改进的流动反应器的制造方法
【专利说明】改进的流动反应器
[0001]本发明涉及一种用于混合在管中的流体的方法和装置，特别用于需要良好塞式流动或良好混合(尤其是当两者都需要时)的用途。该方法和装置可以用于传送需要恒定混合的非均匀流体混合物(例如泥浆)，但优选是用于良好混合和良好塞式流动都需要的用途。本发明的方法和装置有利于较宽范围的处理，包括物理、生物和/或化学变化。混和、物理反应(例如结晶)、气相、泥浆相、混合相反应和在液体相中的反应。应用的范围包括但不局限于:用于食品的制造处理、制药、生物处理、精细化学药剂、化学、石化和精炼处理的整个范围、聚合和矿物处理。
[0002]流动反应器主要是稳定状态系统，其中，处理材料在它连续经过反应器时进行物理、化学或生物变化。对于给定处理循环，在任何时候都只有一部分处理材料保持在反应器中(与分批反应器不同，在该分批反应器中，在一些时间点存在用于处理循环的全部处理材料)。流动反应器优于分批反应器的优点是减小了物理尺寸，这有助于更好地混合处理流体以及改进在处理流体和反应器本体之间的传热(通过减小尺寸)。对于工业处理，流动反应器优于分批反应器的商业优点取决于用途，但是在不同程度上包括降低投资成本、更高产量、提高的产品纯度、减少溶剂的使用、提高安全性和较低能量需求，因此降低成本。这些优点在文献中很好地证明。
[0003]在用于使得处理材料运动的传送器和流动反应器之间的区别在于，在传送器中，材料从一点传递至另一点，而在流动反应器中，处理材料的特性在它传送通过反应器时进行物理、生物或化学变化。因此，处理材料的性质在沿反应器进行反应时变化。塞式流动意味着处理材料以与它进入时相同的时间顺序来运行通过和离开反应器。因此，塞式流动对于控制反应时间和优化未反应和反应后材料的分离很重要。不能获得良好的塞式流动可能严重地削弱反应器的性能，因为不这样时，反应时间不能进行控制，处理材料的回混可能导致不希望的反应和降低反应速率(由于在第η次序反应的情况中的稀释效应)。还需要良好的混合(更优选是良好的径向混合)，以便保证高效混和、处理材料在反应器内的均匀性以及良好的传热。
[0004]本发明提供了管形反应器，该管形反应器设有这样的装置，管可以通过该装置而绕管的纵向轴线旋转通过往复圆弧部。
[0005]在还一实施例中，本发明提供了一种反应，其中，处理材料连续通过在预定反应条件下操作的管形反应器，其中，该管形反应器在处理材料通过时绕管的纵向轴线旋转通过往复圆弧部。
[0006]下面的术语有以下意义。
[0007]流动反应器-这是槽道或一系列级，处理材料连续流过该槽道或一系列级，且当处理材料通过它时在该处理材料内发生物理、化学或生物变化。
[0008]处理材料是流过反应器的材料。这可以包括反应和不反应材料(例如稀释剂或催化剂)。处理材料的组分将在材料变化或反应时沿反应器变化，以便形成所需的反应产物。处理材料可以是液体、气体、蒸汽、临界流体或任意其它能够流动的材料。它还可以是这些材料的混合物，处理材料还可以包含固体颗粒。
[0009]管形流动反应器-一种流动反应器，其中，槽道沿流动方向的总长度比槽道的直径大3倍，更优选是大5倍，还更优选是大10倍。管形流动反应器可以由单个管或多个管来组成。
[0010]塞式流动-是公知术语，是通过反应器的有序流动形式，其中，产生最小回混，且基本全部流体元件有在反应器中的基本相同滞留时间。由于扩散和流体混合的影响，实际上不能实现理想(100%)塞式流动。在本文中，塞式流动的意思是滞留时间控制相当于每个反应器管(反应器可以使用多个管)至少5个串联罐，更优选是10个串联管或者更多。在很多情况下，所需的塞式流动质量将响应在第η次反应中产生的反应速度变化而变化。在这样应用中，考虑不同的塞式流动要求而能够使用沿槽道长度的不同直径管。这意味着当需要更高的塞式流动质量时使用小直径的管(这给出更高速度，因此更好的塞式流动)。
[0011]混合-全部流体通过分子扩散而混合一些程度。这里使用的混合是指较大(bulk)流体元件的不同运动，以便实现所需条件的混和均匀性、剪切、传热和塞式流动。混合条件可以是瑞流或层流。
[0012]轴向混合-这是沿处理材料的净流动方向的方向上在轴向平面中混合(通常沿管)。
[0013]径向混合-这是在径向平面中的混合(通常横过管)，该径向平面与处理材料的净流动方向成90度。优选的混合作用是具有高程度的径向混合以及低程度的轴向混合。
[0014]静态混合器-这是相对于反应器本体保持静止的混合元件。
[0015]动态混合器-这是相对于反应器本体运动的混合元件。
[0016]导流板-这是横过流动槽道的直径的板，该板有孔，以便允许流体沿管沿轴向方向通过。
[0017]处理材料可以有高固体浓度，但是在处理材料中的固体的优选浓度小于50%体积，更优选是小于25%体积。由于处理材料的反应而引起的变化包括但不局限于沉淀、结晶、化学反应、生物反应、低聚、聚合和提取。
[0018]混合的特征能够是多种方式，但是在本文中，混合意味着充分混合。对于均匀流体，混合是指混和时间小于10秒，更优选是小于5秒，还更优选是小于I秒。在一些用途中(例如非常缓慢的反应)，较长的混和时间也可接受。对于非均匀材料，充分混合将是相当于或优于具有倾斜涡轮叶片的I升搅拌容器，该倾斜涡轮叶片以10rpm旋转，更优选是以200rpm旋转，还更优选是以400rpm旋转。在一些用途中，混合可以并不与这些相当。
[0019]根据需要，反应器也可以有用于添加或除去热量的系统，例如温度控制夹套。当反应器设有搅拌器轴时，该轴可以包含冷却系统。静态和动态混合器也可以包含冷却系统。优选的温度控制系统包括温度传感器、控制器和控制元件(例如阀)，该控制元件用于改变传热流体的温度或流量，以便控制处理材料的温度。在电加热或冷却的情况下，控制元件将改变施加的电功率。温度传感器可以布置在传热流体流中，或者更优选是在处理材料流中。多个温度控制系统也可以用于沿管或单独、但在该相同系统内连接的管的多个加热或冷却阶段，以便解决在反应的不同阶段的不同温度控制需求。
[0020]流动反应器也可以有同轴的分析装置，例如光学分析器、pH传感器或量热计，以便监测和/或控制反应器的操作。分析装置可以是控制系统的部件，该控制系统包括分析传感器、控制器和控制元件，该控制元件控制一个或多个变量。用于单个分析器的优选位置是在处理材料从反应器排出的点处，尽管其它位置也可以使用。控制的变量可以是一个或多个供给材料的流量、系统压力、系统温度或者影响反应器性能的任意其它参数。更复杂的控制系统也能够使用控制一个或多个反应器部件的多个分析器，且可以布置在反应器内的不同位置中。
[0021]流动反应器可以设有一个或多个内部导流板。导流板的功能是降低回混(因此提高塞式流动)，但是也可以用于支承搅拌器轴，因此防止所述轴的过度弯曲。
[0022]对于流动反应器的四个关键要求，这里介绍的本发明提供了一种有效和经济的方案。
[0023]容积能力-需要足够的容积能力，以便保证对于给定生成量完成反应。通过并不依赖于流体经过反应器的速度而产生高效混合(如普通静止混合器流动反应器的情况)，本发明提供了每单位容积更低成本的容积能力(与长细管相比)，并提供了更低压力降(因为能够在并不牺牲混合性能的情况下使用短和较大直径的管)。
[0024]塞式流动-塞式流动的建立提供了用于控制反应时间以及优化反应的和未反应处理材料分离的方式。对于任何处理，当使用良好的塞式流动时，流动反应器将较小，因为反应的材料将以及时的方式排出，而并不保持。对于很多处理(例如第η次竞争或连续反应)，需要良好的塞式流动来用于最大化每单位容积的产量、选择性和纯度。本发明提供了用于产生径向与轴向混合的高比率的方法，该高比率是用于良好塞式流