用于混合粘度差别很大的流体的方法

专利名称：用于混合粘度差别很大的流体的方法
技术领域：
本发明涉及一种用于在具有高浓度的低粘度成分条件下混合两种粘度相差很大的易混合的流体的方法，以便形成这两种流体的均匀混合物。
背景技术：
众所周知，混合诸如增塑剂和溶剂的低粘度添加剂与诸如聚合物熔融物的高粘度流体，是一件困难的事情。如果低粘度添加剂的添加量很大的话，低粘度添加剂在较高粘度流体中开出通道，通常会导致不完全混合。为了缓解这一问题，在该方法的早期阶段，通常需要使用具有一个或多个旋转轴的机械搅拌装置，以便将低粘度流体快速混入高粘度流体中。该机械混合步骤的缺陷是，由于机械能量的输入会提高该工艺的温度，并且如果要混合的成分之一是易燃的或对环境有害的话，在旋转轴周围需要防漏密封。由于存在因磨损而破裂的可能性，这种密封造成了潜在的安全或环境问题。
静态搅拌器，又被称为静止搅拌器业已被用于阻止这种隧道效应的发生。所述静态搅拌部件将所述流体流动分成细的射流或束流，在束流之间产生较大的表面区域。通过采用较大的搅拌器长度，添加剂能够更精细地分配并且溶解。美国专利6179458(Albers等)披露了使用一种机械搅拌装置，其中该搅拌装置用于将高浓度的低粘度流体混入高粘度流体中的方法中，机械搅拌部件是由旋转轴驱动的。为了实现均匀混合，在每一个注入点之后通过旋转搅拌部件，沿所述处理束流的不同轴向位置上添加低粘度成分，以便保持高粘度流体作为该混合物的连续相。在通过机械搅拌部件混合以便形成均匀的溶液之后，该溶液向前通过一系列静态搅拌器。在所述每一个静态搅拌器之前，有一个额外的低粘度流体注入点，用于将该溶液稀释到需要的最终浓度。这种用于混合的系统通常具有较长的搅拌器长度，并且在该系统的搅拌部件上具有较大的压力降。
业已将静态搅拌器用于混合具有明显不同的粘度的流体。欧洲专利号472491B(被转让给Sulzer Chemtech Ltd.)披露了一种搅拌装置，它包括一个用于混合低粘度流体或气体和高粘度流体的静态搅拌部件，以及用于在一个轴向位点上将低粘度流体或者气体添加剂导入高粘度流体中的搅拌装置。在所披露的一种实施方案中，该搅拌装置被划分成两个相邻的混合柱，一个预搅拌器和一个主搅拌器。所述搅拌装置包括一个开口和一个喷头，用于将低粘度流体或者气体导入高粘度流体中。所述用于混合流体流动的开口包括具有根据相对流速和允许的压力降的设计的一个汇合入口和一个分散的出口，。根据该专利的披露，使用所述装置可以将4-6％或更大量的低粘度添加剂溶解在高粘度流体中。
美国专利5176448(King等)披露了用于将少量低粘度流体与大量高粘度流体混合在一起的静态搅拌装置，采用了一个安装在导管内的圆形注射头金属块，该金属块具有通过它的多个孔。这些孔具有用于引导所述流体流动的旋转角速度的搅拌部件。低粘度添加剂是通过该金属块的喷头泵入的。
美国专利4753535(King)披露了一种用于混合或预先混合少量低粘度流体和大量高粘度流体的静态搅拌装置，它包括一个安装在导管内的大体上为管状的装置。该装置在它的上游末端，具有用于将一种流体添加到另一种流体中的形状为圆锥截锥体的入口，以及在它的下游末端的空心轴。在所述空心轴内，有用于混合两种流体的静态搅拌部件。可以在该装置的下游安装第二个搅拌装置。
在所述混合物中，试图将低粘度流体添加剂的量提高到超过大约10％，通常会导致低粘度成分在高粘度成分中开出通道。当高粘度相在层流或紊流中是不连续的时候，要产生高到足以发生混合或搅拌的剪切张力是困难的。结果，有必要分阶段注入低粘度流体和/或必须在剪切张力下作用额外时间，以便所述流体成分能够均匀混合。
需要一种改进的方法，通过该方法可以将较大量的低粘度流体以商业上有吸引力的速度和处理条件添加到诸如聚合物的高粘度流体中并与之混合。

发明内容
本发明是一种用于生产在粘度方面具有很大差异的两种流体成分的均匀混合物的方法，该方法包括
a)将高粘度流体成分泵入第一导管中，并且将所述高粘度流体成分保持在足以形成单一相的温度和压力下；b)将一种低粘度流体成分注入流过第一导管的高粘度流体成分中，其中，这两种流体成分的粘度比至少为10000∶1，并且所述低粘度流体成分，是以占低粘度流体成分和高粘度流体成分总重量的大约30-90％的量提供的；c)将所述低粘度和高粘度流体成分推进到与所述第一导管连接的、装有第一套静态搅拌部件的第二导管中，第一套静态搅拌部件的长度与直径的比例至少为18，以便所述高粘度和低粘度流体成分具有超过0.57秒-1的剪切速度；d)将所述低粘度和高粘度流体成分推进到与所述第二导管连接的、装有第二套静态搅拌部件的第三导管中，第二套搅拌部件的直径大于第一套搅拌部件的直径，并且长度与直径的比例至少为18，以便所述高粘度和低粘度流体成分具有超过0.20秒-1的剪切速度，从而形成均匀一致的混合物或溶液。
附图的说明

图1是现有技术中已知搅拌装置的侧剖视图；图2是适用于本发明方法中的搅拌装置的侧剖视图；和图3本发明注射装置的剖视图。
具体实施例方式
图1表示披露于欧洲专利472491B中的搅拌装置。
图2表示用于本发明混合方法中的搅拌装置10。该搅拌装置与欧洲专利472491B中所披露的装置类似。该装置具有三个串联连接的部分，即注射装置11，强力搅拌器12和混合搅拌器13，它们彼此之间是流体连通的。图3示出了注射装置11的截面示意图。该注射装置构成了导管1的第一部分，它具有至少一个可通过流体的孔2。导管1的第一部分的直径和宽度在大、高容量单位方面具有设计用于与支撑所需要的注入管和孔板的厚度，和用于所述加工条件的最终孔的大小兼容。每一个孔2具有基于孔的数量的直径，总的处理能力，低粘度流体的大致数量，以及可获得的压力降。每一个孔2都与喷头形成流体连通。在图3所示的优选实施方案中，注射装置11在其截面上具有一个圆片状平板9，该平板9具有三个通孔2。这三个注射喷头在第一导管1周围是等距离分布的。在图2中，为了清楚起见，只示出了一个注射喷头。
强力搅拌器2包括静态搅拌部件5的导管4的第二部分，它的长度与直径的比例至少为18，优选至少为25。所述强力搅拌器具有基于流速和压力降因素的直径，在这种考虑下获得了超过0.57秒-1的剪切速度。在本文中，剪切速度被定义为通过由流过流体的导管的直径划分的空导管的流体流动的速度。可以使用一个强力搅拌器导管，而与孔的数量无关。混合搅拌器13是包括静态搅拌部件8的导管7的第三部分，其直径大于强力搅拌器12内的第一套静态搅拌部件5的直径，其中，获得了超过0.20秒-1的剪切速度。混合搅拌器13的长度与直径的比例，优选大体上等于或大于强力搅拌器12的长度与直径的比例。用于所述强力搅拌器和混合搅拌器上的静态搅拌部件优选是SMX类型的，EP472491B专利的专利权人称之为“SMX”(可以从Sulzer ChemtechLtd.获得，Winterthur，瑞士)。该装置可以是垂直或水平取向的，优选垂直取向。当该装置是垂直取向的时候，流体流动方向可以是向上或向下的。
下面将说明采用上述搅拌装置10均匀混合两种在粘度方面具有很大差异的可混合流体成分的方法。“在粘度方面具有很大差异”表示这两种流体成分的粘度比至少为10000∶1。具有更高粘度比例的流体也可以通过本发明的方法均匀混合或溶解，如比例为至少1000000∶1或至少10000000∶1或甚至至少50000000∶1的流体。
通过注射装置11让两种流体成分彼此接触。以测定的速度将高粘度流体成分泵入并且通过注射装置11的第一导管1，在这里，它作为连续相流过孔2。所述高粘度流体优选是聚合物熔融物，其分子量大于特定聚合物的临界分子量，即所述聚合物链分子发生缠结的最低分子量。将所述聚合物熔融物保持在高于其熔点的温度和足以在混合过程中形成单一相的压力下。
然后计量低粘度流体成分，并且通过注射喷头3注入第一导管1的孔2，在这里它与高粘度流体成分接触。在25℃下，所述低粘度流体优选具有低于0.01Pa-秒的粘度。所述低粘度流体是以超过要混合的两种流体总重量大约30％，优选大约30％-90％，更优选大约40％-80％的量注入的。应当控制低粘度流体成分的温度，以便提供该混合物的理想的出口温度。当高粘度流体是聚合物熔融物时，该温度应当高于所述聚合物的熔点。出口压力应当略高于入口压力。在添加低粘度流体期间，高粘度流体成分保持为连续的相。当高粘度流体是聚合物熔融物，而低粘度流体是所述聚合物的溶剂时，本发明的方法能产生所述聚合物和溶剂的均匀溶液。
在本发明的一种实施方案中，所述高粘度流体成分是平均分子量为120000-125000的高密度聚乙烯(HDPE)聚合物。该聚合物在入口条件下的粘度和密度通常分别为大约7000Pa-s和760kg/m3。在本实施方案中，所述低粘度流体成分优选是粘度大约为0.00015Pa-s，密度为530kg/m3的烃混合物。所述烃混合物是通过注射喷头3注入的，其注入量占聚合物和烃混合物总重量的大约40-80％，温度为170-200℃。这种流体可以用作快速纺丝工艺的纺丝剂，用于生产丛丝片材材料，如Tyvek(可以从E.I.du Pont de Nemours&Company，Inc.购买，Wilmington，Delaware)。
在被导入注射装置中之后，所述低粘度和高粘度流体成分向前推进到强力搅拌器12。第二导管4通过法兰6a与第一导管1连接。第二导管4包括静态搅拌部件，优选SMX类型的。在高剪切速度或强力混合阶段，低粘度流体在由静态搅拌部件产生的高剪切张力下扩散到高粘度流体中。在本发明的实施方案中，当高粘度流体成分是HDPE，而低粘度流体成分是烃混合物时，第二导管4的长度与直径的比例高于18，优选高于25，更优选27。所得到的通过第二导管和注射装置的压力降为3000-8000kPa，这取决于流速、温度、浓度和聚合物类型。这种高的压力降，是在两种流体的混合和分布中产生了高剪切张力的证据。这种剪切张力迫使两种相混合，产生界面表面区域。低粘度流体开始向聚合物中扩散，而所述聚合物区变得富含低粘度流体，并且具有较低粘度。由强力搅拌器混合这些高粘度和低粘度区。
此时，两种流体成分开始形成一种混合物，不过，仍然存在束流或局部浓度波动。该混合物随后推进到混合搅拌器13，在这里，较低的剪切张力使得扩散可以实现，并且进一步将具有越来越接近的粘度的两种流体混合成均匀一致的混合物，具有小的压力损失。通过法兰6b和6c将第三导管7连接在第二导管4上。第三导管7包括较大直径的静态搅拌器，优选SMX类型的，其长度与直径的比例类似于强力搅拌器的比例。根据流速、浓度、温度和聚合物的类型，通过第三导管的压力降为大约100-大约250kPa。这一较低的压力降，是在该方法的这一阶段的剪切速度低于在强力搅拌器12中的剪切速度的证据。
在形成均匀混合物或溶液时，可能需要改变混合物的浓度或温度，以便满足需要的最终条件。为了实现这一目的，可以限制被注入注射装置中的低粘度流体的量(通常为最终混合物重量的5-25％)。并且随后在发生在第三导管中的均匀混合物的形成中增加低粘度流体量。该流体添加是在串联连接在第三导管下游的第四导管(未示出)中进行的，第四导管包括SMX搅拌器，其长度与直径的比为16或更高。第四导管中流体的剪切速度为大约5.4秒-1。可以改变随后添加的流体的温度，以便将最终混合物控制在需要的温度上。
除了液体之外，低粘度流体成分还可以是气体，如氮气、二氧化碳、水蒸气，或超临界流体(即处于高于不能被液化的温度上的气体，而无论压力是多少)。
实施例例1下面将提供商业操作条件下的本发明混合方法的一种实施例。
将一种如上文所述的，并且如图2和3所示的，类似于欧洲专利472491B所披露的搅拌装置用于快速纺丝工艺，用于生产Tyvek丛丝片材(Tyvek是E.I.Pont de Nemours&Company，Inc.的注册商标)。所述搅拌装置是垂直取向的，使流体向上流动。所使用的注射装置直径为250毫米，并且具有三个直径分别为25毫米的孔。在所述注射装置的三个孔中的每一个的入口处有一个注射喷头，该喷头包括一个直径为1英寸的、规格为160的管，它在所述25毫米孔的中央的上游排放。
将连续流速为3000kg/小时，温度为220℃，压力为19720kPa(g)的熔融HDPE导入所述注射装置。另外，还将纺丝剂导入所述注射装置，是通过所述1英寸直径的管添加的。所述纺丝剂是以10580kg/小时的连续总流速，182℃的温度和超过19720kPa(g)的压力添加的。HDPE的熔融指数为0.7(ASTM D-1238)，分子量的平均值为120000-125000，密度为760kg/m3，入口粘度为7000Pa-s。所述纺丝剂是密度为530kg/m3，粘度为0.00015Pa-s的烃混合物。HDPE的粘度与纺丝剂的粘度的比例为大约50000000∶1。
将熔融聚合物泵入所述注射装置中，并且通过在三个孔上的压力降分布聚合物的流动。当聚合物流过所述孔时，通过每一个注射喷头，将剂量的纺丝剂注入所述聚合物中。每一个喷头注入几乎相等数量的纺丝剂。所述注射装置将低粘度纺丝剂分配到所述聚合物中，同时保持所述聚合物作为连续相。通过所述注射装置流动，会导致3140kPa的压力降。
然后让所述高粘度和低粘度流体向前到达强力搅拌器，该搅拌器由SMX类型的静态搅拌器组成，其直径为250毫米，长度与直径的比例为27。在该强力搅拌器中，高剪切速度导致了表面区域的产生和两种成分的混合。随着纺丝剂开始扩散到所述聚合物中，聚合物变得富含纺丝剂，并且具有较低的粘度。通过所述强力搅拌器混合高粘度和低粘度流体的区域。通过强力搅拌器的压力降大约为2450kPa。这种高的压力降，是高剪切速度和富含聚合物的相是连续相这一事实的证据。
所述部分混合的流体然后流入直径为350毫米，长度与直径的比例为24的混合搅拌器中。在该混合搅拌器中，SMX类型的搅拌部件使得纺丝剂最终能扩散到所述聚合物中，并且最终将具有类似粘度的流体混入聚合物和纺丝剂的均匀溶液中。在该部分的低剪切张力，是通过在混合搅拌器上的大约130kPa的低的压力降证实的。较低的压力降表明，该混合搅拌器中所述混合物的粘度业已降低。这是这两种流体成功地混合的证据。
离开混合搅拌器的均匀溶液包括重量百分浓度为22.1％的HDPE，其余为纺丝剂。该溶液为192℃，压力为14030kPa(g)。
为了获得浓度为18.5％，温度为185℃的理想的最终加工条件，以占最终溶液重量16.3％的比例将低粘度纺丝剂添加到所述均匀溶液中，并且让要最终混合的流体通过另一个包括SMX类型静态混合器的导管，其长度与直径的比例高于16。所添加的纺丝剂的温度是自动控制的，以便保持理想的最终加工温度。
例2下面的实施例类似于例1，使用与生产Tyvek的工艺中相同的垂直取向的搅拌装置，其显著差别在于，注射喷头之一被堵塞，以便仅使用两个注射喷头。
将连续流速为3020kg/小时，温度为217℃，压力为23400kPa(g)的熔融HDPE导入注射装置。还通过直径为1英寸的直径的管将纺丝剂导入注射装置。所述纺丝剂是以10600kg/小时的连续总流速，182℃的温度和超过23400kPa(g)的压力添加的。HDPE具有0.7的熔融指数(ASTM D-1238)，分子量的平均值为120000-125000，密度为760kg/m3，入口粘度为7000Pa-s。所述纺丝剂是密度为530kg/m3，粘度为0.00015Pa-s的烃混合物。HDPE的粘度与纺丝剂的粘度的比例为大约50000000∶1。
将熔融聚合物泵入所述注射装置中，而聚合物流是通过三个孔上的压力降分配的。当聚合物流过所述孔时，通过三个注射喷头中的两个将计量的纺丝剂注入所述聚合物。两个开放注射喷头中的每一个注入几乎相等数量的纺丝剂。所述注射装置将低粘度纺丝剂分配到所述聚合物中，同时仍然保持所述聚合物作为连续相。在流过所述注射装置时，会导致3210kPa的压力降。
然后，让所述高粘度和低粘度流体向前到达由SMX类型的静态搅拌器组成的强力搅拌器，其直径为250毫米，长度与直径的比例为27。在该强力搅拌器中，高剪切速度导致了表面区域的产生和两种成分的混合。纺丝剂开始扩散到所述聚合物中，同时聚合物变得富含纺丝剂，并且具有较低的粘度。通过所述强力搅拌器混合高粘度和低粘度流体的区域。通过强力搅拌器的压力降大约为2450kPa。这种高的压力降是高剪切速度和富含聚合物的相是连续相这一事实的证据。
然后所述部分混合的流体流入直径为350毫米，长度与直径的比例为24的混合搅拌器中。在该混合搅拌器中，SMX类型的搅拌部件使得纺丝剂最终能扩散到所述聚合物中，并且最终将具有类似粘度的流体混入聚合物和纺丝剂的均匀溶液中。在该部分的低剪切张力是通过在混合搅拌器上的大约130kPa的低的压力降证实的。这表明所述两种流体被成功地混合。
离开混合搅拌器的均匀溶液包括重量百分浓度为22.1％的HDPE，其余为纺丝剂。该溶液的温度为192℃，压力为14030kPa(g)。
为了获得浓度为18.5％，温度为185℃的理想的最终加工条件，以占最终溶液重量16.3％的比例将低粘度纺丝剂添加到所述均匀溶液中，并且让要最终混合的流体通过装有SMX类型静态混合器的另一个导管，该混合器的长度与直径的比例高于16。自动控制额外添加纺丝剂的温度，以便保持需要的最终加工温度。
例3下面提供了本发明混合方法的另一种实施例。在本实施例中，搅拌装置是水平取向的，该装置同样被用于生产Tyvek的方法中。
用于本实施例的注射装置的直径为113毫米，孔的直径为10毫米。在所述孔的入口处有一个注射喷头。所述注射喷头是一个内部直径为9.5毫米的管，它安装在所述10毫米孔的中央的排放上游。
将连续流速为230kg/小时，温度为220℃，压力为20700kPa(g)的熔融HDPE导入直径为113毫米的注射装置。另外，通过一个管将总流速为966kg/小时，温度为180℃，压力超过20700kPa(g)的纺丝剂导入所述注射装置。HDPE的熔融指数为0.7(ASTM D-1238)，分子量的平均值为120000-125000，密度为760kg/m3，入口粘度为24600Pa-s。所述纺丝剂是密度为539kg/m3，粘度为0.00012Pa-s的烃混合物。HDPE的粘度与纺丝剂的粘度的比例为大约200000000∶1。
将熔融聚合物泵入所述注射装置。当聚合物流过所述孔时，通过注射喷头将计量的纺丝剂注入到所述聚合物中。注射装置讲低粘度纺丝剂分配到聚合物中，同时还保持该聚合物为连续相。
然后，聚合物和纺丝剂流入包括SMX类型的静态搅拌器组成的强力搅拌器中，该搅拌器的直径为102毫米，长度与直径的比例为27。在该强力搅拌器中，高剪切速度导致了表面区域的产生，和两种成分的部分混合。通过强力搅拌器和注射装置上的大约6900kPa的压力降是高剪切张力的证据。
然后，所述部分混合的流体流入所述混合搅拌器。所述混合搅拌器的直径为145毫米，并且长度与直径的比例为24。在该混合搅拌器中，SMX类型的搅拌部件使得纺丝剂最终能扩散到所述聚合物中，并且最终混入所述聚合物和纺丝剂的均匀溶液中。此时，聚合物溶液的均匀性是通过位于混合搅拌器出口处的观察玻璃肉眼观察到的。该部分的低剪切张力是通过混合搅拌器上的低的压力降证实的。
离开混合搅拌器的均匀溶液包括重量百分浓度为19.2％的HDPE，其余为纺丝剂。该溶液的温度为186℃，压力为13500kPa(g)。为了获得浓度为18.5％，和温度为185℃的理想的最终加工条件，将额外的低粘度纺丝剂添加到所述均匀溶液中，并且让要最终混合的流体通过另一个包括SMX类型静态混合器的导管，该混合器的长度与直径的比例高于16。所述额外纺丝剂的温度是自动控制的，以便保持需要的最终加工温度。
在上述每一种实施方案中，最终混合的溶液是均匀和一致的，这是由在混合搅拌器中静态搅拌部件上的压力降测量的，并且获得了下游产品的连续性。测定在混合搅拌器的静态搅拌部件上的压力降，并且发现在稳定的流速下该压力降是稳定的，这表明该溶液是均匀的并且是充分混合的。在每一种情况下，所生产的Tyvek丛丝片材完全等同于通过标准方法生产的产品，所述标准方法采用了具有旋转轴的机械搅拌装置，并且沿所述机械搅拌装置的长度分阶段注入低粘度流体。
权利要求
1.一种用于生产在粘度方面具有很大差异的两种流体成分的均匀混合物的方法，该方法包括a)将高粘度流体成分泵入第一导管中，并且将所述高粘度流体成分保持在足以形成单一相的温度和压力下；b)将一种低粘度流体成分注入流过第一导管的高粘度流体成分中，其中，这两种流体成分的粘度比至少为10000∶1，并且所述低粘度流体成分，是以占低粘度流体成分和高粘度流体成分总重量的大约30-90％的量提供的；c)将所述低粘度和高粘度流体成分推进到与所述第一导管连接的、装有第一套静态搅拌部件的第二导管中，第一套静态搅拌部件的长度与直径的比例至少为18，以便所述高粘度和低粘度流体成分具有超过0.57秒-1的剪切速度；d)将所述低粘度和高粘度流体成分推进到与所述第二导管连接的、装有第二套静态搅拌部件的第三导管中，第二套搅拌部件的直径大于第一套搅拌部件的直径，并且长度与直径的比例至少为18，以便所述高粘度和低粘度流体成分具有超过0.20秒-1的剪切速度，从而形成均匀一致的混合物或溶液。
2.如权利要求1的方法，其中，两种流体成分的粘度比例至少为1000000∶1。
3.如权利要求1的方法，其中，两种流体成分的粘度比例至少为10000000∶1。
4.如权利要求1的方法，其中，两种流体成分的粘度比例至少为50000000∶1。
5.如权利要求1的方法，其中，所述高粘度流体是熔融HDPE聚合物，而所述低粘度流体是烃混合物。
6.如权利要求1的方法，其中，所述低粘度流体成分在25℃下的粘度低于0.001Pa-s，而所述高粘度流体成分是分子量高于该聚合物的临界分子量的熔融聚合物。
7.如权利要求1的方法，其中，所述低粘度流体成分的含量占低粘度流体成分和高粘度流体成分总重量的40-80％。
8.如权利要求1的方法，还包括e)将额外数量的低粘度流体成分添加到第三导管下游的混合物或溶液中，以便控制该混合物或溶液的最终浓度和温度。
9.如权利要求1的方法，其中，所述第一和第二套静态搅拌部件是SMX类型的。
10.如权利要求1的方法，其中，所述第二导管的静态搅拌部件的长度与直径的比例至少为25，而所述第三导管的静态搅拌部件的长度与直径的比例至少为24。
全文摘要
提供了一种用于混合两种粘度具有很大差别的流体的方法，以便这两种粘度的比例至少为10000∶1。随着低粘度流体流过导管，该低粘度流体注入到高粘度流体中，以便低粘度流体至少占低粘度流体和高粘度流体总重量的30％。然后让这两种流体向前，进入包括第一套静态搅拌部件的第二导管中，以便提供超过0.57秒
文档编号B01F5/06GK1723078SQ02811067
公开日2006年1月18日 申请日期2002年5月31日 优先权日2001年6月1日
发明者A·W·埃切尔斯三世, C·L·亨德尔森, F·A·斯特雷夫, A·瓦尔德 申请人:纳幕尔杜邦公司