KR101186693B1 - 스파이럴 믹서 노즐, 2개 이상의 유체를 혼합하는 방법 및이소시아네이트 제조 방법 - Google Patents

스파이럴 믹서 노즐, 2개 이상의 유체를 혼합하는 방법 및이소시아네이트 제조 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은, 적어도 제1 유체와 제2 유체를 혼합하는 장치이며, (a) 제1 유동 챔버를 형성하는 제1 유동 덕트와, 제1 배출 개구를 갖는 제1 노즐 팁을 포함하는 제1 노즐과, (b) 제2 유동 챔버를 형성하는 제2 유동 덕트와, 제2 배출 개구를 갖는 제2 노즐 팁을 포함하는 제2 노즐을 포함하고, 상기 제1 유동 덕트와 상기 제2 유동 덕트는 서로 중첩되어 나선형으로 감기는 유체 혼합 장치에 관한 것이다. 또한, 본 발명은 특히 이소시아네이트를 생산하도록 구성되고 본 발명의 장치에서 명백하게 수행되는 유체 혼합 방법을 제공한다.
Figure R1020077022790
유체 혼합 장치, 노즐, 유동 덕트, 배출 개구, 유동 챔버, 유체 제트

Description

스파이럴 믹서 노즐, 2개 이상의 유체를 혼합하는 방법 및 이소시아네이트 제조 방법 {SPIRAL MIXER NOZZLE AND METHOD FOR MIXING TWO OR MORE FLUIDS AND PROCESS FOR MANUFACTURING ISOCYANATES}
본 발명은 유체, 특히 아민과 포스겐을 혼합하는 신규한 장치 및 카르바모일 클로라이드(carbamoyl chloride)와 이소시아네이트(isocyanate)를 얻기 위해 아민과 포스겐을 혼합하는 방법에 관한 것이다.
많은 문헌에는 유체, 특히 반응 유체들을 혼합하는 노즐이 개시되어 있다. 구체적인 일례는 급속 혼합이 중요한 인자인 포스겐화 반응에서 찾을 수 있다. 이 때문에, 충돌식이거나 그렇지 않을 수 있는 동축 제트들을 통상적으로 갖는 이런 노즐을 위해 많은 설계가 제안되어 왔다. 그러나, 특히 포스겐화 반응시에 노즐의 혼합 효율을 더 향상시킬 필요성이 여전히 존재한다.
따라서, 본 발명의 일 목적은,
적어도 제1 유체와 제2 유체를 혼합하는 장치이며,
(a) 제1 유동 챔버를 형성하는 제1 유동 덕트와, 제1 배출 개구를 갖는 제1 노즐 팁을 포함하는 제1 노즐과,
(b) 제2 유동 챔버를 형성하는 제2 유동 덕트와, 제2 배출 개구를 갖는 제2 노즐 팁을 포함하는 제2 노즐을 포함하고,
상기 제1 유동 덕트와 상기 제2 유동 덕트는 서로 중첩되어 나선형으로 감기고,
상기 장치의 작동 중에, 제1 유동 챔버 내에서 유동하여 제1 배출 개구를 통해 빠져나가는 제1 유체는 제1 유체 제트를 형성하고, 제2 유동 챔버 내에서 유동하는 제2 유체는 제2 배출 개구에서 제2 유체 제트를 형성하고, 상기 제1 유체 제트와 상기 제2 유체 제트가 서로 충돌함으로써, 제1 유체와 제2 유체가 혼합되는 유체 혼합 장치를 제공하는 것이다.
특히, 본 발명은,
적어도 제1 유체와 제2 유체를 혼합하는 실질적으로 둥근 장치이며,
(a) 제1 유동 챔버를 형성하는 제1 유동 덕트와, 제1 배출 개구를 갖는 제1 노즐 팁을 포함하는 제1 노즐과,
(b) 제2 유동 챔버를 형성하는 제2 유동 덕트와, 제2 배출 개구를 갖는 제2 노즐 팁을 포함하는 제2 노즐을 포함하고,
상기 제1 유동 덕트와 상기 제2 유동 덕트는 1 내지 20 턴을 갖는 아르키메데스의 나선에 따라 서로 중첩되어 나선형으로 감기고,
상기 제1 및 제2 노즐은 테이퍼링되고,
상기 장치의 작동 중에, 제1 유동 챔버 내에서 유동하여 제1 배출 개구를 통해 빠져나가는 제1 유체는 제1 유체 제트를 형성하고, 제2 유동 챔버 내에서 유동하는 제2 유체는 제2 배출 개구에서 제2 유체 제트를 형성하고, 상기 제1 유체 제트와 상기 제2 유체 제트가 서로 충돌함으로써, 제1 유체와 제2 유체가 혼합되는 유체 혼합 장치를 제공한다.
또한, 본 발명의 다른 목적은,
적어도 제1 유체와 제2 유체를 혼합하는 방법이며,
(a) 제1 배출 위치에서 제1 유체로 이루어진 제1 유체 제트를 형성하는 단계와,
(b) 제2 배출 위치에서 제2 유체로 이루어진 제2 유체 제트를 형성하는 단계와,
(c) 상기 제1 유체 제트와 상기 제2 유체 제트가 서로 충돌하여, 제1 유체와 제2 유체가 혼합되도록, 각각의 유체 제트를 서로 중첩되게 나선형으로 감는 단계를 포함하는 유체 혼합 방법을 제공하는 것이다.
특히, 본 발명은,
적어도 제1 유체와 제2 유체를 혼합하는 방법이며,
(a) 제1 배출 위치에서 제1 유체로 이루어진 제1 유체 제트를 형성하는 단계와,
(b) 제2 배출 위치에서 제2 유체로 이루어진 제2 유체 제트를 형성하는 단계와,
(c) 상기 제1 유체 제트와 상기 제2 유체 제트가 서로 충돌하여, 제1 유체와 제2 유체가 혼합되도록, 1 내지 20 턴을 갖는 아르키메데스의 나선에 따라 각각의 유체 제트를 서로 중첩되게 나선형으로 감는 단계를 포함하는 유체 혼합 방법을 제공한다.
특히, 본 발명의 방법은 이소시아네이트 제조에 유용하기 때문에, 본 발명은 아민과 포스겐에 적용되는 본 발명의 혼합 방법을 포함하며, 혼합된 아민과 포스겐을 반응시키는 단계가 뒤따르는 이소시아네이트 제조 방법을 또한 제공한다. 이러한 방법은 본 발명의 장치에서 명백하게 수행된다.
본 발명의 다른 목적, 특징 및 효과는 이하의 명세서를 참조하면 더 명백해질 것이다. 본 발명은 스파이럴 노즐로서 이후에 칭해지는 스파이럴형 노즐의 사용에 기초를 두고 있다. 이 특정한 형상은 얇은 유동이 서로 충돌할 수 있게 하는 동시에 높은 혼합 에너지를 갖게 한다.
도1은 종래의 간단한 동축 제트 믹서 노즐 조립체의 축방향 단면도이다.
도2는 본 발명의 노즐 부분조립체의 축방향 단면도이다.
도3은 본 발명의 노즐 부분조립체의 확대 저면도이다.
도4는 본 발명의 노즐 부분조립체의 확대 상면도이다.
도5는 본 발명의 노즐의 축방향 단면도이다.
도6A, 도6B, 도6C 및 도6D는 본 발명의 다른 실시예이다.
도7은 본 발명의 노즐 부분조립체의 또 다른 실시예의 축방향 단면도이다.
도1을 이제 참조하면, 2개의 유체를 혼합하기 위한 간단한 충돌하는 동축 제트 믹서 노즐 조립체(100)가 도시되어 있다. 충돌하는 동축 제트 믹서 노즐 조립 체(100)는 외부 유동 덕트(101) 및 외부 유동 덕트 노즐 팁(105) 내부에 동축으로 배치된 내부 유동 덕트(102)와 내부 유동 덕트 노즐 팁(104)을 포함한다. 유동 챔버(120)는 내부 유동 덕트(102)와 내부 유동 덕트 노즐 팁(104) 내부의 공간으로서 형성된다. 유동 챔버(120)는 2개의 단부, 공급 단부(130) 및 배출 단부(110)를 갖는다. 유동 챔버(120)의 배출 단부(110)는 내부 유동 덕트 노즐 팁(104)의 배출 단부에 의해 형성되고 소정 직경의 배출 개구를 갖는다. 유동 챔버(121)는 외부 유동 덕트(101)와 내부 유동 덕트(102) 사이의 환형 공간으로서 시작된다. 유동 챔버(121)는 외부 유동 덕트 노즐 팁(105)과 내부 유동 덕트(102) 사이의 환형 공간으로서 연장된다. 유동 챔버(121)는 외부 유동 덕트 노즐 팁(105)과 내부 유동 덕트 노즐 팁(104) 사이의 환형 공간으로서 더 연장된다. 유동 챔버(121)는 2개의 단부, 공급 단부(131) 및 배출 단부(132)를 갖는다. 유동 챔버(121)의 배출 단부(132)는 외부 유동 덕트 노즐 팁(105)의 배출 단부에 의해 형성된다. 유동 챔버(120)의 배출 단부(110)와 유동 챔버(121)의 배출 단부(132)는 축방향 직경이 실질적으로 비슷하다. 제1 유체는 유동 챔버(120)를 통해 유동하고 제트(103)로서 배출 단부(110)에서 배출된다. 제트(103)의 초기 직경은 노즐 팁(104)의 배출 개구 직경과 실질적으로 동일하다. 제2 유체는 유동 챔버(121)를 통해 유동하고 환형 제트(106)로서 배출 단부(132)에서 배출된다. 제트(106)의 초기 두께는 노즐 팁(105)의 배출 개구 직경과 노즐 팁(104)의 직경 사이의 차이의 절반과 실질적으로 동일하다. 2개의 동축 제트(103, 106)는 노즐 팁(104, 105)을 빠져나갈 때 충돌 및 혼합되어 복합 제트(107)를 형성한다. 혼합을 위한 주 구동력은 제트(103, 106)의 난류 에너지 소산률 및 운동 에너지이다. 유체의 속도는 노즐(104, 105)의 상대적인 설계에 의해 선택된다. 노즐 팁(104, 105)이 테이퍼링되는 각도(즉, 충돌 각도)는 예컨대, 30° 내지 60°일 수 있다.
오랫동안 공지된 이러한 장치는 혼합 효율 측면에서 여전히 개선될 필요가 있다.
그래서, 본 발명의 노즐 조립체는 적어도 제1 유체와 제2 유체를 혼합하는 장치를 제공하며, 상기 장치는 제1 유체로 이루어진 제1 나선형 유체 제트(206)를 형성하는 제1 노즐 조립체 수단과, 상기 제1 나선형 유체 제트(206)와 동축이며 상기 제1 나선형 유체 제트(206) 주위를 감싸는, 제2 유체로 이루어진 제2 나선형 유체 제트(207)를 형성하는 제2 노즐 조립체 수단을 포함함으로써, 제2 나선형 유체 제트(207)가 제1 나선형 유체 제트(206)에 충돌하여 제1 유체와 제2 유체를 혼합한다. 이러한 요소는 노즐 부분조립체(nozzle sub-assembly; 201)로서 임의로 칭해질 것이다.
필요한 경우, 추가적인 유체를 위해 추가의 덕트를 제공할 수도 있다.
도2를 이제 참조하면, 본 발명의 노즐 조립체의 길이 방향 확대 단면도가 도시되어 있다. 노즐 부분조립체(201)는 하부 하우징(250) 내에 위치된다. 나선형으로 권취된 조립체는 이하와 같이 정렬되는 제1 덕트(202)와 제2 덕트(203)를 포함한다. 제1 유동 챔버(220)는 제1 유동 덕트(202)와 제1 유동 덕트 노즐 팁(204) 내부의 공간으로서 형성된다(도면의 좌측 참조). 제1 유동 챔버(220)는 2개의 단부, 공급 단부(230)(도면의 우측 참조)와, 배출 개구(210)(도면의 좌측 참조)를 갖 는다. 제1 유동 챔버(220)의 배출 개구(210)는 제1 유동 덕트 노즐 팁(204)의 배출 단부에 의해 형성되며, 소정 값의 배출 간극을 갖는다. 제2 유동 챔버(221)는 제2 유동 덕트(203)와 제2 유동 덕트 노즐 팁(205) 내부의 공간으로서 형성된다(도면의 우측 참조). 제2 유동 챔버(221)는 2개의 단부, 공급 단부(231)(도면의 좌측 참조)와, 배출 단부(211)(도면의 우측 참조)를 갖는다. 본 실시예에서는 덮개 판(251)이 유체를 측방향 입구(도입 루멘)로부터 유동하도록 추진시키기 때문에, 공급 단부(231)가 데드 엔드(dead end)로서 도시되어 있다. 이는 도3, 도4 및 도5를 참조하여 더 설명될 것이다. 유동 챔버(221)의 배출 개구(211)는 제2 유동 덕트 노즐 팁(205)의 배출 단부에 의해 형성되며, 소정 값의 배출 간극을 갖는다. 본 실시예에서는 나선형으로 권취된 조립체를 형성하도록 협동하는 하부 하우징(250)에 의해 덕트(203)가 형성되는 외부 턴(turn)을 제외하면, 덕트(202, 203)는 공통 벽(241, 242)(도4 참조)을 공유하는 것으로서 도시되어 있다. 이러한 조립체는 각각의 제1 및 제2 배출 개구에서 빠져나가는 각각의 제1 및 제2 제트(206, 207)를 생성한다. 제트(206, 207)는 노즐 팁(204, 205)을 탈출할 때 충돌 및 혼합되어 복합 제트(208)를 형성한다. 대부분의 유동 덕트의 외부 테이퍼 각도는 예컨대, 30° 내지 60°, 바람직하게는 40° 내지 50°이며, 통상적으로는 약 45°일 수 있다. 소정 지점에서의 소정 유동 덕트의 테이퍼 각도는 충돌하기 전의 소정 지점에서 소정 덕트의 출구에서의 일반적인 유동 방향과 조립체의 축 사이의 각도이다. 유동 덕트는 유동 덕트의 원형 경로를 따라 변화되는 테이퍼 각도를 갖는다. 특히, 테이퍼 각도는 장치의 중심으로부터 외부를 향해 증가할 수 있다. 또 한, 유동 덕트의 내부 테이퍼 각도는 0° 내지 45°, 바람직하게는 0° 내지 15°일 수 있다.
도시된 실시예에서, 상기 제1 유동 챔버(220)는 제1 배출 개구를 향해 제1 유동 덕트를 따라 실질적으로 감소하는 치수를 갖는다. 공급 단부(230)의 간극 대 배출 단부(210)의 간극의 비율은 1 내지 10, 바람직하게는 2 내지 4일 수 있다.
도시된 실시예에서, 상기 제2 유동 챔버(221)도 제2 배출 개구를 향해 제2 유동 덕트를 따라 실질적으로 감소하는 치수를 갖는다.
도시된 실시예(도4에서 더 설명됨)에서, 상기 제2 유동 챔버(221)도 나선형으로 감긴 덕트의 외부로부터 내부를 향해 실질적으로 감소하는 치수를 갖는다. 또한, 외부 단부의 간극 대 내부 단부의 간극은 공급 레벨이나 배출 레벨, 또는 양자 모두에서 변화될 수 있다.
본 명세서에서 각각의 배출 개구의 다양한 치수(즉, 폭 또는 간극)는 요구 속도를 제공하도록 선택된다. 통상, 제트(206)의 (표면) 속도는 5 내지 90 ft/sec(1.52 내지 27.43 m/sec), 바람직하게는 20 내지 70 ft/sec (6.10 내지 21.34 m/sec)이다. 통상, 제트(207)의 (표면) 속도는 5 내지 70 ft/sec (1.52 내지 21.34 m/sec), 바람직하게는 10 내지 40 ft/sec(3.05 내지 12.19 m/sec)이다. 노즐 팁(204)에서의 간극은 통상 0.04 인치 내지 0.20 인치(1.02 내지 5.08 밀리미터), 바람직하게는 0.05 인치 내지 0.10 인치(1.27 내지 2.54 밀리미터)이다. 노즐 팁(205)에서의 간극은 0.04 인치 내지 0.20 인치(1.02 내지 5.08 밀리미터), 바람직하게는 0.05 인치 내지 0.10 인치(1.27 내지 2.54 밀리미터)이다. 이러한 간극은 일정하거나 나선형부를 따라 변화될 수 있다. 벽 두께 또는 분리 간극은 배출 개구의 각각의 간극보다 대체로 작으며, 통상 0.03 인치 내지 0.10 인치(0.76 내지 2.54 밀리미터), 바람직하게는 0.03 인치 내지 0.06 인치(0.76 내지 1.52 밀리미터)이다. 각각의 배출 개구를 고려하면, 배출부의 대략적인 길이(배치 라인으로서 간주됨)를 측정할 수 있다. 배출 개구는 통상, 간극에 대한 L의 비율은 20 내지 200, 바람직하게는 60 내지 150이도록 길이 L을 갖는다. 배출 간극(210)은 배출 간극(211)보다 작거나, 배출 간극(211)과 동일하거나, 배출 간극(211)보다 클 수 있다. 또한, 배출 간극(211)은 외부로부터 내부까지 변화될 수 있으며, 예컨대 외부에서의 배출 간극(211)은 내부에서의 배출 간극(211)의 절반일 수 있다. 또한, 필요한 경우 배출 간극(210)도 동일한 방식으로 변화될 수 있다.
도3을 이제 참조하면, 하부 하우징이 없는 본 발명의 제1 실시예의 노즐 부분조립체의 확대 저면도가 도시되어 있다. 덕트(202, 203)는 공통 벽을 공유하고 있으며, 덕트(202)는 루프형 턴으로 형성되지만, 덕트(203)는 감기(wrapping)(그리고 최종적으로는 하부 하우징 내로의 수납)에 의해 형성된다. 도입 루멘은 도면상에 도면 부호(232)로 나타나 있다.
도4를 이제 참조하면, 하부 하우징이 없는 본 발명의 제1 실시예의 노즐 부분조립체의 확대 상부도가 도시되어 있다. 도4에는 벽(241, 242) 및 제2 유체 도입용 루멘(232)이 도시되어 있으며, 화살표는 제2 덕트(203) 내의 일반적인 유동의 주입 방향을 나타낸다. 이는 도5를 참조하여 더 설명될 것이다.
도5를 이제 참조하면, 본 발명의 나선형으로 권취된 조립체의 길이 방향 단면도가 도시되어 있다. 제1 및 제2 덕트(202, 203)와 하부 하우징(250)이 여전히 도시되어 있다. 도5에는 제2 유체 도입용 제2 유체 덮개(251)가 도시되어 있다. 덮개는 감기에 의해(그리고 최종적으로는 하부 하우징 내로의 수납에 의해) 형성되는 제2 덕트(203)의 최상부에 위치되기 때문에, 도시된 실시예에서의 덮개(251)도 대체로 권취된 형태를 갖는다. 제2 유체가 도입 루멘(232)으로부터 제2 덕트(203) 내로 공급될 때, 제2 유체는 노즐의 축에 대해 실질적으로 접선 방향인 (도4에서 화살표로 나타내진) 방향을 따라 유동할 것이다. 제2 유동의 접선 방향 공급을 이용함으로써, 접선 방향 속도 벡터를 달성하는데 부가적인 이점이 있으며, 이로 인해 소용돌이 효과(swirling effect)가 발생하고 최종적으로는 혼합을 향상시킨다. 253a 및 253b는 가지부(tine)이다.
상기 도면들로부터 알 수 있는 바와 같이, 본 발명의 노즐 조립체는 그 자체가 나선형으로 권취되거나 감긴다. 용어 "서로 중첩되어 나선형으로 감긴 덕트"는 하나의 덕트가 하나 이상의 턴에 걸쳐 다른 덕트를 감싸는 경우를 포함하는 것이다. 본 발명의 목적을 위해, 커브(curve)는 직선이 적어도 3개의 다른 위치에서 상기 커브와 교차하여 빠져나가는 경우에 턴을 형성하는 것으로 간주된다. 상기 직선과 커브의 교차점의 개수를 계산함으로써 턴의 개수를 계산할 수 있다. 이를 표현하는 일 방법은 2n+1로서 교차점의 개수를 계산하는 것이며, 여기서 n은 턴의 개수이다. 본 명세서에서 나선형은 고정된 점으로부터 계속 증가하는 거리에서 그려지는 실질적으로 연속적인 임의의 커브를 포함하는 것이다. 본 명세서 "감다"라는 용어는 덕트의 중첩이 일어나는 하나 이상의 턴이 존재한다는 것을 나타낸다. "턴"은 반드시 둥글 필요는 없지만, 둥근 것이 바람직한 실시예이며, 나선 형상의 사각형으로 감긴 덕트도 포함한다. 이러한 구조에 기인하는 비대칭은 2개의 유체의 혼합을 향상시킨다. 턴의 개수가 결정적인 것은 아니며, 1 내지 20 사이의 턴과 같이 넓은 한도 사이에서 변화될 수 있다. 일 실시예에서, 예컨대 도시된 제1 실시예에서는 이 수가 상당히 높으며, 이는 "촘촘한 나선" 실시예로서 표현될 수 있다. 이러한 실시예에서 턴의 개수는 3 내지 10 사이에서 변화될 수 있다. 다른 실시예에서는, 이 수가 상당히 낮으며, 이는 "개방형 나선" 실시예로서 표현될 수 있다. 그렇다면, 턴의 개수는 1.05 내지 1.5 사이에서 변화될 수 있다. 이중 덕트가 감기는 경우도 생각할 수 있다. 제1 및 제2 유동 덕트는 아르키메데스의 나선(Archimedean spiral)에 따라 서로 중첩되어 나선형으로 감기는 것이 바람직하며, 아르키메데스의 나선(Archimedes' spiral)에 따르는 것이 더 바람직하다. 아르키메데스의 나선은 극 방정식 r=aθ1/y을 갖는 나선이며, 여기서 r은 방사상 거리, θ는 극 각도, y는 나선이 얼마나 촘촘하게 "감기는지"를 결정하는 상수이다. 아르키메데스의 나선은 y가 1인 나선이다.
도6은 본 발명의 다른 실시예를 도시한다. 도6A는 "개방형 나선" 실시예를 도시한다. 도6B는 "사각형 나선" 실시예를 도시한다. 도6C는 "하트형 나선" 실시예를 도시한다. 도6D는 "S자형 나선" 실시예를 도시한다. 도5는 세척 장치를 포함하는 본 발명의 다른 실시예를 도시한다. 이 실시예에서, 노즐을 따라 동축으로 장착된 캐리지(252)에는 가지부(243a, 243b, 243c 등)가 제공된다. 가지부는 덕트들 중 하나 내에, 이 실시예에서는 제1 덕트(202) 내에 위치된다. 캐리지(252)가 적절한 기계적 수단(도시 안됨)을 사용하여 노즐의 축을 따라 변위될 때, 가지부는 제1 덕트(202) 내에 쌓여있는 찌꺼기와 퇴적물을 긁어낸다. 따라서, 막히거나 제 한된 유동 노즐 조립체를 제거하기 위해 공정을 가동 중단시킬 필요 없이 막히지 않는 노즐 조립체가 달성될 수 있다.
도7은 노즐 부분조립체의 바닥 부분이 만곡된 형상으로 변경된 도1의 실시예에 대응하는 본 발명의 다른 실시예를 도시한다. 이는 구체(또는 임의의 다른 둥근 형태)의 일부분에 상응하는 부분을 삭제한 것으로서 표현될 수 있다.
또한, 본 발명의 노즐 조립체의 표면은 필요한 경우 코팅, 연마, 리지 또는 홈의 추가를 포함하는 종래의 표면 처리에 의해 처리 및/또는 마무리될 수 있다.
본 발명은 종래 기술의 노즐 조립체보다 유리한 몇몇 이점을 제공한다. 하나의 이점은 종래의 노즐 조립체에 비해 혼합 효율에 있어서의 상당한 증대이다. 노즐의 특정 형상은 다른 표면상에서의 충돌을 필요로 하지 않으며, 이로 인해 침식이 방지되고 비용이 드는 정렬을 방지한다. 또한, 본 발명은 하부 하우징(250)에 대한 (있는 경우에, 덮개 판(251)과 관련 캐리지를 포함하는) 노즐 부분조립체(201)의 조정을 위해 제공될 수 있다. 하부 하우징(250)과 관련된 노즐 부분조립체(201)의 축방향 이동은 기계적 수단(도시 안됨)에 의해 달성된다. 이러한 기계적 수단은 통상 부분조립체가 장착되는 샤프트와, 이 샤프트를 변위시키는 수단을 포함한다. 하부 하우징에 대하여 부분조립체를 조정함으로써, 하부 하우징(250)에 인접한 외부 덕트(203)의 치수를 변경하여 외부 덕트(203)를 통한 유량을 변경할 수 있다. 이는 일어날 반응을 위한 조정 수단을 제공한다. 가동 부분조립체를 갖춘 실시예의 이점은 최외부 제트 유동을 위한 단면적의 온라인 조절 기능이다. 온라인 조절 기능은 진행중인 공정과의 불필요한 간섭 없이 조절할 수 있는 능력을 의미한다. 상업적 규모의 프로세스에서, 온라인 조절 기능은 예컨대, 노즐의 최외부 배출 지점에서의 유량이나 최대 압력 강하를 위해 노즐의 빈번한 조절을 허용한다. 다른 이점은 향상된 상업적 프로세스의 턴다운 능력(turn-down capability)이다. 조절 기능은 몇몇 프로세스를 위해 더 넓은 범위의 가동률을 허용할 수 있다. 다른 이점은 노즐 조립체가 설치된 그의 전체 여정 경로를 통해 하부 하우징(250)에 대하여 부분조립체를 행정 운동시키는 능력이다. 상업적 크기의 믹서 조립체는 찌꺼기나 고체 적층물로 막힐 수 있다. 하부 하우징(250)에 대한 부분조립체(201)의 행정 운동은 가지부가 덕트 위치에 존재하지 않는 경우에 최외부 덕트에 쌓여 있는 찌꺼기와 적층물을 긁어낼 수 있다.
노즐 조립체는 제조 및 설치가 간단하며, 노즐 조립체를 제조하기 위한 일 방법은 널리 이용할 수 있는 방법인 전기 와이어 방전 가공(electrical wire discharge machining)이다. 본 발명의 장치의 노즐 부분조립체를 제조하는 방법은 통상 (a) 예비 성형체를 제공하는 단계와, (b) 상기 예비 성형체를 전기 와이어 방전 가공하는 단계를 포함한다. 하우징은 종래의 기계가공을 사용하여 제조될 수 있다. 또 다른 이점은 연속적으로 이동 또는 회전하는 부분이 없어서, 시스템의 기계적 마모가 방지된다는 것이다.
본 발명은 급속 혼합이 매우 중요한 고속 화학 반응에 특히 유용하다. 이 때문에, 본 발명은 이소시아네이트의 준비를 위한 예비 포스겐화(pre-phosgenation) 반응기로서 유용하다. 본 실시예에서, 내부 경로를 통해 유동하는 유체는 선택적으로 용매에서 용해되는 1차 아민이다. 본 실시예에서, 외부 경로를 통해 유동하는 유체는 선택적으로 용매에서 용해되는 포스겐이다. 이 때문에, 본 발명은 예컨대 방향족(aromatic), 지방족(aliphatic), 환형지방족(cycloaliphatic) 및 방향지방족(araliphatic) 폴리이소시아네이트로부터 선택될 수 있는 다양한 이소시아네이트의 제조에 유용하다.
노즐 조립체는 반응시 사용된 잉여 포스겐을 최소화할 수 있고, 또는 더 높은 혼합 강도(blend strength)나 더 높은 생산량을 가질 수 있다. 혼합 강도는 노즐에 공급되는 아민을 포함하는 아민 혼합물과 용매 내의 아민의 농도에 관련이 있다.
공지된 기술에서와 같이, 이소시아네이트, 포스겐 및 용매의 용액을 개별적으로 또는 조합으로 포스겐 유동 내로 다시 재순환시킬 수 있다. 일 실시예에서는, 이러한 용액을 재순환시키지 않는 것이 바람직하다.
구체적으로는, 메틸렌 디페닐 디이소시아네이트(MDI)(예컨대, 이의 2,4'-, 2,2'- 및 4,4'-이성질체 및 이들의 혼합물의 형태)와, "크루드(crude)"로서 당해 기술 분야에 공지된 그 올리고머나 2보다 큰 이소시아네이트 기능성을 갖는 중합체 MDI(폴리메틸렌 폴리페닐렌 폴리이소시아네이트)와 메틸렌 디페닐 디이소시아네이트(MDI)의 혼합물과 같은 방향족 폴리디이소시아네이트, 톨루엔 디이소시아네이트(TDI)(예컨대, 이의 2,4- 및 2,6-이성질체 및 이들의 혼합물의 형태), 1,5-나프탈렌 디이소시아네이트, 및 1,4-디이소시아네이토벤젠(PPDI)가 생산된다. 얻어질 수 있는 다른 유기 폴리이소시아네이트는 이소포론 디이소시아네이트(IPDI), 1,6-디이소시아네이토헥산 및 4,4'-디이소시아네이토디시클로-헥실메탄(HMDI)과 같은 지방족 디이소시아네이트를 포함한다. 생산될 수 있는 또 다른 이소시아네이트는 크실렌(xylene) 디이소시아네이트, 페닐 이소시아네이트이다.
필요한 경우, 본 발명의 노즐 조립체의 형상은 제조될 특정 이소시아네이트에 적합하게 될 수 있다. 전형적인 테스트를 통해 당업자는 간극과 길이의 최적값뿐만 아니라 작동 조건을 한정할 수 있을 것이다.
본 발명의 노즐 조립체는 (배플을 갖추거나 갖추지 않은) 종래의 연속 교반 탱크 반응기에 사용될 수 있다. 노즐 조립체는 증기 공간 내에 있거나 침지될 수 있다. 본 발명의 노즐 조립체는 최소한의 개조로 모든 종래의 장비에 사용될 수 있어, 비용을 절감한다. 또한, 본 발명의 노즐 조립체는 임의의 형식의 반응기에 사용될 수 있으며, 예컨대 노즐 조립체는 임펠러 및 배플이 구비된 회전식 반응기의 바닥에 장착될 수 있거나, 노즐 조립체는 회전자/고정자식 반응기에서 주입 장치로서 사용될 수 있다.
프로세스 조건은 통상적으로 사용되는 것들이다. 포스겐:아민 몰비는 대체로 잉여 상태이며, 1.1:1 내지 10:1, 바람직하게는 1.3:1 내지 5:1의 범위이다. 용매는 대체로 아민과 포스겐용으로 사용된다. 예시적인 용매는 모노클로로벤젠(MCB), o- 및 p-디클로로벤젠, 트리클로로벤젠 및 상응하는 톨루엔과 같은 알킬아릴과 염화 아릴, 크실렌, 메틸벤젠, 나프탈렌, 및 톨루엔, 크실렌, 니트로벤젠, 케톤 및 에스테르와 같은 당해 기술 분야에 공지된 다른 것들을 포함한다. 아민 혼합 강도는 5 내지 40 wt%이지만, 포스겐 농도는 40 내지 100 wt%이다. 아민 유동의 온도는 대체로 40 내지 80℃이지만, 포스겐 유동의 온도는 대체로 -20 내지 0 ℃이다. 프로세스는 대체로 대기압 내지 100 psig의 (혼합 구역에서의) 압력에서 수행된다.
또한, 반응을 완료하기 위해 하나 이상의 추가적인 반응기(특히, CSTR)를 사용하는 것도 가능하다. 이소시아네이트를 제조하는 프로세스에 있어서, HCI를 제거하고 HCI를 염소로 재순환시키기 것 등을 위해, 용매 및/또는 잉여 포스겐을 재순환시키는 전형적인 유닛을 사용하는 것도 가능하다. 도시되고 기술된 본 발명의 양호한 실시예는 예시적인 것이며, 본 발명의 전체적인 범주가 아니다.

Claims (38)

  1. 적어도 제1 유체와 제2 유체를 혼합하는 장치이며,
    (a) 제1 유동 챔버를 형성하는 제1 유동 덕트와, 제1 배출 개구를 갖는 제1 노즐 팁을 포함하는 제1 노즐과,
    (b) 제2 유동 챔버를 형성하는 제2 유동 덕트와, 제2 배출 개구를 갖는 제2 노즐 팁을 포함하는 제2 노즐을 포함하고,
    상기 제1 유동 덕트와 상기 제2 유동 덕트는 서로 중첩되어 나선형으로 감기고,
    상기 장치의 작동 중에, 제1 유동 챔버 내에서 유동하여 제1 배출 개구를 통해 빠져나가는 제1 유체는 제1 유체 제트를 형성하고, 제2 유동 챔버 내에서 유동하는 제2 유체는 제2 배출 개구에서 제2 유체 제트를 형성하고, 상기 제1 유체 제트와 상기 제2 유체 제트가 서로 충돌함으로써, 제1 유체와 제2 유체가 혼합되는 유체 혼합 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 제1 유동 덕트와 상기 제2 유동 덕트는 아르키메데스의 나선에 따라 서로 중첩되어 나선형으로 감기는 유체 혼합 장치.
  3. 제1항에 있어서, 상기 제1 유동 덕트와 상기 제2 유동 덕트는 아르키메데스의 나선에 따라 서로 중첩되어 나선형으로 감기는 유체 혼합 장치.
  4. 제1항에 있어서, 상기 제1 및 제2 노즐은 테이퍼링되는 제1 및 제2 유동 덕트를 형성하는 유체 혼합 장치.
  5. 제4항에 있어서, 테이퍼링 각도는 장치의 내부로부터 외부를 향해 증가하는 유체 혼합 장치.
  6. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제1 유동 덕트와 상기 제2 유동 덕트는 서로 중첩되어 나선형으로 감겨서, 1 내지 20 턴을 형성하는 유체 혼합 장치.
  7. 제6항에 있어서, 상기 제1 유동 덕트와 상기 제2 유동 덕트는 서로 중첩되어 나선형으로 감겨서, 1.05 내지 1.5 턴을 형성하는 유체 혼합 장치.
  8. 제6항에 있어서, 상기 제1 유동 덕트와 상기 제2 유동 덕트는 서로 중첩되어 나선형으로 감겨서, 3 내지 10 턴을 형성하는 유체 혼합 장치.
  9. 제1항에 있어서, 상기 제1 챔버는 제1 배출 개구를 향해 제1 유동 덕트를 따라 감소하는 치수를 갖는 유체 혼합 장치.
  10. 제1항에 있어서, 상기 제2 챔버는 제2 배출 개구를 향해 제2 유동 덕트를 따라 감소하는 치수를 갖는 유체 혼합 장치.
  11. 제1항에 있어서, 상기 제2 챔버는 나선형으로 감긴 덕트의 외부로부터 내부를 향해 감소하는 치수를 갖는 유체 혼합 장치.
  12. 제1항 내지 제5항 및 제9항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제1 유체 또는 제2 유체를 각각 접선 방향으로 공급하기 위해, 제1 유동 챔버 또는 제2 유동 챔버에 유체 덮개를 더 포함하는 유체 혼합 장치.
  13. 제1항 내지 제5항 및 제9항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 장치는 둥근 유체 혼합 장치.
  14. 적어도 제1 유체와 제2 유체를 혼합하는 둥근 장치이며,
    (a) 제1 유동 챔버를 형성하는 제1 유동 덕트와, 제1 배출 개구를 갖는 제1 노즐 팁을 포함하는 제1 노즐과,
    (b) 제2 유동 챔버를 형성하는 제2 유동 덕트와, 제2 배출 개구를 갖는 제2 노즐 팁을 포함하는 제2 노즐을 포함하고,
    상기 제1 유동 덕트와 상기 제2 유동 덕트는 1 내지 20 턴을 갖는 아르키메데스의 나선에 따라 서로 중첩되어 나선형으로 감기고,
    상기 제1 및 제2 노즐은 테이퍼링되고,
    상기 장치의 작동 중에, 제1 유동 챔버 내에서 유동하여 제1 배출 개구를 통해 빠져나가는 제1 유체는 제1 유체 제트를 형성하고, 제2 유동 챔버 내에서 유동하는 제2 유체는 제2 배출 개구에서 제2 유체 제트를 형성하고, 상기 제1 유체 제트와 상기 제2 유체 제트가 서로 충돌함으로써, 제1 유체와 제2 유체가 혼합되는 유체 혼합 장치.
  15. 제14항에 있어서, 상기 제1 및 제2 노즐은 테이퍼링되는 제1 및 제2 유동 챔버를 형성하고, 테이퍼링 각도는 장치의 내부로부터 외부를 향해 증가하는 유체 혼합 장치.
  16. 제14항에 있어서, 상기 제1 유동 덕트와 상기 제2 유동 덕트는 서로 중첩되어 나선형으로 감겨서, 1.05 내지 1.5 턴을 형성하는 유체 혼합 장치.
  17. 제14항에 있어서, 상기 제1 유동 덕트와 상기 제2 유동 덕트는 서로 중첩되어 나선형으로 감겨서, 3 내지 10 턴을 형성하는 유체 혼합 장치.
  18. 제14항에 있어서, 각각의 상기 제1 및 제2 챔버는 각각의 제1 및 제2 배출 개구를 향해 각각의 제1 및 제2 유동 덕트를 따라 감소하는 치수를 갖는 유체 혼합 장치.
  19. 제14항에 있어서, 상기 제2 챔버는 나선형으로 감긴 덕트의 외부로부터 내부를 향해 감소하는 치수를 갖는 유체 혼합 장치.
  20. 제14항에 있어서, 상기 제1 배출 개구와 상기 제2 배출 개구는 각각의 상기 배출 개구의 치수를 초과하지 않는 두께를 갖는 벽에 의해 분리되는 유체 혼합 장치.
  21. 제14항에 있어서, 상기 제1 유체 또는 제2 유체를 각각 접선 방향으로 공급하기 위해, 제1 유동 챔버 또는 제2 유동 챔버에 유체 덮개를 더 포함하는 유체 혼합 장치.
  22. 적어도 제1 유체와 제2 유체를 혼합하는 방법이며,
    (a) 제1 배출 위치에서 제1 유체로 이루어진 제1 유체 제트를 형성하는 단계와,
    (b) 제2 배출 위치에서 제2 유체로 이루어진 제2 유체 제트를 형성하는 단계와,
    (c) 상기 제1 유체 제트와 제2 유체 제트가 서로 충돌하여, 제1 유체와 제2 유체가 혼합되도록, 각각의 유체 제트를 서로 중첩되게 나선형으로 감는 단계를 포함하는 유체 혼합 방법.
  23. 제22항에 있어서, 상기 각각의 유체 제트를 나선형으로 감는 단계는 아르키메데스의 나선에 따르는 유체 혼합 방법.
  24. 제22항에 있어서, 각각의 유체 제트를 나선형으로 감는 상기 단계는 아르키메데스의 나선에 따르는 유체 혼합 방법.
  25. 제22항에 있어서, 각각의 유체 제트를 나선형으로 감는 상기 단계는 1 내지 20 턴을 형성하는 단계를 포함하는 유체 혼합 방법.
  26. 제22항에 있어서, 상기 제1 유체 제트와 상기 제2 유체 제트는 소용돌이치는 유체 혼합 방법.
  27. 제22항에 있어서, 제1 유체는 아민을 포함하고 제2 유체는 포스겐을 포함하거나, 제1 유체는 포스겐을 포함하고 제2 유체는 아민을 포함하는 유체 혼합 방법.
  28. 적어도 제1 유체와 제2 유체를 혼합하는 방법이며,
    (a) 제1 배출 위치에서 제1 유체로 이루어진 제1 유체 제트를 형성하는 단계와,
    (b) 제2 배출 위치에서 제2 유체로 이루어진 제2 유체 제트를 형성하는 단계와,
    (c) 상기 제1 유체 제트와 상기 제2 유체 제트가 서로 충돌하여, 제1 유체와 제2 유체가 혼합되도록, 1 내지 20 턴을 갖는 아르키메데스의 나선에 따라 각각의 유체 제트를 서로 중첩되게 나선형으로 감는 단계를 포함하는 유체 혼합 방법.
  29. 제28항에 있어서, 상기 아르키메데스의 나선은 1.05 내지 1.5 턴을 갖는 상기 유체 혼합 방법.
  30. 제28항에 있어서, 상기 아르키메데스의 나선은 3 내지 10 턴을 갖는 유체 혼합 방법.
  31. 제28항에 있어서, 상기 제1 유체 제트와 상기 제2 유체 제트는 소용돌이치는 유체 혼합 방법.
  32. 제28항에 있어서, 제1 유체는 아민을 포함하고 제2 유체는 포스겐을 포함하거나, 제1 유체는 포스겐을 포함하고 제2 유체는 아민을 포함하는 유체 혼합 방법.
  33. 혼합된 아민과 포스겐을 반응시키는 단계가 이어지는 청구항 제27항의 혼합 방법을 포함하는 이소시아네이트 제조 방법.
  34. 혼합된 아민과 포스겐을 반응시키는 단계가 이어지는 청구항 제32항의 혼합 방법을 포함하는 이소시아네이트 제조 방법.
  35. 제33항에 있어서, 메틸렌 디페닐 디이소시아네이트 및 그 중합 이형체, 톨루엔 디이소시아네이트 1,5-나프탈렌 디이소시아네이트, 1,4-디이소시아네이토벤젠, 크실렌 디이소시아네이트, 페닐 이소시아네이트, 이소포론 디이소시아네이트, 1,6-디이소시아네이토헥산 및 4,4'-디이소시아네이토디시클로-헥실메탄으로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 이소시아네이트를 제조하기 위한 이소시아네이트 제조 방법.
  36. 제34항에 있어서, 메틸렌 디페닐 디이소시아네이트 및 그 중합 이형체, 톨루엔 디이소시아네이트 1,5-나프탈렌 디이소시아네이트, 1,4-디이소시아네이토벤젠, 크실렌 디이소시아네이트, 페닐 이소시아네이트, 이소포론 디이소시아네이트, 1,6-디이소시아네이토헥산 및 4,4'-디이소시아네이토디시클로-헥실메탄으로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 이소시아네이트를 제조하기 위한 이소시아네이트 제조 방법.
  37. 제1항에 있어서, 가지부가 구비된 변위가능한 캐리지를 포함하는 세척 장치를 더 포함하는 유체 혼합 장치.
  38. 제1항에 있어서, 노즐 부분조립체의 본체부는 만곡된 형상으로 변경되는 유체 혼합 장치.
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