下一圈流体的接触，这对反应物的扩散混合做出了贡献。优选地，混合室中的叠片状流动条件比环状流体动作相比更占优势。但是，区域化的湍流条件也可能由流体螺旋或涡流的总的向内流动而形成。
为了形成向内螺旋流径，使至少一条供给管道以锐角或切线方向通向对混合室。另外，可以将流体以其本体组成份进入混合器/反应器或作为在进入一个或多个供给通道前预混合至某种程度的流体边界层进入混合器/反应器。一般而言，为了形成所希望的在与涡流平面成垂直方向上排布的多层的流体涡流，切线方向的流体在进入混合室时维持分层流动状态。
可以将供给通道在一个平面上在公共的混合室周围排列和开口。不论所使用的供给管道的数量多少，需要至少两根供给管道，供给管道优选对称地沿混合室的周长分布。可以使用这些供给管道供给相同的反应物流体，例如反应物A可以分别由供给管道1和3供给，反应物B可以分别由供给管道2和4供给。另外，每一管道可以供给不同的流体，例如管道1、2、3和4可以分别提供流体A、B、C和D。另外，可以将供给通道在混合室周围的多个平面上排列。可以将相同的或不同的流体在排列在任何给定平面上的供给通道中注入混合室。由此，可以通过在不同的相对于混合室的轴向高度上的供给通道将流体注入普通类型的混合室(例如在水平面上具有圆形横截面的混合室)。使用此类设计可以得到甚至更长的流体螺旋，相应得到在混合室中的更长的驻留时间。
混合室优选形状基本为圆筒形，并因此优选具有基本为圆形的横截面。横截面是圆形、但圆的直径在轴的高度方向上增加或减少，从而使混合室的形状实际为锥形的而不是圆筒形也是可以的。将混合室横截面有利地固定在基本水平的平面上(混合室出口基本垂直于上述平面)或大致竖直方向上。当然，混合室可以具有其它横截面形状，特别是圆形(例如椭圆形)的。如果一般在其顶角形成的角为圆的，即使是三角形或其它多边形的形状也是可以接受的。圆形或曲线的形式避免了如果角或边存在则会产生问题的“死”区(即没有恒定的流动的区域)。对于优选的圆筒形的混合室，供给管道的高度(至少在其进入混合室的区域)优选小于或等于混合室的高度。
在优选的设计中，多条供给通道交替地以切线和径向方向通入混合室。设备的这一特定实现方案在提供待反应的气体/液体分散物中特别有用。此处，以使液体料流的供给通道以比气体料流的供给通道更加锐利的角度通入混合室为最佳。其结果是，气体料流被成旋转的液体打断成为单独的气泡。特别优选地，液体的供给通道以切线方向通入混合室，而气体的供给通道以径向方向通入混合室。这种设计促进了具有小的、紧密的泡尺寸分布的气体/液体分散物的形成并由此在反应前提供了基本均匀的混合物。
混合器/反应器设备包括提供用于下游应用的混合流体料流的混合室出口。混合室出口与混合室的中心部分、优选其中心点流体连通并由此排出混合流体。例如，如果混合室是圆筒状的并因此而具有圆形横截面，混合室出口与混合室中心部分(优选中心点)流体连通并将混合流体从此处取出。在优选的实现方案中，混合室具有取水平方向的基本为圆形的横截面并且混合室出口由此基本垂直地向上或向下延伸。考虑到具体的流体及其性质，与混合室和通入混合室的供给通道的横截面的面积相比的出口的横截面积将被设定为使所需要的向内流动的多层圈流的涡流得以形成。优选地，混合室出口管道具有圆形横截面(例如对于管子的情形)，并且混合室与混合室出口的直径之比大于5。
在用于进行完全混合的反应物的反应的催化剂没有被放置在混合室中或没有被作为流体料流加入的情况下，在混合室的下游需要一个单独的反应器。在此情况下，反应器通常在催化剂驻留空间内容纳有催化剂。催化剂也可以被连续注入反应器(例如作为分散在液体反应物料浆中的固体被连续注入反应器)。
如果还希望将离开反应器的反应产物分离，也可以在反应器的下游设置一个分离器。在此情况下，分离器将具有反应产物的入口和分别用于塔顶产物和塔底产物的至少两个出口。取决于反应物进料、反应产物和副产物的相对挥发度和/或其它性质，也可能需要将塔底产物或塔顶产物循环回混合室。可以将循环料流通过切线或径向方向的供给管道注入混合室。另外，也可以在将循环料流注入混合室前将循环料流与反应物料流之一以以下描述的方式预混合。另一个可能性是将被分离的流体或其一部分循环至位于催化剂床直接上游的混合室出口。当然，分离器可以使用任何数量的已知技术中的分离方法，包括闪蒸分离、蒸馏、膜分离、提取、结晶和类似方法。
在另一个实现方案中，一种或多种其它流体通过单独的供给管道或通过将该其它流体与一种待混合流体预混合的供给管道进入混合室。此类其它流体可以包括将混合物稳定的附加物质(例如乳化剂)。如果使用其它供给通道提供此类物质，它们可以有利地以切线方向通入混合室，从而使流体螺旋的相邻的各层圈流之间每一者都有该其它流体的存在。另外，如果使用其它供给通道将气体组份提供至包含至少一种处于混合室中的流体的流体涡流中，这些气体供给通道应以径向方向或以径向和和切线之间的中间角度通入混合室。其结果是，所供给的气体被流体螺旋打断成小气泡并且被精细地分散。
如上所述，当至少一条供给管道提供了向混合室中的基本沿切线方向的流体注射、并且至少另一条供给管道提供了基本沿径向方向的注射时，可取得令人惊讶的良好混合性质。在室中带来涡流的形成的是沿切线方向的流体运动，上述涡流将径向流动的流体打断或精细分散。不论室的形状为圆形还是椭圆形，径向方向的流动指指向混合室中心的流体流动。切线方向的流动指方向与该径向方向的流动成直角并一般在混合室表面或靠近混合室表面的流动。基本沿切线方向或径向方向的流动意味着本发明的出色的混合性质也可以通过并非严格地沿切线或径向方向、但处于这些方向30°以内的流动而得到。
在优选的实现方案中，混合器/反应器设备包括不是仅两个、而是多个交替地基本沿切线和基本沿径向方向的通入混合室的供给管道。术语“交替”指沿切线方向的供给管道(用T表示)和沿径向方向的供给管道(用R表示)是以TRTR的顺序在至少一个处于混合室周边处的平面上出现。供给通道也可以交替地布置在多于一个平面上，例如可以以国际象棋棋盘的形式在混合室的周边和长度的二维平面上排列。通过在水平和垂直两个平面上改变其位置(在该位置上将流体注入混合室)，可以形成同心向内流动的多重螺旋流径。由此，可以实现例如双重或三重类型的螺旋。这些流体螺旋一起位于一个平面上并围绕着一个中心，其排列方式使对应的各层圈流相互相邻。
另外，供给管道不仅以相对于混合室的切线和径向方向交替排列，而且它们也优选对于待混合的第一和第二流体交替地流体连通。对于将气体料流与液体料流混合(这种混合是例如实现化学反应所希望的)的情形，当将气体和液体料流分别以切线和径向方向注入混合室时在混合方面获得了优异的结果。在不拘泥于任何一种特定机理或理论的前提下，发明人相信切线方向的液体将径向方向流动的气体料流在进入混合室时打断成细小的泡。如上所述，切线方向注入的流体的动能优选为径向方向注入的流体的动能的至少0.5倍。这确保了向内的流动螺旋的全面形成，从而提供获得有效混合所需的足够的驻留时间。
重要的是，应注意不必使全部供给管道取这些方向。仅其靠近与混合室的流体连通并且影响流体进入混合室的方向的部分需要取这些方向。出于这一原因，将供给管道称为分别具有接受端和排出端是适当的。接受端与待混合的流体或进料流体连通，而排出端与混合室流体连通并且起控制流体相对于混合室的流动方向的作用。在一个可能的设计中，供给通道可以在其从接受端到排出端的整个长度上具有基本均匀的横截面。供给管道的方向从接受端至排出端的实质性改变当然是可能的，并且如果混合室附近的多根管道的空间是有限的，甚至可能是所希望的。另外，可以方便地通过使供给管道从其接受端至排出端变得狭窄实现进入混合室的流体的加速，而这是经常是改善混合所希望的。以如此的方式使供给管道变得狭窄的特定设计包括漏斗形、水滴形或三角形的设计。
在另一个优选的实现方案中，可以在将第一和第二流体注入混合室之前混合(即预混合)。在此情况下，设备还可以包括在供给通道中实现此类混合所需的元件。对于用于实现此类预混合的供给通道，供给通道应足够长以在不带来过度的压强下降的前提下提供良好的预混合。一个特定的方法涉及分配多支管的使用，使供给通道中的待预混合料流首先被分成多个通过分配管道的小股料流。可以随后将这些进料或起始流体的小股料流在多个点(优选以重复或互相交叉序列的方式)送入供给管道入口。“重复序列”指对于流体A和B，流体料流在至少一个平面上以重复的模式一个近邻一个排列。例如，ABAB的交替次序就是一种重复序列。当然，其它重复序列(例如AABAAB)也是可能的。另外，多于两种流体的预混合也可以采用相同的原理。例如，对于将三种流体A、B、C在供给通道中混合，术语“重复序列”可以包括许多可能的单独流体边界层的次序，例如ABCABC或ABACABAC。流体层或形成流体层的分配管道也可以与重复序列排列在多于一个平面上。例如，它们可以在二维平面上以国际象棋棋盘的形式排列。优选将流体料流和与不同流体相联系的管道互相平行并以相同的方向排列。
在如上所述的将两种或更多种料流在加入混合室之前混合的预混合操作使用中，可以将待预混合的流体分成多个较小的分配料流，这些较小的分配料流随后在送入供给管道中之前被以重复序列交替地或成层排列。由于供给管道一般具有比各分配料流所被送入的的横截面积之和小得多的横截面积，经预混合的料流可以被称作在进入混合室前被“聚焦”。这种聚焦增加了分割料流的流速并减少了其层厚度，从而促进了混合室中具有尽可能多的圈流的向内螺旋流动的形成。
优选地，分配管道的横截面积之和与在其接受端合并的供给管道的横截面积的比为1.5至500。当将两种或更多种流体以此方式预混合时，用于接受经排列的流体料流并将其排出至一根管道(即供给管道)的多支管在其与供给管道连接处优选具有弯曲的表面。为了在使用预混合时在最小的压强下降下提供最佳的混合性质，对于整个供给管道，假定横截面几何形状一定，长度与宽度之比优选1至30。当供给管道横截面有变化时，例如当供给管道在靠近混合室处变得狭窄时，上述比对于与混合室流体连通的供给管道排出端的宽度适用。
如上所述，形成了同心向内流动的流体旋涡，随后将形成的混合物从流体涡流的中心排出。在使用预混合的具体的优选的实现方案中，适用本发明的混合器/反应器设备中将三种流体在反应前混合，其中在第二供给管道的上游将第二和第三流体预混合。在此实现方案中，设备包括分别将第二和第三流体分割开的多条第二分配管道和多条第三分配管道。如上所述，可以使用多支管接受以重复序列排列的第二和第三流体分配管道从而在注入混合室前在接近第二供给管道处强迫形成第二和第三流体料流的各边界层。可以将第一流体通过第一供给管道不经混合送入混合室。这一特定实现方案当第二和第三流体为液体并以切线方向注入混合室、第一流体为气体并以径向方向注入混合室时特别具有优势。
符合以上概括性描述的、得到出色混合性质的具体类型的混合器/反应器包括至少两个基本为平面的、封闭性地或以流体密封的形式连接在一起的层。在此类设备中，以相邻层之间建立的封闭性连接定义管道、混合室及其它流体导向结构。例如，可以以在板上压制而形成或从板上彻底切割出来而形成的凹陷或缝隙的板的形式形成所述的层。但以流体密封的排列方式连接在一起时，相邻的板将把这些凹陷或缝隙围起来从而形成能够在压力下容纳流体料流的结构(例如通道)。取决于板的厚度和室的高度，某些结构(例如混合室)可以通过两个或更多个板之间的封闭性连接完全确定。如果混合室仅仅是在一块板的一个侧面或表面压制而成的，而不是从一块板的一个侧面或表面彻底切割出来而成的，则混合室出口结构也可以被包括在同一块板上，并从混合室延伸至压制成混合室的板的相对的面。如果混合室是从一块板彻底切割出来而成的，需要使用至少与之封闭性连接的另一块板形成混合室出口结构。有些结构(例如进料管道)可完全穿过两块或更多块板。
不论给定的结构中使用的单独的板的数目，按照其功能，在本发明的一个实现方案中的混合器/反应器设备包含至少两个不同的层。在不同的基本为平面的层上发挥的具体功能包括对进料组份进行分配、通道传送和混合。在用板形成设备的具体例子中，各层可以包括多于一块板，或者，在某些特殊成型方法中，多于一种功能或者层也可以仅一块板的形式存在。
第一层是用于将待混合的外部流体料流提供给混合器/反应器设备的内部结构的基本为平面的盖层。盖层具有外面和内面并且确定了将第一和第二流体接受进入组件的第一和第二进料通道。这些第一和第二进料通道从外表面延伸至内表面从而形成第一和第二进口端口。第二层是具有上表面和下表面的基本为平面的混合层，其中混合层上表面与盖层内表面封闭性连接。层之间的流体密封连接确定了具有与第一进料通道流体连通的第一供给通道接受端和与第一供给通道接受端相反的第一供给通道排出端的第一供给通道。盖层和混合层之间的封闭连接也确定了具有与第二进料通道流体连通的第二供给通道接受端和与第二供给通道接受端相反的第二供给通道排出端的第二供给通道。此连接还确定了与第一和第二流体供给通道排出端流体连通的混合室，其中第一或第二流体供给通道排出端中的一者基本以切线方向进入混合室，第一或第二流体供给通道排出端中的另一者基本以径向方向进入混合室。两层之间的连接也定义了用于将第一和第二流体的混合料流排出混合室的的、与混合室流体连通的混合室出口通道。如上所述，混合室中可放置催化剂以实现所希望的化学反应。如果混合室中没有容纳催化剂，则已混合的进料组份在单独的结构中反应。
在层状结构中，通过连接两块或更多块板形成结构。被处于另一平面上并垂直于这一平面的材料围绕的典型的结构是凹陷(例如凹槽或盲孔)。定义了通道(例如流体供给通道)的结构可以以深度上延伸至部分或完全穿过板的槽的形式形成。缝隙(例如槽或孔)穿过材料，即仅在侧面被一个平面上的材料围绕。通过以封闭的方式叠放其它层，由凹陷或缝隙形成的开放结构形成了流体导向结构(例如供给通道、混合室或进料装置)。对外部以流体密闭的方式封闭了层状组件的盖层和/或底层确定了为待混合的流体提供的进料通道(该进料通道可以是缝隙或凹槽)和/或为形成的混合物提供的至少一个出口。
当层状组件由叠放的板构成时，它们应由对待混合的加工流体和制得的反应产物足够惰性的材料制成。这将有助于避免潜在地由于暴露于处理条件下而造成的流体板的腐蚀、侵蚀、变形、断裂或膨胀/收缩或其它有害作用。优选地，制成设备的惰性材料选自聚合物(例如以聚氯乙烯或聚乙烯为例的塑料)、金属、合金、玻璃、石英、陶瓷和半导体材料。取决于混合和/或反应的不同阶段中所希望的性质，各板可以使用相同或不同的材料。任选地，至少盖板、沟流板、分配器板和混合器板用透明材料(特别是玻璃、石英玻璃或光敏玻璃)制成，从而允许方便地对混合操作进行观察。对于混合器/反应器在小规模操作中的使用，板优选具有10微米至5毫米的厚度。当然，更厚的板可能更适合于形成混合室。另外，可以使用两块或更多块板形成室或加长的通道。适合于以流体密封形式将板互相连接的方法包括例如压制、焊接、密封、胶接或阳极连接。适用于制造板的方法包括已知的精密机械和微机械生产方法(例如激光烧蚀、电火花腐蚀、注射成型、冲压和电沉积)。其它至少包括使用高能辐射和电沉积以及(如果合适的话)铸造的成型步骤的标准工业方法也是适用的。
在混合器/反应器设备由叠放的板排列形成的本发明的具体实现方案中，管道结构一般作为通道在板中形成。供给通道和混合室的开放结构是由至少一块作为混合器板的板定义的。这些开放结构由盖板以流体密闭的方式对混合器板封闭，而盖板确定了用于从位于混合器/反应器上游的来源接受待混合的流体的进料通道。类似地，以下描述的其它各板所定义的开放结构在与至少一块相邻的板形成封闭性连接时被封闭。盖板可以但不必须限定用于将混合流体排出的通道(即混合室出口通道)。另外，如果还使用了另外的板，进料通道和/或混合室出口通道可以由这些板(而不是盖板)确定。由于板本身的制造在其具有恒定厚度或深度时最方便，以由这些板定义的供给通道和/或混合室也以具有同样的深度更为有利。
如在设备的概括描述中已提及的，供给通道可以具有均匀的横截面或者在通向混合室的方向上(即从其各自的接受端至其排出端)变得狭窄。不论供给通道是变得狭窄还是维持基本恒定的横截面积，供给通道的宽度(在其分别进入混合室的点测量)与在操作中形成的流体螺旋的平面上的混合室宽度之比优选有利地小于或等于1∶10。换而言之，对于性状基本为圆筒形或具有基本为圆形横截面的混合室，混合室直径与每一供给通道排出端宽度之比大于10。对于圆椎形的混合室，该比值适用于混合室的平均直径。
按照以上阐明的设备的概括描述和功能，混合器板也可以定义多个供给通道的开放结构，每一供给通道交替地以切线方向/径向方向与混合室流体连通。在这一特定情况下，其它板(例如沟流板和分配器板)的使用可以将第一和第二流体交替地引向供给通道。沟流板与混合器板在一个表面上连接并定义了多个第一和第二分配端口的开放结构，每一分配端口分别在一端与分配器板所定义的第一或第二分配结构流体连通。分配器板与未与混合器板连接的沟流板的表面连接，并且第一和第二分配结构分别与第一和第二进料通道流体连通。未与流体分配结构流体连通的第一和第二分配端口的末端则各自分别与混合器板的供给通道流体连通，从而提供空间上交替的第一和第二流体向混合室的注射。
另外，将沟流板和分配器板用于其它功能当然也是可以的。例如，按照以上概括性定义的设备，可以将两种流体料流在注入混合室之前在供给通道的上游与第三进料预混合。在此情况下，如果待预混合的流体料流被称为第二和第三流体，沟流板将定义多个分别与其相对应的流体分配结构流体连通的第二和第三分配端口的开放结构。分配端口可以有利地形成一排用于待供给的第二和第三流体每一者的缝隙，其中每一缝隙精确地分配给一个供给通道。由此，对于此处描述的预混合，每一缝隙通过共同的供给通道交替地用于将第二和第三流体供给至混合室。
另外，混合器板将进一步定义用于接受交替的、被分割的第一和第二流体的料流并将其混合至一个供给通道中的聚焦室的开放结构。在许多方面，聚焦室起类似于本发明的概括性设备中的多支管的作用。可以将第一流体通过分开的、仅用于第一流体的供给通道注入混合室，也可以将其与另外两种流体之一混合。因此，尽管以上描述的实现方案代表了优选的进行反应的混合器/反应器设备，实际上存在着无数种符合本发明的、将几种或多种料流混合并反应的方案(其中流体在供给通道中预混合或不预混合)。另外，也可以将板以各种次序排列以进行不同种类的操作。例如，当混合操作与多种供给通道或进料料流的预混合相结合时，优选如上所述使用分配器板。该分配器板可以位于盖板和混合器板之间或在混合器板下方。此外，使用了适当的流体导向结构后，沟流板不必须位于混合器板和分配器板之间，而可以按照所希望的位于这些板上方或下方。
以上已按实现化学反应的混合器/反应器设备和方法描述本发明的元件。取决于具体应用和工艺条件，本发明可以采用此处描述的元件和部件的任何数目的结合而不偏离本发明的精神和范围。以下结合附图描述本发明的具体的优选的实现方案。这些实现方案是用于进一步阐明本发明而不是对附带的权利要求书中阐明的本发明的一般概括性范围加以任何不适当的限制的。在两个或更多个附图中表示的本发明的类似的部件用相同的数字标记，但也用符号“’”标出。
附图1描述了优选的、其上连接了切线方向供给管道10和径向方向供给管道12的混合室的俯视图。切线方向管道10将建立适当的驻留时间并混合所需要的旋涡状或螺旋状运动赋予流体。切线方向注入的流体的动能相对于径向方向注入的流体的动能应足够大从而将后者的流径从直接指向位于混合室14中心的混合室出口(未显示)转化为螺旋状流径。优选地，为了实现这一运动，切线方向流动的流体的动能为径向方向流动的流体的动能的至少0.5倍。因此，当将附图1的实现方案用于将液体/气体混合然后进行反应时，将气体沿径向方向注入混合室而将液体沿切线方向注入混合室，这是因为流动的液体的动能一般显著大于气体的动能。
取决于两种流体的相对动能，开始时取径向方向的流体可能也可能不弯曲至取切线方向的流体一样的紧密环绕的流径中。这就是说，与沿切线方向流体相比，开始时取径向方向的流体可以在其向混合室出口的路径上具有相同数量的圈数或较少的圈数。
在多数情况下，切线方向的管道将被用于输送第一流体，而径向方向的管道将被用于输送第二流体。因此，第一流体将被多条第一流体分配管道(未显示)分配至每一切线方向供给管道10。类似地，第二流体将被多条第二流体分配管道(未显示)分配至每一径向方向供给管道12。切线方向或径向方向的管道的设计是基于通入供给室的管道排出端18的方向的。
切线方向供给管道10和径向方向供给管道12在俯视图中都被描述为具有封闭末端。由此，分别从各自的供给管道的接受端16送入这些供给管道的流体从所显示的横截面上方或下方进入。当然，可以通过处于同一平面(以及同一块板)上的供给管道向供给管道提供流体。
附图2显示了通过两条与混合室14’处于同一平面上的供给管道26、28向切线方向的供给管道10’供给流体的本发明的实现方案。与在附图1中一样，混合器/反应器设备包括也与混合室14’流体连通的径向方向供给管道12’。在此实现方案中，可以使用径向方向供给管道12’将第一流体A送入混合室，可以使用切线方向供给管道10’将第二流体B和第三流体C的混合料流送入混合室。第二流体料流B和第三流体料流C各自被多条第二流体分配管道20和第三流体分配管道22分配成多个较小的流体料流。将这些分配管道在多支管24的进口处交叉以在其各自的切线方向的供给管道10’的上游提供第二流体B和第三流体C的预混合。多支管24的入口与第二分配管道20和第三分配管道22流体连通，其出口仅与供给管道10’在其不与混合室14’流体连通的接受端16’流体连通。混合室出口19延伸至混合室14’横截面的平面上方或下方以将混合流体的料流抽出。
按照附图2，用于将混合流体料流供给至混合室14’的供给管道10’比用于供给待混合的第二流体B和第三流体C的管道26、28狭窄。附图2还描述了宽度比通向多支管24的入口的分配管道20、22的宽度之和小的切线方向的供给管道10’。当然，流体进入混合室中的速度与供给管道在向混合室注射的点的面积成反比。使用狭窄的通道或使供给管道在通向混合室14’的方向上变窄(如对于径向方向的供给管道12’所显示的)加快了流体进入混合室14’的速度并且一般而言改善了混合性质。
附图3显示了通过径向方向的管道12’进入的流体已经被以与通过切线方向管道10’进入的流体相类似的方式预混合的另一个实现方案。在此情况下，使用多条与第四流体D流体连通的分配管道32以及与第五流体E流体连通的分配管道30将这些流体各自分割成较小的料流。随后将这些料流以相互交叉排列的方式分配进通向径向方向的供给管道12’的第二多支管34的入口。再一次地，如附图2中所示，如从与切向和径向方向供给管道10’、12’各自的进料管道26’、28’、36、38相比较更为狭窄的供给管道10’、12’可以看出的，在流体进入混合室14之前将其流速增加。再一次地，混合室出口19’延伸至混合室14’横截面的平面上方或下方以将混合流体的料流抽出。
附图4图示了用于将流体以与附图1的设备相一致的方式混合和反应的叠放板设备。多条切线方向管道10’和径向方向管道12’都交替地与混合室14’和两种单独的流体料流都流体连通，从而使一种流体仅沿切线方向注入混合室14’，而另一种流体仅沿径向方向注入混合室14’。附图4图示了一种包括流体密闭的叠放的板的具体类型的混合器/反应器，其中出于易于理解的目的而将板分开显示。在此部件中，盖板或层40定义了用于各自接受每一流体的进料通道42、44的开放结构。在此情况下，通道的形式为延伸穿过盖板40并与下方的板(即分配器板46)一起提供各流体的流体连通的孔。
分配器板或层46定义了分别仅与各自的进料通道42、44流体连通的第一流体分配结构48和第二流体分配结构50的开放结构。这些流体分配结构48、50延伸穿过分配器板46并提供了第一和第二流体在连接点处与多条第一分配端口52和第二分配端口54的交替流体连通。与处于分配器板46直接下方的一个面连接的沟流板或层56定义了这些流体分配端口52、54的开放结构。按照这一附图，流体分配端口52、54是延伸穿过沟流板56的孔。由此，流体分配端口52、54的每一者在一端与第一流体分配结构48和第二流体分配结构50交替地流体连通，并且每一者在其相反的一端也与切向方向供给通道10’和径向方向供给通道12’交替地流体连通。具体而言，流体分配端口52、54各自与供给通道10’、12’在其各自的接受端16’流体连通。
和附图1中一样，切线和径向方向供给通道10’、12’的排出端18’与混合室14’流体连通以将第一和第二流体加入其中。混合室14’和多条供给通道10’、12’(每一条都具有接受端16’和排出端18’)的结构由混合器板58定义，并在其上表面与沟流板56的下表面相连接。供给通道10’、12’的排出端18’交替地以切线和径向方向通入混合室14’。最后，混合室出口19’与混合室14’流体的中心区域流体连通并垂直地从混合器板58延伸出来从而将混合流体料流排出。在此实现方案中，混合室出口19’是延伸穿过另一块板(即转移板60)的孔，该板在其顶面上与混合器板58的底面连接。可以将进料通道42、44和混合室出口19’加工出螺纹以允许在一个总加工流程中与其它管道和设备之间的连接。另外，它们也可以被改装，以便与各种配件联用或以连接、铜焊接或其它方法与之连接。
附图4图示了在混合室14’和供给通道10’、12’延伸完全穿过混合器板58的情况下混合室板58和转移板60的使用。也可以通过将混合室58和供给通道10’、12’的结构在混合器板中压印或蚀刻形成附图4的组件，从而使混合室出口19’延伸穿过混合室板58至其另一面。因此，如果将叠放板组件在广义上视为每一层以具有单独的功能为特征的层状组件，如附图4所示的混合层包括混合器板58和转移板60。但是，通过将混合室14’和供给通道10’、12’压印至混合器板58中，混合层当然可以仅包括一块板。类似地，可以使用一块或多块板形成其它层，甚至一块板可以起多于一个层的作用。
如上所述，可以使用本发明的设备通过在混合室14’中放置催化剂而在其中实现化学反应。另外，可以使用独立的反应板62而将流体间的反应与混合室完全分开。上述反应板62定义了在反应板62的一端或面具有入口和在另一端或面具有出口的反应器64的开放结构。由此，如所描述的反应器64延伸完全穿过反应板62。反应器入口与混合室出口19’流体连通。将支撑板66置于反应板62下方从而提供用于将反应产物引导出层状组件或引导至组件中的其它的结构(例如分离器)的反应器排出物通道68。反应器排出物通道68与反应器出口流体连通。
由反应板62和转移板60的封闭性连接形成的反应器64可以具有将催化剂保留在其中的装置，例如筛子和其他多孔介质。一般而言，通过将上述介质放置在反应器64的底部将催化剂保留在反应器64中。上述介质由当较小的反应物排出通道68与反应器64的出口开口对齐时在反应器中形成的、支持板66的上表面的环形表面支持。另外，也可以使用仅一块封闭性放置在转移板60下方的板实现反应层的作用，而不使用单独的反应板62和支持板66以形成反应层。在此情况下，反应器不完全延伸穿过仅一块板，而是将其压印在一块板中至所希望的、小于板厚度的深度。反应器出口通道从反应器底部延伸穿过板至板的相对的面。如所显示的，转移板60、反应板62和支持板66具有足以将混合和反应功能分离、提供催化剂保留空间和进一步将反应功能与其他可能的下游功能(例如闪蒸分离)分开的厚度。
附图5图解了以与附图2的设备将流体混合的方式相一致的另一叠层板静态混合器/反应器设备。切线方向供给通道10’和径向方向供给通道12’通向混合室14’，并通过供给通道10’、12’的排出端18’与之连通。在附图5中，第一流体进料通道42’与在指向混合室14’的方向上变窄的径向供给通道12’的接受端16’流体连通。盖板40’不仅定义了第一供给通道42’的开放结构，而且还定义了用于接受待混合的第二和第三流体的第二进料通道26’和第三进料通道28’。盖板也定义了垂直并从定义了混合室64的横截面的平面向上延伸的反应器排出物通道68’。反应器排出物通道68’将反应产物引导出层状组件或引导至组件中的其它的结构(例如分离器)。反应器排出物通道68’与反应器出口流体连通。
在附图5的实现方案中，将反应器与混合室用独立的、定义在反应板62’的一端或面具有入口并在另一端具有出口的反应器64’的开放结构的反应板62’分开。由此，所示反应器64’延伸完全穿过反应板62’。在此情况下，将反应板62’置于盖板40’的下方，并且位于反应板62’的底面的反应器入口与混合室出口19’流体连通，并从混合室14’向上延伸。将转移板60’置于反应板62下方以提供与反应器入口64流体连通的混合室出口19’。混合室出口19’与混合室中心部分流体连通从而排出流体的混合料流。
与盖板40’在其下表面连接的是定义了混合室14’、切线方向的供给通道10’和径向方向的供给通道12’的开放结构的混合器板58’。每一上述供给通道都具有接受端16’和与之相反的排出端18’。与混合室14’流体连通的特定的供给通道排出端18’的取向决定了供给通道是切线方向还是径向方向的。混合器板58’还定义了具有入口和出口的聚焦室24’的开放结构，其中聚焦室入口与交叉排列的多条第二流体分配通道20’和多条第三流体分配通道22’流体连通。聚焦室出口与切线方向供给通道10’的接受端流体连通。
与混合器板58’在其下表面直接连接的是定义了多条第二分配端口54’和多条第三分配端口55的沟流板56’。每一第二分配端口54’的一端与第二流体分配结构50’流体连通。每一第二分配端口的相反的末端与通向聚焦室24’的第二分配通道20’流体连通。类似地，每一第三分配端口55的一端与第三流体分配结构51流体连通。每一第三分配端口55的相反的末端与通向聚焦室24’的第三分配通道22’流体连通。这种设计允许第二和第三流体在被注入混合室14’前的预混合，以及混合后第二和第三流体的流体速度增加。
多个第二分配端口中的每一端口具有与第二流体分配结构流体连通的第二分配端口入口端和第二分配端口出口端。多个第三分配端口中的每一端口具有与第三流体分配结构流体连通的第三分配端口入口端和第三分配端口出口端，
最后，混合器/反应器包括定义了与第二和第三流体进料通道26’、28’分别流体连通的第二和第三流体分配结构50’、51的开放结构的底板61’。与附图4中的不同，这些进料通道26’、28’延伸穿过多于一块板，并且实际上除盖板40’以外它们还穿透了混合器板58’和沟流板56’。底板61’的上表面与沟流板56’的下表面封闭性连接。尽管附图5的实现方案包括多条第二分配通道20’和第三分配通道22’，第二分配端口54’和第三分配端口55也可以直接与聚焦室24’的入口相连接而不需要分配通道。
提供了以下实施例的目的在于阐明本发明的某些方面而不限制其如在权利要求书中所列出的宽范围。
实施例1-5
用玻璃制造包括叠放的板的部件并如已描述的使用旋流混合原理的静态混合器以观察不同条件下是否形成了螺旋状流动。将水和空气分别沿相对于混合室的切线和径向的方向注入混合室。使用具有数字图形处理功能的高速摄像机观察流动液体的螺旋状流动是否形成。这可以容易地从观察水流中的气泡的路径确定。实验结果总结在表1中。
表1
实施例号   水流量(ml/hr)   空气流量(ml/hr)   动能比水/空气   螺旋形成是/否
  1   100   7,800   0.04   否
  2   600   12,000   0.66   是
  3   900   12,000   1.49   是
  4   600   3,600   7.41   是
  5   900   3,600   16.7   是
从这些结果中可以看到，当液体/气体的动能比为0.66或更高时得到了所希望的螺旋状流动。估计切线/径向方向流动的流体的动能比的下限为0.5。应当注意到，如果流动模式从层流变成湍流，切向方向流动的流体的高得多的吞吐量可以阻止旋流的形成。但是，在此情况下，仍发生完全混合。

Claims (20)

1.用于将第一流体料流和第二流体料流混合的设备，该设备包括：
第一供给管道，该管道具有用于接受第一流体料流的第一供给管道接受端和与第一供给管道接受端相反的第一供给管道排出端；
第二供给管道，该管道具有用于接受第二流体料流的第二供给管道接受端和与第二供给管道接受端相反的第二供给管道排出端；
混合室，该混合室在第一和第二供给管道排出端与第一和第二供给管道流体连通，其中，第一或第二供给管道排出端中的一者以切线方向通入混合室，而第一和第二供给管道排出端中的另一者以径向方向通入混合室；和
用于自混合室排出第一和第二流体料流的混合料流的混合室出口，该混合室出口与混合室中心部分流体连通；
其中所述设备由层状组件构成，该组件包括：
为平面的、具有外表面和内表面并限定了用于将第一和第二流体接受至组件中的第一和第二进料通道的盖层，第一和第二进料通道从外表面延伸至内表面以形成第一和第二入口端口；
为平面的、具有上表面和下表面的混合层，其中混合层上表面封闭性安置在盖层内表面上，从而限定出提供了第一供给管道的第一供给通道和提供了第二供给管道的第二供给通道以及与第一和第二供给通道排出端流体连通的混合室；和
由为平面的、具有上表面和下表面的层限定并与混合室流体连通从而提供混合室出口的混合室出口通道，其中所述混合室出口通道层的上表面封闭性安置在混合层下表面上。
2.根据权利要求1的设备，其中盖层和混合层包括以流体密封方式叠放排列的一块或多块板。
3.根据权利要求2的设备，其中板具有10微米至5毫米的厚度。
4.根据权利要求1的设备，其中混合室还包括放置于其中的催化剂。
5.根据权利要求1的设备，该设备还包括具有入口和出口并限定了催化剂保留空间的反应器，其中反应器入口与混合室出口流体连通。
6.根据权利要求1的设备，其中混合室的形状为圆筒形，并且混合室直径与混合室出口直径之比大于5。
7.根据权利要求1的设备，其中混合室在水平的平面上具有为圆形的横截面，混合室出口垂直于上述水平的平面。
8.根据权利要求1至7中任一项的设备，其中混合室出口从混合器板垂直延伸至盖层的外表面，从而形成用于将第一和第二流体的混合料流从组件中排出的出口端口。
9.根据权利要求1至7中任一项的设备，其中还包括：
多条用于分配第一流体料流的第一流体分配管道；
多条用于分配第二流体料流的第二流体分配管道；和
多条接受端分别与第一和第二流体分配管道流体连通并且排出端交替地以切线方向和以径向方向通入混合室的第一和第二供给管道。
10.根据权利要求1至7中任一项的设备，其中第一或第二供给管道中的至少一者在从供给管道接受端至供给管道排出端的方向上变窄并且第一和第二供给管道的长度与在排出端的宽度之比为1至30。
11.根据权利要求1至7中任一项的设备，用于混合第三流体料流，其中还包括：
多条用于分配第二流体料流的第二流体分配管道；
多条用于分配第三流体料流的第三流体分配管道；和具有入口和出口的多支管，多支管入口与以重复序列排列的第二和第三分配管道流体连通并且多支管出口与第二供给管道接受端流体连通。
12.根据权利要求1至7中任一项的设备，其中混合室与多条供给通道流体连通，每一供给通道具有接受端和排出端，并且供给排出端交替地以切线方向和以径向方向通入混合室，该层状组件还包括具有上表面和下表面的为平面的分配层，和一个为平面的具有上表面和下表面的沟流层，分配层上表面封闭性地连接在盖层内表面上并且分配层下表面封闭性地安置在沟流层上表面上，分配层插在盖层和沟流层之间，并且该沟流层插在分配层和混合层之间，从而限定：
多个第一分配端口，每一端口在一端与第一流体分配结构流体连通并分别在相反的一端与交替的流体供给通道接受端流体连通；和
多个第二分配端口，每一端口在一端与第二流体分配结构流体连通并分别在相反的一端与交替的未与第一分配端口流体连通的流体供给通道的接受端流体连通，其中第一流体分配结构与第一进料通道流体连通，第二流体分配结构与第二进料通道流体连通，其中第一和第二分配端口限定在沟流层，并且混合层上表面封闭性地安置在沟流层下表面上从而限定了供给通道。
13.根据权利要求1至7中任一项的设备，其中盖层还定义了用于将第三流体接受入组件的第三进料通道，第三进料通道从盖层外表面延伸至盖层内表面从而形成第三入口端口，层状组件还包括具有上表面和下表面的、为平面的分配层，和一个为平面的具有上表面和下表面的沟流层，分配层上表面封闭性地安置在盖层内表面上，分配层下表面封闭性地安置在沟流层的上表面上，并且沟流层的下表面封闭性地安置在混合层上表面上，分配层插在盖层和沟流层之间，而沟流层插在分配层和混合层之间，从而限定：
多个第二分配端口，每一端口具有与第二流体分配结构流体连通的第二分配端口入口端和第二分配端口出口端；和
多个第三分配端口，每一端口具有与第三流体分配结构流体连通的第三分配端口入口端和第三分配端口出口端，其中第二流体分配结构与第二进料通道流体连通，第三流体分配结构与第三进料通道流体连通，并且沟流层上表面封闭性地安置在分配层下表面上从而限定了具有入口和出口的聚焦室，聚焦室入口与以重复序列排列的第二和第三分配端口出口端流体连通，并且聚焦室出口与第二供给通道接受端流体连通。
14.将至少两种流体混合的方法，该方法包括：
将第一流体料流通过第一进料通道输送并将第一流体料流以为径向方向的方向注入混合室；
将第二流体料流通过第二进料通道输送并将第二流体料流以为切线方向的方向注入混合室从而形成涡流；和
将经混合的第一和第二流体的料流从涡流的中心部分排出；
其中第二流体的动能与第一流体的动能之比为至少0.5从而在混合室内产生流体涡流，并且该方法采用权利要求1-13中任一项所定义的由层状组件构成的设备实施。
15.根据权利要求14的方法，其中混合室的形状为圆筒形。
16.根据权利要求14的方法，其中还包括将多个流体料流通过多条进料通道输送并将流体料流交替地以切线方向和径向方向注入混合室。
17.根据权利要求14的方法，其中还包括将第一和第二流体料流通过进料通道在通向混合室的方向上加速。
18.根据权利要求14至17中任一项的方法，其中还包括：
将第二供给通道在多个第二分配料流之间分配；
将第三流体料流在多个第三流体分配料流之间分配；和
在注射进入混合室前将第二和第三分配料流以重复序列排列于第二进料通道中。
19.根据权利要求14至17中任一项的方法，其中第一流体料流为气体且第二流体料流为液体。
20.根据权利要求14至17中任一项的方法，其中还包括将流体的混合物在反应室中反应。
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