專利名稱：一種孔射流式噴射反應(yīng)器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種大規(guī)模生產(chǎn)能力下實(shí)現(xiàn)流體間快速混合、快速反 應(yīng)的噴射反應(yīng)器。
背景技術(shù)：
在一些化工生產(chǎn)過程中，在反應(yīng)物料之間發(fā)生復(fù)雜的快速平行竟 爭(zhēng)反應(yīng)或者快速串連竟?fàn)幏磻?yīng)時(shí)，反應(yīng)產(chǎn)物或中間產(chǎn)物與原料某組分可能會(huì)進(jìn)一步發(fā)生反應(yīng)；這些反應(yīng)進(jìn)行的程度與各種物料的濃度分布 狀況有直接的關(guān)系。所以，物料之間的初始混合效果會(huì)極大地影響最 終的產(chǎn)物分布、目的產(chǎn)品的收率和質(zhì)量，并同時(shí)影響全生產(chǎn)過程的設(shè)計(jì)和能耗等指標(biāo)。例如采用光氣化方法生產(chǎn)異氰酸酯(MDI或者TDI) 時(shí)，該反應(yīng)過程主要包括冷光氣化階段和熱光氣化階段。在冷光氣化 階段，將液態(tài)的多胺和液態(tài)的光氣分別溶解在惰性溶劑中，例如氯苯、 二氯苯、甲笨、氯化萘、1，2,4-三氯苯等，并使它們?cè)?-90。C的低 溫下進(jìn)行反應(yīng)。在此階段，主要生成酰胺和多胺的鹽酸鹽，以及少量的脲類化合物。主要反應(yīng)如下RNH2 + C0C12 — RNHC0C1 + HC1 (1)RNH2 + HC1 — RNH2 HCl (2)RNH2 + RNHC0C1 — RNC0+ RNH2 HCl (3)RNH2 + RNC0 — RNHCONHR (4)在冷反應(yīng)階段，多胺首先與光氣發(fā)生反應(yīng)(1 ),生成胺基曱酰氯， 這是一個(gè)快速》文熱反應(yīng)，反應(yīng)在瞬間完成；同時(shí)，反應(yīng)U)產(chǎn)生的 HCl與多胺發(fā)生快速反應(yīng)(2)，生成多胺鹽酸鹽。胺基曱酰氯和多胺 鹽酸鹽都是不溶于反應(yīng)體系的固體物質(zhì)。當(dāng)光氣與多胺局部混合效果 較差時(shí)，溶液中局部過量的多胺將與胺基曱酰氯或者異氰酸酯發(fā)生反
應(yīng)(3)和(4),生成副產(chǎn)物脲，脲為不溶解于反應(yīng)體系的粘稠狀物 質(zhì)。該過程為復(fù)雜的多步串聯(lián)竟?fàn)幏磻?yīng)。主反應(yīng)為瞬間反應(yīng)，其反應(yīng)的時(shí)間尺度在毫秒級(jí)或者以下；生成的產(chǎn)物進(jìn)一步與原料發(fā)生快速反 應(yīng)，生成不溶解于體系的副產(chǎn)物。因此，兩種原料的初始混合效果將 直接影響主產(chǎn)物的收率和選擇性。成功地設(shè)計(jì)快速液體混合反應(yīng)器， 提高兩股原料物流的初始混合效果，對(duì)于增加主產(chǎn)物的收率和選擇 性，減小副產(chǎn)粘稠狀物質(zhì)的生成具有重要的意義。錯(cuò)流混合是實(shí)現(xiàn)流體間快速混合的一種重要方法，其中 一種方式 為一股流體通過若干個(gè)小孔錯(cuò)流射入另外一股流體中，由于流體通過 小孔后被分成了很多股細(xì)小流股噴射進(jìn)入主體流，在射入后每一股流 體迅速被主體流股包圍，從而實(shí)現(xiàn)兩股流體之間的快速混合。美國(guó)專利US 3， 226，410公開了一種用于生產(chǎn)異氰酸酯的工藝，工 藝中所涉及的用于原料多胺和光氣快速混合反應(yīng)的設(shè)備為一種孔射 流式的管式反應(yīng)器(如圖1),其中多胺流股通過管壁上的小孔錯(cuò)流射 入光氣流股中，借此實(shí)現(xiàn)物料之間的快速混合。該專利中未對(duì)孔射流 式的管式反應(yīng)器的尺寸進(jìn)行描述，只是對(duì)兩股流體的流動(dòng)狀態(tài)做了規(guī) 定，要求兩股流體的流動(dòng)雷諾數(shù)在2100以上。且由于專利中公布的 反應(yīng)器不能夠?qū)崿F(xiàn)物料間的快速瞬間混合，為了得到滿意的產(chǎn)率需將 反應(yīng)物的濃度大大降低，因此需要較大的能耗來回收溶劑。Bayer公司在其申請(qǐng)的用于生產(chǎn)異氰酸酯的專利(US 5,117,048 ) 中公布了另外一種形式的孔射流噴射反應(yīng)器(如圖2 )，將一股流體(多 胺)通過在縮徑處均勻分布的小孔呈錯(cuò)流式噴射進(jìn)入主流體(光氣)， 實(shí)現(xiàn)兩股流體的快速混合。該反應(yīng)器主要通過設(shè)計(jì)縮徑來增強(qiáng)兩股物 料的湍動(dòng)程度，從而強(qiáng)化物料之間的初始混合效果。采用該噴射反應(yīng) 器，用于稀釋反應(yīng)物的溶劑用量可以大大減少。通過以上的分析可以看出，將一股流體通過圓管上均勻分布的多 個(gè)小孔呈錯(cuò)流式噴射進(jìn)入另外一股流體，在一定程度上可以實(shí)現(xiàn)物料 之間的快速混合。但是，由于一股流體在另外一股流體中錯(cuò)流射流時(shí)， 由于流體之間的相互作用，射流流股進(jìn)入主流體中時(shí)只能達(dá)到一定的 射流深度，這樣當(dāng)主體流的管路直徑較小時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)兩股流體之間 的快速混合，但是當(dāng)生產(chǎn)能力較大時(shí)，主體流的管路直徑也相應(yīng)較大， 從射流孔噴射進(jìn)入的流股不能在較短的時(shí)間內(nèi)充分分散到主體流中， 勢(shì)必導(dǎo)致主體流圓管中心的主體流物料在較長(zhǎng)的 一 段距離內(nèi)未與錯(cuò) 流射入的另一股物料發(fā)生混合，混合時(shí)間相應(yīng)延長(zhǎng)，因此對(duì)于孔射流 式噴射器，當(dāng)要求達(dá)到的混合時(shí)間尺度一定時(shí)，反應(yīng)器的生產(chǎn)能力也 存在最大極限。因此，需要開發(fā)更為有效的快速混合設(shè)備，以實(shí)現(xiàn)大 規(guī)模生產(chǎn)能力下物料之間的快速混合、反應(yīng)。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的在于提供一種新型的孔射流式噴射反應(yīng)器，以實(shí)現(xiàn) 較大生產(chǎn)能力下兩股物料之間的瞬間快速混合，強(qiáng)化主反應(yīng)、抑制副 反應(yīng)，提高目的產(chǎn)物的收率和質(zhì)量。本發(fā)明所提供的反應(yīng)器是基于以下的設(shè)計(jì)構(gòu)思兩股流體，例如， 氣體-氣體或者液體-液體，通過多孔錯(cuò)流射流的方式實(shí)現(xiàn)快速混合、反應(yīng)。其中一股流體(流體A)通過一橫向截面為矩形或者類似 矩形的扁形管道流動(dòng)，在扁形管道的壁上均勻分布 一 系列的射流孔， 另外一股流體(流體B)通過管道壁上的射流孔后分成多股，以一定 的角度錯(cuò)流噴射注入扁形管道內(nèi)的流體A中。由于流體A的管道設(shè)計(jì) 成扁形管道，使得流體B能夠盡快地分散到流體A中，從而強(qiáng)化了混 合過程。本發(fā)明所提供的孔射流式噴射反應(yīng)器包括以下構(gòu)件進(jìn)料口 la 和lb、外套管2、內(nèi)套管4、射流孔5以及混合反應(yīng)區(qū)6;所述內(nèi)套 管4設(shè)置于外套管2的內(nèi)部，且所述外套管2的下部與內(nèi)套管4之間 形成環(huán)隙3;進(jìn)料口 la與內(nèi)套管連通形成主體流通道，進(jìn)料口 lb與 環(huán)隙3連通；在位于環(huán)隙3下部的內(nèi)套管4的管壁上開設(shè)有射流孔5; 在所述內(nèi)套管4中，位于射流孔以下的部分為混合反應(yīng)區(qū)6;所述內(nèi)套 管4的橫向截面基本為矩形或類似矩形。在本發(fā)明所提供的反應(yīng)器中，所述內(nèi)套管4的橫向截面是指垂直于 該反應(yīng)器的中心軸線方向的截面，它可以i殳計(jì)成矩形或其它的類似于矩 形的截面，例如，四個(gè)直角以圓弧過渡的矩形、橫向截面的中部為矩形而兩端為圓弧形或梯形等均可；此外，所述內(nèi)套管4的橫向截面還可以 設(shè)計(jì)成蝶形、梭形等其它有利于流體混合的形狀。在本發(fā)明所提供的反應(yīng)器中，所述內(nèi)套管4的橫向截面的兩條長(zhǎng)邊 之間的垂直距離L和兩條長(zhǎng)邊的長(zhǎng)度12應(yīng)依據(jù)在內(nèi)套管4內(nèi)流動(dòng)的流 體A的物性以及對(duì)其流速和流量的要求來確定，例如，L可以為5-50ram，優(yōu)選為8 - 30mm;而12>1!。 12的長(zhǎng)度需要依據(jù)流體B的物性以及 對(duì)其流量和流速的要求，使得經(jīng)過該橫向截面兩個(gè)較短邊壁上的射流孔 噴射進(jìn)入的流體B能夠在最短的時(shí)間內(nèi)到達(dá)扁形管道中心區(qū)域。在本發(fā)明所提供的反應(yīng)器中，對(duì)于所述內(nèi)套管4的壁面上所開設(shè)的 射流孔5的形狀沒有特殊的限制，例如，圓形、橢圓形、正方形、長(zhǎng)方形、菱形等均可。所述射流孔的具體尺寸和數(shù)量依據(jù)通過射流孔的流體 B的流速和流量的要求來確定。例如，當(dāng)射流孔5為圓形時(shí)，射流孔5 的直徑^可為0. 5 - 15mm，優(yōu)選為2-10mm;當(dāng)射流孔5為正方形時(shí)， 正方形的邊長(zhǎng)^可為0. 5 - 15mm，優(yōu)選為2 - 10mm;當(dāng)射流孔5為橢圓 形或者長(zhǎng)方形時(shí)，其長(zhǎng)軸或長(zhǎng)邊長(zhǎng)d,可為0. 5 - 15mm，優(yōu)選為2 - 10mm, 其長(zhǎng)邊與短邊或長(zhǎng)軸與短軸之間的比值可為1-10:1,優(yōu)選為1-4: 1。 在本發(fā)明中，為了便于說明，當(dāng)選用不同形狀的射流孔時(shí)，其相應(yīng)的結(jié) 構(gòu)參數(shù)山統(tǒng)稱為射流孔的當(dāng)量直徑。在本發(fā)明所提供的反應(yīng)器中，所述射流孔5的開孔方向與該反應(yīng)器 中心軸線的垂直方向之間的夾角(3為0-70°，優(yōu)選為0-45°。另外，所 述射流孔5最好均勾地分布在內(nèi)套管4的管壁上，且每個(gè)射流孔到混合 反應(yīng)區(qū)6的出口端的距離最好是相等的；兩個(gè)射流孔中心之間的距離 d2為d2/d產(chǎn)l.l-8，優(yōu)選為dU/d產(chǎn)l. 5 - 3;兩條長(zhǎng)邊上的射流孔可以 對(duì)稱設(shè)置，也可以錯(cuò)開設(shè)置。在一個(gè)反應(yīng)器內(nèi)套管上所述射流孔的個(gè)數(shù) 可為2 —IOO個(gè)，優(yōu)選4-60個(gè)。在本發(fā)明所提供的反應(yīng)器中，所述的射流孔5的中心到混合反應(yīng)區(qū) 6出口端的長(zhǎng)度hi的大小是根據(jù)反應(yīng)物料A和物料B在混合反應(yīng)區(qū)內(nèi)的 停留時(shí)間t確定的，具體確定方法為h產(chǎn)u"B x t式中UA+B為流體A和流體B混合后的平均速度大??；t為反應(yīng)物料A和物料B在混合反應(yīng)區(qū)內(nèi)的停留時(shí)間，混合后兩 股物料合為一股混合物料，此處停留時(shí)間根據(jù)混合流股計(jì)算，為近 似估算值(平均值)。 在本發(fā)明提供的反應(yīng)器中，其垂直于反應(yīng)器中心軸線的橫向截面的尺寸、射流孔5的尺寸以及射流孔的個(gè)數(shù)等結(jié)構(gòu)參數(shù)根據(jù)下式確定，具體為^^=1一20 QA/sA式中UA為與流體B混合前流體A在內(nèi)套管中的流速，m/s; uB為;充體B通過射流孑L的流速，m/s; QA、 Qu分別為流體A和流體B的體積流量，m3/h; Sx為內(nèi)套管4的內(nèi)橫截面積，m2; n為射流孔的個(gè)數(shù)； Sh為射流孔的截面積，m2。UB/iu之值優(yōu)選為2-16，進(jìn)一步優(yōu)選為3-10;當(dāng)欲混合的兩股流體A和B均為液體，且液體的粘度小于200mPa.S時(shí)，ih為l-30m/s,優(yōu)選為3-10m/s;當(dāng)欲混合的兩股流體A和B均為氣體時(shí)，UA為2-100m/s,優(yōu)選為5 - 30m/s。本發(fā)明所提供的反應(yīng)器對(duì)于所述進(jìn)料口的設(shè)置數(shù)量沒有特殊的要 求，可以設(shè)置2個(gè)分別與內(nèi)套管和環(huán)隙連通的進(jìn)料口，也可以根據(jù)實(shí) 際需要設(shè)置2個(gè)以上的進(jìn)料口 ，例如設(shè)置2個(gè)分別與環(huán)隙相連通的進(jìn) 料口，并經(jīng)由這兩個(gè)進(jìn)料口注入不同的原料。在本發(fā)明所提供的反應(yīng)器中，進(jìn)料口 la與內(nèi)套管之間最好設(shè)有一 進(jìn)料緩沖區(qū)，以便使反應(yīng)物流更加連續(xù)、均勻地進(jìn)入內(nèi)套管。本發(fā)明 對(duì)于該緩沖區(qū)的結(jié)構(gòu)尺寸無特殊要求，可以根據(jù)具體反應(yīng)物流或反應(yīng) 過程的要求進(jìn)行^沒計(jì)。同理，對(duì)于本發(fā)明所述反應(yīng)器的其它結(jié)構(gòu)尺寸，例如，所述內(nèi)、外套管之間的比例關(guān)系、反應(yīng)器高度、內(nèi)套管的長(zhǎng)度以及混合反應(yīng)區(qū) 的長(zhǎng)度之間的比例關(guān)系等均可根據(jù)具體反應(yīng)過程的要求，由本領(lǐng)域技 術(shù)人員通過常規(guī)的工藝計(jì)算得到。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明所提供的孔射流式噴射反應(yīng)器具有以下有益效果(1 )兩股物流通過本發(fā)明所述的多孔錯(cuò)流噴射的方式在截面為矩 形或者類似矩形的扁形管道內(nèi)進(jìn)行混合，物料初始混合的時(shí)間尺度在 毫秒級(jí)；(2)本發(fā)明所述反應(yīng)器的放大效應(yīng)較小，可實(shí)現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)能力 下兩股流體，例如，氣體與氣體或者液體與液體之間的快速瞬間混合， 克服了傳統(tǒng)的截面為圓形的管式孔射流噴射反應(yīng)器在放大過程中混 合距離和混合時(shí)間均相應(yīng)延長(zhǎng)的缺點(diǎn)；(3 )本發(fā)明所述反應(yīng)器使混合流股在混合反應(yīng)區(qū)內(nèi)運(yùn)動(dòng)的過程中 返混程度最小，盡可能接近于理想的"平推流"形式；(4)對(duì)于不同的反應(yīng)時(shí)間尺度要求，可以通過改變混合反應(yīng)區(qū)的 長(zhǎng)度來適應(yīng)不同的反應(yīng)時(shí)間尺度要求。


圖1是US3226410所披露的反應(yīng)器結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是US5117048所披露的反應(yīng)器結(jié)構(gòu)示意圖；圖3是本發(fā)明所述反應(yīng)器的一種實(shí)施方式的結(jié)構(gòu)示意圖；圖4是圖3所示的反應(yīng)器的a-a'剖面圖；圖5是本發(fā)明所提供反應(yīng)器的另一種實(shí)施方式的內(nèi)套管橫向截面 示意圖；圖6是本發(fā)明所提供反應(yīng)器的另一種實(shí)施方式的射流孔布置方式 示意圖；圖7是本發(fā)明所提供反應(yīng)器可以采用的不同形狀的射流孔； 圖8是本發(fā)明所提供的反應(yīng)器的射流孔中心線與垂直于反應(yīng)器軸 線方向之間的角度關(guān)系示意圖。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合附圖進(jìn)一步說明本發(fā)明所提供的噴射反應(yīng)器的具體實(shí) 施方式，但本發(fā)明并不因此而受到任何限制。圖3所示意的孔射流式噴射反應(yīng)器主要包括進(jìn)料口 la和lb、 外套管2、環(huán)隙3、內(nèi)套管4、射流孔5以及混合反應(yīng)區(qū)6;所述外套 管2的下部與內(nèi)套管4之間形成環(huán)隙3，進(jìn)料口 la與內(nèi)套管連通形成 主體流通道，進(jìn)料口 lb與環(huán)隙3連通；在位于環(huán)隙3下部的內(nèi)套管4 的壁上開設(shè)射流孔5，并使所述射流孔均勻地分布在內(nèi)套管4的一垂 直于反應(yīng)器軸向的橫向截面上；內(nèi)套管4為一扁形管狀，其橫向截面 優(yōu)選為矩形或者類似矩形的截面；在內(nèi)套管4的下部，即，射流孔下 游的部分，形成混合反應(yīng)區(qū)6。另外，所述射流孔的設(shè)置最好采用如 圖6所示的方式，使射流孔在內(nèi)套管4的一橫向截面上錯(cuò)開設(shè)置。所述 射流孔的射流方向可以垂直于內(nèi)套管的壁面，也可以使其與垂直于反應(yīng)器 軸向的方向呈一4)t角。圖3所示的反應(yīng)器可以按照如下方式工作兩股原料A和B分別 經(jīng)進(jìn)料口 la和lb注入該反應(yīng)器的內(nèi)套管4和環(huán)隙3,并沿內(nèi)套管和 環(huán)隙向下流動(dòng)。原料A在流經(jīng)扁管形的內(nèi)套管4的下部時(shí)形成主體流， 原料B在環(huán)隙內(nèi)分布均勻后由射流孔5錯(cuò)流噴射進(jìn)入主體流，兩股流 體在混合反應(yīng)區(qū)6內(nèi)進(jìn)行快速混合、反應(yīng)，混合的時(shí)間尺度一般為毫 秒級(jí)。在實(shí)現(xiàn)兩股流體初始混合后，混合物料繼續(xù)在混合反應(yīng)區(qū)內(nèi)向 前運(yùn)動(dòng)，在運(yùn)動(dòng)過程中混合流股的返混程度最小，盡可能接近于理想 的"平推流"形式。自混合反應(yīng)區(qū)末端收集反應(yīng)產(chǎn)物，經(jīng)分離后即可 得到最終目的產(chǎn)物。明，但本發(fā)明并不因此而受到任何限制。激光誘導(dǎo)熒光技術(shù)是評(píng)價(jià)流體混合效果的一種先進(jìn)的定量評(píng)價(jià)方 法，其主要原理是，利用一些熒光物質(zhì)(如羅丹明B、羅丹明6G、丙酮等)作為示蹤劑，使其在激光誘導(dǎo)激發(fā)下產(chǎn)生一定波長(zhǎng)的可見光波， 再用高速數(shù)碼相機(jī)連續(xù)拍攝流場(chǎng)的圖片。當(dāng)溶液中示蹤劑的濃度在一 定的值以下時(shí)，示蹤劑的濃度與對(duì)應(yīng)的圖片象素的灰度值成線性關(guān) 系，因此可以通過對(duì)所拍攝的流場(chǎng)的圖片進(jìn)行分析，得出流場(chǎng)內(nèi)熒光 物質(zhì)的濃度分布，進(jìn)而分析流體之間的混合情況。用該評(píng)價(jià)方法評(píng)價(jià) 了本發(fā)明所述的孔射流式噴射反應(yīng)器的混合效果。當(dāng)評(píng)價(jià)液體-液體混合效果時(shí)，采用的示蹤劑為羅丹明B，激光器產(chǎn)生的激光波長(zhǎng)為 532nm;當(dāng)評(píng)價(jià)氣體-氣體混合效果時(shí)，采用丙酮蒸氣作為示蹤劑， 激光器產(chǎn)生的激光波長(zhǎng)為266mn,實(shí)驗(yàn)所用的高速數(shù)碼相機(jī)的分辨率 為1280 x 1024象素。實(shí)施例1采用圖3所示的本發(fā)明所述的孔射流式噴射反應(yīng)器，其中內(nèi)套 管斗黃向截面的長(zhǎng)邊h為100mm，其寬度h為18mm，內(nèi)套管的橫向截面 如圖4所示，外套管的內(nèi)徑為160mm，射流孔為圓形射流孔，其直徑 為5mm,射流孔個(gè)數(shù)為22個(gè)，射流孔5的開孔方向垂直于反應(yīng)器的軸 向，射流孔中心至混合反應(yīng)區(qū)的出口端的高度h為100mm，射流孔采 用湘互正對(duì)的方式排布(如圖4所示)。示蹤劑羅丹明B從連接進(jìn)料 口 lb的液體輸送管(液體輸送管足夠長(zhǎng)，以保證在示蹤劑進(jìn)入進(jìn)料 口前充分、均勻地混合在水流中)上游連續(xù)注入，其濃度為100微克 /升，進(jìn)料口 lb處水的壓力為3.5 kg/cmM表壓)，進(jìn)料口 lb處含有 示蹤劑的水的流量為25 m7hr。進(jìn)料口 la以恒定的速度注入自來水， 進(jìn)料口 la處水的壓力為3.5 kg/cmH表壓)，水量大小為30 mVhr。 用激光誘導(dǎo)熒光技術(shù)評(píng)價(jià)帶有示蹤劑羅丹明B的水溶液與自來水之間 的混合效果，用混合反應(yīng)區(qū)內(nèi)不同截面處混合物的離析度(用IOS表 示，即當(dāng)多股流體達(dá)到完全混合時(shí)，IOS值為0;當(dāng)流體完全未混合 時(shí)，離析度值為1 )來評(píng)價(jià)混合進(jìn)行的程度。當(dāng)兩股流體達(dá)到95%的 混合效果(此時(shí)離析度IOS值為5 % ,圖像上混合區(qū)95 %的灰度值一 致)所需經(jīng)過的距離(從兩股液流開始接觸算起)為53mm，該混合過 程對(duì)應(yīng)的時(shí)間尺度約為7. 1毫秒。
如果采用同樣的噴射反應(yīng)器，進(jìn)料口 lb處含有示蹤劑的水流量為50mVhr，進(jìn)料口 la處水量大小為60mVhr,則兩股流體達(dá)到95 %的 混合效果所經(jīng)過的距離為62mm，混合時(shí)間約為4. 2毫秒。對(duì)比例1采用圖1所示的孔射流式噴射反應(yīng)器，其內(nèi)套管橫向截面為一圓 形截面，且該圓形截面的面積與實(shí)施例1所述的內(nèi)套管橫向截面的面 積相等，其它的反應(yīng)器結(jié)構(gòu)尺寸、開孔方式、實(shí)驗(yàn)物料的流量和進(jìn)料 方式等均與實(shí)施例l相同。同樣地，采用激光誘導(dǎo)熒光技術(shù)評(píng)價(jià)帶有 示蹤劑羅丹明B的水溶液與自來水之間的混合效果。當(dāng)含有示蹤劑的 水的流量為25 m7hr，不含示蹤劑的自來水的流量為30 mVhr時(shí)，兩 股流體達(dá)到95%的混合效果所需經(jīng)過的距離為285mm，該混合過程對(duì) 應(yīng)的時(shí)間尺度約為38. 1毫秒。實(shí)施例2采用圖3所示的本發(fā)明所述的孔射流式噴射反應(yīng)器，其中內(nèi)套 管橫向截面的長(zhǎng)邊h為120mm，其寬度h為20mm,內(nèi)套管的橫截面如 圖6所示，外套管的內(nèi)徑為200mm，射流孔為圓形射流孔，其直徑為 6mm，射流孔個(gè)數(shù)為22個(gè)，射流孔的中心軸線與垂直于反應(yīng)器軸向方 向之間的夾角P為5°,射流孔中心至混合反應(yīng)區(qū)的出口處的高度為 200mm，射流孔采用相互錯(cuò)開的方式排布(如圖6所示)。示蹤劑丙酮 蒸氣從連接進(jìn)料口 lb的氣體輸送管(氣體輸送管足夠長(zhǎng)，以保證在 示蹤劑進(jìn)入進(jìn)料口前充分、均勻地混合在空氣流中)上游連續(xù)注入， 進(jìn)料口 lb處空氣的壓力為1.2 kg/cm"表壓)，進(jìn)料口 lb處含有示 蹤劑的空氣的流量為80 m7hr (標(biāo)況)。進(jìn)料口 la以恒定的速度注入 空氣，進(jìn)料口 la處空氣的壓力為1.2 kg/cm2 (表壓)，空氣流量大小 為120 mVhr (標(biāo)況)。用激光誘導(dǎo)熒光技術(shù)評(píng)價(jià)帶有示蹤劑丙酮的空 氣與未帶示蹤劑的空氣之間的混合效果。當(dāng)兩股流體達(dá)到95%的混合
效果所需經(jīng)過的距離為42mm，該混合過程對(duì)應(yīng)的時(shí)間尺度約為2. 1毫 秒。對(duì)比例2采用圖1所示的孔射流式噴射反應(yīng)器，其內(nèi)套管橫向截面為一圓 形截面，且該圓形截面的面積與實(shí)施例2所述的內(nèi)套管橫向截面的面 積相等，其它的反應(yīng)器結(jié)構(gòu)尺寸、開孔方式、實(shí)驗(yàn)物料的流量和進(jìn)料 方式等均與實(shí)施例2相同。同樣地，采用激光誘導(dǎo)熒光技術(shù)評(píng)價(jià)帶有 示蹤劑丙酮的空氣與未帶示蹤劑的空氣之間的混合效果。當(dāng)含有示蹤 劑的空氣的流量為80mVhr (標(biāo)況)，不含示蹤劑的空氣的流量為120 raVhr時(shí)(標(biāo)況)，這兩股流體達(dá)到95%的混合效果所需經(jīng)過的距離為 248mm，該混合過禾呈對(duì)應(yīng)的時(shí)間尺度約為12. 4毫秒。實(shí)施例3在生產(chǎn)多亞曱基多苯基多異氰酸酯(聚合MDI)的過程中，反應(yīng) 原料多亞甲基多苯基多胺與光氣的初始混合、反應(yīng)效果對(duì)最終產(chǎn)品的 質(zhì)量以及收率有著重要的影響， 一般要求兩股物料在初始混合階段的 時(shí)間尺度在毫秒級(jí)，以抑制副反應(yīng)的發(fā)生，提高目標(biāo)產(chǎn)物的收率。采用本發(fā)明圖3所示的孔射流式噴射反應(yīng)器生產(chǎn)聚合MDI，其中 內(nèi)套管橫向截面的長(zhǎng)邊12為100mm，其寬度h為12mm,內(nèi)套管的橫向 截面如圖6所示，外套管的內(nèi)徑為200ram，射流孔為圓形射流孔，其 直徑為6mm，射流孔個(gè)數(shù)為24個(gè)，射流孔5的開孔方向垂直于內(nèi)套管 的軸向，射流孔中心至混合反應(yīng)區(qū)的出口處的高度為300mm，射流孔 采用相互錯(cuò)開的方式排布(如圖6所示)。將流量為12, OOOkg/hr的 多亞曱基多苯基多胺及流量為40， OOOkg/hr的氯苯組成的混合溶液從 進(jìn)料口 lb連續(xù)注入；流量為48， OOOkg/hr光氣-氯苯混合溶液(光 氣的質(zhì)量百分含量為50% )從進(jìn)料口 la連續(xù)注入，然后將噴射反應(yīng) 器出口處的反應(yīng)混合物在四個(gè)串聯(lián)的分別達(dá)到90°C， 105°C, 115。C和 120°C,且每個(gè)體積均為40m3的釜中進(jìn)行光氣化反應(yīng)直至溶液變清，
反應(yīng)產(chǎn)物經(jīng)填料塔蒸餾后，聚合MDI的產(chǎn)率為98. lwt%。實(shí)施例4采用本發(fā)明圖3所示的孔射流式噴射反應(yīng)器生產(chǎn)聚合MDI，其中 內(nèi)套管橫向截面的長(zhǎng)邊12為200mm，其寬度h為10mm,內(nèi)套管的橫向 截面如圖6所示，外套管的內(nèi)徑為280mm，射流孔為圓形射流孔，其 直徑為4mm,射流孔個(gè)數(shù)為52個(gè)，射流孔5的中心軸線與該反應(yīng)器的 軸線的垂直方向之間的夾角(3為10°，射流孔中心至混合反應(yīng)區(qū)的出口 處的高度為300mm,射流孔采用相互錯(cuò)開的方式排布(如圖6所示)。 將流量為16， 000kg/hr的多亞甲基多苯基多胺及流量為48， 000kg/hr 的氯苯組成的混合溶液從進(jìn)料口 lb連續(xù)注入，流量為60, 000kg/hr 的光氣-氯苯混合溶液(光氣的質(zhì)量百分含量為50%)從進(jìn)料口 la 連續(xù)注入，然后將噴射反應(yīng)器出口處的反應(yīng)混合物在四個(gè)串聯(lián)的分別 達(dá)到90。C, 105°C， 115。C和120。C,且每個(gè)體積均為50m3的釜中進(jìn)行 光氣化反應(yīng)直至溶液變清，反應(yīng)產(chǎn)物經(jīng)填料塔蒸餾后，聚合MDI的產(chǎn) 率為98. 3wt%。
權(quán)利要求
1. 一種孔射流式噴射反應(yīng)器，包括以下構(gòu)件進(jìn)料口(1a和1b)、外套管(2)、內(nèi)套管(4)、射流孔(5)以及混合反應(yīng)區(qū)(6)；所述內(nèi)套管(4)設(shè)置于外套管(2)的內(nèi)部，且所述外套管(2)的下部與內(nèi)套管(4)形成環(huán)隙(3)；進(jìn)料口(1a)與內(nèi)套管連通形成主體流通道，進(jìn)料口(1b)與環(huán)隙(3)連通；在位于環(huán)隙(3)下部的內(nèi)套管(4)的管壁上開設(shè)有射流孔(5)；在所述內(nèi)套管(4)中位于射流孔以下的部分為混合反應(yīng)區(qū)(6)；所述內(nèi)套管(4)的橫向截面基本為矩形或者類似矩形。
2. 按照權(quán)利要求1所述的反應(yīng)器，其特征在于，所述內(nèi)套管(4)的橫向截面為類似矩形的截面，且所述類似矩形的橫向截面選自矩形 的四個(gè)直角以圓弧過渡的類似矩形、橫向截面的中部為矩形而兩端為圓 弧形或梯形的類似矩形、蝶形或梭形中的任意一種。
3. 按照權(quán)利要求2所述的反應(yīng)器，其特征在于，所述內(nèi)套管(4) 的橫向截面為矩形的四個(gè)直角以圓弧過渡的類似矩形或橫向截面中部 為矩形而兩端為圓弧形的類似矩形。
4. 按照權(quán)利要求1或3所述的反應(yīng)器，其特征在于，所述內(nèi)套管(4) 的^黃向截面的兩條長(zhǎng)邊之間的垂直距離h為5-50mm，兩條長(zhǎng)邊的 長(zhǎng)度h的選擇滿足以下關(guān)系式^/^=1一20式中ua為流體A在矩形通道內(nèi)混合前的流速，m/s;uB為5充體B通過射^充孑L的;危速，m/ s;Qa、 QB分別為流體A和流體B的體積流量，mVh;SA為內(nèi)套管(4)的內(nèi)截面積,m2;n為射流孔的個(gè)數(shù)；Sh為每個(gè)射流孔的4黃截面積，m2; 當(dāng)兩股流體A和B均為液體且粘度小于200mPa.S時(shí)，iu為1 — 40m/s; 當(dāng)兩股流體A和B均為氣體時(shí)，ua為2-150m/s。
5. 按照權(quán)利要求4所述的反應(yīng)器，其特征在于，所述兩條長(zhǎng)邊之 間的垂直距離h為8-30mm;兩條長(zhǎng)邊的長(zhǎng)度12的選擇滿足使uB/uA =3-10;且當(dāng)兩股流體A和B均為液體時(shí)，UA為3-20m/s;當(dāng)兩股流 體A和B均為氣體時(shí)，UA為5-40m/s。
6. 按照權(quán)利要求1或5所述的反應(yīng)器，其特征在于，所述射流孔 (5)的形狀選自圓形、橢圓形、正方形、長(zhǎng)方形、菱形中的任意一種， 且所述射流孔(5)的開孔方向與反應(yīng)器軸向的垂直方向之間夾角(3為 0-70。。
7. 按照權(quán)利要求6所述的反應(yīng)器，其特征在于，所述夾角p為0-45°。
8. 按照權(quán)利要求7所述的反應(yīng)器，其特征在于，所述射流孔(5) 均勻地分布在內(nèi)套管(4)的管壁上，且每個(gè)射流孔到混合反應(yīng)區(qū)(6)出口 端的距離相等；相鄰的兩個(gè)射流孔之間的距離d2與射流孔的當(dāng)量直徑 c^之間的關(guān)系為d2/d產(chǎn)l. 1-8;兩條長(zhǎng)邊上的射流孔正對(duì)設(shè)置或錯(cuò)開 設(shè)置。
9. 按照權(quán)利要求8所述的反應(yīng)器，其特征在于，所述相鄰的兩個(gè) 射流孔之間的距離d2與射流孔的當(dāng)量直徑d]之間的關(guān)系為d2/d產(chǎn)1.5-3。
全文摘要
一種孔射流式噴射反應(yīng)器，包括以下構(gòu)件進(jìn)料口(1a和1b)、外套管(2)、內(nèi)套管(4)、射流孔(5)以及混合反應(yīng)區(qū)(6)；所述內(nèi)套管(4)設(shè)置于外套管(2)的內(nèi)部，且所述外套管(2)的下部與內(nèi)套管(4)形成環(huán)隙(3)；進(jìn)料口(1a)與內(nèi)套管連通形成主體流通道，進(jìn)料口(1b)與環(huán)隙(3)連通；在位于環(huán)隙(3)下部的內(nèi)套管(4)的管壁上開設(shè)有射流孔(5)；在所述內(nèi)套管(4)中位于射流孔以下部分為混合反應(yīng)區(qū)(6)；所述內(nèi)套管(4)的橫向截面為矩形或者類似矩形。該反應(yīng)器可實(shí)現(xiàn)流體間快速混合、快速反應(yīng)，提高目的產(chǎn)物的收率和質(zhì)量。
文檔編號(hào)B01J19/26GK101209405SQ20061016839
公開日2008年7月2日 申請(qǐng)日期2006年12月27日 優(yōu)先權(quán)日2006年12月27日
發(fā)明者丁建生, 于天杰, 候慶樂, 華衛(wèi)琦, 雨 姚, 孫德鎮(zhèn), 戈 張, 徐海全, 李洪波, 楊萬宏, 楠 趙, 馬德強(qiáng), 駱培成 申請(qǐng)人:寧波萬華聚氨酯有限公司