混合器喷嘴、用于混合两种或更多种流体的方法和制备异氰酸酯的工艺.pdf

一种混合装置，包括朝向各自的排放端(110，132)渐缩且具有矩形横截面的同轴的第一和第二喷嘴(104，105)。该混合装置可用于混合流体，例如用于混合光气和胺以制备异氰酸酯。

1、  一种用于混合至少第一和第二流体的装置，所述装置包括：
(a)包括具有收敛的、渐缩的第一喷嘴尖端的第一流动管道的第一喷嘴，该第一喷嘴尖端具有第一排放口；
(b)包括具有收敛的、渐缩的第二喷嘴尖端的第二流动管道的第二喷嘴，该第二喷嘴尖端具有第二排放口，其中第二喷嘴围绕第一喷嘴同轴布置且第二排放口与第一排放口大体上同轴排列，第二流室被限定在第二喷嘴与第一喷嘴之间；和
(c)可选地同轴布置在第一喷嘴内部且不具有轴向突出超出并穿过该第一排放口的突起部的中央本体；
其中所述渐缩的第一喷嘴尖端和所述渐缩的第二喷嘴尖端具有大体呈矩形的横截面形状；
其中在所述装置的操作过程中，在第一流室中流动并通过第一排放口流出的第一流体形成第一流体射流，并且在第二流室中流动的第二流体在第二排放口处形成第二流体射流，该第二流体射流撞击第一流体射流，因而得以混合第一和第二流体。

2、  如权利要求1所述的装置，其中所述渐缩的第一喷嘴尖端或所述渐缩的第二喷嘴尖端或两个渐缩的第一和第二喷嘴尖端具有大体上呈矩形的横截面形状，且L/D比率为20到200，优选为60到150。

3、  如权利要求1所述的装置，其中所述第一喷嘴尖端相对于第二排放口在轴向维度上是可移动的。

4、  如权利要求1所述的装置，其中所述第一管道的外部尺寸小于所述第二排放口的内部尺寸。

5、  如权利要求1所述的装置，其中所述第一管道的外部尺寸大于或等于所述第二排放口的内部尺寸。

6、  如权利要求1所述的装置，包括同轴布置在第一喷嘴内部的中央本体，其中第一喷嘴尖端相对于中央本体在轴向维度上是可移动的，中央本体的外部尺寸大体上等于所述第一管道的内部尺寸，由此当所述第一喷嘴尖端向所述中央本体移动时，中央本体配合在所述第一喷嘴尖端内。

7、  如权利要求1所述的装置，其中所述收敛的、渐缩的第一排放端的一部分突出超过第二排放端。

8、  如权利要求1所述的装置，其中所述第一排放口轴向邻近第二排放口，使得第一喷嘴尖端大体上没有突出超过第二排放口，而且第二喷嘴尖端大体上没有突出超过第一排放口。

9、  如权利要求1所述的装置，包括同轴布置在第一喷嘴内部的中央本体，其中所述中央本体相对于第一排放口在轴向维度上是可移动的，而且第一喷嘴尖端相对于第二排放口在轴向维度上是可移动的。

10、  一种用于混合至少第一流体和第二流体的工艺，所述工艺包括以下步骤：
(a)在第一轴向排放位置处形成包含第一流体的第一矩形流体射流；
(b)在第二轴向排放位置处形成包含第二流体且围绕第一矩形流体射流并与其同轴的第二矩形流体射流，从而使得第二矩形流体射流撞击第一矩形流体射流，由此得以混合第一和第二流体。

11、  如权利要求10所述的工艺，其中所述第一流体包含胺，所述第二流体包含光气。

12、  一种用于制备异氰酸酯的工艺，包括如权利要求11所述的混合方法，接下来的步骤是使混合在一起的胺和光气发生反应。

13、  如权利要求12所述的用于制备异氰酸酯的工艺，所述异氰酸酯选自包括二苯甲烷二异氰酸酯及其聚合变体、甲苯二异氰酸酯、1，5-萘二异氰酸酯、1，4-二异氰酸根合苯、二甲苯二异氰酸酯、苯基异氰酸酯、异佛尔酮二异氰酸酯、1，6-二异氰酸根合己烷和4，4′-二异氰酸根合双环己基甲烷的物质组。

混合器喷嘴、用于混合两种或更多种流体的方法和制备异氰酸酯的工艺
技术领域
本发明涉及一种用于混合流体特别是胺和光气的新型装置，以及一种混合胺和光气以制备氨基甲酰氯和异氰酸酯的工艺。
背景技术
很多文献都公开了用于混合流体特别是反应流体的喷嘴。具体例如在光气化反应中，快速混合就是一个关键参数。因此，已经提出了很多有关此类喷嘴的设计，其中绝大多数设计都具有可以撞击或不撞击的同轴射流。
WO-A-2004004878公开了这样一种用于实施光气化反应的射流混合器喷嘴，其包括：
(a)包括具有收敛的、渐缩的第一喷嘴尖端的第一流动管道的第一喷嘴，该第一喷嘴尖端具有第一排放口；
(b)包括具有收敛的、渐缩的第二喷嘴尖端的第二流动管道的第二喷嘴，该第二喷嘴尖端具有第二排放口，其中第二喷嘴围绕第一喷嘴同轴布置且第二排放口与第一排放口大体上同轴排列，第二流室被限定在第二喷嘴与第一喷嘴之间；和
(c)同轴布置在第一喷嘴内部且具有突起部的中央本体，该突起部轴向突出超出并穿过第一排放口，第一流室被限定在第一喷嘴与中央本体之间；
其中在所述装置的操作过程中，在第一流室中流动并通过第一排放口流出的第一流体形成围绕所述突起部分散开的第一环形流体射流；并且在第二流室中流动的第二流体在第二排放口处形成第二环形流体射流，该第二环形流体射流撞击第一环形流体射流，因而得以混合第一和第二流体。
被公开的该混合装置(及相关工艺)具有多种可能的形状；一个特别要提到的形状是矩形。
该文献中的发明显示的是沿轴向突起超出并穿过第一排放口的中央本体的应用。所述中央本体使得该装置尽可能地具有细小的开口和室，以在设备的出口处提供相当好的混合。
然而，这样的混合装置存在许多缺点，特别是在突出部分尖端上形成可能的固体沉积物(如结垢)，而在没有关闭所述装置的情况下是无法对其进行清洁的。同时，该混合设备需要一个具有高精度的中央本体，即需制造的额外部件，由此使得制造成本缺少吸引力。
因此，需要一种允许在操作时进行清洁且仍然具有细小的室用于提供细小的撞击流的混合设备。
发明内容
因此，本发明的一个目的在于提供一种用于混合至少第一和第二流体的装置，所述装置包括：(a)包括具有收敛的、渐缩的第一喷嘴尖端的第一流动管道的第一喷嘴，该第一喷嘴尖端具有第一排放口；(b)包括具有收敛的、渐缩的第二喷嘴尖端的第二流动管道的第二喷嘴，该第二喷嘴尖端具有第二排放口，其中第二喷嘴围绕第一喷嘴同轴布置且第二排放口与第一排放口大体上同轴排列，第二流室被限定在第二喷嘴与第一喷嘴之间；和可选地同轴布置在第一喷嘴内部且不具有轴向突出超出并穿过该第一排放口的突起部的中央本体；
其中所述渐缩的第一喷嘴尖端和所述渐缩的第二喷嘴尖端具有大体呈矩形的横截面形状；
其中在所述装置的操作过程中，在第一流室中流动并通过第一排放口流出的第一流体形成第一流体射流，并且在第二流室中流动的第二流体在第二排放口处形成第二流体射流，该第二流体射流撞击第一流体射流，因而得以混合第一和第二流体。
本发明的另一个目的还在于提供一种用于混合至少第一和第二流体的工艺，所述工艺包括以下步骤：(a)在第一轴向排放位置处形成包含第一流体的第一矩形流体射流；(b)在第二轴向排放位置处形成包含第二流体且围绕第一矩形流体射流并与其同轴的第二矩形流体射流，从而使得第二矩形流体射流撞击第一矩形流体射流，由此得以混合第一和第二流体。
本发明的工艺特别适用于异氰酸酯的制备。
附图说明
图1为本发明的一个具体实施方式的横截面视图；
图2为图1中所示出的具体实施方式的放大视图；
图3为本发明的另一个具体实施方式的放大视图；
图4为本发明的另一个具体实施方式的横截面视图。
具体实施方式
其它的目的、特征及有益效果在参考下面的说明书后会更为明显。
本发明是基于在下文被称作缝式喷嘴的矩形喷嘴的应用。特殊的几何形状允许进行细小的流动，而同时也避免存在中央突出元件。
如图1所示，图中示出了一个用于混合两种流体的同轴撞击射流混合器喷嘴组件100。同轴撞击射流混合器喷嘴组件100包括同轴布置在外部流动管道101和外部流动管道喷嘴尖端105内部的内部流动管道102和内部流动管道喷嘴尖端104。流室120被定义为内部流动管道102和内部流动管道喷嘴尖端104内部的矩形空间。流室120具有两个端部，即供给端130和排放端110。流室120的排放端110由内部流动管道喷嘴尖端104的排放端形成，并且含有一个排放口，其宽度和长度将在下面进行限定。流室121以外部流动管道101和内部流动管道102之间的矩形空间为始，延续成为外部流动管道喷嘴尖端105和内部流动管道102之间的矩形空间，并进一步延续成为外部流动管道喷嘴尖端105和内部流动管道喷嘴尖端104之间的矩形空间。流室121具有两个端部，即供给端131和排放端132。流室121的排放端132由外部流动管道喷嘴尖端105的排放端形成。流室121的排放端132的宽度和长度将在下面进行限定。第一流体流经流室120，在排放端110处作为矩形射流103排放。射流103的尺寸大体与喷嘴尖端104的排放口的尺寸相同。第二流体流经流室121，在排放端132处作为矩形射流106(其尺寸大体与喷嘴尖端105的排放口的尺寸相同)排放。两股同轴射流103和106在排出喷嘴尖端104和105时碰撞混合，形成组合射流107。用于进行混合的主驱动力是射流103和106的动能。通过喷嘴104和105的相关设计选择流体的速度。喷嘴尖端104和105渐缩的角度可以变化，如从30°到60°，优选从40°到50°，特别为约45°。
因此，本发明的喷嘴组件提供了一种用于混合至少第一和第二流体的装置，该装置包括用于形成包括第一流体的第一矩形流体射流103的第一喷嘴组件装置，和用于形成围绕第一矩形流体射流103并与其同轴的第二矩形流体射流106的第二喷嘴组件装置，第二矩形流体射流包括第二流体，从而使得第二矩形流体射流106撞击第一矩形流体射流103，因而得以混合第一和第二流体。
如果需要的话，也可以提供更多用于其它流体的管道。
图2示出了图1中所示的喷嘴尖端的纵向横截面放大视图。这里，选择不同的间隙(如宽度和长度)以提供所需的速度。射流103的(表观)速度典型地为5-90英尺/秒，优选为10-40英尺/秒。射流106的(表观)速度典型地为5-70英尺/秒，优选为10-40英尺/秒。在图2中标识为z的位于喷嘴尖端104与喷嘴尖端105之间的间隙典型地为0.03″-0.2″，优选为0.05″-0.15″。在图2中标识为y的排放端110的间隙(即其宽度)典型地为0.05″-0.2″，优选为0.05″-0.1″。在图2中标识为x的排放端132的间隙(即宽度D)典型地为0.2″-0.4″，优选为0.2″-0.3″。排放端132典型地具有长度L，从而使得比率L/D为20-200，优选为60-150。排放端110的长度与排放端132的长度大体相等(减去大体上两倍的间隙z的值)。间隙x和y是这样的，使得y可以小于x，或者y大于或等于x。第一种实施方式是优选的。
在一个具体实施方式中，收敛的渐缩的第一排放端的一部分突出超出第二排放端。在另一个具体实施方式中，第一排放口轴向邻近第二排放口，使得第一喷嘴尖端大体上没有突出超过第二排放口，而且第二喷嘴尖端大体上没有突出超过第一排放口。
图3示出了本发明另一具体实施方式的放大视图，在该具体实施方式中，本发明还包括一个在正常操作条件下不突出的中央本体201。在正常操作中，中央本体大体上不会干扰流体的流动。通常，中央本体201相对于喷嘴105处于固定位置，而喷嘴104可沿轴向进行移动。中央本体201具有一个尖端202，其外径与间隙y大体相等，以致于当喷嘴104收回到上部位置(图3中以虚线表示)时，尖端202将突出穿过排放口110，由此刮除可能在排放口110处已形成的任何沉积物。相反地，喷嘴104可降低以紧紧地配合喷嘴105，因而可压碎可能在排放室121的排放口132附近已形成的任何沉积物。也可以预见一个可移动的中央本体201，如下图4中所示。中央本体201也可能具有分阶段的尖端，具有用于调节目的(如下所示)的第一外宽小于间隙y的第一部分，和邻近第一部分的第二部分，所述第二部分的第二外径大体上等于y以用于上述的清洁目的。
图4示出了本发明的一个具体实施方式的喷嘴组件的纵向横截面。使用相同的标记表示在前图中已进行标注的部件。撞击射流混合器喷嘴组件100包括：非突出的中央本体201，用于调节中央本体201轴向位置的机械装置，用于调节内部流动管道喷嘴尖端104轴向位置的机械装置，向内部和外部喷嘴尖端104和105提供流体的流动管道370和371，用于防止流体发生泄漏的机械密封件340和341。撞击射流混合器组件100包括星形轮组件304和305。每个星形轮组件包括带由辐射臂的毂。星形轮组件304和305的辐射臂的远端被附在内部流动管道102的内部上。外部轴330配合穿过星形轮组件304的毂。外部轴330和星形轮组件304的毂具有匹配的螺纹表面。外部轴330的螺纹部分延伸超过星形轮组件304的毂以允许星形轮组件304沿外部轴330有足够的移动行程。内部轴331配合穿过星形轮组件305的毂。内部轴331和星形轮组件305的毂具有匹配的螺纹表面。内部轴331的螺纹部分延伸超过星形轮组件305的毂以允许星形轮组件305沿外部轴331有足够的移动行程。在撞击射流混合器组件100中存在两个流室。流室370的上游侧以典型圆形入口喷嘴301定义的内部空间为始，圆形入口喷嘴提供更容易和更简化的连接以使流体供应管道系统标准化。流室370延续进入内部流动管道102和外部轴330之间的空间，接着延续进入膨胀节303和外部轴330之间的空间，进而延续进入包括星形轮组件304上的开口的内部流动管道102和外部轴330之间的空间，再延续进入包括星形轮组件305上的开口的内部流动管道102和内部轴331之间的空间，再延续进入内部流动管道102和中央本体201之间的空间，然后延续直到流动管道喷嘴尖端104以形成排放端110。流室371的上游侧以典型圆形入口喷嘴310定义的内部空间为始，流室371延续进入外部流动管道311和内部流动管道302之间的空间，接着延续进入外部流动管道101和内部流动管道102之间的空间，接着延续进入外部流动管道101和膨胀节303之间的空间，再延续进入外部流动管道101和内部流动管道102之间的空间，进而延续进入外部流动管道喷嘴尖端105和内部流动管道102之间的空间，然后延续进入外部流动管道喷嘴尖端105和内部流动通道喷嘴尖端104之间的空间以形成排放端132。
在另一个优选的具体实施方式中，中央本体201是不可移动的。在该具体实施方式中，上文和下文引用的用于移动中央本体201的元件将不再出现。
两种流体在射流混合器组件100中进行混合。第一流体流经流室370并作为内部矩形射流103排出，第二流体流经流室371并作为外部矩形射流106从喷嘴中排出。两股射流在从喷嘴尖端104和105排出时进行碰撞混合，混合流形成流体射流107。
撞击射流混合器组件100同样提供对内部流动管道喷嘴尖端104和可选的中央本体201的轴向位置的调节。喷嘴尖端104相对于喷嘴尖端105的轴向移动可通过旋转手轮321，该手轮在使外部轴330旋转，而实现。外部轴330的轴向位置通过止推轴承组件322进行固定。当外部轴330进行旋转时，其在星形轮组件304上产生了轴向作用力，并轴向移动内部流动管道102和内部流动管道喷嘴尖端104。内部流动管道102和内部流动管道喷嘴尖端104的轴向移动能力由膨胀节303提供，当内部流动管道102和内部流动管道喷嘴尖端104沿其轴向路径进行移动时，膨胀节303压缩或膨胀。其净结果是，转动手轮321能够在线调整内部流动管道喷嘴尖端104与外部流动管道喷嘴尖端105的相对轴向位置。当内部流动管道喷嘴尖端104相对于外部流动管道喷嘴尖端105的轴向位置被调节时，元件104和105之间用于流动的横截面面积(即间隙z)也得到调节，从而改变撞击外部矩形射流106的厚度。同样，当内部流动管道102和内部流动管道喷嘴尖端104沿其轴向路径向收回位置移动时，可实现上述的清洁操作。
在中央本体为可移动的具体实施方式中，中央本体201相对于内部流动管道喷嘴尖端104的轴向移动可通过连接到手轮320上的机械联动装置而得以实现。手轮320被附在可自由轴向移动的内部轴331上。当手轮320进行旋转时，内部轴331旋转。当内部轴331旋转时，星形轮组件305在内部轴331上产生轴向作用力。因此，手轮320的转动引起内部轴331轴向移动。中央本体201被附在内部轴331上。其净结果是，中央本体201的轴向位置可通过旋转手轮320进行调节。当中央本体201相对于内部流动管道喷嘴尖端104的轴向位置得到调节时，实现上述的清洁操作也是可能的。
撞击射流混合器组件100包括多套法兰以便于进行组装、维修和改造。附图标号350、351、352和353都指这样的法兰。法兰360被包括在内用于将混合器装配到反应容器上。附图标号340和341指机械密封组件，其提供围绕旋转轴330和331的密封以防止任何一种流体产生泄漏。
撞击射流混合器组件100还可包括位于内部流动管道喷嘴尖端104和外部流动管道喷嘴尖端105之间、以及位于中央本体201和内部流动管道喷嘴尖端104之间的密封表面。如果需要的话，这些表面也可以采用传统的表面处理方法如涂覆、抛光、添加脊或槽进行处理和/或磨光。
本发明提供了优于现有技术中的喷嘴组件的多个有益效果。一个有益效果是，待混合的内部射流流股的厚度减小，而没有借助于突出的中央本体，以及相关的成本与缺陷减少。喷嘴的特定几何形状不需要其它表面的碰撞，这避免了产生侵蚀和昂贵的校准。喷嘴组件制造和安装简单。脱机预测是有效的，因此设备的在线调校得以最小化。另一个有益效果是，喷嘴组件易于进行拆卸，允许快速小修。另外一个有益效果是，没有连续的移动或旋转部分，因而避免了系统的任何机械磨损。
带有可移动部分的具体实施方式的一个有益效果是，用于外部射流流股(也可能是内部射流流股)流动的纵向横截面面积的在线调节能力。在线调节能力表示在没有对正在进行的过程进行不正当干扰下进行调节的能力。在商业规模过程中，在线调节能力允许经常调节喷嘴，以在喷嘴排放点处获得最大的压降，从而使混合能量和混合性能最大化，同时允许所需要的流动经过。另一个有益效果是商业性加工中的改进的调节(turn-down)能力。固定的混合器喷嘴组件趋向于在限定范围内进行最佳的操作。本发明的一个具体实施方式的调节能力对某些过程允许更宽范围的运行速率。另一个有益效果是，在安装喷嘴组件的条件下，通过其完整行程冲击相对于中央本体201的内部喷嘴的能力。大规模混合器组件会被碎屑或固体沉积物堵塞。冲击靠近中央本体201的内部喷嘴可刮除存放在内部流动管道喷嘴尖端104内部管口的碎屑或沉积物。在排放端110进行清洁为目的的冲击相对于中央本体的内部喷嘴的能力通常优选的是，选择关闭过程以从设备上移除喷嘴组件并用一个清洁的、未堵塞的喷嘴组件来代替。另外一个有益效果是，在安装喷嘴组件下，通过其朝着喷嘴尖端105方向的完整行程，冲击内部流动通道喷嘴尖端104。正如已经指出的，大规模混合器组件会被碎屑或固体沉积物堵塞。冲击靠近喷嘴尖端105的内部流动管道喷嘴尖端104，能够压碎存放在内部流动管道喷嘴尖端104和外部流动管道喷嘴尖端105之间的某些类型的碎屑或沉积物。收回内部流动管道喷嘴尖端104开口可允许存放在内部流动管道喷嘴尖端104和外部流动管道喷嘴尖端105之间的碎屑或沉积物通过。冲击内部流动管道喷嘴尖端104以清除外部流体排放端132的排放端处的堵塞物的能力通常优选选择关闭过程以从设备上移除喷嘴组件并用一个清洁的、未堵塞的喷嘴组件来代替。
本发明特别适用于非常快速的化学反应，在所述反应中，快速混合是决定性的。因此，本发明可作为用于制备异氰酸酯的预光气化反应器。在这个具体实施方式中，流经内部通道的流体主要是胺，所述胺可选地溶解在溶剂中。在这个具体实施方式中，流经外部通道的流体是光气，所述光气可选地溶解在溶剂中。因此本发明适用于不同异氰酸酯的制备，如可选自芳香族、脂肪族、环脂族和芳脂族(araliphatic)聚异氰酸酯。
喷嘴组件使得副反应最小化，这在处理量、混合强度、产量和颜色方面是有益的。如在已公知的技术中，分别循环溶剂、光气和异氰酸酯的溶液或者相互结合返回到光气流中是可能的。在一个具体实施方式中，优选不循环该溶液。
具体制备的是芳香族聚异氰酸酯，如二苯甲烷二异氰酸酯(MDI)(如它的2，4′-，2，2′-和4，4′-异构体形式和其混合物)，和二苯甲烷二异氰酸酯(MDI)和本领域已公知为“天然”的低聚物或异氰酸酯官能度大于2的聚合的MDI(聚亚甲基聚亚苯基聚异氰酸酯)的混合物，甲苯二异氰酸酯(TDI)(如它的2，4-和2，6-异构体形式和其混合物)，1，5-萘二异氰酸酯和1，4-二异氰酸根合苯(PPDI)。能够获得的其它有机聚异氰酸酯包括脂族二异氰酸酯，如异佛尔酮二异氰酸酯(IPDI)，1，6-二异氰酸根合己烷和4，4′-二异氰酸根合双环己基甲烷(HMDI)。其它可生产的异氰酸酯还有二甲苯二异氰酸酯，苯基异氰酸酯。
如果需要，本发明的喷嘴组件的几何形状可适应于要制备的特定的异氰酸酯。本领域的技术人员可通过常规的实验确定间隙和长度以及操作条件的最佳值。
本发明的喷嘴组件可用于经典的连续搅拌釜式反应器(具有或没有挡板)。喷嘴组件可位于蒸汽域或被浸没。本发明的喷嘴组件可以最小的改造用在所有的已有设备中，因而节省了成本。本发明的喷嘴组件也可用在任何类型的反应器中；例如，喷嘴组件可装配在装备有叶轮和挡板的旋转反应器的底部，或者喷嘴组件可作为注射装置用在转子/定子型反应器上。
典型的过程条件，光气：胺的摩尔比通常过量，范围为从1.1∶1到10∶1，优选从1.5∶1到5∶1。通常使用溶剂用于胺和光气。典型的溶剂为氯代芳基化合物和烷基芳基化合物如单氯苯(MCB)，邻-二氯苯和对-二氯苯，三氯苯和相应的甲苯，二甲苯，甲基苯，萘，以及本领域已公知的其它溶剂如甲苯，二甲苯，硝基苯，酮和酯。胺混合强度为5-40wt％，光气浓度可为40-100wt％。胺流的温度通常为40℃-80℃，而光气流的温度通常为-20℃到0℃。该过程通常在压力(在混合区域)为大气压到100psig的条件下实施。
也可能使用一个或多个其它反应器(特别是CSTRs)以完成该反应。在制备异氰酸酯的过程中，也可以使用典型的单元用于循环溶剂和/或过量的光气，从而去除HCl等。
在此描述和示出的本发明的优选具体实施方式仅是示例性的，而不是对本
发明范围的限制。