專(zhuān)利名稱(chēng)：用于將至少兩種流體混合和反應(yīng)的設(shè)備的制作方法
發(fā)明的背景本發(fā)明涉及用于將至少兩種流體混合和反應(yīng)的新型設(shè)備。該設(shè)備包含混合室、至少兩條用于以切線和徑向方向向室中注入流體的管道、以及一個(gè)用于排出混合流體料流的混合室出口。可以將一個(gè)反應(yīng)區(qū)結(jié)合于混合室中或與之分離。
將至少兩種流體混合時(shí)，所要實(shí)現(xiàn)的目的是盡可能地獲得均勻分布。使用w.Ehrfeld、V.Hessel、H.Lwe在Wiley-VCH出版于2000年的《微反應(yīng)器，現(xiàn)代化學(xué)的新技術(shù)》(Microreactors，New Technology for ModernChemistry)第41-85頁(yè)的靜態(tài)混合器是有利的。對(duì)于液體，已知的靜態(tài)混合器通過(guò)產(chǎn)生厚度為微米級(jí)的交替的相鄰流體層獲得了數(shù)毫秒至1秒之間的混合時(shí)間。氣體的較高的擴(kuò)散常數(shù)使其混合甚至更快。與湍流條件的影響占優(yōu)勢(shì)的動(dòng)態(tài)混合器不同，靜態(tài)混合器預(yù)先確定的幾何結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了對(duì)流體層寬度和擴(kuò)散路徑的精確確定。其結(jié)果是，得到了非常狹窄的混合時(shí)間分布。這給出了針對(duì)選擇性、產(chǎn)率甚至安全性進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)的優(yōu)化的大量可能性。
靜態(tài)混合器的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是部件尺寸的減小，這使其與相鄰設(shè)備(例如熱交換器和反應(yīng)器)的集成變得更容易。過(guò)程優(yōu)化可以由于兩個(gè)或更多個(gè)位于封閉空間內(nèi)的部件之間的強(qiáng)制相互作用而被強(qiáng)化。靜態(tài)混合器不僅可以用于液體/液體和氣體/氣體混合物類(lèi)的形成，也可以用于液體/液體乳化物和液體/氣體分散物的形成。也可以將靜態(tài)混合器用于多相和相轉(zhuǎn)移反應(yīng)中。
使用多層疊片或流體層原理的靜態(tài)混合器在一個(gè)平面上具有寬25-40微米的混合的通道結(jié)構(gòu)(同上，第64-73頁(yè))。這些通道將兩種待混合的流體分割成多個(gè)平行并交替地向相反方向流動(dòng)的方式排列的、分離的流體料流。相鄰的流體料流被垂直向上移出水平平面、穿過(guò)狹縫并相互接觸。但是，使用適合于大規(guī)模生產(chǎn)的結(jié)構(gòu)形成方法，僅可以以有限的程度將通道幾何結(jié)構(gòu)和基于此的流體層寬度減小至微米以下的范圍內(nèi)。
使用多層疊片原理的流體層的尺寸的進(jìn)一步減小是通過(guò)所謂“幾何聚焦”實(shí)現(xiàn)的。用于有害物質(zhì)反應(yīng)中的使用這一原理的靜態(tài)混合器由T.M.Floyd等描述于W.Ehrfeld編輯、Springer出版于2000年的《微反應(yīng)技術(shù)工業(yè)前景；第三屆微反應(yīng)技術(shù)國(guó)際研討會(huì)/IMRET3論文集》(“Microreaction technologyIndustrial prospects；proceedings of theThird International Conference on Microreaction Technology/IMRET3”)第171-179頁(yè)中。兩種待混合流體的交替的相鄰?fù)ǖ缽耐鈧?cè)以半圓形徑向向外開(kāi)口形成延伸成漏斗形狀的室，并合并成狹窄的、拉長(zhǎng)的通道。分層的流體料流在室中混合并轉(zhuǎn)移至狹窄通道中，從而減小了各流體層的寬度。在這些片狀流動(dòng)條件下，混合純粹是擴(kuò)散性的。因此，通過(guò)將流體層寬度減小至微米以下級(jí)獲得了毫秒級(jí)的混合時(shí)間。這種構(gòu)造的缺點(diǎn)是狹窄的通道必須足夠長(zhǎng)從而獲得完全的、緊密的混合。這需要大的結(jié)構(gòu)并引起了較高的壓強(qiáng)損失。
與這些公開(kāi)的內(nèi)容不同，本發(fā)明的設(shè)備針對(duì)人所共知的將至少兩種流體快速、均勻混合的問(wèn)題提供了解決方案，而同時(shí)保留了低壓強(qiáng)下降的性質(zhì)和經(jīng)濟(jì)的設(shè)計(jì)。所提供的有效的混合與化學(xué)反應(yīng)結(jié)合使用。在反應(yīng)之前，將進(jìn)料組份以促進(jìn)完全混合而不帶來(lái)顯著壓強(qiáng)損失的使用渦流或混合室的方式混合。令人特別感興趣的是反應(yīng)物極好的分散能夠克服擴(kuò)散限制那些反應(yīng)。盡管可以將其用于多種應(yīng)用中，本發(fā)明特別適用于與反應(yīng)相結(jié)合的小規(guī)?；蛭⒒旌喜僮?。
發(fā)明概述本發(fā)明是用于將至少兩種流體混合和反應(yīng)的混合器/反應(yīng)器設(shè)備以及克服壓強(qiáng)下降高和擴(kuò)散不足的限制的混合方法。混合是通過(guò)在混合室的切線方向和徑向方向上注射各流體的料流以提供總體上呈螺旋狀的流徑而實(shí)現(xiàn)的。盡管可以將其用于多種應(yīng)用中，本發(fā)明特別適用于小規(guī)?；旌喜僮骰蛭⒒旌现小１景l(fā)明也可以與反應(yīng)相結(jié)合。
在第一個(gè)實(shí)現(xiàn)方案中，本發(fā)明是用于將第一流體料流與第二流體料流混合的設(shè)備。該設(shè)備包括第一供給管道，其中該第一供給管道具有用于接受第一流體料流的第一供給管道接受端和與第一供給管道接受端相反的第一供給管道排出端。該設(shè)備還包括第二供給管道，其中該第二供給管道具有用于接受第二流體料流的第二供給管道接受端和與第二供給管道接受端相反的第二供給管道排出端。該設(shè)備還包括與第一和第二供給管道的第一和第二供給管道排出端流體連通的混合室。第一和第二供給管道排出端中的一者基本以切線方向通入混合室，而第一和第二供給管道排出端中的另一者基本以徑向方向通入混合室。該設(shè)備還包括用于排出產(chǎn)物料流的、與混合室中心部分流體連通的混合室出口。
在另一個(gè)實(shí)現(xiàn)方案中，本發(fā)明是用于將第一流體料流與第二流體料流混合和反應(yīng)的設(shè)備。該設(shè)備包括第一供給管道，該第一供給管道具有用于接受第一流體料流的第一供給管道接受端和與第一供給管道接受端相反的第一供給管道排出端。該設(shè)備還包括第二供給管道，該第二供給管道具有用于接受第二流體料流的第二供給管道接受端和與第二供給管道接受端相反的第二供給管道排出端。該設(shè)備還包括其中放置了催化劑的混合室。該混合室與第一和第二供給管道在第一和第二供給管道排出端流體連通。第一和第二供給管道排出端中的一者基本以切線方向通入混合室，而第一和第二供給管道排出端中的另一者基本以徑向方向通入混合室。該設(shè)備還包括用于排出產(chǎn)物料流的與混合室中心部分流體連通的混合室出口。
在另一個(gè)實(shí)現(xiàn)方案中，本發(fā)明是用于將第一流體料流與第二流體料流混合和反應(yīng)的設(shè)備。該設(shè)備包括第一供給管道，該第一供給管道具有用于接受第一流體料流的第一供給管道接受端和與第一供給管道接受端相反的第一供給管道排出端。該設(shè)備還包括第二供給管道，該第二供給管道具有用于接受第二流體料流的第二供給管道接受端和與第二供給管道接受端相反的第二供給管道排出端。該設(shè)備還包括與第一和第二供給管道在第一和第二供給管道排出端流體連通的混合室。第一和第二供給管道排出端中的一者基本以切線方向通入混合室，而第一和第二供給管道排出端中的另一者基本以徑向方向通入混合室。該設(shè)備還包括用于排出產(chǎn)物料流的與混合室中心部分流體連通的混合室出口。該設(shè)備還包括具有入口和出口并確定了催化劑保留空間的反應(yīng)器，其中反應(yīng)器入口與混合室出口流體連通。
在另一個(gè)實(shí)現(xiàn)方案中，本發(fā)明是用于將第一流體料流與第二流體料流混合并反應(yīng)的設(shè)備。該設(shè)備包括第一供給管道，該第一供給管道具有用于接受第一流體料流的第一供給管道接受端和與第一供給管道接受端相反的第一供給管道排出端。該設(shè)備還包括第二供給管道，該第二供給管道具有用于接受第二流體料流的第二供給管道接受端和與第二供給管道接受端相反的第二供給管道排出端。該設(shè)備還包括與第一和第二供給管道在第一和第二供給管道排出端流體連通的混合室。第一和第二供給管道排出端中的一者基本以切線方向通入混合室，而第一和第二供給管道排出端中的另一者基本以徑向方向通入混合室。該設(shè)備還包括用于從混合室中排出第一和第二流體的混合料流的、與混合室中心部分流體連通的混合室出口。該設(shè)備還包括具有入口和出口并確定了催化劑保留區(qū)的反應(yīng)器，其中反應(yīng)器入口與混合室出口流體連通。
在另一個(gè)實(shí)現(xiàn)方案中，本發(fā)明是用于將至少兩種流體混合的層狀組件。該組件包括基本為平面的、具有外表面和內(nèi)表面并定義了用于將第一和第二流體接受至組件中的第一和第二進(jìn)料通道的蓋層。第一和第二進(jìn)料通道從外表面延伸至內(nèi)表面以形成第一和第二入口端口。該組件還包括基本為平面的、具有上表面和下表面的混合層，其中混合層上表面封閉性放置在蓋層內(nèi)表面上從而定義了第一供給通道，該第一供給管道具有與第一進(jìn)料通道流體連通的第一供給通道接受端和與第一供給通道接受端相反的第一供給通道排出端。蓋層和混合層還定義了第二供給通道，該第二供給管道具有與第二進(jìn)料通道流體連通的第二供給通道接受端和與第二供給通道接受端相反的第二供給通道排出端。蓋層和混合層還定義了與第一和第二供給通道排出端流體連通的混合室，其中第一或第二供給通道排出端之一基本以切線方向通入混合室，而第一和第二供給通道排出端中的另一者基本以徑向方向通入混合室。蓋層和混合層還定義了用于將第一和第二流體的混合料流從混合室排出的、與混合室流體連通的混合室出口通道。
在另一個(gè)實(shí)現(xiàn)方案中，本發(fā)明是用于至少兩種流體的層狀組件。該組件包括基本為平面的、具有外表面和內(nèi)表面并定義了用于將第一和第二流體接受至組件中的第一和第二進(jìn)料通道的蓋層。第一和第二進(jìn)料通道從外表面延伸至內(nèi)表面以形成第一和第二入口端口。該層狀組件還包括基本為平面的、具有上表面和下表面的混合層，混合層上表面封閉性置于蓋層內(nèi)表面上從而定義了具有與第一進(jìn)料通道流體連通的第一供給通道接受端和與第一進(jìn)料通道接受端相反的第一供給通道排出端的第一供給通道?；旌蠈雍蜕w層封閉性地連接從而又定義了具有與第二進(jìn)料通道流體連通的第二供給通道接受端和與第二供給通道接受端相反的第二供給通道排出端的第二供給通道?；旌蠈雍蜕w層封閉性地連接從而又定義了具有放置于其中的催化劑的混合室?；旌鲜遗c第一和第二供給通道排出端流體連通，其中第一和第二供給通道排出端中的一者基本以切線方向通入混合室，而第一和第二供給通道排出端中的另一者基本以徑向方向通入混合室?；旌鲜页隹谕ǖ琅c混合室流體連通從而將產(chǎn)物料流從混合室排出。
在又另一個(gè)實(shí)現(xiàn)方案中，本發(fā)明是用于將至少兩種流體料流混合并任選地反應(yīng)的方法。該方法包括使第一流體料流流過(guò)第一進(jìn)料通道并將第一流體料流沿徑向方向注射入混合室。該方法還包括使第二流體料流流過(guò)第二進(jìn)料通道并將第二流體料流沿切線方向注射入混合室以形成渦流，并且自該渦流的中心部位排出混合的第一和第二流體的混合物。該方法還可進(jìn)一步包括將混合流體在反應(yīng)室中反應(yīng)。
這些和其它的實(shí)現(xiàn)方案和目的將在對(duì)發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)描述后變得更清晰。
附圖簡(jiǎn)述附

圖1是顯示了具有多個(gè)交替地以切線方向和徑向方向通向混合室的供給管道的混合室的俯視圖。
附圖2是顯示了兩種流體在被注入混合室之前在供給管道中的預(yù)混合的俯視圖。
附圖3是顯示了多個(gè)將兩種流體混合的供給管道、并且供給管道相對(duì)于混合室在切線方向和徑向方向之間輪換的俯視圖。
附圖4顯示了包含疊放的板的部件的靜態(tài)混合器/反應(yīng)器(為清晰起見(jiàn)將各板分開(kāi))，其中混合器板定義了帶有多個(gè)交替地以切線方向和徑向方向進(jìn)入混合室的供給管道的混合室的開(kāi)放結(jié)構(gòu)，并且混合器板下方的反應(yīng)板定義了反應(yīng)器的開(kāi)放結(jié)構(gòu)。
附圖5顯示了包含疊放的板的部件的靜態(tài)混合器/反應(yīng)器(為清楚起見(jiàn)將各個(gè)片分開(kāi))，其中混合器板被構(gòu)造為使兩種流體在被注入混合室前在供給通道中預(yù)混合，并且反應(yīng)器上方的反應(yīng)板定義了反應(yīng)器的開(kāi)放結(jié)構(gòu)。
發(fā)明的詳述如上所述，本發(fā)明涉及經(jīng)改進(jìn)的、用于將兩種或更多種流體混合和反應(yīng)的設(shè)備。概括而言，所述流體可以是任何氣態(tài)和液態(tài)物質(zhì)或物質(zhì)的混合物。流體也可以具有溶解或分散于其中的固體組份，從而使溶解了的固體的溶液和料漿(例如包含了固體催化劑顆粒的液體反應(yīng)物的漿料)也可用于本發(fā)明中。包含多個(gè)相的其它流體(例如氣體/液體混合物、夾帶了顆粒的氣體和三相料漿)也是可以用于本發(fā)明的。按照本發(fā)明，反應(yīng)前實(shí)現(xiàn)的混合操作也包括已知的溶解、乳化和分散操作。其結(jié)果是，得到的混合物包括溶液、液體/液體乳化物和氣體/液體和固體/液體分散物。本發(fā)明的混合器/反應(yīng)器設(shè)備和方法有可利地用于形成氣體/液體分散物，在此情況下至少一種注入混合室的流體含有氣體或氣體混合物，并且至少另一種注入的流體含有液體、液體混合物、溶液、分散物或乳化物。
將按照本發(fā)明的混合器/反應(yīng)器用于進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，特別是以擴(kuò)散控制為特征的化學(xué)反應(yīng)。如下文所述，可以將反應(yīng)物料流分別注入混合室或首先將其在通向該室的供給管道中預(yù)混合。最優(yōu)的選擇取決于反應(yīng)的具體特性。例如，需要長(zhǎng)駐留時(shí)間的反應(yīng)可以使用預(yù)混合而最好地實(shí)現(xiàn)，而在無(wú)催化劑存在的情況下可能有非選擇性副產(chǎn)物形成的反應(yīng)最好通過(guò)避免反應(yīng)物在混合室的上游相接觸而進(jìn)行?？梢詫⒂糜诳刂苹瘜W(xué)反應(yīng)的裝置(例如溫度或壓力傳感器、流量計(jì)、加熱器元件或熱交換器)整合進(jìn)混合器/反應(yīng)器設(shè)備中。在設(shè)備的一個(gè)包括封閉性地連接了的層的組件的實(shí)現(xiàn)方案(以后描述)中，這些裝置可以排列在混合室上方或下方的層上并可以與之功能性連接。如上所述，為了進(jìn)行非均相催化化學(xué)反應(yīng)，混合器/反應(yīng)器設(shè)備可以還包含催化材料。
取決于具體應(yīng)用，包括化學(xué)反應(yīng)(在此情況下希望得到流體的完全混合)，將多種其它流體引入混合室可能是有利的。此類(lèi)補(bǔ)充流體包括例如化學(xué)穩(wěn)定劑、乳化劑、緩蝕劑、反應(yīng)促進(jìn)劑、聚合鏈終止劑和類(lèi)似物。甚至可以將固體或液體催化劑引入混合室以進(jìn)行所希望的反應(yīng)。當(dāng)然，待混合和反應(yīng)的流體可以已經(jīng)含有混入的附加物質(zhì)。不論反應(yīng)是否在混合室中通過(guò)在混合室中放置催化劑發(fā)生，混合室中形成的混合物通過(guò)與混合室(優(yōu)選其中心部分)流體連通的混合室出口排出。
按照本發(fā)明的用于將至少兩種流體在反應(yīng)前混合的混合器/反應(yīng)器包括混合室和至少兩條用于將流體注入室中并排列在其周邊上的供給管道。供給管道通入混合室的方式使得以規(guī)定的流速注入的特定流體形成螺旋狀向內(nèi)同心流動(dòng)。該渦流形成現(xiàn)象顯著延長(zhǎng)了流體在混合室中的駐留時(shí)間，由此改進(jìn)了混合性質(zhì)。所希望的螺旋狀和向內(nèi)液體流徑的建立主要是流體注入混合室的角度和流體動(dòng)能的函數(shù)。沿徑向或(對(duì)于圓筒形混合室)沿直接指向其中心的方向注入的流體除非受到切線方向上具有足夠動(dòng)能的另一流體的作用將不會(huì)取螺旋狀流徑。本發(fā)明通過(guò)將待混合的第一和第二流體以切線和徑向兩個(gè)方向注入而獲得了出色的混合。優(yōu)選切線方向流體組份的動(dòng)能足以具有將徑向方向流體組份彎曲從而使其采用具有足夠圈數(shù)從而得到有效混合的總體螺旋狀流動(dòng)方式。由于一種流體以切線方向注入而另一種流體以徑向方向注入，切線方向流動(dòng)的流體與徑向方向流動(dòng)的流體的流體動(dòng)能的比優(yōu)選大于0.5從而獲得所希望的螺旋狀的和向內(nèi)的流動(dòng)方式。
在建立了適當(dāng)?shù)臈l件從而形成所希望的螺旋流動(dòng)方式后，僅沿著螺旋的最外圈流動(dòng)的流體接觸混合室的真正的內(nèi)表面。取決于混合室的形狀和尺寸，該流體占據(jù)了混合室中因摩擦損失而造成的壓強(qiáng)下降的大部分。與此形成對(duì)比的是，構(gòu)成內(nèi)圈的流體在所有側(cè)面上僅與旋轉(zhuǎn)的流體相接觸。形成此前和此后的各圈的流體在同一方向上流動(dòng)。由于這些原因，本發(fā)明的混合器/反應(yīng)器所產(chǎn)生的壓強(qiáng)損失比僅使用多層疊片結(jié)構(gòu)并相應(yīng)地使用長(zhǎng)混合路徑的靜態(tài)混合器可能產(chǎn)生的壓強(qiáng)損失低。在此情況下，流體作為交替的層以相反的方向流動(dòng)。因此，沿著直線或彎曲的路徑流動(dòng)的相鄰流體料流之間的摩擦效應(yīng)更大。與用于將流體在反應(yīng)之前混合的本發(fā)明的設(shè)備的使用相聯(lián)系的優(yōu)點(diǎn)可以通過(guò)在反應(yīng)前在小結(jié)構(gòu)中的擴(kuò)散混合得到低壓強(qiáng)損失和大接觸面積以及長(zhǎng)駐留時(shí)間的方面實(shí)現(xiàn)。盡管可以容易地制造其中包含催化劑的、以微混合器為形式的緊湊設(shè)計(jì)，本發(fā)明并不排除中等或大規(guī)模的操作。
與本發(fā)明相聯(lián)系的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是流體螺旋或渦流的每一圈流體與上一圈或下一圈流體的接觸，這對(duì)反應(yīng)物的擴(kuò)散混合做出了貢獻(xiàn)。優(yōu)選地，混合室中的疊片狀流動(dòng)條件比環(huán)狀流體動(dòng)作相比更占優(yōu)勢(shì)。但是，區(qū)域化的湍流條件也可能由流體螺旋或渦流的總的向內(nèi)流動(dòng)而形成。
為了形成向內(nèi)螺旋流徑，使至少一條供給管道以銳角或切線方向通向?qū)旌鲜摇Ａ硗?，可以將流體以其本體組成份進(jìn)入混合器/反應(yīng)器或作為在進(jìn)入一個(gè)或多個(gè)供給通道前預(yù)混合至某種程度的流體邊界層進(jìn)入混合器/反應(yīng)器。一般而言，為了形成所希望的在與渦流平面成垂直方向上排布的多層的流體渦流，切線方向的流體在進(jìn)入混合室時(shí)維持分層流動(dòng)狀態(tài)。
可以將供給通道在一個(gè)平面上在公共的混合室周?chē)帕泻烷_(kāi)口。不論所使用的供給管道的數(shù)量多少，需要至少兩根供給管道，供給管道優(yōu)選對(duì)稱(chēng)地沿混合室的周長(zhǎng)分布?？梢允褂眠@些供給管道供給相同的反應(yīng)物流體，例如反應(yīng)物A可以分別由供給管道1和3供給，反應(yīng)物B可以分別由供給管道2和4供給。另外，每一管道可以供給不同的流體，例如管道1、2、3和4可以分別提供流體A、B、C和D。另外，可以將供給通道在混合室周?chē)亩鄠€(gè)平面上排列?？梢詫⑾嗤幕虿煌牧黧w在排列在任何給定平面上的供給通道中注入混合室。由此，可以通過(guò)在不同的相對(duì)于混合室的軸向高度上的供給通道將流體注入普通類(lèi)型的混合室(例如在水平面上具有圓形橫截面的混合室)。使用此類(lèi)設(shè)計(jì)可以得到甚至更長(zhǎng)的流體螺旋，相應(yīng)得到在混合室中的更長(zhǎng)的駐留時(shí)間。
混合室優(yōu)選形狀基本為圓筒形，并因此優(yōu)選具有基本為圓形的橫截面。橫截面是圓形、但圓的直徑在軸的高度方向上增加或減少，從而使混合室的形狀實(shí)際為錐形的而不是圓筒形也是可以的。將混合室橫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)或大致豎直方向上。當(dāng)然，混合室可以具有其它橫截面形狀，特別是圓形(例如橢圓形)的。如果一般在其頂角形成的角為圓的，即使是三角形或其它多邊形的形狀也是可以接受的。圓形或曲線的形式避免了如果角或邊存在則會(huì)產(chǎn)生問(wèn)題的“死”區(qū)(即沒(méi)有恒定的流動(dòng)的區(qū)域)。對(duì)于優(yōu)選的圓筒形的混合室，供給管道的高度(至少在其進(jìn)入混合室的區(qū)域)優(yōu)選小于或等于混合室的高度。
在優(yōu)選的設(shè)計(jì)中，多條供給通道交替地以切線和徑向方向通入混合室。設(shè)備的這一特定實(shí)現(xiàn)方案在提供待反應(yīng)的氣體/液體分散物中特別有用。此處，以使液體料流的供給通道以比氣體料流的供給通道更加銳利的角度通入混合室為最佳。其結(jié)果是，氣體料流被成旋轉(zhuǎn)的液體打斷成為單獨(dú)的氣泡。特別優(yōu)選地，液體的供給通道以切線方向通入混合室，而氣體的供給通道以徑向方向通入混合室。這種設(shè)計(jì)促進(jìn)了具有小的、緊密的泡尺寸分布的氣體/液體分散物的形成并由此在反應(yīng)前提供了基本均勻的混合物。
混合器/反應(yīng)器設(shè)備包括提供用于下游應(yīng)用的混合流體料流的混合室出口。混合室出口與混合室的中心部分、優(yōu)選其中心點(diǎn)流體連通并由此排出混合流體。例如，如果混合室是圓筒狀的并因此而具有圓形橫截面，混合室出口與混合室中心部分(優(yōu)選中心點(diǎn))流體連通并將混合流體從此處取出。在優(yōu)選的實(shí)現(xiàn)方案中，混合室具有取水平方向的基本為圓形的橫截面并且混合室出口由此基本垂直地向上或向下延伸?？紤]到具體的流體及其性質(zhì)，與混合室和通入混合室的供給通道的橫截面的面積相比的出口的橫截面積將被設(shè)定為使所需要的向內(nèi)流動(dòng)的多層圈流的渦流得以形成。優(yōu)選地，混合室出口管道具有圓形橫截面(例如對(duì)于管子的情形)，并且混合室與混合室出口的直徑之比大于5。
在用于進(jìn)行完全混合的反應(yīng)物的反應(yīng)的催化劑沒(méi)有被放置在混合室中或沒(méi)有被作為流體料流加入的情況下，在混合室的下游需要一個(gè)單獨(dú)的反應(yīng)器。在此情況下，反應(yīng)器通常在催化劑駐留空間內(nèi)容納有催化劑。催化劑也可以被連續(xù)注入反應(yīng)器(例如作為分散在液體反應(yīng)物料漿中的固體被連續(xù)注入反應(yīng)器)。
如果還希望將離開(kāi)反應(yīng)器的反應(yīng)產(chǎn)物分離，也可以在反應(yīng)器的下游設(shè)置一個(gè)分離器。在此情況下，分離器將具有反應(yīng)產(chǎn)物的入口和分別用于塔頂產(chǎn)物和塔底產(chǎn)物的至少兩個(gè)出口。取決于反應(yīng)物進(jìn)料、反應(yīng)產(chǎn)物和副產(chǎn)物的相對(duì)揮發(fā)度和/或其它性質(zhì)，也可能需要將塔底產(chǎn)物或塔頂產(chǎn)物循環(huán)回混合室。可以將循環(huán)料流通過(guò)切線或徑向方向的供給管道注入混合室。另外，也可以在將循環(huán)料流注入混合室前將循環(huán)料流與反應(yīng)物料流之一以以下描述的方式預(yù)混合。另一個(gè)可能性是將被分離的流體或其一部分循環(huán)至位于催化劑床直接上游的混合室出口。當(dāng)然，分離器可以使用任何數(shù)量的已知技術(shù)中的分離方法，包括閃蒸分離、蒸餾、膜分離、提取、結(jié)晶和類(lèi)似方法。
在另一個(gè)實(shí)現(xiàn)方案中，一種或多種其它流體通過(guò)單獨(dú)的供給管道或通過(guò)將該其它流體與一種待混合流體預(yù)混合的供給管道進(jìn)入混合室。此類(lèi)其它流體可以包括將混合物穩(wěn)定的附加物質(zhì)(例如乳化劑)。如果使用其它供給通道提供此類(lèi)物質(zhì)，它們可以有利地以切線方向通入混合室，從而使流體螺旋的相鄰的各層圈流之間每一者都有該其它流體的存在。另外，如果使用其它供給通道將氣體組份提供至包含至少一種處于混合室中的流體的流體渦流中，這些氣體供給通道應(yīng)以徑向方向或以徑向和和切線之間的中間角度通入混合室。其結(jié)果是，所供給的氣體被流體螺旋打斷成小氣泡并且被精細(xì)地分散。
如上所述，當(dāng)至少一條供給管道提供了向混合室中的基本沿切線方向的流體注射、并且至少另一條供給管道提供了基本沿徑向方向的注射時(shí)，可取得令人驚訝的良好混合性質(zhì)。在室中帶來(lái)渦流的形成的是沿切線方向的流體運(yùn)動(dòng)，上述渦流將徑向流動(dòng)的流體打斷或精細(xì)分散。不論室的形狀為圓形還是橢圓形，徑向方向的流動(dòng)指指向混合室中心的流體流動(dòng)。切線方向的流動(dòng)指方向與該徑向方向的流動(dòng)成直角并一般在混合室表面或靠近混合室表面的流動(dòng)?；狙厍芯€方向或徑向方向的流動(dòng)意味著本發(fā)明的出色的混合性質(zhì)也可以通過(guò)并非嚴(yán)格地沿切線或徑向方向、但處于這些方向30°以?xún)?nèi)的流動(dòng)而得到。
在優(yōu)選的實(shí)現(xiàn)方案中，混合器/反應(yīng)器設(shè)備包括不是僅兩個(gè)、而是多個(gè)交替地基本沿切線和基本沿徑向方向的通入混合室的供給管道。術(shù)語(yǔ)“交替”指沿切線方向的供給管道(用T表示)和沿徑向方向的供給管道(用R表示)是以TRTR的順序在至少一個(gè)處于混合室周邊處的平面上出現(xiàn)。供給通道也可以交替地布置在多于一個(gè)平面上，例如可以以國(guó)際象棋棋盤(pán)的形式在混合室的周邊和長(zhǎng)度的二維平面上排列。通過(guò)在水平和垂直兩個(gè)平面上改變其位置(在該位置上將流體注入混合室)，可以形成同心向內(nèi)流動(dòng)的多重螺旋流徑。由此，可以實(shí)現(xiàn)例如雙重或三重類(lèi)型的螺旋。這些流體螺旋一起位于一個(gè)平面上并圍繞著一個(gè)中心，其排列方式使對(duì)應(yīng)的各層圈流相互相鄰。
另外，供給管道不僅以相對(duì)于混合室的切線和徑向方向交替排列，而且它們也優(yōu)選對(duì)于待混合的第一和第二流體交替地流體連通。對(duì)于將氣體料流與液體料流混合(這種混合是例如實(shí)現(xiàn)化學(xué)反應(yīng)所希望的)的情形，當(dāng)將氣體和液體料流分別以切線和徑向方向注入混合室時(shí)在混合方面獲得了優(yōu)異的結(jié)果。在不拘泥于任何一種特定機(jī)理或理論的前提下，發(fā)明人相信切線方向的液體將徑向方向流動(dòng)的氣體料流在進(jìn)入混合室時(shí)打斷成細(xì)小的泡。如上所述，切線方向注入的流體的動(dòng)能優(yōu)選為徑向方向注入的流體的動(dòng)能的至少0.5倍。這確保了向內(nèi)的流動(dòng)螺旋的全面形成，從而提供獲得有效混合所需的足夠的駐留時(shí)間。
重要的是，應(yīng)注意不必使全部供給管道取這些方向。僅其靠近與混合室的流體連通并且影響流體進(jìn)入混合室的方向的部分需要取這些方向。出于這一原因，將供給管道稱(chēng)為分別具有接受端和排出端是適當(dāng)?shù)?。接受端與待混合的流體或進(jìn)料流體連通，而排出端與混合室流體連通并且起控制流體相對(duì)于混合室的流動(dòng)方向的作用。在一個(gè)可能的設(shè)計(jì)中，供給通道可以在其從接受端到排出端的整個(gè)長(zhǎng)度上具有基本均勻的橫截面。供給管道的方向從接受端至排出端的實(shí)質(zhì)性改變當(dāng)然是可能的，并且如果混合室附近的多根管道的空間是有限的，甚至可能是所希望的。另外，可以方便地通過(guò)使供給管道從其接受端至排出端變得狹窄實(shí)現(xiàn)進(jìn)入混合室的流體的加速，而這是經(jīng)常是改善混合所希望的。以如此的方式使供給管道變得狹窄的特定設(shè)計(jì)包括漏斗形、水滴形或三角形的設(shè)計(jì)。
在另一個(gè)優(yōu)選的實(shí)現(xiàn)方案中，可以在將第一和第二流體注入混合室之前混合(即預(yù)混合)。在此情況下，設(shè)備還可以包括在供給通道中實(shí)現(xiàn)此類(lèi)混合所需的元件。對(duì)于用于實(shí)現(xiàn)此類(lèi)預(yù)混合的供給通道，供給通道應(yīng)足夠長(zhǎng)以在不帶來(lái)過(guò)度的壓強(qiáng)下降的前提下提供良好的預(yù)混合。一個(gè)特定的方法涉及分配多支管的使用，使供給通道中的待預(yù)混合料流首先被分成多個(gè)通過(guò)分配管道的小股料流?？梢噪S后將這些進(jìn)料或起始流體的小股料流在多個(gè)點(diǎn)(優(yōu)選以重復(fù)或互相交叉序列的方式)送入供給管道入口?！爸貜?fù)序列”指對(duì)于流體A和B，流體料流在至少一個(gè)平面上以重復(fù)的模式一個(gè)近鄰一個(gè)排列。例如，ABAB的交替次序就是一種重復(fù)序列。當(dāng)然，其它重復(fù)序列(例如AABAAB)也是可能的。另外，多于兩種流體的預(yù)混合也可以采用相同的原理。例如，對(duì)于將三種流體A、B、C在供給通道中混合，術(shù)語(yǔ)“重復(fù)序列”可以包括許多可能的單獨(dú)流體邊界層的次序，例如ABCABC或ABACABAC。流體層或形成流體層的分配管道也可以與重復(fù)序列排列在多于一個(gè)平面上。例如，它們可以在二維平面上以國(guó)際象棋棋盤(pán)的形式排列。優(yōu)選將流體料流和與不同流體相聯(lián)系的管道互相平行并以相同的方向排列。
在如上所述的將兩種或更多種料流在加入混合室之前混合的預(yù)混合操作使用中，可以將待預(yù)混合的流體分成多個(gè)較小的分配料流，這些較小的分配料流隨后在送入供給管道中之前被以重復(fù)序列交替地或成層排列。由于供給管道一般具有比各分配料流所被送入的的橫截面積之和小得多的橫截面積，經(jīng)預(yù)混合的料流可以被稱(chēng)作在進(jìn)入混合室前被“聚焦”。這種聚焦增加了分割料流的流速并減少了其層厚度，從而促進(jìn)了混合室中具有盡可能多的圈流的向內(nèi)螺旋流動(dòng)的形成。
優(yōu)選地，分配管道的橫截面積之和與在其接受端合并的供給管道的橫截面積的比為1.5至500。當(dāng)將兩種或更多種流體以此方式預(yù)混合時(shí)，用于接受經(jīng)排列的流體料流并將其排出至一根管道(即供給管道)的多支管在其與供給管道連接處優(yōu)選具有彎曲的表面。為了在使用預(yù)混合時(shí)在最小的壓強(qiáng)下降下提供最佳的混合性質(zhì)，對(duì)于整個(gè)供給管道，假定橫截面幾何形狀一定，長(zhǎng)度與寬度之比優(yōu)選1至30。當(dāng)供給管道橫截面有變化時(shí)，例如當(dāng)供給管道在靠近混合室處變得狹窄時(shí)，上述比對(duì)于與混合室流體連通的供給管道排出端的寬度適用。
如上所述，形成了同心向內(nèi)流動(dòng)的流體旋渦，隨后將形成的混合物從流體渦流的中心排出。在使用預(yù)混合的具體的優(yōu)選的實(shí)現(xiàn)方案中，適用本發(fā)明的混合器/反應(yīng)器設(shè)備中將三種流體在反應(yīng)前混合，其中在第二供給管道的上游將第二和第三流體預(yù)混合。在此實(shí)現(xiàn)方案中，設(shè)備包括分別將第二和第三流體分割開(kāi)的多條第二分配管道和多條第三分配管道。如上所述，可以使用多支管接受以重復(fù)序列排列的第二和第三流體分配管道從而在注入混合室前在接近第二供給管道處強(qiáng)迫形成第二和第三流體料流的各邊界層?？梢詫⒌谝涣黧w通過(guò)第一供給管道不經(jīng)混合送入混合室。這一特定實(shí)現(xiàn)方案當(dāng)?shù)诙偷谌黧w為液體并以切線方向注入混合室、第一流體為氣體并以徑向方向注入混合室時(shí)特別具有優(yōu)勢(shì)。
符合以上概括性描述的、得到出色混合性質(zhì)的具體類(lèi)型的混合器/反應(yīng)器包括至少兩個(gè)基本為平面的、封閉性地或以流體密封的形式連接在一起的層。在此類(lèi)設(shè)備中，以相鄰層之間建立的封閉性連接定義管道、混合室及其它流體導(dǎo)向結(jié)構(gòu)。例如，可以以在板上壓制而形成或從板上徹底切割出來(lái)而形成的凹陷或縫隙的板的形式形成所述的層。但以流體密封的排列方式連接在一起時(shí)，相鄰的板將把這些凹陷或縫隙圍起來(lái)從而形成能夠在壓力下容納流體料流的結(jié)構(gòu)(例如通道)。取決于板的厚度和室的高度，某些結(jié)構(gòu)(例如混合室)可以通過(guò)兩個(gè)或更多個(gè)板之間的封閉性連接完全確定。如果混合室僅僅是在一塊板的一個(gè)側(cè)面或表面壓制而成的，而不是從一塊板的一個(gè)側(cè)面或表面徹底切割出來(lái)而成的，則混合室出口結(jié)構(gòu)也可以被包括在同一塊板上，并從混合室延伸至壓制成混合室的板的相對(duì)的面。如果混合室是從一塊板徹底切割出來(lái)而成的，需要使用至少與之封閉性連接的另一塊板形成混合室出口結(jié)構(gòu)。有些結(jié)構(gòu)(例如進(jìn)料管道)可完全穿過(guò)兩塊或更多塊板。
不論給定的結(jié)構(gòu)中使用的單獨(dú)的板的數(shù)目，按照其功能，在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)現(xiàn)方案中的混合器/反應(yīng)器設(shè)備包含至少兩個(gè)不同的層。在不同的基本為平面的層上發(fā)揮的具體功能包括對(duì)進(jìn)料組份進(jìn)行分配、通道傳送和混合。在用板形成設(shè)備的具體例子中，各層可以包括多于一塊板，或者，在某些特殊成型方法中，多于一種功能或者層也可以?xún)H一塊板的形式存在。
第一層是用于將待混合的外部流體料流提供給混合器/反應(yīng)器設(shè)備的內(nèi)部結(jié)構(gòu)的基本為平面的蓋層。蓋層具有外面和內(nèi)面并且確定了將第一和第二流體接受進(jìn)入組件的第一和第二進(jìn)料通道。這些第一和第二進(jìn)料通道從外表面延伸至內(nèi)表面從而形成第一和第二進(jìn)口端口。第二層是具有上表面和下表面的基本為平面的混合層，其中混合層上表面與蓋層內(nèi)表面封閉性連接。層之間的流體密封連接確定了具有與第一進(jìn)料通道流體連通的第一供給通道接受端和與第一供給通道接受端相反的第一供給通道排出端的第一供給通道。蓋層和混合層之間的封閉連接也確定了具有與第二進(jìn)料通道流體連通的第二供給通道接受端和與第二供給通道接受端相反的第二供給通道排出端的第二供給通道。此連接還確定了與第一和第二流體供給通道排出端流體連通的混合室，其中第一或第二流體供給通道排出端中的一者基本以切線方向進(jìn)入混合室，第一或第二流體供給通道排出端中的另一者基本以徑向方向進(jìn)入混合室。兩層之間的連接也定義了用于將第一和第二流體的混合料流排出混合室的的、與混合室流體連通的混合室出口通道。如上所述，混合室中可放置催化劑以實(shí)現(xiàn)所希望的化學(xué)反應(yīng)。如果混合室中沒(méi)有容納催化劑，則已混合的進(jìn)料組份在單獨(dú)的結(jié)構(gòu)中反應(yīng)。
在層狀結(jié)構(gòu)中，通過(guò)連接兩塊或更多塊板形成結(jié)構(gòu)。被處于另一平面上并垂直于這一平面的材料圍繞的典型的結(jié)構(gòu)是凹陷(例如凹槽或盲孔)。定義了通道(例如流體供給通道)的結(jié)構(gòu)可以以深度上延伸至部分或完全穿過(guò)板的槽的形式形成?？p隙(例如槽或孔)穿過(guò)材料，即僅在側(cè)面被一個(gè)平面上的材料圍繞。通過(guò)以封閉的方式疊放其它層，由凹陷或縫隙形成的開(kāi)放結(jié)構(gòu)形成了流體導(dǎo)向結(jié)構(gòu)(例如供給通道、混合室或進(jìn)料裝置)。對(duì)外部以流體密閉的方式封閉了層狀組件的蓋層和/或底層確定了為待混合的流體提供的進(jìn)料通道(該進(jìn)料通道可以是縫隙或凹槽)和/或?yàn)樾纬傻幕旌衔锾峁┑闹辽僖粋€(gè)出口。
當(dāng)層狀組件由疊放的板構(gòu)成時(shí)，它們應(yīng)由對(duì)待混合的加工流體和制得的反應(yīng)產(chǎn)物足夠惰性的材料制成。這將有助于避免潛在地由于暴露于處理?xiàng)l件下而造成的流體板的腐蝕、侵蝕、變形、斷裂或膨脹/收縮或其它有害作用。優(yōu)選地，制成設(shè)備的惰性材料選自聚合物(例如以聚氯乙烯或聚乙烯為例的塑料)、金屬、合金、玻璃、石英、陶瓷和半導(dǎo)體材料。取決于混合和/或反應(yīng)的不同階段中所希望的性質(zhì)，各板可以使用相同或不同的材料。任選地，至少蓋板、溝流板、分配器板和混合器板用透明材料(特別是玻璃、石英玻璃或光敏玻璃)制成，從而允許方便地對(duì)混合操作進(jìn)行觀察。對(duì)于混合器/反應(yīng)器在小規(guī)模操作中的使用，板優(yōu)選具有10微米至5毫米的厚度。當(dāng)然，更厚的板可能更適合于形成混合室。另外，可以使用兩塊或更多塊板形成室或加長(zhǎng)的通道。適合于以流體密封形式將板互相連接的方法包括例如壓制、焊接、密封、膠接或陽(yáng)極連接。適用于制造板的方法包括已知的精密機(jī)械和微機(jī)械生產(chǎn)方法(例如激光燒蝕、電火花腐蝕、注射成型、沖壓和電沉積)。其它至少包括使用高能輻射和電沉積以及(如果合適的話)鑄造的成型步驟的標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)方法也是適用的。
在混合器/反應(yīng)器設(shè)備由疊放的板排列形成的本發(fā)明的具體實(shí)現(xiàn)方案中，管道結(jié)構(gòu)一般作為通道在板中形成。供給通道和混合室的開(kāi)放結(jié)構(gòu)是由至少一塊作為混合器板的板定義的。這些開(kāi)放結(jié)構(gòu)由蓋板以流體密閉的方式對(duì)混合器板封閉，而蓋板確定了用于從位于混合器/反應(yīng)器上游的來(lái)源接受待混合的流體的進(jìn)料通道。類(lèi)似地，以下描述的其它各板所定義的開(kāi)放結(jié)構(gòu)在與至少一塊相鄰的板形成封閉性連接時(shí)被封閉。蓋板可以但不必須限定用于將混合流體排出的通道(即混合室出口通道)。另外，如果還使用了另外的板，進(jìn)料通道和/或混合室出口通道可以由這些板(而不是蓋板)確定。由于板本身的制造在其具有恒定厚度或深度時(shí)最方便，以由這些板定義的供給通道和/或混合室也以具有同樣的深度更為有利。
如在設(shè)備的概括描述中已提及的，供給通道可以具有均勻的橫截面或者在通向混合室的方向上(即從其各自的接受端至其排出端)變得狹窄。不論供給通道是變得狹窄還是維持基本恒定的橫截面積，供給通道的寬度(在其分別進(jìn)入混合室的點(diǎn)測(cè)量)與在操作中形成的流體螺旋的平面上的混合室寬度之比優(yōu)選有利地小于或等于1∶10。換而言之，對(duì)于性狀基本為圓筒形或具有基本為圓形橫截面的混合室，混合室直徑與每一供給通道排出端寬度之比大于10。對(duì)于圓椎形的混合室，該比值適用于混合室的平均直徑。
按照以上闡明的設(shè)備的概括描述和功能，混合器板也可以定義多個(gè)供給通道的開(kāi)放結(jié)構(gòu)，每一供給通道交替地以切線方向/徑向方向與混合室流體連通。在這一特定情況下，其它板(例如溝流板和分配器板)的使用可以將第一和第二流體交替地引向供給通道。溝流板與混合器板在一個(gè)表面上連接并定義了多個(gè)第一和第二分配端口的開(kāi)放結(jié)構(gòu)，每一分配端口分別在一端與分配器板所定義的第一或第二分配結(jié)構(gòu)流體連通。分配器板與未與混合器板連接的溝流板的表面連接，并且第一和第二分配結(jié)構(gòu)分別與第一和第二進(jìn)料通道流體連通。未與流體分配結(jié)構(gòu)流體連通的第一和第二分配端口的末端則各自分別與混合器板的供給通道流體連通，從而提供空間上交替的第一和第二流體向混合室的注射。
另外，將溝流板和分配器板用于其它功能當(dāng)然也是可以的。例如，按照以上概括性定義的設(shè)備，可以將兩種流體料流在注入混合室之前在供給通道的上游與第三進(jìn)料預(yù)混合。在此情況下，如果待預(yù)混合的流體料流被稱(chēng)為第二和第三流體，溝流板將定義多個(gè)分別與其相對(duì)應(yīng)的流體分配結(jié)構(gòu)流體連通的第二和第三分配端口的開(kāi)放結(jié)構(gòu)。分配端口可以有利地形成一排用于待供給的第二和第三流體每一者的縫隙，其中每一縫隙精確地分配給一個(gè)供給通道。由此，對(duì)于此處描述的預(yù)混合，每一縫隙通過(guò)共同的供給通道交替地用于將第二和第三流體供給至混合室。
另外，混合器板將進(jìn)一步定義用于接受交替的、被分割的第一和第二流體的料流并將其混合至一個(gè)供給通道中的聚焦室的開(kāi)放結(jié)構(gòu)。在許多方面，聚焦室起類(lèi)似于本發(fā)明的概括性設(shè)備中的多支管的作用?？梢詫⒌谝涣黧w通過(guò)分開(kāi)的、僅用于第一流體的供給通道注入混合室，也可以將其與另外兩種流體之一混合。因此，盡管以上描述的實(shí)現(xiàn)方案代表了優(yōu)選的進(jìn)行反應(yīng)的混合器/反應(yīng)器設(shè)備，實(shí)際上存在著無(wú)數(shù)種符合本發(fā)明的、將幾種或多種料流混合并反應(yīng)的方案(其中流體在供給通道中預(yù)混合或不預(yù)混合)。另外，也可以將板以各種次序排列以進(jìn)行不同種類(lèi)的操作。例如，當(dāng)混合操作與多種供給通道或進(jìn)料料流的預(yù)混合相結(jié)合時(shí)，優(yōu)選如上所述使用分配器板。該分配器板可以位于蓋板和混合器板之間或在混合器板下方。此外，使用了適當(dāng)?shù)牧黧w導(dǎo)向結(jié)構(gòu)后，溝流板不必須位于混合器板和分配器板之間，而可以按照所希望的位于這些板上方或下方。
以上已按實(shí)現(xiàn)化學(xué)反應(yīng)的混合器/反應(yīng)器設(shè)備和方法描述本發(fā)明的元件。取決于具體應(yīng)用和工藝條件，本發(fā)明可以采用此處描述的元件和部件的任何數(shù)目的結(jié)合而不偏離本發(fā)明的精神和范圍。以下結(jié)合附圖描述本發(fā)明的具體的優(yōu)選的實(shí)現(xiàn)方案。這些實(shí)現(xiàn)方案是用于進(jìn)一步闡明本發(fā)明而不是對(duì)附帶的權(quán)利要求書(shū)中闡明的本發(fā)明的一般概括性范圍加以任何不適當(dāng)?shù)南拗频摹Ｔ趦蓚€(gè)或更多個(gè)附圖中表示的本發(fā)明的類(lèi)似的部件用相同的數(shù)字標(biāo)記，但也用符號(hào)“’”標(biāo)出。
附圖1描述了優(yōu)選的、其上連接了切線方向供給管道10和徑向方向供給管道12的混合室的俯視圖。切線方向管道10將建立適當(dāng)?shù)鸟v留時(shí)間并混合所需要的旋渦狀或螺旋狀運(yùn)動(dòng)賦予流體。切線方向注入的流體的動(dòng)能相對(duì)于徑向方向注入的流體的動(dòng)能應(yīng)足夠大從而將后者的流徑從直接指向位于混合室14中心的混合室出口(未顯示)轉(zhuǎn)化為螺旋狀流徑。優(yōu)選地，為了實(shí)現(xiàn)這一運(yùn)動(dòng)，切線方向流動(dòng)的流體的動(dòng)能為徑向方向流動(dòng)的流體的動(dòng)能的至少0.5倍。因此，當(dāng)將附圖1的實(shí)現(xiàn)方案用于將液體/氣體混合然后進(jìn)行反應(yīng)時(shí)，將氣體沿徑向方向注入混合室而將液體沿切線方向注入混合室，這是因?yàn)榱鲃?dòng)的液體的動(dòng)能一般顯著大于氣體的動(dòng)能。
取決于兩種流體的相對(duì)動(dòng)能，開(kāi)始時(shí)取徑向方向的流體可能也可能不彎曲至取切線方向的流體一樣的緊密環(huán)繞的流徑中。這就是說(shuō)，與沿切線方向流體相比，開(kāi)始時(shí)取徑向方向的流體可以在其向混合室出口的路徑上具有相同數(shù)量的圈數(shù)或較少的圈數(shù)。
在多數(shù)情況下，切線方向的管道將被用于輸送第一流體，而徑向方向的管道將被用于輸送第二流體。因此，第一流體將被多條第一流體分配管道(未顯示)分配至每一切線方向供給管道10。類(lèi)似地，第二流體將被多條第二流體分配管道(未顯示)分配至每一徑向方向供給管道12。切線方向或徑向方向的管道的設(shè)計(jì)是基于通入供給室的管道排出端18的方向的。
切線方向供給管道10和徑向方向供給管道12在俯視圖中都被描述為具有封閉末端。由此，分別從各自的供給管道的接受端16送入這些供給管道的流體從所顯示的橫截面上方或下方進(jìn)入。當(dāng)然，可以通過(guò)處于同一平面(以及同一塊板)上的供給管道向供給管道提供流體。
附圖2顯示了通過(guò)兩條與混合室14’處于同一平面上的供給管道26、28向切線方向的供給管道10’供給流體的本發(fā)明的實(shí)現(xiàn)方案。與在附圖1中一樣，混合器/反應(yīng)器設(shè)備包括也與混合室14’流體連通的徑向方向供給管道12’。在此實(shí)現(xiàn)方案中，可以使用徑向方向供給管道12’將第一流體A送入混合室，可以使用切線方向供給管道10’將第二流體B和第三流體C的混合料流送入混合室。第二流體料流B和第三流體料流C各自被多條第二流體分配管道20和第三流體分配管道22分配成多個(gè)較小的流體料流。將這些分配管道在多支管24的進(jìn)口處交叉以在其各自的切線方向的供給管道10’的上游提供第二流體B和第三流體C的預(yù)混合。多支管24的入口與第二分配管道20和第三分配管道22流體連通，其出口僅與供給管道10’在其不與混合室14’流體連通的接受端16’流體連通。混合室出口19延伸至混合室14’橫截面的平面上方或下方以將混合流體的料流抽出。
按照附圖2，用于將混合流體料流供給至混合室14’的供給管道10’比用于供給待混合的第二流體B和第三流體C的管道26、28狹窄。附圖2還描述了寬度比通向多支管24的入口的分配管道20、22的寬度之和小的切線方向的供給管道10’。當(dāng)然，流體進(jìn)入混合室中的速度與供給管道在向混合室注射的點(diǎn)的面積成反比。使用狹窄的通道或使供給管道在通向混合室14’的方向上變窄(如對(duì)于徑向方向的供給管道12’所顯示的)加快了流體進(jìn)入混合室14’的速度并且一般而言改善了混合性質(zhì)。
附圖3顯示了通過(guò)徑向方向的管道12’進(jìn)入的流體已經(jīng)被以與通過(guò)切線方向管道10’進(jìn)入的流體相類(lèi)似的方式預(yù)混合的另一個(gè)實(shí)現(xiàn)方案。在此情況下，使用多條與第四流體D流體連通的分配管道30以及與第五流體E流體連通的分配管道32將這些流體各自分割成較小的料流。隨后將這些料流以相互交叉排列的方式分配進(jìn)通向徑向方向的供給管道12’的第二多支管34的入口。再一次地，如附圖2中所示，如從與切向和徑向方向供給管道10’、12’各自的進(jìn)料管道26’、28’、36、38相比較更為狹窄的供給管道10’、12’可以看出的，在流體進(jìn)入混合室14之前將其流速增加。再一次地，混合室出口19’延伸至混合室14’橫截面的平面上方或下方以將混合流體的料流抽出。
附圖4圖示了用于將流體以與附圖1的設(shè)備相一致的方式混合和反應(yīng)的疊放板設(shè)備。多條切線方向管道10’和徑向方向管道12’都交替地與混合室14’和兩種單獨(dú)的流體料流都流體連通，從而使一種流體僅沿切線方向注入混合室14’，而另一種流體僅沿徑向方向注入混合室14’。附圖4圖示了一種包括流體密閉的疊放的板的具體類(lèi)型的混合器/反應(yīng)器，其中出于易于理解的目的而將板分開(kāi)顯示。在此部件中，蓋板或?qū)?0定義了用于各自接受每一流體的進(jìn)料通道42、44的開(kāi)放結(jié)構(gòu)。在此情況下，通道的形式為延伸穿過(guò)蓋板40并與下方的板(即分配器板46)一起提供各流體的流體連通的孔。
分配器板或?qū)?6定義了分別僅與各自的進(jìn)料通道42、44流體連通的第一流體分配結(jié)構(gòu)48和第二流體分配結(jié)構(gòu)50的開(kāi)放結(jié)構(gòu)。這些流體分配結(jié)構(gòu)48、50延伸穿過(guò)分配器板46并提供了第一和第二流體在連接點(diǎn)處與多條第一分配端口52和第二分配端口54的交替流體連通。與處于分配器板46直接下方的一個(gè)面連接溝流板或?qū)?6定義了這些流體分配端口52、54的開(kāi)放結(jié)構(gòu)。按照這一附圖，流體分配端口52、54是延伸穿過(guò)溝流板56的孔。由此，流體分配端口52、54的每一者在一端與第一流體分配結(jié)構(gòu)48和第二流體分配結(jié)構(gòu)50交替地流體連通，并且每一者在其相反的一端也與切向方向供給通道10’和徑向方向供給通道12’交替地流體連通。具體而言，流體分配端口52、54各自與供給通道10’、12’在其各自的接受端16’流體連通。
和附圖1中一樣，切線和徑向方向供給通道10’、12’的排出端18’與混合室14’流體連通以將第一和第二流體加入其中?；旌鲜?4’和多條供給通道10’、12’(每一條都具有接受端16’和排出端18’)的結(jié)構(gòu)由混合器板58定義，并在其上表面與溝流板56的下表面相連接。供給通道10’、12’的排出端18’交替地以切線和徑向方向通入混合室14’。最后，混合室出口19’與混合室14’流體的中心區(qū)域流體連通并垂直地從混合器板58延伸出來(lái)從而將混合流體料流排出。在此實(shí)現(xiàn)方案中，混合室出口19’是延伸穿過(guò)另一塊板(即轉(zhuǎn)移板60)的孔，該板在其頂面上與混合器板58的底面連接。可以將進(jìn)料通道42、44和混合室出口19’加工出螺紋以允許在一個(gè)總加工流程中與其它管道和設(shè)備之間的連接。另外，它們也可以被改裝，以便與各種配件聯(lián)用或以連接、銅焊接或其它方法與之連接。
附圖4圖示了在混合室14’和供給通道10’、12’延伸完全穿過(guò)混合器板58的情況下混合室板58和轉(zhuǎn)移板60的使用。也可以通過(guò)將混合室58和供給通道10’、12’的結(jié)構(gòu)在混合器板中壓印或蝕刻形成附圖4的組件，從而使混合室出口19’延伸穿過(guò)混合室板58至其另一面。因此，如果將疊放板組件在廣義上視為每一層以具有單獨(dú)的功能為特征的層狀組件，如附圖4所示的混合層包括混合器板58和轉(zhuǎn)移板60。但是，通過(guò)將混合室14’和供給通道10’、12’壓印至混合器板58中，混合層當(dāng)然可以?xún)H包括一塊板。類(lèi)似地，可以使用一塊或多塊板形成其它層，甚至一塊板可以起多于一個(gè)層的作用。
如上所述，可以使用本發(fā)明的設(shè)備通過(guò)在混合室14’中放置催化劑而在其中實(shí)現(xiàn)化學(xué)反應(yīng)。另外，可以使用獨(dú)立的反應(yīng)板62而將流體間的反應(yīng)與混合室完全分開(kāi)。上述反應(yīng)板62定義了在反應(yīng)板62的一端或面具有入口和在另一端或面具有出口的反應(yīng)器64的開(kāi)放結(jié)構(gòu)。由此，如所描述的反應(yīng)器64延伸完全穿過(guò)反應(yīng)板62。反應(yīng)器入口與混合室出口19’流體連通。將支撐板66置于反應(yīng)板62下方從而提供用于將反應(yīng)產(chǎn)物引導(dǎo)出層狀組件或引導(dǎo)至組件中的其它的結(jié)構(gòu)(例如分離器)的反應(yīng)器排出物通道68。反應(yīng)器排出物通道68與反應(yīng)器出口流體連通。
由反應(yīng)板62和轉(zhuǎn)移板60的封閉性連接形成的反應(yīng)器64可以具有將催化劑保留在其中的裝置，例如篩子和其他多孔介質(zhì)。一般而言，通過(guò)將上述介質(zhì)放置在反應(yīng)器64的底部將催化劑保留在反應(yīng)器64中。上述介質(zhì)由當(dāng)較小的反應(yīng)物排出通道68與反應(yīng)器64的出口開(kāi)口對(duì)齊時(shí)在反應(yīng)器中形成的、支持板66的上表面的環(huán)形表面支持。另外，也可以使用僅一塊封閉性放置在轉(zhuǎn)移板60下方的板實(shí)現(xiàn)反應(yīng)層的作用，而不使用單獨(dú)的反應(yīng)板62和支持板66以形成反應(yīng)層。在此情況下，反應(yīng)器不完全延伸穿過(guò)僅一塊板，而是將其壓印在一塊板中至所希望的、小于板厚度的深度。反應(yīng)器出口通道從反應(yīng)器底部延伸穿過(guò)板至板的相對(duì)的面。如所顯示的，轉(zhuǎn)移板60、反應(yīng)板62和支持板66具有足以將混合和反應(yīng)功能分離、提供催化劑保留空間和進(jìn)一步將反應(yīng)功能與其他可能的下游功能(例如閃蒸分離)分開(kāi)的厚度。
附圖5圖解了以與附圖2的設(shè)備將流體混合的方式相一致的另一疊層板靜態(tài)混合器/反應(yīng)器設(shè)備。切線方向供給通道10’和徑向方向供給通道12’通向混合室14’，并通過(guò)供給通道10’、12’的排出端18’與之連通。在附圖5中，第一流體進(jìn)料通道42’與在指向混合室14’的方向上變窄的徑向供給通道12’的接受端16’流體連通。蓋板40’不僅定義了第一供給通道42’的開(kāi)放結(jié)構(gòu)，而且還定義了用于接受待混合的第二和第三流體的第二進(jìn)料通道26’和第三進(jìn)料通道28’。蓋板也定義了垂直并從定義了混合室64的橫截面的平面向上延伸的反應(yīng)器排出物通道68’。反應(yīng)器排出物通道68’將反應(yīng)產(chǎn)物引導(dǎo)出層狀組件或引導(dǎo)至組件中的其它的結(jié)構(gòu)(例如分離器)。反應(yīng)器排出物通道68與反應(yīng)器出口流體連通。
在附圖5的實(shí)現(xiàn)方案中，將反應(yīng)器與混合室用獨(dú)立的、定義在反應(yīng)板62’的一端或面具有入口并在另一端具有出口的反應(yīng)器64’的開(kāi)放結(jié)構(gòu)的反應(yīng)板62’分開(kāi)。由此，所示反應(yīng)器64延伸完全穿過(guò)反應(yīng)板62。在此情況下，將反應(yīng)板62’置于蓋板40’的下方，并且位于反應(yīng)板62’的底面的反應(yīng)器入口與混合室出口19’流體連通，并從混合室14’向上延伸。將轉(zhuǎn)移板60’置于反應(yīng)板62下方以提供與反應(yīng)器入口64流體連通的混合室出口19’。混合室出口19’與混合室中心部分流體連通從而排出流體的混合料流。
與蓋板40’在其下表面直接連接的是定義了混合室14’、切線方向的供給通道10’和徑向方向的供給通道12’的開(kāi)放結(jié)構(gòu)的混合器板58’。每一上述供給通道都具有接受端16’和與之相反的排出端18’。與混合室14’流體連通的特定的供給通道排出端18’的取向決定了供給通道是切線方向還是徑向方向的。混合器板58’還定義了具有入口和出口的聚焦室24’的開(kāi)放結(jié)構(gòu)，其中聚焦室入口與交叉排列的多條第二流體分配通道20’和多條第三流體分配通道22’流體連通。聚焦室出口與切線方向供給通道10’的接受端流體連通。
與混合器板58’在其下表面直接連接的是定義了多條第二分配端口54’和多條第三分配端口55的溝流板56。每一第二分配端口54’的一端與第二流體分配結(jié)構(gòu)50’流體連通。每一第二分配端口的相反的末端與通向聚焦室24’的第二分配通道20’流體連通。類(lèi)似地，每一第三分配端口55的一端與第三流體分配結(jié)構(gòu)51流體連通。每一第三分配端口55的相反的末端與通向聚焦室24’的第三分配通道22’流體連通。這種設(shè)計(jì)允許第二和第三流體在被注入混合室14’前的預(yù)混合，以及混合后第二和第三流體的流體速度增加。
最后，混合器/反應(yīng)器包括定義了與第二和第三流體進(jìn)料通道26’、28’分別流體連通的第二和第三流體分配結(jié)構(gòu)50’、51的開(kāi)放結(jié)構(gòu)的底板61’。與附圖4中的不同，這些進(jìn)料通道26’、28’延伸穿過(guò)多于一塊板，并且實(shí)際上除蓋板40’以外它們還穿透了混合器板58’和溝流板56’。底板61’的上表面與溝流板56’的下表面封閉性連接。盡管附圖5的實(shí)現(xiàn)方案包括多條第二分配通道20’和第三分配通道22’，第二分配端口54’和第三分配端口55也可以直接與聚焦室24’的入口相連接而不需要分配通道。
提供了以下實(shí)施例的目的在于闡明本發(fā)明的某些方面而不限制其如在權(quán)利要求書(shū)中所列出的寬范圍。
實(shí)施例1-5用玻璃制造包括疊放的板的部件并如已描述的使用旋流混合原理的靜態(tài)混合器以觀察不同條件下是否形成了螺旋狀流動(dòng)。將水和空氣分別沿相對(duì)于混合室的切線和徑向的方向注入混合室。使用具有數(shù)字圖形處理功能的高速攝像機(jī)觀察流動(dòng)液體的螺旋狀流動(dòng)是否形成。這可以容易地從觀察水流中的氣泡的路徑確定。實(shí)驗(yàn)結(jié)果總結(jié)在表1中。
表1
從這些結(jié)果中可以看到，當(dāng)液體/氣體的動(dòng)能比為0.66或更高時(shí)得到了所希望的螺旋狀流動(dòng)。估計(jì)切線/徑向方向流動(dòng)的流體的動(dòng)能比的下限為0.5。應(yīng)當(dāng)注意到，如果流動(dòng)模式從層流變成湍流，切向方向流動(dòng)的流體的高得多的吞吐量可以阻止旋流的形成。但是，在此情況下，仍發(fā)生完全混合。
權(quán)利要求
1.用于將第一流體料流和第二流體料流混合的設(shè)備，該設(shè)備包括第一供給管道，該管道具有用于接受第一流體料流的第一供給管道接受端和與第一供給管道接受端相反的第一供給管道排出端；第二供給管道，該管道具有用于接受第二流體料流的第二供給管道接受端和與第二供給管道接受端相反的第二供給管道排出端；混合室，該混合室在第一和第二供給管道排出端與第一和第二供給管道流體連通，其中，第一或第二供給管道排出端中的一者基本以切線方向通入混合室，而第一和第二供給管道排出端中的另一者基本以徑向方向通入混合室；和用于排出第一和第二流體料流的混合料流的混合室出口，該混合室出口與混合室中心部分流體連通。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的由層狀組件構(gòu)成的設(shè)備，該組件包括基本為平面的、具有外表面和內(nèi)表面并限定了用于將第一和第二流體接受至組件中的第一和第二進(jìn)料通道的蓋層。第一和第二進(jìn)料通道從外表面延伸至內(nèi)表面以形成第一和第二入口端口；基本為平面的、具有上表面和下表面的混合層，其中混合層上表面封閉性安置在蓋層內(nèi)表面上，從而限定出提供了第一供給管道的第一供給通道和提供了第二供給管道的第二供給通道以及與第一和第二供給通道排出端流體連通的混合室；和由基本為平面的層限定并與混合室流體連通從而提供混合室出口的混合室出口通道。
3.根據(jù)權(quán)利要求1和2的設(shè)備，其中蓋層和混合層包括以流體密封方式疊放排列的一塊或多塊板。
4.根據(jù)權(quán)利要求1至3的設(shè)備，其中板具有10微米至5毫米的厚度。
5.根據(jù)權(quán)利要求1至4的設(shè)備，其中混合室還包括放置于其中的催化劑。
6.根據(jù)權(quán)利要求1至4的設(shè)備，該設(shè)備還包括具有入口和出口并限定了催化劑保留空間的反應(yīng)器，其中反應(yīng)器入口與混合室出口流體連通。
7.根據(jù)權(quán)利要求1至6的設(shè)備，其中混合室的形狀基本為圓筒形，并且混合室直徑與混合室出口直徑之比大于5。
8.根據(jù)權(quán)利要求1至7的設(shè)備，其中混合室在基本水平的平面上具有基本為圓形的橫截面，混合室出口基本垂直于上述基本水平的平面。
9.根據(jù)權(quán)利要求2至8的設(shè)備，其中混合室出口從混合器板基本垂直延伸至蓋層的外表面，從而形成用于將第一和第二流體的混合料流從組件中排出的出口端口。
10.根據(jù)權(quán)利要求1至9的設(shè)備，其中還包括多條用于分配第一流體料流的第一流體分配管道；多條用于分配第二流體料流的第二流體分配管道；和多條接受端分別與第一和第二流體分配管道流體連通并且排出端交替地基本以切線方向和基本以徑向方向通入混合室的第一和第二供給管道。
11.根據(jù)權(quán)利要求1至10的設(shè)備，其中第一或第二供給管道中的至少一者在從供給管道接受端至供給管道排出端的方向上變窄并且第一和第二供給管道的長(zhǎng)度與在排出端的寬度之比為1至30。
12.根據(jù)權(quán)利要求1至9的設(shè)備，其中還包括多條用于分配第二流體料流的第二流體分配管道；多條用于分配第三流體料流的第三流體分配管道；和具有入口和出口的多支管，多支管入口與以重復(fù)序列排列的第二和第三分配管道流體連通并且多支管出口與第二供給管道接受端流體連通。
13.根據(jù)權(quán)利要求2至9的設(shè)備，其中混合室與多條供給通道流體連通，每一供給通道具有接受端和排出端，并且供給排出端交替地基本以切線方向和基本以徑向方向通入混合室，該層狀組件還包括具有上表面和下表面的基本為平面的分配層，分配層上表面封閉性地連接在蓋層內(nèi)表面上并且分配層下表面封閉性地安置在混合層上表面上，分配層插在蓋層和混合層之間，從而限定多個(gè)第一分配端口，每一端口在一端與第一流體分配結(jié)構(gòu)流體連通并分別在相反的一端與交替的流體供給通道接受端流體連通；和多個(gè)第二分配端口，每一端口在一端與第二流體分配結(jié)構(gòu)流體連通并分別在相反的一端與交替的未與第一分配端口流體連通的流體供給通道的接受端流體連通，其中第一流體分配結(jié)構(gòu)與第一進(jìn)料通道流體連通，第二流體分配結(jié)構(gòu)與第二進(jìn)料通道流體連通，并且混合層上表面封閉性地安置在分配層下表面上從而限定了供給通道。
14.根據(jù)權(quán)利要求2至9的設(shè)備，其中蓋層還定義了用于將第三流體接受入組件的第三進(jìn)料通道，第三進(jìn)料通道從蓋層外表面延伸至蓋層內(nèi)表面從而形成第三入口端口，層狀組件還包括具有上表面和下表面的、基本為平面的分配層，分配層上表面封閉性地安置在蓋層內(nèi)表面上并且分配層下表面封閉性地安置在混合層上表面上，分配層插在蓋層和混合層之間，從而限定多個(gè)第二分配端口，每一端口具有與第二流體分配結(jié)構(gòu)流體連通的第二分配端口入口端和第二分配端口出口端；和多個(gè)第三分配端口，每一端口具有與第三流體分配結(jié)構(gòu)流體連通的第三分配端口入口端和第三分配端口出口端，其中第二流體分配結(jié)構(gòu)與第二進(jìn)料通道流體連通，第三流體分配結(jié)構(gòu)與第三進(jìn)料通道流體連通，并且混合層上表面封閉性地安置在分配層下表面上從而限定了具有入口和出口的聚焦室，聚焦室入口與以重復(fù)序列排列的第二和第三分配端口出口端流體連通，并且聚焦室出口與第二供給通道接受端流體連通。
15.將至少兩種流體混合的方法，該方法包括將第一流體料流通過(guò)第一進(jìn)料通道輸送并將第一流體料流以基本為徑向方向的方向注入混合室；將第二流體料流通過(guò)第二進(jìn)料通道輸送并將第二流體料流以基本為切線方向的方向注入混合室從而形成渦流；和將經(jīng)混合的第一和第二流體的料流從渦流的中心部分排出。
16.根據(jù)權(quán)利要求15的方法，其中第二流體的動(dòng)能與第一流體的動(dòng)能之比為至少0.5從而在混合室內(nèi)產(chǎn)生流體渦流。
17.根據(jù)權(quán)利要求15至16的方法，其中混合室的形狀基本為圓筒形。
18.根據(jù)權(quán)利要求15至17的方法，其中還包括將多個(gè)流體料流通過(guò)多條進(jìn)料通道輸送并將流體料流交替地以切線方向和徑向方向注入混合室。
19.根據(jù)權(quán)利要求15至18的方法，其中還包括將第一和第二流體料流通過(guò)進(jìn)料通道在通向混合室的方向上加速。
20.根據(jù)權(quán)利要求15至19的方法，其中還包括將第二供給通道在多個(gè)第二分配料流之間分配；將第三流體料流在多個(gè)第三流體分配料流之間分配；和在注射進(jìn)入混合室前將第二和第三分配料流以重復(fù)序列排列于第二進(jìn)料通道中。
21.根據(jù)權(quán)利要求15至20的方法，其中第一流體料流為氣體且第二流體料流為液體。
22.根據(jù)權(quán)利要求15至21的方法，其中還包括將流體的混合物在反應(yīng)室中反應(yīng)。
全文摘要
本文公開(kāi)了用于將至少兩種流體混合并反應(yīng)的新型設(shè)備。在包含至少兩條用于向混合室中進(jìn)料和產(chǎn)生渦流的供給通道的裝置中獲得了出色的混合和優(yōu)良的壓強(qiáng)下降性質(zhì)。供給通道的排列方式使流體以切向方向和徑向方向注入混合室。對(duì)于氣體/液體混合，將液體沿切線方向注入并將氣體沿徑向方向注入是特別有利的。流體的反應(yīng)可以在混合室中或分開(kāi)在與混合室出口流體連通的反應(yīng)器中發(fā)生?；旌掀?反應(yīng)器設(shè)備對(duì)于以快速擴(kuò)散為關(guān)鍵的反應(yīng)特別有用。
文檔編號(hào)B01J19/00GK1537029SQ02811355
公開(kāi)日2004年10月13日 申請(qǐng)日期2002年5月6日 優(yōu)先權(quán)日2001年5月7日
發(fā)明者K·M·旺當(dāng)布舍, S·阿布多, V·赫塞爾, H·洛伊, S·哈爾特, K M 旺當(dāng)布舍, 級(jí) 申請(qǐng)人:環(huán)球油品公司