CN101489659B - 混合设备和工艺 - Google Patents

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Abstract

一种用于产生和保持一致混合的物质的连续的、半连续的或分批补料式混合设备和工艺使用配备有多个环状挡板(4)的管状容器(1)，环状挡板(4)配置为开始和保持管状容器中物质的均匀混合和有效分散，且泵(9)将单向线性和非振荡运动传递给管状容器中的物质，因此促进并保持物质的均匀混合和有效分散。

Description

混合设备和工艺
技术领域
本发明涉及一种用于保持一致混合的原料(consistently mixedmaterial)的改进的混合设备和工艺(mixing apparatus and process)。尤其，本发明涉及一种用于输送包括一致混合的固体、液体和/或气体的悬液和分散体(dispersion)的改进的设备和方法。
背景技术
用于输送和混合原料的现有技术包括管状、环或管反应器(例如BHRGroup Limited Flex-Reactor)。然而，这种反应器在用来输送一致混合的原料时有若干限制和缺点。尤其，经常利用对流进行中断来保证保持有效的混合。中断流将引入额外的复杂性要素，并阻止混合物输送的进行。
已知使用挡板式振荡设备(oscillatory baffled apparatus)来实现反应，而且同时地输送反应混合物。例如，欧洲专利EP 1 076 597公开了用于分离相合成(phase separated synthesis)的设备和方法的使用，其中水介质被连续输送通过反应器容器(reactor vessel)，从而与有机液体相反应，以在环境压力和高温下以连续的方式提供微粒的分离相合成。例如这样的挡板式振荡反应器已经显示出在混合中非常有效。
然而，挡板式振荡反应器的使用必然需要引入用于产生振荡的装置。这样经常使装备的设计变复杂，而且也使使用该装备的任何工厂的设计复杂化。尤其，有许多必须解决的关于振荡和密封装置的技术挑战。
因此，本发明的目的是消除或减轻与现有技术相关的至少一些缺陷。
从阅读下面的描述，本发明进一步的目标和目的将变得明显。
发明内容
根据本发明的第一方面，提供了一种用于产生和保持一致混合的物质的连续的、半连续的或分批补料式(fed-batch)混合设备，物质包括至少第一相和第二相，该设备包括：
管状容器(tubular vessel)；
至少一个供给装置(supply means)，其可操作地连接到管状容器，以供给第一相和第二相中的至少一个；
多个环状挡板，其配置为开始和保持管状容器中物质的均匀混合和有效分散，环状挡板以大致等距的方式分隔开，并大致平行设置，使得它们从管状容器的侧面径向向内延伸；以及
流动控制装置(flow control means)，其配置为将单向线性运动传递给管状容器中的物质；
其中流动控制装置被配置为使物质流维持在足够的流速，使得产生并保持第一相和第二相的均匀混合和有效分散。
物质可以是易混合的或不易混合的流体的混合物；化学反应的反应混合物；分散体、悬液、乳状液或微乳状液(micro-emulsion)；或具有至少一些流体属性的任何其它合适的原料。
相可以是流体(即液体或气体)或者可以是流体形式的固体，例如微粒，例如单体珠子、金属小球、颗粒、晶体、粉末等等。
挡板的间隔和流速的控制在产生并保持在容器中流动的物质的均匀混合和有效分散是有效的。因为不用振荡完成混合，所以消除了涉及设备和相关联的工厂设计的许多复杂性。尤其，本发明的设备需要比振荡设备(oscillatory apparatus)更少的零件，且排除了与将振荡传递给密封***相关联的大量技术挑战。挡板也帮助在低于当使用传统的环或管反应器时必要的那些流速的流速下形成湍流。
多个环状挡板以大致等距的方式由杆(rail)连接在一起，并大致平行设置，使得它们从容器的侧面径向向内延伸。
可选地，该设备进一步包括第二供给装置，以将第一相和第二相中的至少一个供给到管状容器。
优选地，环状挡板之间的距离在1d和2d之间，其中d是管状容器的直径。
环状挡板可以是大致平的板，包括大致位于所述板中心的孔。
孔适合于将流中的大量不稳定(unsteadiness)传递给物质。
可选地，管状容器进一步包括压力改变装置(pressure alterationmeans)，用于改变管状容器中的压力。
压力改变装置可改变在真空到300巴之间的压力。
可选地，设置有至少一个进入口(access port)，用于将其它相或物质引入到管状容器内。
优选地，流动控制装置包括配置为将单向线性运动传递给管状容器中的物质的泵。
单向线性运动大致上是非振荡的。
优选地，流动控制装置被配置为传递给予管状容器中的物质大于500的雷诺数的流速。
管状容器中物质的流是层流。
根据本发明的第二方面，提供了一种用于产生并保持一致混合的物质的连续的、半连续的或分批补料式混合工艺，物质包括至少第一相和第二相，该工艺包括以下步骤：
将第一相和第二相中的至少一个的供给提供到管状容器；
使用多个环状挡板开始并保持管状容器中物质的均匀混合和有效分散，环状挡板以大致等距的方式分隔开，并且大致平行设置，使得它们从管状容器的侧面径向向内延伸；以及
使用流动控制装置将单向线性运动传递给管状容器中的物质；
其中使用流动控制装置传递单向线性运动，以将物质的流维持在足够的流速，使得产生并保持第一相和第二相的均匀混合和有效分散。
可选地，该工艺进一步包括提供第二供给装置，以将第一相和第二相中的至少一个供给到管状容器。
可选地，该工艺进一步包括改变管状容器内的压力。
可选地，该工艺进一步包括在真空和300巴之间改变压力。
可选地，该工艺进一步包括通过至少一个进入口将另外的相或物质供应到管状容器内。
优选地，单向线性运动是非振荡运动。
优选地，由流动控制装置传递给予管状容器中的物质大于500的雷诺数的流速。
优选地，管状容器中物质的流是层流。
根据本发明的第三方面，提供了一种用于产生和保持一致混合的多醣混合物的连续的、半连续或分批补料式混合工艺，该工艺包括以下步骤：
将溶剂的供给和多醣的供给提供到管状容器；
使用多个环状挡板开始并保持管状容器中多醣和溶剂的均匀混合和有效分散，环状挡板以大致等距的方式分隔开，并大致平行设置，使得它们从管状容器的侧面径向向内延伸；以及
使用流动控制装置将单向线性运动传递给管状容器内的多醣和溶剂；
其中使用流动控制装置传递单向线性运动，以将多醣和溶剂的流维持在足够的流速，以便产生和保持均匀混合和有效分散的多醣混合物。
附图说明
现在将仅通过例证性实施例、参考附图描述本发明，其中单个图显示了依照本发明的管状容器的示意性剖面图。
实现本发明的模式
参考图1，挡板式管状容器(tubular baffled vessel)一般以1来描述，并包括由U形弯曲件3连接的管状构件2。这为流体介质形成连续的流动***。有许多环状挡板4从容器的侧面径向向内延伸。挡板是有孔板(orificed plate)的类型。环状挡板4以大致等距的方式由杆(图1中未显示)连接在一起，并大致平行布置。环状挡板4设置在由管状构件2形成的流动路径内。
为了将运动传递给容器1的内含物，容器可接收并排出流体，并具有进口5、6及出口7。设备1还包括通过入口5流体地连接到容器1的供料槽8。供给泵(feed pump)9和控制阀10位于供料槽8和入口5之间，用于控制流体到容器1的输入。通过输出口7流体地连接到容器1的产物槽11位于容器末端一段距离处。
设备1还包含护套(sheath)12，护套12使用冷却器/加热器(图1中未显示)控制和保持容器1中一致的温度或一致的温度分布梯度。沿着管状容器1的连接块(connecting block)13可用于添加、产物移走、流出、取样、监测、探测和任何其它工艺控制。
可使用(例如)氮给管状容器增压，并且压力可从真空到300巴变化。
工艺实施例1
现将参考一致混合的淀粉悬液的输送来描述图1***的使用。
将供料槽8装满淀粉悬液。然后使用一组移动挡板(图1中未显示)搅拌供料槽一定量的时间，且打开阀10，以允许将给料添加到管状容器1至预定水平。
其后，使用泵9将运动传递给管状容器的内含物。泵以非振荡方式将运动传递给组元(constituent)。同样，在这个实施例中，泵适合于传递给予管状容器的内含物大于500的雷诺数的流速，且管状容器中的内含物或物质的流是层流。于是，维持一致混合的内含物沿着管状容器的长度传输。混合物可在适合的出口端口排出。
管状构件2可以是单个直管结构；且可使用C形连接器可选择地定位和组装，以提供大致S形的结构，其中管状构件被更紧凑地组装，可选择地发散和收敛，而不是平行放置。
现将结合生物柴油产物(biodiesel production)进一步阐明本发明的工艺。在生产中，将副产品甘油连同碱催化剂和未用过的过量甲醇从主要产品生物柴油中分离。为了净化用于高消费市场的甘油，首先必须移除催化剂，并蒸馏过量甲醇。使用挡板式管状反应器1来从甘油移除催化剂。将包含甘油、碱催化剂和过量甲醇的“废物”流储存在供料槽8内，且然后在入口5处以保证净流量雷诺数大于500的流速将“废物”流抽吸到挡板式管状反应器1内。当挡板式管状反应器被加热到反应温度时，废物流在容器1内再循环。一旦达到反应温度，在入口6将CO2气体引入到容器1内，并且然后，2NaOH(液体)+CO2(气体)＝Na2CO3(固体)+H2O的反应沿着挡板式管状反应器1进行。在几分钟的充分停留时间后，将产物和水导引到产物槽11，在此处过滤出Na2CO3固体。在这个工艺中，适当的流速连同挡板的存在保证了小而均匀的泡沫尺寸、CO2气体极好地分散到甘油混合物中以及完全反应。
工艺实施例2
虽然上述的实施例1包括液-气混合物，但是挡板式管状容器1对于甲苯的硝化也有用，这是液-液类型反应。在这个操作中，在供料槽8中预混合酸的混合物(主要是硝酸和硫酸)，并通过计量泵(metering pump)9和控制阀10以使得净流量雷诺数超过500的流速将酸的混合物抽吸到挡板式管状容器1内。当挡板式管状容器1被加热到高达130℃的反应温度时，混合酸被再循环。一旦达到温度，在特定温度(或者室温或者预加热的)下在入口点6将甲苯引入到容器1内。足够的流速连同挡板的存在保证了甲苯最有效的分散，从而使小且均匀的甲苯小滴能够沿着容器1形成在混合酸流内。硝化反应发生，且硝基甲苯产物不断产生，并被再导引到产物槽11内。
工艺实施例3
现将参考淀粉改进工艺描述适合于固-液工艺的挡板式管状容器的使用。通过计量泵9和控制阀10以使得净流量雷诺数大于500的给定速率将淀粉-水的浆液连续抽吸到容器1内。同时，使用护套工具(jacket facility)12将容器1加热到给定的反应温度。当达到反应温度时，在入口点6处加入乙酸酐，并沿着容器发生乙酰化反应。通过在13处添加碱而控制沿挡板式管状容器1的pH，在产物槽11不断收集改进的淀粉产物。在这个工艺中，尽管没有流体振荡单元(fluid oscillation unit)，但是由于通过结合流速和挡板而达到的均匀混合和近塞流状态(near plug flow condition)，所以固体浓度高达55％的淀粉固体颗粒能均匀地悬浮在液相中。
优点
由于均匀混合、有效分散和提高的传质速率，本发明能够更有效地输送混合原料，从而避免沉淀物和堵塞物的形成。本设备适合于传输包括固体、液体和气体的反应物和/或产物、悬液、乳状液和分散体的混合物。在本工艺中，使用淀粉溶液，固体悬浮在液相中。另外，设想本发明的其它实施方式，其中改良的混合的使用有利于增强化学反应和原料的选择性结晶。
使用的变化形式和可选实施方式
描述的设备可用作用于产生和保持一致混合的物质的连续的、半连续的或分批补料式混合设备，物质包括至少第一相和第二相。该设备具有管状容器和至少一个供给装置，供给装置可操作地连接到管状容器，以供给第一相和第二相中的至少一个。可操作的连接可以是气体、液体或固体原料或其混合物的供给。
有多个环状挡板连接到管状容器的内部，环状挡板配置为开始和保持管状容器中物质的均匀混合和有效分散。环状挡板以大致等距的方式分隔开，并大致平行设置，以使它们从管状容器的侧面径向向内延伸。
环状挡板可以是大致平的板，包括大致位于所述板中心的孔。孔可适合于将流中的大量不稳定传递给管状容器中的物质。
设备具有物质可通过其流动的流动路径。流动控制装置，例如供应液体的泵，被配置或调节为将单向线性运动传给管状容器中的物质。泵被配置为使物质流维持在足够的速率，使得可产生并保持第一相和第二相的均匀混合和有效分散。传递的单向线性运动可以是非振荡运动。
流动路径可由单个直管结构形成；或在可选实施方式中，其可至少部分地由弯曲的管状部件形成，以提供紧凑体积的流动路径。因此，在一种形式中，流动路径可包括使用方向变化的连接器(direction-changingconnector)，例如使用U形连接器的挡板式管的组件，以提供多个平行并置的管，或使用C形连接器，以提供大致S形的结构，其中流动路径被更紧凑地形成，使得多个管形成被配置为交替的分散V和收敛Λ结构的分支。
所描述的工艺可用作用于产生和保持一致混合的物质的连续的、半连续的或分批补料式混合工艺，物质包括至少第一相和第二相。该工艺包括将第一相和第二相中的至少一个的供给提供到管状容器，以及使用如以上所描述的多个环状挡板开始和保持管状容器中物质的均匀混合和有效分散。
该工艺还包括使用例如泵的流动控制装置将单向线性运动传给管状容器中的物质。使用泵传递单向线性运动，以使物质流维持在足够的流速，使得可产生并保持第一相和第二相的均匀混合和有效分散。单向线性运动是非振荡运动。
所描述的工艺包括应用给予管状容器中的物质大于500的雷诺数的流速，且管状容器中物质的流是层流。
这里描述的工艺可用于以连续的、半连续的或分批补料的方式产生一致混合的多醣混合物。这样的工艺包括将溶剂的供给和多醣的供给提供到管状容器，以及使用多个环状挡板开始和保持管状容器中多醣和溶剂的均匀混合和有效分散。
该工艺还包括使用泵或其它流动控制装置将单向线性运动传递给管状容器中的多醣和溶剂，以使多醣和溶剂的流维持在足够的速率，以便产生和保持均匀混合和有效分散的多醣沉淀物。
本发明的设备和工艺展示了优于现有技术的许多优点。例如，通过不使用振荡而完成有效混合，简化了工艺，且消除了涉及设备及相关联的工厂设计中的许多复杂性。尤其，本发明的设备需要比振荡设备更少的零件，并消除了与将振荡传递给密封***相关联的大量技术挑战。
其它现有技术设备包括结合了静态混合器***物(static mixer insert)的管状、环或管反应器。然而，本发明的挡板能帮助生成湍流，且因此与那些现有技术设备相比能以减小的流速混合。重要地，与使用静态混合器***物的现有技术设备对比，包含固体的工艺的本发明的挡板式管状***是极好的。
工业适用性
本发明的设备和工艺能产生好的固体悬液、液体内液体一致且有效的分散和分散气体的有效传输，包括有效传质。通过在工艺的最后测量的颗粒的一致尺寸分布证明了良好的颗粒悬浮，且通过小滴尺寸的一致性说明液体中液体的一致和有效分散。
在不使用对组元的振荡运动的情况下，之前无法完成例如这样的物质输送。
可在此包括改进和修改，而不背离如权利要求所界定的本发明的范围。

Claims (16)

1.一种用于产生和保持一致混合的物质的连续的、半连续的或分批补料式混合设备，物质包括至少第一相和第二相，所述设备包括：
管状容器，其具有流动路径；
至少一个供给装置，其操作地连接到所述管状容器，以供给第一相和第二相中的至少一个；
多个环状挡板，其为大致平的板的形式，包括近似位于所述板的中心的孔，并被配置为开始并保持所述管状容器中物质的均匀混合和有效分散，所述环状挡板以大致等距的方式分隔开，并大致平行布置，使得所述环状挡板从所述管状容器的侧面径向向内延伸，所述环状挡板之间的距离在1d和2d之间，其中d是所述管状容器的直径；以及
流动控制装置，其配置为将单向线性运动传递给所述管状容器中的物质；
其中，所述流动控制装置被配置为传递给予所述管状容器中的物质大于500的净流量雷诺数的流速，并且所述管状容器中的物质的流是层流，使得产生并维持所述第一相和第二相的均匀混合和有效分散，并且其中所述大致平的板中的孔适合于将流中的大量不稳定传递给物质。
2.如权利要求1所述的设备，其中所述设备进一步包括第二供给装置，以将第一相和第二相中的至少一个供给到所述管状容器。
3.如权利要求1或权利要求2所述的设备，其中所述管状容器进一步包括用于改变所述管状容器内压力的压力改变装置。
4.如权利要求3所述的设备，其中所述压力改变装置可改变在真空和300巴之间的压力。
5.如权利要求1所述的设备，其中设置有至少一个进入口，用于将其它物质引入到所述管状容器内。
6.如权利要求1所述的设备，其中设置有至少一个进入口，用于将其它相引入到所述管状容器内。
7.如权利要求1、2、5和6中任一项所述的设备，其中所述流动控制装置包括泵，所述泵配置为将单向线性运动传递给所述管状容器中的物质。
8.如权利要求7所述的设备，其中所述单向线性运动是非振荡运动。
9.一种用于产生和保持一致混合的物质的连续的、半连续的或分批补料式混合工艺，物质包括至少第一相和第二相，所述工艺包括以下步骤：
将第一相和第二相中的至少一个的供给提供到具有流动路径的管状容器；
使用流动控制装置将单向线性运动传递给所述管状容器中的物质；以及
使用多个环状挡板开始并保持所述管状容器中物质的均匀混合和有效分散，所述环状挡板为大致平的板的形式，包括近似位于所述板的中心的孔，所述环状挡板以大致等距的方式分隔开，并大致平行布置，使得所述环状挡板从所述管状容器的侧面径向向内延伸，所述环状挡板之间的距离在1d和2d之间，其中d是所述管状容器的直径；
其中，由所述流动控制装置传递给予所述管状容器中的物质大于500的净流量雷诺数的流速，并且所述管状容器中的物质的流是层流，使得产生并维持所述第一相和第二相的均匀混合和有效分散，并且其中所述大致平的板中的孔适合于将流中的大量不稳定传递给物质。
10.如权利要求9所述的工艺，所述工艺进一步包括：提供第二供给装置，以将第一相和第二相中的至少一个供给到所述管状容器。
11.如权利要求9或10所述的工艺，所述工艺进一步包括：改变所述管状容器内的压力。
12.如权利要求11所述的工艺，所述工艺进一步包括：在真空和300巴之间改变压力。
13.如权利要求9所述的工艺，所述工艺进一步包括：通过至少一个进入口将另外的物质供应到所述管状容器内。
14.如权利要求9所述的工艺，所述工艺进一步包括：通过至少一个进入口将另外的相供应到所述管状容器内。
15.如权利要求9或10所述的工艺，其中所述单向线性运动是非振荡运动。
16.如权利要求9或10所述的工艺，其中所述工艺进一步包括步骤：将多醣和溶剂的供给提供到所述管状容器。
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