本发明涉及用于在管中混合流体的方法和设备。该方法和设备可用于流体的简单混合，也可用于涉及反应器内的涉及一种或多种处理材料的反应的活动。相关流体包括但不限于均相流体、气体、超临界流体或多相混合物，诸如不混溶的液体、气体/液体混合物、具有固体颗粒的液体或这些的组合。混合的目的多种多样，包括但不限于不同材料或不同温度的材料的混合、提高热传递、提高质量传递、颗粒的悬浮和促进塞状流。虽然混合可以用于一个目的，但通常存在两种或更多种混合的原因。
背景技术：
在本发明中，本文的流体是这样的处理材料，该处理材料按照体积包含45％或更多的自由流动液体，更优选地包含65％或更多的自由流动液体。自由流动液体在此定义为液体，当通过管的一端被引入时，该液体在水平管中形成均一的水平面而不发生混合。流体的示例包括水、甲苯和空气。自由流动的液体可以携带非流体材料，诸如受上述限制的固体颗粒。
虽然本发明可用于高粘度流体，但它在该领域中的使用范围有限。优选的使用范围是用于粘度小于1,000厘泊，更优选的是用于粘度小于100厘泊的流体。
此处的塞状流被定义为有序流动，其相当于串联的3个搅拌罐的串，更优选地为5个或更多个串联的搅拌罐。在逆流操作的情况下，将存在沿相反方向行进的不同塞状流的流动。
本发明整体涉及混合，但优选地涉及在其中，材料连续地流过管的系统。此处，上述系统被称为连续混合系统或连续反应系统。此处的术语“反应”是指发生物理、化学或生物转化的操作。转化包括但不限于化学反应、细胞生长、使用酶或催化剂的反应、提取和结晶。本发明也可以适用于连续的非反应系统，诸如混合或材料转移。
与连续反应系统相关的常用术语是连续反应器或流动反应器。
在连续反应系统中，处理材料可以以并流模式或逆流模式流动。在逆流模式中，该处理将通常包含两种或更多种不同密度的不混溶流体。
将使用此类系统的领域包括但不限于食品、药品、生物处理、精细化学品、散装化学品、石化产品、聚合物和矿物处理的制造过程。
本发明的优选用途是作为连续反应系统，该系统包括具有内部机械混合器的管。进给材料在管的一端被进给并以连续或间歇的方式从另一端被排出。可以借助于重力、进料罐中的压缩气体或更常见地借助于泵将材料转移到管中。在一些情况下，还可以沿着管在中间点处添加进给材料。同样，可以沿着管在中间点处取出产品或废料。在逆流的情况下，分别在管的不同端部处添加和排出两个不同的相。
根据需要，管可以具有围绕管外部的加热/冷却护套。可以基于电加热或通过流动的传热流体使用具有不同设计的加热/冷却护套，并且这些方法是已知技术。反应器可以使用温度控制系统，该温度控制系统包括温度测量装置、用于改变所施加的加热或冷却量的控制装置(例如控制阀)和基于所测量的处理温度的偏差来调节控制装置的控制器。
连续反应系统是间歇反应系统的替代方案。连续反映系统优于间歇反应系统的优点在于它们可以不间断地处理多个反应器体积。这有助于减小设备尺寸并减少在处理循环的多个级期间间歇反应器所遇到的高瞬态加热和/或冷却载荷。由于尺寸较小，因此连续反应器在每单位体积处理材料的传热面积、缩短的混合时间和更好的混合剪切分布方面也提供了更好的性能。在混合和/或传热方面改进的性能可有助于进一步减小尺寸。较短的反应时间、更好的混合和更好的传热的综合效果不同程度地有助于提高产量和纯度，从而可以发生竞争性或连续性反应。
本文中的术语“管”是指容纳处理材料的混合管。专利WO2014068011(A2)描述了一种连续反应系统，其中，管的主体围绕管的长轴线以旋转弧线运动。管的长轴线与管的直径成直角。该管包含固定的内部混合器叶片，所述内部混合器叶片随着管的旋转而旋转。与每个固定的混合器叶片相邻的是运动的混合器叶片，所述运动的混合器叶片围绕管的中心点或在管的中心点附近枢转。运动的混合器叶片因叶片一侧上的配重而不平衡，并且能够独立于管旋转。配重使得运动的混合器叶片在重力的作用下抵抗管体的旋转。结果，固定的混合器叶片和运动的混合器叶片彼此独立地运动。这种布置产生机械搅拌，而同时又不需要在管中的驱动轴、轴密封件或磁力联接件。
本发明提供了该系统的改进，所述系统具有降低旋转管混合器系统的成本和复杂性的益处。
技术实现要素：
本发明提供了一种管式反应器，其可围绕其纵向轴线以往复弧形旋转，其中，在反应器内设有可移除的混合元件，其中设置有将混合元件保持在管式混合器或反应器内的装置，使得所述混合元件随着混合器或反应器的运动而运动。
在优选的实施例中，本发明还提供了在管式混合器或反应器内的可运动的混合器，该混合器可独立于混合器或管式反应器的往复运动而自由运动并独立于固定混合器运动。
在另一实施例中，本发明提供了一种组件，所述组件包括可往复运动的管式混合器或反应器，所述管式混合器或反应器包含可移除地固定到管式混合器或反应器的内壁的混合元件，由此，所述混合元件由管式反应器的往复运动运载，并且所述管式混合器或反应器还包含自由混合元件，所述自由混合元件可以独立于管式混合器或反应器的往复运动并且独立于固定混合器在反应器内运动。
在优选的实施例中，自由混合元件通过支架保持在管式反应器或混合器内，该支架还用于将固定混合元件可移除地用键固定在管式混合器或反应器的内壁上。
混合元件或混合器优选为叶片形状。
本发明参照附图进行说明。
附图说明
图1示出了管(1)，其可以容纳处理材料并且能够围绕管的长轴线以往复弧形旋转。用于在管的端部处输送和移除处理材料的进给和排放管线未被示出。冷却/加热护套未被示出。用于密封管的管端部板未被示出。管的每个侧部上的管侧部支撑件(2)使固定的混合器叶片相对于管保持静止。管侧部支撑件的另一个目的可以是承载安装在枢轴上的运动混合器叶片的重量。
图2示出了横向支撑件(3)，其可用于将固定的搅拌器叶片相对于管保持固定。横向支撑件中的槽(4)将横向支撑件定位在管侧部支撑件(2)上。横向支撑件可沿管自由滑动。用于运动搅拌器叶片的枢轴机构的一部分被示出为位于横向支撑件上的中心槽并且这允许运动搅拌器叶片独立于固定搅拌器叶片旋转。枢轴机构的该部分可以是圆形以适合如图所示的圆形枢轴元件，或者可以是平坦的或为具有一定轮廓的表面以支撑在所述表面上摇摆的窄边缘。
图3示出了固定混合器叶片(5)，其可以通过焊接、熔接、用胶水结合、螺钉、槽、夹子、框架或这些的组合来定位在横向支撑件上。横向支撑件和固定混合器叶片也可以通过机械处理或铸造或这些的组合形成为一体。在固定混合器叶片上示出了槽(6)，以允许处理材料穿过固定混合器叶片的表面以进行混合。根据需要，槽的数量、大小和形状会有所不同。在某些情况下，将使用孔而不是槽。在某些情况下，固定混合器叶片将是没有孔或槽的实心片材。
图4示出了运动混合器叶片(7)，其支撑在枢轴机构(8)上，该枢轴机构为圆形以便于旋转。或者，枢轴机构可以是在表面上摇摆的尖锐或圆形的边缘。配重(9)位于运动混合器叶片的一个边缘上。自由旋转运动和配重的组合允许运动混合器叶片具有相对于固定混合器叶片的不同旋转行程。
图5和图6示出了如何将部件组合成混合器组件(10)以及如何将组件插入至管中。混合器组件可以沿管侧部支撑件(2)自由滑动以进行安装。图中显示了单个混合器组件。在间歇系统中，可以使用单个或多个混合器组件。在连续反应系统中，3个或更多个混合器组件是优选的，5个或更多个混合器组件是更为优选的，8个或更多个混合器组件是甚至更为优选的。在连续系统中，多个混合器组件为优选的原因是与管直径相关的高的管长度提供了良好的塞状流。多个短混合器组件更易于操纵而且还在需要之处辅助多个挡板以最小化反混合。混合器组件可以作为单个组件安装或作为多个分离的部件来进行安装。
图7示出了图5的混合器，其设置有作为挡板(11)的附加部件。这在一些应用中用于减少或消除混合器组件之间的反混合。在所期望的管的长度与直径之比是不切实际的情况下，由于足够数量的挡板分隔的级，塞状流得以实现。挡板足够厚，以便通过具有侧部支撑件(2)的管的几何形状保持就位，但是挡板可以沿着管滑动以便安装。挡板的厚度将根据所用材料的强度而变化。
图8示出了当管以弧形旋转时，固定混合器叶片如何独立于静态混合器叶片运动。
具体实施方式
本说明书中的附图为说明性的，并且本发明的组件可以以不同方式制造和组装。有助于这种布置的关键元件是保持固定混合器的键连接元件，诸如管侧部支撑件(2)。这些提供了用于将固定混合器叶片在旋转期间相对于管保持静止的装置并且可以为一种或两种类型的混合器叶片提供支撑。横向支撑件(3)可以为独立的部件或为固定混合器叶片(6)的一部分或为挡板(11)的一部分或这些的组合。
保持混合元件的键连接元件可以是沿着管的内表面的突起，或者它们可以是管壁中的槽，混合器中的突起可以装配到所述槽中。尽管可以使用两个或更多个突起或槽，但是也可以使用单个突起或槽。突起或槽的优选数量是两个。
管式反应器或混合器在每个方向上以高达180°的往复弧形旋转，但优选的旋转弧形在每个方向上为90°或更小。优选的是，诸如突起或槽之类的键连接元件被定向成使得它们在管的行进弧形的中点处处于水平位置，如图6所示。优选的是，突起或槽在全直径上位于管的相对两侧上，即间隔180°。在突起或槽的间隔偏离180°的情况下，优选的是该数值与180°相距小于40°。
可以使用不同数量的混合器叶片，但优选的布置是，固定混合器叶片延伸通过管的至少大部分宽度和一个运动混合器叶片。混合器叶片的宽度指的是横跨管直径的尺寸。混合器叶片的长度是指沿管的长轴线的长度。混合器叶片的宽度优选地大于管直径的40％，并且更优选地大于管直径的60％，乃至更为优选地大于管直径的80％。运动混合器叶片的宽度小于管的内径以确保自由旋转。优选的是，运动混合器叶片和管壁之间的间隙在顶部处为2mm或更大，在底部处为5mm或更大。根据应用需要更大或更小的间隙。混合器叶片的长度取决于实际用于安装的最大长度和材料强度。可替代地，混合器叶片的长度可以由所要求的混合级的数量影响，其中，挡板被用于级分离。
优选的是，混合组件中的静态混合器叶片和运动混合器叶片大体上占据与如图5所示的管的相同的长度。出于实用的原因，运动混合器叶片的长度通常比固定混合器叶片的短，以便允许自由旋转。使混合器叶片占据管的长度的目的是在静态叶片和运动叶片之间产生体积空间。随着叶片之间的角度改变，处理材料穿过孔和槽或叶片中的侧部间隙以产生混合。
可以以不同的方式驱动管的往复运动，但优选的方法是皮带驱动。
优选的是，可移除的密封板设置在管的至少一端，更优选地设置在管的两端。当从管的一端或两端移除一块或两块板时，需要进入管的全内径以插入或移除混合组件。
可以使用不同的构造材料，并且两个关键要求是足够的机械强度和与处理材料的相容性，以抵抗腐蚀和/或侵蚀的影响。对于某些应用，管将用内衬有玻璃的钢制造而成。管也可以根据需要由各种其他材料制造而成。示例包括不锈钢、哈氏合金、碳钢、塑料衬里钢、钽衬里钢、异金属或合金、陶瓷材料、玻璃、塑料和增强塑料。
混合器组件的部件可以与上文所述的管用相同的材料制造而成。然而，鉴于混合器组件上的机械应力通常较低，可以使用更多的非金属材料，诸如使用优选地为纤维填充的PVDF、PTFE、聚丙烯、聚酰亚胺和这些材料的复合物。
管内应采用的操作温度和压力将根据所涉及的混合或反应应用而变化。作为一般性评论以及对于材料和厚度的正确选择，该混合系统将处理从完全真空到300巴或更高的较宽范围内的压力。同样地，它可以处理从低于100℃至高于300℃的温度。
管长度与直径的高比率对于使进给材料与产品分开而言是优选的。管长度优选地等于或大于直径的4倍，更优选地等于或大于直径的6倍，甚至更优选地等于或大于直径的8倍。较高的长径比带来益处，即，使得整个混合器或反应器中的流动更接近塞状流。
根据需要，管的旋转速度将从每10分钟少于1个循环变化到每秒多于1个循环。这里的循环指的是两个完整的、使得混合叶片返回其原始位置的旋转弧。对于质量传递受限的过程，优选的旋转速度大于每4秒1个循环，更优选地大于每2秒1个循环，甚至更优选地大于每秒1个循环。对于与均质流体的反应，最小旋转速度应大于每4秒1循环，甚至更优选地大于每2秒1循环。
优选的管直径将根据每单位长度所需的体积容量以及传热面积与体积容量的所需比率而变化。优选的直径小于500mm，该直径更优选地小于300mm。也可以使用直径大于500mm的管。
进给管和排放管需要适应管的旋转运动。对此的优选解决方案是使用柔性软管。也可以使用其他方法，例如使用具有足够长度和弯曲部的实心管以适应运动。也可以使用具有旋转密封件的居中安装的管。在使用传热流体的情况下，也需要与上述布置类似的布置。
在键连接元件是突起的情况下，突起的形状可以根据需要变化，并且可以具有各种轮廓，包括但不限于正方形、矩形、带唇沿的矩形、半圆形(如图1所示)或关于这些形状的变体。突起的横截面积将根据需要变化。这将基于考虑了所施加的力、管的直径和横向支撑件材料的强度的工程原理来确定。键连接元件可在沿管的一个或多个位置中，但更优选的是，它们沿管的长度是连续的，以使混合器组件的插入更简单。也可以使得管内的定位装置为切入至管中的沟。沟的形状可以被切割成各种轮廓并且包括但不限于正方形、矩形、带唇沿的矩形、半圆形或关于这些形状的变体。
在使用突起的情况下，它们可以用螺栓或螺钉固定到管上，也可以通过其他方式固定，诸如粘合剂或结合剂。然而，优选的是将突起焊接到管上。这可以通过在管上原位焊接或通过纵向切割管或将管切割成段并将突起焊接到管的内部然后重新结合管的部段来完成。
当移除管端部板时，混合器组件可以通过管端部被滑入和滑出。当移除混合组件时，管是空的并且易于清洁。混合器组件可以被滑入管中并且在没有螺钉或其他类型的固定元件的情况下被保持在所需位置。通过在管内被压到一起，混合器组件沿着管的运动被防止。这可以通过各种方法实现，诸如借助于管端部板、弹簧、垫片或其他这样的装置的受限运动。
用于运动混合叶片的枢转点可以在运动部件上、非运动部件上或两者上采用套管或耐磨垫。这些可用于降低旋转阻力并且还可用作低成本的替换部件。
优选的是管的旋转弧形接近管的中心轴线，并且更优选地在中心轴线处。承载运动混合器叶片的枢轴机构的优选位置靠近管旋转的中心轴线，更优选地位于中心轴线处。这有利于较大直径的运动混合器叶片和运动混合器叶片的有效旋转运动。
通过将长度直径比与本文所述的主动混合相结合，这是一种提供接近塞状流的条件的连续反应系统。通过使用5个或更多个用挡板分离并结合机械搅拌的混合器组件，这是一个使塞状流独立于管的长径比的连续反应系统。
通过上述装置的机械搅拌，入口和排出点之间的管的全部工作体积经受混合，并且在所需之处，未混合的区域可以被消除。这提供了良好的混合性能并允许处理固体颗粒和其他多相混合物。
本文所述的布置提供了具有高比率的扫掠体积的有效混合。它还消除了对在管内的旋转驱动轴、机械密封件和磁力联接件的需要。