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CN104902989B - 混合器和反应器以及并有所述混合器和反应器的方法 - Google Patents

混合器和反应器以及并有所述混合器和反应器的方法 Download PDF

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CN104902989B CN201380055503.2A CN201380055503A CN104902989B CN 104902989 B CN104902989 B CN 104902989B CN 201380055503 A CN201380055503 A CN 201380055503A CN 104902989 B CN104902989 B CN 104902989B
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Abstract

本发明涉及一种混合器、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。所述混合器包括到腔室(102)的入口(104)，其中所述腔室入口角度小于90°。所述混合器进一步包括以小于90°的扩张器角度向外扩张的扩张器区域(106)。所述混合器可以在其出口处耦合到反应器，所述出口由于所述扩张器(106)可以更接近地近似所述反应器的入口的大小。

Description

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
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
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)。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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
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。
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1A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1A中称为β)向外扩张。所述腔室具有内径(Dc)，所述内径是其入口的内径(Dci)的至少1.25倍、或至少2倍。在一些实施例中，腔室的内径(Dc)可以是其入口的内径(Dci)的2到10倍。
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(Aco，最内部)的比值理想地在1与3之间，即，Aa/Aco在1与3之间。腔室内径(Dc)可以逐渐变窄至腔室出口的内径(Dco)，或者腔室内径(Dc)可以90°的角度减小以提供腔室出口。在一些实施方式中，所述内部腔室出口的截面面积与通过所述内部腔室出口和所述外部腔室出口产生的环形空间的截面面积的比值在1和3之间。
腔室出口具有内径(Dco)，所述内径是腔室入口的内径(Dci)的至少2倍。所述出口具有小于腔室内径(Dc)的内径(Dco)，例如，腔室内径(Dc)与出口内径(Dco)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(Dc)与其出口的内径(Dco)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(Dc)与其出口的内径(Dco)的比值为从1.1到8或从1.2到4。在一些实施例中，腔室的内径(Dc)和其出口的内径(Dco)可以大致相同。
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(Dco，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。
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(Dr)；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(Dco)、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(Dr)。反应器的内径(Dr)与腔室出口内径(Dco)、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。
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。
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(Dr)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(Dco)、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(Dr)。反应器的内径(Dr)与最外部腔室出口内径Dco和/或混合区域内径(Dm)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)。
附图说明
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：
图1A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)；
图1B是图1A中示出的实施例的示意性表示的俯视图；
图1C是图1A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；
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)；
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；
图2C是图2A中示出的实施例的腔室入口的另一布置的俯视图；
图3A是包括两个入口/腔室、混合区域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)；
图3B是包括两个入口/腔室、流型产生区域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)；
图3C是包括两个入口/腔室、流型产生区域、混合区域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)；
图4A是包括三个入口和两个腔室、流型产生区域、混合区域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)，其中两个入口设置在一个腔室上；
图4B是包括三个入口/腔室、流型产生区域、混合区域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)，其中第三腔室设置在第二腔室内；以及
图4C是包括三个入口/腔室、流型产生区域、混合区域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)，其中第三腔室和相对应的入口设置在流型产生区域与混合区域之间。
图5A示出了针对根据一个实施例的混合器的计算流体力学模拟的结果，所述混合器具有两个入口/腔室、流型产生区域、混合区域和扩张器区域；以及
图5B示出了针对根据一个实施例的混合器的计算流体力学模拟的结果，所述混合器具有一个入口/腔室、流型产生区域、混合区域和扩张器区域。
具体实施方式
本说明书提供特定的定义和方法以更好地界定本发明且在本发明的实践中引导所属领域的技术人员。提供或不提供特定术语或短语的定义不意味着暗示任何特定重要性或缺乏所述重要性。相反地，且除非另外指出，否则术语应根据相关领域的技术人员的常规使用来理解。
如本文中所使用，术语“第一”、“第二”等并不指示任何次序、数量或重要性，而是用于区分一个元件与另一个元件。并且，术语“一”并不指示数量的限制，而是指示存在至少一个所提及的项，并且除非另外指出，否则术语“前部”、“后部”、“底部”和/或“顶部”仅出于描述便利性而加以使用，且并不意图将所描述的部分限制于任何一个位置或空间定向。
如果揭示范围，那么针对于相同成分或特性的所有范围的端点是包括在内的且可独立组合的(例如，范围“高达25wt.％，或更确切地说，5wt.％到20wt.％”包含端点和范围“5wt.％到25wt.％”的所有中间值等)。如本文中所使用，转化率百分比(％)意指指示在反应器中反应物的摩尔或质量流与进入流相比的变化，而选择性百分比(％)意指反应器中产物的摩尔流速与反应物摩尔流速的变化相比的变化。
本文中提供的混合器可以并有在组件、区域或其纵向轴线之间的一或多个角度，所述角度为所述混合器提供相对于未并有所述角度的混合器的改进的性能。在每个实例中，所述角度被界定为通过组件、区域或轴的相交产生或将通过所述相交产生的线性对的较小角度。例如，腔室-入口角度(在图_1A中指示为“α”)被界定为通过腔室的纵向轴线和其入口的纵向轴线的相交产生的线性对的较小角度。类似地，扩张器角度(在图1A中指示为“β”)被界定为通过扩张器区域的纵向轴线和某一条线相交产生的线性对的较小角度，所述某一条线从扩张器区域的内径延伸以与扩张器区域的纵向轴线相交。最后，横向腔室-入口角度(在图1B中指示为“γ”)被界定为通过入口的纵向轴线和投射在腔室截面平面上的与腔室相切的线相交产生的线性对的较小角度，所述线与腔室相交于其中入口管线的纵向轴线接触腔室的壁的点。
本发明提供了用于气相方法的混合器，例如用于氯化丙烯和/或更高烯烃的产生的方法。所述混合器并有一或多个设计特征，所述特征可以i)提供反应物的减少的反向混合，和/或ⅱ)使混合器内的堵塞最小化或消除堵塞。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。此外，由一个设计特征提供的优点可以通过将所述特征与其它特征组合来(可能甚至协同地)利用。
更确切地说，混合器包括以流体方式连接到腔室上的入口，其中腔室-入口角度(α)小于90°。理想地，腔室-入口角度α小于15°、或小于80°。在一些实施例中，腔室-入口角度(α)可以大于20°、或大于30°。在一些实施例中，腔室-入口角度(α)可以为从30°到80°。混合器还包括扩张器区域，其中所述扩张器区域的内径沿着其长度以小于90°、或小于45°、或小于20°、或小于15°、或小于10°的扩张器角度(β)向外扩张。理想地，扩张器角度β大于1°、或大于2°、或大于3°、或大于4°、或大于5°。在一些实施例中，扩张器角度β可以为从1°到90°、或从2°到45°、或从3°到20°、或从4°到15°、或从5°到10°。在其出口处，扩张器可以具有小于100英尺、或小于80英尺、或小于50英尺、或小于20英尺的内径(De)。在一些实施例中，扩张器区域出口内径(De)可以基本上等于反应器入口内径(Dr)。
已经发现这两个特征的组合能提供一种混合器，所述混合器不仅提供所希望的流型和高效混合，而且制造起来较便宜且在因产生氯化丙烯的方法而形成的具有挑战性的环境中耐用。更具体来说，已经发现，提供小于90°、或从30°到80°的腔室入口角度α使得混合器更加耐用，而防止从在反应物被提供到混合器时可能已存在于所述反应物中的污染物和副产物积垢。并且，提供并有小于90°的扩张器角度β的扩张器区域允许混合器包含大小接近商业化学方法中所使用的进料流的典型大小的入口，而又包含可以更接近地近似反应器(混合器可以耦合到反应器上)的入口大小的出口。由此，可以使以另外的方式在不同大小的混合器和进料流之间、或不同大小的混合器和反应器之间可见的压降和/或反向混合最小化或避免所述压降和/或反向混合。
在一些实施例中，腔室可以显示出基本上与入口相同的几何结构，且可以选定其几何结构以促进所希望的流型。可以通过混合器建立和促进任何流型(除反向混合流动之外)。在一些实施例中，混合器理想地用以产生涡流流型。涡流流型可以有利地用于许多化学方法中，但具体来说用于其中可能存在反向混合问题的方法中。这是因为涡流流型往往会在内表面处产生高剪切，从而可以帮助防止固体在其上的堆积。涡流流型还可以仅需要相比于反应器直径较小头部的混合腔室以便被建立。可以通过将进料流引入到大体上圆柱形的入口中且其后引入到大体上圆柱形的腔室中来引起涡流流型。
入口和腔室可以具有相同或不同的内径。在一些实施例中，通过提供内径(Dc)是入口的内径(Dci)的至少1.25倍或至少两倍的腔室可以看出优点。在一些实施例中，腔室的内径(Dc)理想地是腔室入口的内径(Dci)的不到20倍或不到10倍。在一些实施例中，腔室的内径(Dc)与入口的内径(Dci)的比值为从2到10。已经发现，提供具有此尺寸关系的腔室和入口使得腔室和入口对于在进料流被引入到其中时可能存在于所述进料流中的颗粒和/或副产物的存在的情况下耐用。
腔室还理想地包括出口，所述出口可以理想地具有与腔室和/或入口相同的几何结构。视具体情况，出口还可以具有与腔室和/或腔室入口相同的直径或截面面积，或可以具有不同的直径。在一些实施例中，腔室出口具有是腔室入口的内径(Dci)的至少2倍的内径(Dco)。出口具有小于腔室内径(Dc)的内径(Dco)，例如，腔室内径(Dc)与出口内径(Dco)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(Dc)与其出口的内径(Dco)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(Dc)与其出口的内径(Dco)的比值为从1.1到8或从1.2到4。
如果设置两个或两个以上入口/腔室，那么设置成接近于彼此的任何腔室出口理想地设置为同心环。以此方式，最内部腔室出口将充当一种反应物的出口。每个随后的腔室出口将在其与紧挨其内部的腔室出口之间提供环形空间，另外的反应物可以流动通过所述环形空间，等等。每个环形空间的截面面积(Aa)与最内部腔室出口的面积(Aco，最内部)的比值理想地在1与3之间，即，Aa/Aco在1与3之间。
在一些实施例中，设置一个以上、两个以上、或三个以上、或甚至4个以上入口/腔室。在一些实施例中，设置至少两个入口/腔室。在其它实施例中，可以将一个以上入口设置在一或多个腔室上。在此类实施例中，另外的入口和/或腔室可以具有相同的配置(即，形状、内部尺寸、腔室入口角度、相切腔室入口角度)或一或多种不同的配置。出于制造功效的目的，在其中使用多个入口/腔室的那些实施例中，所述入口/腔室可以具有相同的配置，但这对于了解本发明的优点不是必需的。
在一些实施例中，混合器可以设置有另外特征和/或尺寸关系，其进一步增强混合器与包括限量试剂的方法相结合而使用的适用性。更具体来说，在一些实施例中，混合器可以进一步包括有利的相切腔室-入口角度和/或流型产生区域和/或混合区域。
也就是说，现在已经发现，在腔室入口和投射在腔室截面平面上的与腔室相切的线(所述线与腔室相交于其中入口管线的纵向轴线接触腔室的壁的点)之间小于90°、或小于80°、或小于70°、或小于60°的角度γ提供了朝向通过入口提供的反应物的有利流动。理想地，相切腔室入口角度γ大于5°、或大于10°、或大于15°、或大于20°。在一些实施例中，相切腔室入口角度γ为从5°到90°、或从10°到80°、或从15°到70°、或从20°到60°。
流型产生区域(如果设置)将理想地具有进一步促进形成和/或维护通过至少一个入口提供的反应物的所希望流型的形状和/或尺寸。在其中产生涡流型式的那些实施例中，流型产生区域可以包括在管设计内的管子，其中管子的数目与经由流型产生区域上游的入口/腔室引入的反应物的数目相对应。
如果例如经由流型产生区域上游的入口/腔室提供仅一种反应物，那么流动产生区域可以简单地为具有与腔室出口的内径(Dco)大致相同的内径(Dfpd)且以流体方式连接到所述腔室出口上的管子。作为另一个实例，如果将三种反应物用于所述方法，且所有三种反应物都理想地在流型产生区域的上游引入，那么将绕相同纵向轴线提供三个不同内径的管子。最内部管子可以流体方式连接到第一腔室出口，在最内部管子与下一外部管子之间提供的环形空间可以流体方式连接到第二腔室出口，且由中间管子和最外部管子产生的环形空间可以流体方式连接到第三腔室出口。
在其中使用三种反应物的另一个实施例中，两种反应物可以经由两个入口/腔室引入，且第三种反应物可以根据所属领域的技术人员已知的任何方法引入且可以(例如)在流型产生区域之后引入。当所希望的反应物出于任何原因(例如，所述反应物在其它反应物被引入到混合器所在的温度下是高反应性的、不稳定的等)在混合器内具有较小的驻留时间时，此实施例可以是有利的。
在其中理想地包含流型产生区域的实施例中，所述流型产生区域可以具有任何合适的长度(Lfpd)和内径(Dfpd)。理想地，流型产生区域的长度和内径将促进和/或适应反应物的所希望的流速，同时还促进或增强所希望的流型。流型产生区域的最内部管子的内径(Dfpd)可以大于0.25英寸、或大于0.5英寸、或大于0.75英寸、或大于1英寸。流型产生区域的最外部管子的内径(Dfpd)可以小于60"或小于30"或小于24"或小于18"。在一些实施例中，流型产生区域的最内部管子的内径(Dfpd)为从0.5"到30"的从0.25"到60"、或从0.75到24英寸、或从1"到18"。
任何流型产生区域都可以具有一定长度(Lfpd)，使得其长度(Lfpd)与其最内部管子的内径(Dfpd)的比值大于0.5、或大于0.75、或大于1.0、或大于1.25、或大于1.5。Lfpd与Dfpd,innermost的比值可以为小于50、或小于40、或小于30、或小于20，且在一些实施例中可以小于10。在一些实施例中，Lfpd/Dfpd,innermost可以为从0.25到50、或从0.5到40、或从0.75到30、或从1.0到20、或从1.25到10。
在一些实施例中还可以提供混合区域，且所述混合区域可以用于在反应物进入扩张器区域之前混合一或多种反应物。混合区域可以在其上游端处以流体方式连接到腔室出口或流型产生区域，且在其下游端处理想地以流体方式连接到扩张器区域。混合区域可以用于将反应物引至与彼此接触，所述反应物先前被引入到单独的入口中，且在一些实施例中经过流型产生区域。混合区域理想地具有一定几何结构，所述几何结构将允许基本上维持流型，且在一些实施例中，所述几何结构可以是圆柱形。
混合区域可以有利地具有与最大的紧靠前方的内径相同或比所述内径更小的内径(Dm)，即，如果以流体方式连接到一或多个腔室出口，那么混合区域的直径理想地基本上与最外部腔室出口的直径相同或比所述直径更小。如果混合区域以流体方式连接到流型产生区域，那么混合区域将理想地具有与流型产生区域的最外部管子相同的几何结构，且视具体情况具有基本上与流型产生区域的最外部管子相同的内径或截面面积。
任何混合区域可以具有任何合适的长度(Lm)，所述长度可以基于反应物的流速和反应性来选择。任何混合区域都可以具有大于1英尺、或大于10英尺、或大于20英尺、或大于30英尺的长度Lm。混合区域的长度Lm可以小于60英尺、或小于50英尺、或小于40英尺。在一些实施例中，混合区域的长度可以为从1到60英尺、或从10英尺到50英尺、或从20英尺到40英尺。混合区域的长度Lm与Dm的比值可以(例如)是1、或2、或6、或10。理想地，混合区域的长度Lm与混合区域的直径Dm的比值将为从2到8。
所描述的特征和/或尺寸中的一或多者可以有利地用于混合器中，其中期望所述特征和/或尺寸的优点是累积的且可能是协同的。可以采用设计概念中的任何两者、任何三者、任何四者、任何五者或全部。例如，混合器可以具有小于90°的腔室-入口角度α、具有≤45°的扩张器角度β的扩张器区域、和/或i)腔室内径(Dc)，其是腔室入口的内径(Dci)的至少1.25倍，和/或ⅱ)腔室内径(Dc)，其至少与腔室出口的内径(Dco)相同或大于所述内径，和/或iii)小于90°的相切腔室-入口角度γ，和/或iv)流型产生区域，其具有至少0.5的长度(Lfpd)与内径(Dfpd)的比值，和/或混合区域，其具有至少1.0的长度(Lm)与内径(Dm)的比值。
表1和2示出了可以在本发明的混合器中优化的可能尺寸关系和每个尺寸关系的可能值/范围。更具体来说，表1考虑将任何数目的反应物添加到混合器，且表2涉及其中经由入口/腔室引入2种反应物的那些实施例(但其它反应物可以通过其它构件引入到混合器的其它区段中，例如，如经由注入引入到端口中等)
表1
混合器的一个示例性实施例在图1A至1C中示出。如图所示，混合器100包含腔室102、入口104以及扩张器106，其中腔室入口角度α为从10°到80°或60°，且扩张器角度β理想地>0°但<25°。图1B示出了图1A中示出的混合器的俯视图，其示出相切腔室-入口角度γ，所述角度理想地为从10°到80°。在图1A中示出的实施例中，腔室出口108通过在腔室内径中减小90°来提供。图1C示出了其中腔室内径逐渐变窄以提供腔室出口108的实施例。混合器100可以容纳经由入口104引入的一或多种试剂/反应物。另外的反应物/试剂可以在混合器100中提供的其它常规入口处引入，所述入口例如注入端口(未图示)。
混合器的另一实施例在图2A至2C中示出。混合器200包含两个腔室202和203以及入口204和205，其中所述两个腔室逐渐变窄以分别提供腔室出口208和209。图2B示出了混合器200的俯视图，其中入口204和205经布置以便在从混合器200的顶部观察时呈现为重叠的。图2C示出了对图2A和2B中示出的入口204和205的替代布置。混合器200可以容纳经由入口204引入的一或多种反应物、经由入口205引入的一或多种反应物、以及通过(例如)如可以在混合器200中提供的注入端口(未图示)引入的任何数目的另外的反应物。
混合器的另外的实施例在图3A至3C中示出。除图2A至2C中示出的特征之外，图3A中示出的混合器300的实施例还并有混合区域310。腔室302的出口308和腔室303的出口309同心地布置，都在混合区域310的入口处结束。混合区域310以流体方式连接到扩张器区域306。
如图3B中示出，混合器300包括包含流型产生区域312。如同图3A中示出的实施例一样，出口308和出口309同心地布置，其中出口308提供流型产生区域312的最内部管子。出口309结合出口308提供环形空间313。出口308、出口309、以及环形空间313各自在扩张器区域306处终止且以流体方式与所述扩张器区域相连接。在此情况下，在扩张器区域中发生混合。混合器300可以容纳经由入口304引入的一或多种反应物、经由入口305引入的一或多种反应物、以及通过(例如)如可以在混合器300中提供的注入端口(未图示)引入的任何数目的另外的反应物。
在图3C中示出的实施例中，混合器300包含流型产生区域和混合区域310两者。腔室302和303的出口如结合图3B所示以及所描述进行布置。并且因此，在图3C中示出的混合器300的操作中，一或多种反应物可以通过入口304注入且一或多种反应物可以通过入口305提供。如可以通过腔室入口角度α和相切腔室-入口角度γ促进的所希望的流型可以进一步在流型产生区域312内产生。反应物随后将在混合区域310内混合。
图4A到4C示出了混合器的另外的实施例，其包括三个入口。在图4A中示出的实施例中，混合器400包含三个入口和两个腔室，其中两个入口405和414被提供给腔室403。图4B示出了其中提供第三腔室415的另一实施例，所述第三腔室绕与腔室402和403相同的同心轴线布置，但位于腔室403内。图4C示出了包含第三腔室415的混合器400的实施例，其中腔室415绕与腔室402和403相同的同心轴线布置，且布置在流型产生区域412与混合区域410之间。在其它实施例中，第三腔室415可以从与腔室402和403相同的同心轴线下游且绕所述轴线提供，但从流型产生区域412的上游提供。如图4A到4C中所示的混合器400包含流型产生区域412和混合区域410两者，但这不是必需的，且图4A到4C中示出的混合器400的实施例中的任一者可以仅设置有腔室402、403和415以及扩张器区域406。
在一些实施例中，混合器的出口可以理想地相对于将理想地接收经混合反应物的反应器以可操作方式安置，即，混合器出口可以直接耦合到反应器入口，或可以耦合到能够以流体方式耦合混合器出口与反应器入口的任何其它导管上。任何此类导管经理想地配置以便为与来自反应器的流体流动基本上相同的形状，例如，为基本上管状或圆锥状。任何此类导管还将理想地绕与混合器的出口相同的纵向轴线放置。
无论混合器是直接附接到反应器上还是附接到其间的导管上，都可以通过使用特定的反应器特征和/或尺寸来辅助混合器的设计以实现或增强所提供的优点。将扩张器并入到本发明的混合器中允许使用有利的入口布置，所述入口布置具有更接近地近似进料流源管线的内径的内径，而本发明的混合器又具有更接近地近似反应器入口内径的出口。
下表2提供对于其中将两种反应物引入到两个入口/腔室的示例性方法，在混合器的尺寸和特征与混合器可以有利地与其一起使用的普通反应器大小之间的相关性。表2决不是穷尽性的，且所属领域的技术人员将能够推断对具有任何尺寸的任何类型反应器以及对任何类型方法给定的尺寸和范围。
表2
混合器可以附接到具有各种配置的反应器。为了提供所希望的驻留时间，用于产生或氯化丙烯的反应器通常可以是相当长的，且因此反应器和/或混合器的一或多个区段可以是非线性的，即，其一或多个区域可以包括45°或更大、或90°或更大、或甚至135°或更大的弯曲部。在一些实施例中，反应器和/或混合器可以包括多个弯曲部，且在此类实施例中甚至可以采用蛇形型式。将弯曲部并入到反应器和/或混合器中允许将所希望的长度用于每个区域，同时又使反应器和混合器所需的制造占用面积最小化。
本发明的混合器/反应器装置在与其所设计用于的包括限量试剂的化学方法结合使用时提供显著的优点，并且也提供此类方法。将本发明的混合器或混合器/反应器装置并入到此方法中可以减少或甚至消除在常规混合器中可能发生的反向混合，使得转化率的大体变化不可见。实际上，使用本发明的混合器和/或装置执行的方法可以提供副产物和/或分解产物的最小化产生，使得可见与所希望的转化率小于2％、或甚至小于1％的差异。设置有此处所描述的此类混合器的反应器可以基本上较长的运行时间操作且因此允许与另外的方式相比更大能力。也可以基本上维持选择性，或预期选择性降低不超过2％。此类反应通常还可以包含具有远不同于耗尽的所希望的转化率的至少一种限量反应物，例如，转化率小于80％、或小于40％、或甚至小于20％。
由本发明的混合器和装置提供的效率可以进一步通过将其中产生的氯化和/或氟化丙烯和更高烯烃提供给进一步的下游方法来加以利用。例如，使用所描述的反应器产生的1,1,2,3-四氯丙烯可以经加工以提供进一步的下游产物，包含氢氟烯烃，例如2,3,3,3-四氟丙-1-烯(HFO-1234yf)或1,3,3,3-四氟丙-1-烯(HFO-1234ze)。因此本文还提供用于产生氢氟烯烃：2,3,3,3-四氟丙-1-烯(HFO-1234yf)或1,3,3,3-四氟丙-1-烯(HFO-1234ze)的改进的方法。
转化氯化和/或氟化丙烯和更高烯烃以提供氢氟烯烃可以广泛地包括单一反应或两个或两个以上反应，包括将化学式C(X)mCCl(Y)n(C)(X)m的化合物氟化成至少一种化学式CF3CF＝CHZ的化合物，其中每个X、Y和Z独立地为H、F、Cl、I或Br，且每个m独立地为1、2或3且n为0或1。更加具体的实例可以包括一种多步方法，其中1,1,2,3四氯丙烯的原料在催化气相反应中被氟化以形成2-氯-3,3,3-三-氯丙烯等化合物。2-氯-2,3,3,3-四氟丙烷随后经由催化气相反应脱去氯化氢为2,3,3,3-四氟丙烯。
实例1。
图5A和5B示出了经设计以向提供到其上的反应物提供涡流流型的两个混合器。在所述两个实施例中，混合器500并有45°的角度α、7°的角度β、以及60°的角度γ。经由入口504提供的反应物氯甲烷的流速是215.4kg/小时，而在图5A中示出的混合器500的实施例中经由入口505提供的反应物混合物四氯化碳和全氯乙烯的流速分别是236.5kg/小时和10.2kg/小时。在图5B中示出的混合器500的实施例中，在图5A中经由入口505提供的反应物混合物在流型产生区域的上游经由图5B中的注入端口(未图示)提供。最外部腔室出口的内径(Dco)、流型产生区域的最外部管子的内径、以及混合区域的内径是1.5"。流动产生区域的长度(Lfpd)是8英寸且混合区域(Lm)是12英寸。
计算流体力学模拟的结果也在图5A和5B中示出。更确切地说，如图5A中示出，包括2个入口和腔室的混合器500的实施例导致仅形成小面积的反向混合，所述反向混合通过扩张器区域506内的阴影面积指示。尽管通过图5B中示出的混合器500的实施例产生的反向混合面积较大，但由于包含扩张器区域506，混合器500的实施例仍然是有利的。也就是说，预期图5B中示出的混合器500制造起来比不包括扩张器区域的混合器(即，其中混合器出口更接近地近似反应器入口的内径)便宜得多。

Claims (14)

1.一种用于化学方法的混合器，其包括；
第一腔室，其具有第一腔室入口以及第一腔室出口；
第二腔室，其具有第二腔室入口以及第二腔室出口；
流型产生区域，其包括在第二管子内的第一管子，其中所述第一管子以流体方式连接到所述第一腔室出口且所述第二管子以流体方式连接到所述第二腔室出口；以及
扩张器区域，其具有以小于90°的扩张器角度向外扩张的内径；
其中所述第一腔室入口和所述第二腔室入口二者的腔室入口角度为小于90°，所述第一腔室出口同心地布置在所述第二腔室出口内，所述流型产生区域在所述扩张器区域上游，并且所述流型产生区域的所述第一管子在所述扩张器区域处结束。
2.根据权利要求1所述的混合器，其中所述腔室入口角度是从30°到80°。
3.根据权利要求1所述的混合器，其中所述扩张器角度小于20°。
4.根据权利要求1所述的混合器，其中所述第一腔室和第二腔室二者的内径是其相对应的腔室入口的内径的至少1.25倍。
5.根据权利要求1所述的混合器，其中所述第一腔室和第二腔室二者的内径大于其相对应的腔室出口的内径。
6.根据权利要求1所述的混合器，其中通过所述第一腔室和第二腔室出口产生环形空间，并且所述第一腔室出口的截面面积与所述环形空间的截面面积的比值为在1与3之间。
7.根据权利要求1所述的混合器，其进一步包括在所述流型产生区域的下游以及在所述扩张器区域的上游的混合区域，其中所述流型产生区域的所述第一管子在所述混合区域处结束。
8.根据权利要求1所述的混合器，其中所述流型产生区域的长度与其最内部管子的内径的比值大于0.5。
9.根据权利要求7所述的混合器，其中所述混合区域的内径等于所述流型产生区域的所述第二管子的内径。
10.根据权利要求5所述的混合器，其中所述第一腔室和第二腔室二者的内径逐渐变窄以提供其相对应的腔室出口。
11.根据权利要求7所述的混合器，其中所述混合区域的长度与所述混合区域的内径相同或大于所述混合区域的内径。
12.一种装置，其包括
具有内径的反应器；以及
根据权利要求1-11任一项所述的混合器，所述混合器具有入口，所述入口具有小于所述反应器内径的内径。
13.根据权利要求12所述的装置，其中所述混合器的腔室出口的内径与所述反应器的内径的比值为从2到5。
14.一种用于在包括限量试剂的化学方法中混合至少两种反应物的方法，其包括：
将所述至少两种反应物提供到某一装置，所述装置包括具有内径的反应器和根据权利要求1-11任一项所述的混合器，其中所述混合器具有入口，所述入口具有小于所述反应器内径的内径。
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