改進(jìn)的流動反應(yīng)器的制造方法
【專利說明】改進(jìn)的流動反應(yīng)器
[0001]本發(fā)明涉及一種用于混合在管中的流體的方法和裝置，特別用于需要良好塞式流動或良好混合(尤其是當(dāng)兩者都需要時)的用途。該方法和裝置可以用于傳送需要恒定混合的非均勻流體混合物(例如泥漿)，但優(yōu)選是用于良好混合和良好塞式流動都需要的用途。本發(fā)明的方法和裝置有利于較寬范圍的處理，包括物理、生物和/或化學(xué)變化?；旌汀⑽锢矸磻?yīng)(例如結(jié)晶)、氣相、泥漿相、混合相反應(yīng)和在液體相中的反應(yīng)。應(yīng)用的范圍包括但不局限于:用于食品的制造處理、制藥、生物處理、精細(xì)化學(xué)藥劑、化學(xué)、石化和精煉處理的整個范圍、聚合和礦物處理。
[0002]流動反應(yīng)器主要是穩(wěn)定狀態(tài)系統(tǒng)，其中，處理材料在它連續(xù)經(jīng)過反應(yīng)器時進(jìn)行物理、化學(xué)或生物變化。對于給定處理循環(huán)，在任何時候都只有一部分處理材料保持在反應(yīng)器中(與分批反應(yīng)器不同，在該分批反應(yīng)器中，在一些時間點存在用于處理循環(huán)的全部處理材料)。流動反應(yīng)器優(yōu)于分批反應(yīng)器的優(yōu)點是減小了物理尺寸，這有助于更好地混合處理流體以及改進(jìn)在處理流體和反應(yīng)器本體之間的傳熱(通過減小尺寸)。對于工業(yè)處理，流動反應(yīng)器優(yōu)于分批反應(yīng)器的商業(yè)優(yōu)點取決于用途，但是在不同程度上包括降低投資成本、更高產(chǎn)量、提高的產(chǎn)品純度、減少溶劑的使用、提高安全性和較低能量需求，因此降低成本。這些優(yōu)點在文獻(xiàn)中很好地證明。
[0003]在用于使得處理材料運動的傳送器和流動反應(yīng)器之間的區(qū)別在于，在傳送器中，材料從一點傳遞至另一點，而在流動反應(yīng)器中，處理材料的特性在它傳送通過反應(yīng)器時進(jìn)行物理、生物或化學(xué)變化。因此，處理材料的性質(zhì)在沿反應(yīng)器進(jìn)行反應(yīng)時變化。塞式流動意味著處理材料以與它進(jìn)入時相同的時間順序來運行通過和離開反應(yīng)器。因此，塞式流動對于控制反應(yīng)時間和優(yōu)化未反應(yīng)和反應(yīng)后材料的分離很重要。不能獲得良好的塞式流動可能嚴(yán)重地削弱反應(yīng)器的性能，因為不這樣時，反應(yīng)時間不能進(jìn)行控制，處理材料的回混可能導(dǎo)致不希望的反應(yīng)和降低反應(yīng)速率(由于在第η次序反應(yīng)的情況中的稀釋效應(yīng))。還需要良好的混合(更優(yōu)選是良好的徑向混合)，以便保證高效混和、處理材料在反應(yīng)器內(nèi)的均勻性以及良好的傳熱。
[0004]本發(fā)明提供了管形反應(yīng)器，該管形反應(yīng)器設(shè)有這樣的裝置，管可以通過該裝置而繞管的縱向軸線旋轉(zhuǎn)通過往復(fù)圓弧部。
[0005]在還一實施例中，本發(fā)明提供了一種反應(yīng)，其中，處理材料連續(xù)通過在預(yù)定反應(yīng)條件下操作的管形反應(yīng)器，其中，該管形反應(yīng)器在處理材料通過時繞管的縱向軸線旋轉(zhuǎn)通過往復(fù)圓弧部。
[0006]下面的術(shù)語有以下意義。
[0007]流動反應(yīng)器-這是槽道或一系列級，處理材料連續(xù)流過該槽道或一系列級，且當(dāng)處理材料通過它時在該處理材料內(nèi)發(fā)生物理、化學(xué)或生物變化。
[0008]處理材料是流過反應(yīng)器的材料。這可以包括反應(yīng)和不反應(yīng)材料(例如稀釋劑或催化劑)。處理材料的組分將在材料變化或反應(yīng)時沿反應(yīng)器變化，以便形成所需的反應(yīng)產(chǎn)物。處理材料可以是液體、氣體、蒸汽、臨界流體或任意其它能夠流動的材料。它還可以是這些材料的混合物，處理材料還可以包含固體顆粒。
[0009]管形流動反應(yīng)器-一種流動反應(yīng)器，其中，槽道沿流動方向的總長度比槽道的直徑大3倍，更優(yōu)選是大5倍，還更優(yōu)選是大10倍。管形流動反應(yīng)器可以由單個管或多個管來組成。
[0010]塞式流動-是公知術(shù)語，是通過反應(yīng)器的有序流動形式，其中，產(chǎn)生最小回混，且基本全部流體元件有在反應(yīng)器中的基本相同滯留時間。由于擴(kuò)散和流體混合的影響，實際上不能實現(xiàn)理想(100%)塞式流動。在本文中，塞式流動的意思是滯留時間控制相當(dāng)于每個反應(yīng)器管(反應(yīng)器可以使用多個管)至少5個串聯(lián)罐，更優(yōu)選是10個串聯(lián)管或者更多。在很多情況下，所需的塞式流動質(zhì)量將響應(yīng)在第η次反應(yīng)中產(chǎn)生的反應(yīng)速度變化而變化。在這樣應(yīng)用中，考慮不同的塞式流動要求而能夠使用沿槽道長度的不同直徑管。這意味著當(dāng)需要更高的塞式流動質(zhì)量時使用小直徑的管(這給出更高速度，因此更好的塞式流動)。
[0011]混合-全部流體通過分子擴(kuò)散而混合一些程度。這里使用的混合是指較大(bulk)流體元件的不同運動，以便實現(xiàn)所需條件的混和均勻性、剪切、傳熱和塞式流動?；旌蠗l件可以是瑞流或?qū)恿鳌?br>[0012]軸向混合-這是沿處理材料的凈流動方向的方向上在軸向平面中混合(通常沿管)。
[0013]徑向混合-這是在徑向平面中的混合(通常橫過管)，該徑向平面與處理材料的凈流動方向成90度。優(yōu)選的混合作用是具有高程度的徑向混合以及低程度的軸向混合。
[0014]靜態(tài)混合器-這是相對于反應(yīng)器本體保持靜止的混合元件。
[0015]動態(tài)混合器-這是相對于反應(yīng)器本體運動的混合元件。
[0016]導(dǎo)流板-這是橫過流動槽道的直徑的板，該板有孔，以便允許流體沿管沿軸向方向通過。
[0017]處理材料可以有高固體濃度，但是在處理材料中的固體的優(yōu)選濃度小于50%體積，更優(yōu)選是小于25%體積。由于處理材料的反應(yīng)而引起的變化包括但不局限于沉淀、結(jié)晶、化學(xué)反應(yīng)、生物反應(yīng)、低聚、聚合和提取。
[0018]混合的特征能夠是多種方式，但是在本文中，混合意味著充分混合。對于均勻流體，混合是指混和時間小于10秒，更優(yōu)選是小于5秒，還更優(yōu)選是小于I秒。在一些用途中(例如非常緩慢的反應(yīng))，較長的混和時間也可接受。對于非均勻材料，充分混合將是相當(dāng)于或優(yōu)于具有傾斜渦輪葉片的I升攪拌容器，該傾斜渦輪葉片以10rpm旋轉(zhuǎn)，更優(yōu)選是以200rpm旋轉(zhuǎn)，還更優(yōu)選是以400rpm旋轉(zhuǎn)。在一些用途中，混合可以并不與這些相當(dāng)。
[0019]根據(jù)需要，反應(yīng)器也可以有用于添加或除去熱量的系統(tǒng)，例如溫度控制夾套。當(dāng)反應(yīng)器設(shè)有攪拌器軸時，該軸可以包含冷卻系統(tǒng)。靜態(tài)和動態(tài)混合器也可以包含冷卻系統(tǒng)。優(yōu)選的溫度控制系統(tǒng)包括溫度傳感器、控制器和控制元件(例如閥)，該控制元件用于改變傳熱流體的溫度或流量，以便控制處理材料的溫度。在電加熱或冷卻的情況下，控制元件將改變施加的電功率。溫度傳感器可以布置在傳熱流體流中，或者更優(yōu)選是在處理材料流中。多個溫度控制系統(tǒng)也可以用于沿管或單獨、但在該相同系統(tǒng)內(nèi)連接的管的多個加熱或冷卻階段，以便解決在反應(yīng)的不同階段的不同溫度控制需求。
[0020]流動反應(yīng)器也可以有同軸的分析裝置，例如光學(xué)分析器、pH傳感器或量熱計，以便監(jiān)測和/或控制反應(yīng)器的操作。分析裝置可以是控制系統(tǒng)的部件，該控制系統(tǒng)包括分析傳感器、控制器和控制元件，該控制元件控制一個或多個變量。用于單個分析器的優(yōu)選位置是在處理材料從反應(yīng)器排出的點處，盡管其它位置也可以使用?？刂频淖兞靠梢允且粋€或多個供給材料的流量、系統(tǒng)壓力、系統(tǒng)溫度或者影響反應(yīng)器性能的任意其它參數(shù)。更復(fù)雜的控制系統(tǒng)也能夠使用控制一個或多個反應(yīng)器部件的多個分析器，且可以布置在反應(yīng)器內(nèi)的不同位置中。
[0021]流動反應(yīng)器可以設(shè)有一個或多個內(nèi)部導(dǎo)流板。導(dǎo)流板的功能是降低回混(因此提高塞式流動)，但是也可以用于支承攪拌器軸，因此防止所述軸的過度彎曲。
[0022]對于流動反應(yīng)器的四個關(guān)鍵要求，這里介紹的本發(fā)明提供了一種有效和經(jīng)濟(jì)的方案。
[0023]容積能力-需要足夠的容積能力，以便保證對于給定生成量完成反應(yīng)。通過并不依賴于流體經(jīng)過反應(yīng)器的速度而產(chǎn)生高效混合(如普通靜止混合器流動反應(yīng)器的情況)，本發(fā)明提供了每單位容積更低成本的容積能力(與長細(xì)管相比)，并提供了更低壓力降(因為能夠在并不犧牲混合性能的情況下使用短和較大直徑的管)。
[0024]塞式流動-塞式流動的建立提供了用于控制反應(yīng)時間以及優(yōu)化反應(yīng)的和未反應(yīng)處理材料分離的方式。對于任何處理，當(dāng)使用良好的塞式流動時，流動反應(yīng)器將較小，因為反應(yīng)的材料將以及時的方式排出，而并不保持。對于很多處理(例如第η次競爭或連續(xù)反應(yīng))，需要良好的塞式流動來用于最大化每單位容積的產(chǎn)量、選擇性和純度。本發(fā)明提供了用于產(chǎn)生徑向與軸向混合的高比率的方法，該高比率是用于良好塞式流