混合器和反应器以及并有所述混合器和反应器的方法

日期:2019-05-22 09:24:46

混合器和反应器以及并有所述混合器和反应器的方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种高效且有效的混合器、一种包括所述混合器和反应器的装置、以 及并有所述混合器和反应器的方法。
【背景技术】
[0002] 氢氟碳化合物(HFC)产品广泛用于许多应用中,包含制冷、空气调节、发泡体膨 胀,并且用作气溶胶产品(包含医疗气溶胶装置)的喷射剂。尽管已经证明HFC比其所取 代的氯氟碳化合物和氢氯氟碳化合物产品更加气候友好,但现在已经发现所述HFC显示出 相当大的全球暖化潜势(GWP)。
[0003] 寻求对当前的碳氟化合物产品的更加可接受的替代方案已经导致了次氟酸(HFO) 产品的出现。相对于其前身,期望HFO对大气施加较小影响,其表现形式为与HFC相比对臭 氧层的有害影响较小或无有害影响以及其GWP低得多。有利地,HFO还显示出低可燃性和 低毒性。
[0004] 随着HFO的环境重要性、以及因此的经济重要性已经产生,同样产生了对在其生 产中所使用的前体的需求。许多所希望的HFO化合物(例如2, 3, 3, 3-四氟丙-1-烯或1, 3, 3, 3-四氟丙-1-烯)通常可以使用氯碳化合物或氯氟碳化合物的原料以及具体来说氯化 丙烯来产生。
[0005] 遗憾的是,至少部分由于在其制造过程中通常使用的常规方法引起大量副产物 (即,废物和/或副产物)产生的倾向,许多氯化丙烯可能具有有限的商业可用性,和/或可 能仅在可能过高的成本下可获得。所产生的任何此类副产物不仅必须与最终产物分离并被 处置,而且也可能在进行此操作之前导致系统积垢。这两种结果均可能引入大量费用,从而 进一步限制其中不会减少或消除产生此类副产物的方法的商业潜力。此外,这些问题在工 艺放大中变得恶化,使得大规模工艺可能快速变得成本过高。
[0006] 在许多用于氯化丙烯的产生的常规方法中,可能难以避免过多副产物的形成,因 为许多此类方法需要限量试剂的仅部分转化。较大转化可能引起大量副产物的产生。过多 转化转而可能由反应物和/或产物的反向混合导致。
[0007] 已经研发出各种混合器以尽量使可能在进入反应器之前发生的反应物的反向混 合最小化;然而,这些混合器都是有损害的。例如,混合器已经设置成具有与反应器相同的 直径,使得在所述混合器与反应器之间的接合点处不产生反向混合区域。当与适当的反应 物引入相结合时,这些混合器已经证明为有效的,但又可能是次优的。
[0008] 首先,构建具有与用于产生氯化丙烯的许多反应器一样大的直径(例如,多达8英 尺)的混合器可能是成本较高的。此外,由于反应物在从其对应的进料管线进入混合器之 后压力和速度降低,因此大直径混合器的使用可能使得难以获得在混合器内所希望的流动 分布。
[0009] 因此,将希望提供用于其中理想地使用限量反应物的方法的改进的混合器。更具 体来说,以下混合器将是所属领域中受欢迎的:提供两种或两种以上反应物的快速且彻底 的混合,同时还又使经混合进料流的反向混合最小化,且因此提供所产生的副产物的量的 减少。如果可以成本有效的方式提供此类混合器,即,以比反应器(混合器理想地与所述反 应器一起使用)更小的规模提供,那么将可见进一步的优点。

【发明内容】

[0010] 本文中提供了提供此类优点的混合器。更确切地说,混合器并有扩张器区域,其中 所述扩张器区域的内径相对于扩张器区域的纵向轴线以小于90°的角度向外扩张。以此方 式,混合器可以设置为具有小于其出口直径的入口直径,使得当所述混合器耦合到反应器 时,可以使可能通过混合器出口与反应器入口之间的不同几何结构以另外的方式提供的任 何反向混合区域最小化或消除所述反向混合区域。混合器还可以并有一或多个腔室、流型 产生区域、和/或混合区域,以上几者可以单独地或在一起作用以改进其中的反应物的流 动和/或混合,使得通过所述混合器提供均匀且高效的混合。因此,可以基本上维持所希望 的转化率,可以使副产物的形成最小化和/或可以减少或消除积垢。并且因此,除可以通过 制造具有比反应器入口直径更小的入口直径的混合器来提供成本节约之外,还通过使与副 产物的分离和处置和/或用以从系统清除污垢物的过程停工时间相关联的成本最小化或 完全避免所述成本来进一步提供节约。
[0011] 在本发明的一个方面中,提供一种混合器。所述混合器包括到至少一个腔室的至 少一个入口、以及扩张器区域。通过所述腔室的纵向轴线和所述入口的纵向轴线产生的 角度(以下简称"腔室-入口角度",或在图IA中称为α )小于90°,或可以为从30°到 80°。扩张器区域的内径(De)相对于扩张器区域的纵向轴线以小于90°、或小于45°、或 小于20°、或小于15°、或甚至小于10°的角度(以下简称"扩张器角度"或在图IA中称 为β)向外扩张。所述腔室具有内径(D。),所述内径是其入口的内径(Dcd)的至少1.25倍、 或至少2倍。在一些实施例中,腔室的内径(D。)可以是其入口的内径(DJ的2到10倍。
[0012] 所述腔室还理想地包括出口,且在其中使用多个腔室/入口的那些实施例中,腔 室的出口理想地同心地布置,即,使得两个同心地放置的出口产生在其之间的环形空间。每 个环形空间的截面面积(Aa)与最内部腔室出口的面积(Α。。,最内部)的比值理想地在1与 3之间,即,Aa/A。。在1与3之间。腔室内径(D。)可以逐渐变窄至腔室出口的内径(D。。),或 者腔室内径(D。)可以90°的角度减小以提供腔室出口。
[0013] 腔室出口具有内径(D。。),所述内径是腔室入口的内径(DJ的至少2倍。所述出 口具有小于腔室内径(D。)的内径(D。。),例如,腔室内径(D。)与出口内径(D。。)的比值可以 是至少1、或至少1. 1、或至少1. 2。理想地,腔室的内径(D。)与其出口的内径(D。。)的比值 小于10、或小于8、或小于6、或小于5、或小于4。在一些实施例中,腔室的内径(D。)与其出 口的内径(D。。)的比值为从I. 1到8或从1. 2到4。在一些实施例中,腔室的内径(D。)和其 出口的内径(D。。)可以大致相同。
[0014] 在一些实施例中,混合器可以另外包括流型产生区域和/或混合区域。如果被使 用,则流型产生区域可以是腔室出口的延伸部,即,可以是产生内部管子的一系列同心地放 置的管子以及一系列环形空间。任何流型产生区域的长度(Lfpd)可以理想地基本上与所述 流动产生区域内的最外部管子的直径(Dfpd)相同或大于所述直径。如果使用混合区域和流 型产生区域两者,那么混合区域理想地在流型产生区域的下游。在任何情况下,混合区域可 以理想地包括单一管子,所述管子的内径(Dm)视具体情况小于或等于最外部腔室出口的内 径(D。。,最外部)或流型产生区域的最外部管子的内径(Dfpd)。经组合混合区域和流型产生 区域(如果存在的话)具有一定长度(Lfpd+Lm),所述长度是混合区域的内径(Dm)的3倍或 9倍。
[0015] 当与反应器结合使用混合器时,可以利用混合器的有利的特征和尺寸关系,且实 际上已经发现混合器和反应器之间的另外的尺寸关系,所述另外的尺寸关系进一步帮助获 得或进一步利用这两者的全部益处。并且因此,在另一方面,提供了一种装置,其包括具有 入口的反应器,所述入口具有内径(?);以及包括到至少一个腔室的至少一个入口的混合 器,其中腔室出口内径(D。。)、流型产生区域内径(Dfpd)和/或混合区域内径(Dm)小于反应器 入口内径的内径(DJ。反应器的内径(?)与腔室出口内径(D。。)、流型产生区域内径(Dfpd) 和/或混合区域内径(Dm)的比值理想地为从2到5、或从3到4。混合器还包括扩张器区域, 其具有以小于90°、或小于45°、或小于20°、或小于10°的角度向外扩张的内径(De)。反 应器可以具有大于或小于4英尺的内径。反应器和/或混合器可以包括一或多个90度或 更大角度的弯曲部,以在可获得的制造空间中容易地适应其所希望的设计和长度。
[0016] 因为期望本装置向其中利用所述装置的气态方法提供时间和成本节约,所以还提 供此类方法。包括限量试剂的方法发现特定的益处。
[0017] 在另一方面,提供了用于混合化学方法的至少两种试剂的方法。所述方法包括将 至少两种反应物提供到某一装置,其包括具有内径(?)的反应器和包括到至少一个腔室的 至少一个入口的混合器,其中腔室出口内径(D。。)、流型产生区域内径(Dfpd)和/或混合区 域内径(Dm)小于反应器入口内径的内径(DJ。反应器的内径(?)与最外部腔室出口内径 D。。和/或混合区域内径(D J的比值理想地为从2到6、或从3到5。混合器还包括扩张器 区域,其具有以小于90°、或小于45°、或小于20°、或小于10°的角度向外扩张的内径 (De) 〇
【附图说明】
[0018] 当参考附图阅读以下详细描述时,将更好地理解本发明的这些和其它特征、方面 以及优点,其中:
[0019] 图IA是包括一个入口 /腔室和扩张器区域的混合器的一个实施例的示意性表示 (不按比例);
[0020] 图IB是图IA中示出的实施例的示意性表示的俯视图;
[0021] 图IC是图1中示出的混合器的示意性表示(不按比例),所述混合器进一步包括 从腔室内径开始的逐渐变窄以提供腔室出口;
[0022] 图2A是包括两个入口 /腔室和扩张器区域的混合器的一个实施例的示意性表示 (不按比例);
[0023] 图2B是图2A中示出的实施例的腔室入口的一种布置的俯视图;
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