剪切混合裝置及其應用的製作方法

2023-11-07 18:34:22

專利名稱：剪切混合裝置及其應用的製作方法
技術領域：
本發明一般涉及一種用於各種操作的剪切混合裝置。本發明特別涉及一種剪切混合裝置，該裝置產生很小的氣泡，並且該裝置向液體介質提供氣體。本發明還特別涉及這樣一種裝置及其應用，該裝置用於在如化學或生物反應中增強反應氣體的質量轉移。氧氣即為此反應氣體中的一種。
在「很小的氣泡進行質量轉移-通氣的最佳氣泡尺寸」，化學工程科學，第33卷，1415-1423頁(1978)中M.Motarjemi和G.J.Jameson講授到，氣泡被頻繁地用於質量轉移的目的，特別是在氧氣溶於水的系統中。他們在1422頁建議，需要研究出一種實用的新方法來製造「大量的、很小的、直徑小於1mm的氣泡」G.J.Jameson在「氣泡運動」，TransIChemE，Vol.71，Part A第587-594(1993年1月)中，回顧了John Davidson在研究氣泡和氣-液兩相流體中的貢獻。在第592頁中，他討論了通過減小噴霧器平均孔徑來產生小氣泡所存在的問題。其中包括經噴霧器後壓力下降的顯著增加和像池塘汙水中固體物質可能堵塞噴孔的問題。在第593頁，他討論了氣泡的合併，並提到對氣泡施加一個力，將其快速從噴嘴上移走，以防止合併。可以施加這種力的方法包括在噴嘴上橫向流過一種液體或將振動施加到噴嘴上或噴嘴中的氣體上。
本發明的第一方案是提供了一種剪切混合裝置，該裝置能夠產生直徑小於1毫米的氣泡，同時，在將傳統的氣泡發生裝置上減小噴霧器平均孔徑的方面，不會發生Jameson所提到的那些問題，本發明的裝置包括至少一根輸送第一待混合流體的管道，該管道的第一端打開，接受待混合的第一流體，第二端關閉，在靠近其關閉的第二端處有一個或多個小孔，通過該小孔，由開口的第一端接收的流體被排出管道；一個混合器，它一般圍繞著一個或多個這種管道，並有一個封閉的第一端，該第一端限定了相應的一個或多個小孔，其中通過相應的一個或多個管道；該混合器還有一個第二端，該第二端與每個管道限定了一個阻力噴嘴，一個相對的空間，該空間由混合器封閉並限定在混合器封閉的第一端和第二端之間，各管道上的小孔基本上被置於與該給定管道相聯繫的阻力噴嘴處；一個提供第二流體的管道，該管道與由混合器封閉的空間通連，以便向其提供第二流體，該第二流體通過一個或多個在混合器第二端的阻力噴嘴，並以一種剪切的方式與由位於各阻力噴嘴處的小孔所提供的第一流體混合。
本發明的第二方案涉及一種剪切混合裝置，它包括提供待混合的第一流體的一個或多個管道，在各管道的一段長度上限定一個或多個小孔；一個混合器，它具有一個第一端和一個第二端，並在其第一端和第二端之間限定了一個一般為封閉的空間，流體供應管道與該空間通連，混合器的第一端和第二端各在其中限定了一個相應的開口，以便使帶孔管道從其中穿過，這樣，提供第一種待混合流體的管道上的孔與空間通連。
本發明的第三方案涉及第三個、與剪切混合裝置相關的實施例，它包括一個空心的氣體和液體接收部件，一個氣泡發生部件和一個任選的手柄，氣體和液體接收部件與氣泡發生部件連接並通連。
該第三實施例的氣體和液體接收部件最好包括一個中央管道，它具有開口的入口端，用來接收進入其中的液體，還有一個出口端與氣泡發生部件通連；一個氣體接收室，它一般圍繞著中央管道並與中央管道分開，從而限定了一個通道，使氣體流過到達氣泡發生部件，它至少包括一個接收氣體的通道，以便接收流過的氣體並經通道使通道與氣泡發生部件通連，氣體接收室的一端氣密地連接在中央管道上，其連接點離中央管道的輸入端較近，離輸出端較遠。
第三剪切-混合裝置中的氣泡發生部件最好包括一個基板，該基板在靠近中央管道輸出端處與中央管道氣密地連接；一個氣體和液體分配室，用來容納和分配分別來自氣體接收室和中央管道的氣體和液體，該分配室氣密地連接在基板上；一個蓋板，它與氣體和液體分配室氣密地連接，氣體和液體分配室有一個中心漏鬥狀的流體減壓室，它與基板、蓋板將氣泡發生部件分成上部的液體減壓腔和下部的氣體減壓腔；漏鬥狀的流體減壓室具有一個空心杆，該空心杆通常氣密地固定在中央管道的靠近出口端處和一個從所說空心杆朝外伸出的圓形延伸部分，該空心杆中限定了一組與氣體減壓腔通連的小孔和一組與液體減壓腔通連的流體通道，這些小孔與流體通道通連，以便混合通過的氣體和液體。流體通道最好由流體分流調節器相互分開，該流體分流調節器被設置在從空心杆朝外伸出的圓形延伸部分內。
本發明的第四方案涉及一種在液體中產生氣泡的方法，氣泡的平均直徑小於0.5毫米，特別的小於0.1毫米，該方法包括a.將氣體置於壓力之下，當氣體通過分隔氣體與液體的零件或元件上的至少一個孔而被導入液體中時，該壓力足以形成氣泡；b.使液體流過小孔，所選擇的流速產生的Weber數超過該氣體和液體的臨界Weber數，以達到理想的氣泡直徑。


圖1是一個根據本發明第一實施例及上述的第一方案的剪切混合裝置軸向示意剖視圖。
圖2是一個根據本發明的另一個剪切混合裝置的軸向示意剖視圖，其以上述的第二方案為特徵。
圖3是本發明的剪切混合裝置第三實施例的軸向示意剖視圖。
圖4是圖3所示裝置的頂視圖。
圖5是表I中的數據的曲線圖。表I是例2中氧氣轉移試驗結果的彙編。垂直軸代表KLa20，水平軸代表每分鐘以標準升(SLM)計的氣體流量。
圖6是一個曲線示意圖，圖示使用傳統的剪切混合技術，為達到給定的氣泡直徑而產生的壓力下降或能量消耗(以千帕計)。
參考附圖，圖1、2和3提供了代表本發明的三個相關裝置的示意圖。圖4是圖3所示裝置的另一個視圖。各裝置都沒按比例畫，並且其特徵如裝置的尺寸、位置和數量僅為示意，並不限於如圖所示。
圖1畫出了一個以參考數10表示的剪切混合裝置。裝置10包括一個空心混合器11，一個輸送第一待混合流體的管道15，一個提供第二流體的管道20，該管道20包含通道21和孔塞25。
混合器11有第一端12和遠離該第一端的第二端13。混合器11包圍了在其第一和第二端12和13之間的空間30。第二端13中有一個小孔14。混合器11適當的形狀(為了觀察，忽略第二流體供給管道20)是一個空心的正圓筒體，其一端開口(第二端13)，與開口端對置的一端(第一端12)封閉，保留一個小孔。當混合器是這樣的形狀而且僅有管道15時，小孔14和管道15最好與混合器的軸線共軸。當至少有兩個管道15時，小孔14的數量增加，與管道15的數量相配。
孔塞25被固定在混合器11中，並靠近其第二端13。當孔塞25被這樣固定時，理想的是在其中限定了至少一個小孔或噴嘴26。當只有一個管道15時，小孔26最好與混合器的軸線共軸。當至少有兩個管道15時，每個小孔26最好與相應的管道15共軸。
管道15有第一端16和遠離第一端16的第二端17。第一端16開口並最好與第一運動流體源(沒有顯示)相連。第二端17是封閉的或被蓋著的，以防止第一運動流體經此端流出。管道15穿過並固定在混合器11的第一端12的小孔14中。最好以這樣的方法將管道15固定在小孔14中，即在管道15通過小孔14的地方，提供充分防漏、最好是氣密的密封。管道15還穿過孔塞25的小孔26。這樣，管道15和孔塞25共同形成了相對於空間30的阻力噴嘴27，其形狀為靠近第二端17、沿管道15的長度限定的一個細窄的環形空間，管道15中還有一組小孔19。每個小孔19與阻力噴嘴27通連。當按本發明的第四方案進行操作時，小孔19的數量、尺寸、間隔和位置足以提供小氣泡。
在混合器11的第一端12和第二端13之間的中間點上，第二流體供給管道20有效地與混合器11連接。這樣，第二管道20有效地與混合器11連接。這樣，第二管道20的通道21與空間30通連。理想的是以同樣的方法讓一個或多個附加的流體供給管道有效地連接在混合器11上，以便將附加的流體(氣體或液體、最好是液體)提供給混合器11，使它們與來自一個管道15或多個管道15的一種氣體(可以是單種類的氣體或各氣體的混合物)或多種氣體混合。
現參考圖2，其中繪出了根據本發明的第二方案的剪切混合裝置，由參考數40表示。裝置40包括一個空心混合器41、一個帶孔管道50和一個包含通道61的流體供給管道60。
混合器41有第一端42和遠離第一端42的第二端43。混合器41包圍其第一端和第二端42和43之間的空間。在第一端42中有小孔44。第二端43中有小孔45。每個小孔44最好與對置的小孔45共軸。混合器41的適當的形狀(為觀察的目的，忽略流體供給管道60)是一個空心的正圓筒體，它的兩端均被封閉，只保留小孔44和45。當混合器是這樣的形狀時，每個管道50最好是直的，與一雙對置的小孔44和45共軸。
管道50有第一端51和遠離第一端51的第二端52。管道50穿過並固定在混合器41的小孔44和45中。最好以這樣的方式將管道50固定在小孔44和45中，即在管道穿過小孔44和45的地方提供防漏的、最好是氣密的密封。因為第一端42和第二端43是相互分隔的，從而混合器41包圍了管道50的一段長度。在這段所說的長度中，管道50有一組小孔54。每個小孔54與空間55通連。當按照本發明的第四方案進行操作時，小孔19的數量、尺寸、間隔和位置足以提供小氣泡。
在混合器11的第一端42和第二端43之間的中間點上，流體供給管道60有效地與混合器41連接。這樣管道60的通道61與空間55通連。理想的是以同樣的方法讓一個或多個附加流體供給管道有效地與混合器11連接，以便將附加流體供給混合器11。
經有效地連接第一管道15的第一端16，在壓力下的第一運動流體，最好為氣體，如空氣或氧氣，從一個流體源(沒有顯示)流入裝置10的管道15中(如圖1所示)。如果需要，該第一運動流體經管道15的小孔19進入阻力噴嘴27中。經有效地連接流體供給管道20，第二運動流體，最好為液體，如水或鹽水，從一個流體源(沒有顯示)流入通道21中。第二運動流體從通道21流入空間30中。當空間30中充滿了第二運動流體時，該流體流入並通過阻力噴嘴27。阻力噴嘴27的橫截面積小於空間30的橫截面積，所以第二運動流體通過噴嘴27的速度大於它通過通道21和空間30的速度。流過小孔19的第一運動流體的壓力足以完全防止第二運動流體由小孔19進入管道15。當第一流體是氣體，而第二流體是液體時，該壓力同樣足以產生氣泡。可以相信通過噴嘴27的第二運動流體的流動強到了足以克服氣體和液體之間的面際張力，從而迫使氣泡破裂成小氣泡。如果兩種運動流體都是氣體或液體，可以相信裝置10有利於混合該運動流體。如果第二運動流體是液體，第一運動流體是可溶於該液體的氣體，可以相信裝置10促進了可溶氣體往液體中的彌散。
圖2所示的裝置40，適宜地將第一種運動流體與第二種運動流體混合，其中第一種流體最好為液體並流過帶孔管道50，而第二種流體最好為氣體，並流過流體供給管道60的通道61。在涉及裝置10時所說明的氣體和液體同樣也可以用於裝置40。通過有效地連接管道50的第一通道51，可讓第一運動流體從流體源(沒有顯示)流入管道50。由於橫截面積沒有改變，當第一運動流體流過管道50時，流速沒有顯著的變化。通過有效連接流體供給管道60，可讓第二運動流體從流體源(沒有顯示)流入通道61。第二運動流體從通道61流入空間55，並從此經孔54進入管道50。第二運動流體的壓力足以產生氣泡並完全防止第一運動流體進入空間55。像裝置10那樣，液體運動流體的流速最好足以引起氣泡再細分，這些氣泡是在氣態的運動流體通過該裝置時與液態的運動流體接觸時產生的。另外，裝置40可用於與裝置10相同的目的。
圖3圖示了一個涉及本發明的剪切混合裝置的第三實施例，由參考數100表示。裝置100包括一個空心的氣體和液體接收部件110，一個氣泡發生部件140和一個任選的手柄190。手柄190有利於將裝置100安裝到容器上(沒有顯示)，這些容器如聚合反應器或生物反應器。
接收部件110包括一個中央管道111和氣體接收室120。中央管道111有一個開口端112和一個出口端113，該出口端113遠離第一端112，並與氣泡發生部件140通連。中央管道111中限定了一個適於輸送液體的軸向通道114。氣體接收室120最好由一個單獨的結構件構成，或如圖3所示，其包括一個環形的氣體接收室121和環形的氣體輸送室123。氣體接收室121中至少有一個氣體接收通道122。通道122中最好有內螺紋，以利於氣密地與氣源(沒有顯示)連接。氣體接收室121包圍空腔124，該空腔124與氣體接收通道122通連。環形的氣體輸送室123至少有一個直的部分與中央管道111結合，形成窄長的環形空間126，以便將氣體從氣體接收室121送到氣泡發生部件140。室123的第一端125插入空間124中，第二端127遠離第一端125。室123最好在靠近第二端127處有外螺紋。環形空間126同樣與空間124通連，這樣進入通道122的第一運動流體(最好是氣體)能流入空間124，並隨後通過環形空間126。接收部件110的零件以適當的固定方法，如用角焊縫115相互有效地連接。
氣泡發生部件140包括基板141，氣體和液體分配室150和蓋板180。基板141中有一組小孔142。基板141中還有一個環形密封室145，可容納密封件146。密封件146可為一個O形圈，在基板141和室150之間提供氣密的密封。基板141中最好還有一個中央或軸向小孔149。小孔149中最好有內螺紋，這樣當氣泡發生部件140和接收部件如圖3所示那樣裝配時，室123的端部127可擰到小孔149中。
分配室150包括一個有效結合的外壁151和中央流體減壓室160。室160最好為漏鬥形(通常包括一個空心的平截頭圓錐體元件和一個從該元件的小端延伸的管或空心杆)，並帶有空心杆170和一個從杆170向著蓋板180的圓形延伸部分161。該圓形延伸部分161最好從其有效的連接處向著外壁151延伸，該有效的連接最好為連續的角焊縫或其它令人滿意的連接方法。空心杆170中有一個內環形空間171。該環形空間171可容納一個通常為O形圈的密封件172，以便當杆170滑動地固定在中央管道111的靠近其第二端113的直線段部分上時，提供氣密的和液密的密封。
圓形向外延伸部分161中有一組小孔162。延伸部分161中還有一組流體通道163。每個流體通道163都由流體分流調節器164(如圖4所示)分隔開。延伸部分161中還有一組小孔165。小孔165通過流體分流調節器164(見圖4)並最好有內螺紋。
外壁151和中央流體減壓室160的有效組合就包圍為一個空間143。空間143與小孔162通連，而且當裝置100如圖3那樣裝配時，它還與細長的環形空間126通連。
外壁151在法蘭152處終止。法蘭152與向外伸出的圓形延伸部分161分開。法蘭152中有一組小孔154。小孔154最好有內螺紋並對準基板141上相應的小孔142。外壁151通過適當的固定裝置如有帽螺釘144與基板141有效地連接。
蓋板180中有一組小孔181。小孔181最好軸向對準外緣161上相應的小孔165。通過固定裝置183如通過小孔181和165有效連接的螺釘，將蓋板固定在分配室150上。蓋板180中最好有一個中央軸向流體分流調節器185。當裝置100如圖3那樣安裝時，該分流調節器185的形狀最好為一個圓錐，其頂點向著並對準中央管道111的軸線。
裝配後，蓋板180和中央流體減壓室160限定了一個空心的流體分配空間158。蓋板180和減壓室160還包圍了流體通道163。當裝置100如圖3所示那樣安裝時，分配空間158與流體通道163及中央管道111通連。
當採用手柄190時，蓋板180還有一個中心孔188。孔188有內螺紋並容納一個有外螺紋的手柄，以便於裝配。
圖4顯示了一個分配室150的頂視圖。小孔162對準流體通道163。流體通道163由流體分流調節器164分開，形狀如鋸齒。
裝置100將第二運動流體(最好是液體)從流體源(沒有顯示)通過中央管道111送入分配空間158，並隨後送入流體通道163。同時，裝置100將第一運動流體(最好為氣體)從流體源(沒有顯示)通過通道122、腔124、環形通道126送入室143，並從該室經小孔162被排出。描述裝置10和40的流體和設備也完全可以用於裝置100。
運動流體的速度或線性的(相對於體積而言)流體速率要根據不同裝置如裝置10、裝置40、裝置100或它們的變型來選擇，以便達到一個超過臨界Weber數的Weber數，使進入裝置的氣態和液態的流體產生理想的氣泡直徑或尺寸，如下所述。熟練的技工可以不經過實驗就選擇好合適的裝置並確定令人滿意的操作條件。熟練的技工還可以不經過實驗並且不超出本發明的本質和範圍，而對所描述的裝置作適當的修動。
在本發明範圍內的裝置，如圖1、2、3中所描繪的那些裝置，通常有很廣泛的應用。直觀的、非限制性的用途包括在處理廢水的生物反應器中提高氧氣或空氣往水中的轉移，改善在聚合反應的一個或多個階段中氧激活的聚合抑制劑的性能，總之，改善至少一種氣體在液體中的可溶性。基於這一點來說，本發明的一個具有商業意義的應用，是用溶解方法或界面方法生產聚碳酸酯，其中氣態的碳酸衍生物如碳酸氯與二羥基化合物如芳香族二羥基化合物雙對羥苯基丙烷(通常稱為「雙酚-A」)在包含雙酚-A和碳酸氯的同系物溶液中反應(溶解方法)，或在一個兩相系統中，其中雙酚-A溶於或懸浮於一種有機鹼的水溶液和有機溶劑(如亞甲氯)中，並且還可溶解碳酸氯和雙酚-A反應產物聚碳酸酯(界面方法)。各種間歇或連續的單元運行工藝和配置，包括活塞式或連續式的攪拌槽反應器，都已在已有技術例如在美國專利4,737,573和4,939,230和各種在此引用的參考書中有過描述。熟悉聚碳酸酯技術的人會認識到本發明的剪切混合裝置將可以適當並稱心地用於很多這樣的工藝過程，以改善建立在其中的流動系統，而且對於那些將碳酸氯吹成氣泡通入亞甲氯有機溶劑中的工藝方法來說，該裝置將有利地改善碳酸氯在亞甲氯中的彌散。
在進一步廣泛的方面，熟悉本領域的人會明白，本發明在設備和方法兩方面都可以用來減少反應時間，這樣，對於任何由質量轉移限制動態快速反應氣-液反應系統來說，在需要生產預定量的產品的條件下，就減少了所需的反應容器的數量和尺寸(相應地減少了生產該產品的費用)，或就已有的反應器和工藝方法可潛在地增加生產。以下將了解到，很多氧化和水合過程都屬於這種類型。
例如，生產苯乙烷過酸和過t-丁基酸氧化工藝過程有很長的反應時間(大約為1到4小時，見「氧化丙烯」，Kirk-Othmer EncyclopediaofChemical，Technology，第三版，第19卷，257-261頁(1982))並可能需要大量的反應容器，而苯乙烷過酸和過t-丁基酸是一方面生產氧化丙烯和苯乙烯另一方面生產氧化丙烯和叔丁基乙醇的著名商業工藝過程的中間產物。在這方面，通常在有百分之10-30的叔丁基乙醇的情況下，由液態的異丁烷空氣氧化物在溫度為95至150攝氏度、壓力為2075至5535千帕的條件下，製備過t-丁基酸，將百分之20-30的異丁烷轉化，其中百分之60-80轉化成TBHP，百分之20-40轉化成TBA。未反應的異丁烷和一部分的生產出的TBA從產品流中分離出來，回收到形成過氧化氫物的反應器，見美國專利4,128,587。苯乙烷過酸也可由一種液態的氧化物，在此情況下是苯乙烷的空氣或氧氣的氧化物，在140至150攝氏度及30至30 psia(206-275千帕的絕壓力)的條件下來製備。據報導在2至2.5小時的反應時間內，過氧化氫物的轉化率為百分之10到15，見美國專利3,351,635；3,459,810和4,066,706。
另外一個商業上重要的應用涉及到經對應的烯烴氯代醇來製造環氧衍生物，例如，通過烯丙基氯來製造表氯醇，通過氯丁醇來製造環氧丁烷，通過丙氯仲醇來製造氧化丙烯。這樣，在廣泛的意義上，為發明能使生產環氧衍生物的工藝過程更有效，或者如上所述，更廣泛地有利於其它兩相、氣-液反應工藝在這些工藝中，改善氣體向液體中的質量轉移可得到一些好處。
特別考慮通過烯烴氯代醇中間物製造環氧衍生物的生產，這通常是通過形成烯烴氯代醇，並隨後在環氧化步驟中，使該氯代醇與含水的鹼金屬氫氧化物接觸，以形成包含至少一種環氧衍生物的鹽的水溶液。本發明的裝置和方法(如下將要說明)特別適合於幫助和改善烯烴氯代醇的形成。
在此，形成烯烴氯代醇最好通過將至少一種不飽和的有機化合物與一種低氯的次氯酸水溶液(HOCl)接觸，以形成一種包括至少一種烯烴氯代醇的有機產物水溶液。該「不飽和的有機化合物」包含2到10個碳原子，較好包含2到8個碳原子，最好包含2到6個碳原子。該有機化合物選自包含替代的和非替代的鏈烯族，可能是鏈狀的、分枝狀的或環狀的，最好是鏈狀的。合適的鏈烯包括戊烯、丙二烯、丁二烯、異戊二烯、烯丙醇、肉桂醇、丙烯醛、異亞丙基丙酮、乙酸烯丙酯、烯丙基醚、氯乙烯、烯丙基溴、2-甲基丙烯醇、丙烯、丁烯、乙烯、苯乙烯、己烯、烯丙基氯和其同系物和類似物。丙烯、丁烯、乙烯、苯乙烯、己烯、烯丙基氯為較好的鏈烯，更好為丙烯、丁烯和烯丙基氯，最好為丙烯。鏈烯最好為非替代的，但也可以是惰性地替代的。「惰性地」意味著鏈烯被任何不會幹涉氯代醇或環氧化物的形成的基團所替代。惰性的替代物包括氯、氟、苯基等。對於在此所總結的這種類型的環氧化工藝過程和相應的氯代醇的形成步驟的更詳細描述，可在共同轉讓的美國專利5,486,627和5,532,389中發現(這些文獻包括進了本文的參考資料中)。
雖然該方法和專利的優選實施例包含使用低氯的HOCl水溶液，熟悉本領域的人員將很容易認識到該方法還適用於採用次氯酸鹽溶液，特別是在有化學計算量的氯化物存在的情況下，同時該方法還用於將氯氣部分或全部溶解到水中。
為了得到最佳結果，通常加入足夠數量的有機化合物，使有機化合物與低氯HOCl的摩爾率大於0.8。為了確保低氯HOCl完全反應，所提供的有機化合物的數量至少要達到化學計算量。較好的是提供0到25個摩爾百分數的過量有機化合物，更好的是將0-10個摩爾百分數的過量有機化合物供入反應器中。隨後可回收未反應的有機化合物，使其與HOCl接觸。當提供了超過反應所需量的有機化合物時，一個熟練的技工完全可以採用各種方法，回收未反應的有機化合物。
導入的低氯HOCl溶液的重量濃度通常為1.0％到大約10％、較好為2％到7％，最好是使HOCl在水中的重量約為7％。這樣，在所需要的水和副產品的形成之間建立了平衡。令人驚奇的是，使用本發明的剪切混合裝置，可以在形成不溶有機物—一種大大增加副產品生成的條件之前，使得進行該工藝過程時的濃度比不用本發明的剪切混合裝置時要高百分之20。當然，以較高的HOCl濃度進行操作，對於減小與本工藝有關設備的尺寸和費用來說是理想的。
可將有機化合物以任何足以形成氯代醇的方法與HOCl溶液接觸。通常是將有機化合物和HOCl以某種方法導入到一個反應器中，使反應器中所有的反應產物有最大的均勻度。HOCl與有機化合物的接觸最好發生在連續或半連續的反應器中。在連續的反應器如連續的管式反應器中，同時進行反應物的導入和產物的排出。相反，一個半連續反應器的例子可能是這樣的一個反應器，即已有規定數量的有機化合物放在該反應器中，然後將HOCl溶液連續地供入反應器，生產出氯代醇產品累積在反應器中。最好是在連續反應器如活塞式反應器或返混式反應器中混合時發生接觸。在活塞式反應器中反應物從一端導入而產品從另一端排出，且沿該反應器有一點返混，連續的管式反應器就是一例。返混式的反應器中反應物完全與導入材料混合，使得在整個反應容器中產品和反應物濃度均勻。連續流動攪拌反應槽(CSTR)即為這種類型的連續反應器的一例。
溫度、壓力條件和反應時間都不嚴格。任何可使HOCl與有機化合物反應的條件都是適用的。導入反應器的HOCl溶液的溫度大約為30-60℃，最好為40℃。HOCl/有機化合物合適的反應溫度至少為40℃，因為較低的溫度需要冷凍或其它冷卻。更好是使反應溫度至少為60℃。反應溫度小於100℃為好，更好是小於90℃(以避免反應器中水和有機化合物的蒸發)，更好是小於80℃(以避免在此溫度以上不良地增加副產品的形成)。
採用活塞式反應器時，通過一個垂直於HOCl溶液流向的管，將鏈烯氣體導入HOCl溶液中。在這方面，本發明的剪切混合裝置是這種設計的，即液體表面速度至少為約15英尺/秒(4.6米/秒)，較好為約22英尺/秒(6.7米/秒)，更好為至少約30英尺/秒(9.1米/秒)，並且小於約100英尺/秒(30.5米/秒)，最好小於約50英尺/秒(15.2米/秒)。當導入液流中時，氣體表面速度至少約3英尺/秒(0.9米/秒)，更好至少約6英尺/秒(1.8米/秒)，並且小於約30英尺/秒(9.1米/秒)，最好小於約20英尺/秒(6.1米/秒)。液體表面速度與氣體表面速度的比至少為1.0，最好至少約為1.5，並且小於10左右，最好小於8。為滿足這些條件，當氣體的體積一般大於液體的體積時，可能需要多個本發明的剪切混合裝置。當採用多個裝置時，在裝置之間提供足夠的空間，這樣在導入額外的有機化合物到液體流中之前，就至少有百分之80，最好至少百分之90的有機物進行了反應。
以CSTR作為反應器，通過利用回收線路，可用較高的液體體積流量，該回收線路從反應器中移走液體，使液體通過混合裝置而回到反應容器中。在這樣的作業中，新的HOCl溶液或者在本發明的剪切混合器之前與回收流混合，或者通過一條獨立線路被導入CSTR容器中。該CSTR容器任選地附帶有輔助的常規混合裝置，例如常規的機械攪拌器，以保持反應物和產物在容器中的均勻分布。在這種特殊情況下，本發明剪切混合裝置的設計是這樣的，即液體表面速度至少為約15英尺/秒(4.6米/秒)，較好為約22英尺/秒(6.7米/秒)，更好為至少約30英尺/秒(9.1米/秒)，並且小於約100英尺/秒(30.5米/秒)，最好小於約50英尺/秒(15.2米/秒)。當導入液流中時，氣體的表面速度至少約3英尺/秒(0.9米/秒)，更好至少約6英尺/秒(1.8米/秒)，並且小於約30英尺/秒(9.1米/秒)，最好小於約20英尺/秒(6.1米/秒)。液體表面速度與氣體表面速度的比至少為1.0，最好至少約為1.5，並且小於10左右，最好小於8。雖然一般只需一臺本發明的裝置來滿足這些需要，根據反應器的幾何形狀和所使用的剪切混合裝置的尺寸，可考慮採用更多的裝置。
在大多數採用CSTR的優選實施例中，CSTR等溫作業，而活塞式反應器一般絕熱地作業。因此，反應熱被便利地從CSTR中除掉，例如通過循環熱交換器和/或反應器外套來除熱。為了使外部對反應器的加熱或冷卻減到最小，反應熱最好與供原料的供入溫度相配合，這樣反應熱將供入溫度提高到理想的反應溫度。使溫度配合是本領域內的已有技術。例如，一摩爾的HOCl供入濃度(約百分之5重量濃度的HOCl)與丙烯絕熱地反應提高溫度約55℃。因此，如果反應溫度約90℃是理想的，則供入溫度應為約35℃。供入溫度與反應溫度的差距較小則需要冷卻，而該差距較大則需要加熱。以任何本領域的已有技術，如帶外套的反應容器、反應器中可浸入液體的盤管或一個外部迴路中的熱交換器，都可實現對溫度的控制。
合適的壓力至少約為大氣壓(約101千帕)，最好至少約為2個大氣壓(202.6千帕)。較高的壓力增強有機化合物往HOCl溶液的質量轉移，增大了整個反應的速率。合適的壓力小於約150psig(1037千帕)，更好是小於約100psig(691千帕)，因為較低的壓力需求減小了反應器的製造成本和將氣體導入反應器的能量消耗。
氯代醇形成步驟的反應時間，由以下因素決定所用的反應物、反應溫度、預想的轉化程度、通過本發明的剪切混合裝置的液體與氣體的體積比、過量的有機化合物、反應器的壓力、HOCl供入料中氯化物的含量，以及HOCl的供入濃度。在本領域有經驗的人可以確定HOCl與有機化合物反應所需的足夠的時間。例如，當將丙烯作為CSTR中的有機化合物時，在上述的最佳條件下，可很理想地將反應時間減小到約為兩分鐘，更好可減小到約為1分鐘。合適的反應時間小於10分鐘，更好是小於約5分鐘，以便減小生產預定數量產品所需的容器尺寸。烯丙基氯的反應比丙烯的反應更快，從而反應時間更短，而丁烯或己烯的反就比丙烯的反應慢，需要更長的反應時間。
HOCl在CSTR中的轉化至少約為90摩爾百分數，最好大於98摩爾百分數。這樣在反應器中，被從已反應HOCl溶液中的水所稀釋的HOCl的濃度，不超過重量濃度0.2％，最好小於重量濃度0.1％。較低的轉化程度導致從氯代醇，如丙烯氯乙醇(PCH)的氧化中產生較高的氯化酮，如一氯丙酮(MCA)，和其它非所要求的副產品。在CSTR中合適的轉化率小於約99.8摩爾百分數；較高的轉化率雖然是可能的，但需要更長的停留時間，從而需要更大的設備來生產預定數量的產品。
與本發明介紹中所提及的Motarjemi和Jameson所發現及表達的要求一致，本發明的應用特徵涉及到在液體中產生小氣泡。在很多應用埸合氣泡的平均直徑小於0.5毫米，本發明的裝置和方法的獨特之處在於，可以為各種應用經濟地產生這樣尺寸的氣泡，並且在其它的一些應用埸合，氣泡的平均直徑還可以小於0.1毫米。屬於本發明範圍內的裝置特別適用於本發明的方法特徵。該方法包括兩個獨立的動作，用於將氣體與流動的液體接觸。一個動作是將氣體置於壓力下，在經過一個分隔氣體和液體的元件上至少一個小孔，將該氣體導入液體、最好是流動的液體中時，該壓力足以產生氣泡。另一個動作是根據該氣體和液體的物理性質，使流動液體通過小孔，其線性流動速率產生的Weber數足以超過理想氣泡尺寸的臨界Weber數。實際上，該流速促使剛在小孔產生的氣泡細分。細分有效地導致產生具有理想直徑的更小的氣泡。
這樣，本發明的方法能有效地控制在液體中產生的氣泡的尺寸。裝置10、40、100和它們的變型都以該方法應用。氣泡尺寸的控制，反過來又導致了以決定可達到的質量轉移的表面面積的方法，來控制氣體向液體中的質量轉移。
一個叫Weber的無量綱數，被用來預測氣泡尺寸與流動液體之間的關係。G.J.Jameson在「氣泡運動」，第588頁中提到了由D.A.Lewis和J.F.Davidson所著的文章「在剪切流中的氣泡分裂」，Trans.ICHemE.第60卷，283-291頁(1982)。Jameson說Lewis和Davidson採用「臨界Weber數」或Wecrit，來描述試圖分裂或細分氣泡的力與表面張力的臨界比值，該表面張力試圖保持給定氣泡的尺寸，或者，如果它足夠大，使氣泡恢復更大的尺寸。超過臨界的Weber數使得氣泡分裂。
本發明利用流體流過小孔產生的應力場來控制氣泡的尺寸，氣泡最初是從小孔中產生的。如果流動的流體有足夠的速度，應力場將大到足以超過臨界的Weber數，氣泡將細分。氣泡的細分將不斷進行直至產生的氣泡的尺寸滿足該臨界Weber數為止。Weber數由以下等式定義We＝r*u2*dm/s其中r＝液體的密度u＝應力場中流體的速度dm＝氣泡直徑s＝各相之間的表面張力本發明既可以應用於聚合液體如清水，也可應用於非聚合液體如從某些工業工藝過程中生產的鹽廢水(具有0.9％重量以上的氯化鈉的廢水在出版物中報告為非聚合的)，還可應用於單體流，該單體流依例如氫鍵等因素，既可以是聚合的，也可以是非聚合的。這裡所說的「聚合」，意思是氣泡一旦產生，就趨向於相對迅速地合併成較大的氣泡。這裡所說的「非聚合」，意思是氣泡一旦產生，就趨向於保持其各自的尺寸。
單體流或供入流中適合於帶有一種阻聚劑，該阻聚劑被氣體活化。氣體可以是一種聚合反應的反應物，在該反應中氣體往液體中有效的質量轉移是所期望的。在另外一個實施例中，該氣體是可溶於該液體的。
在實際應用中，例如上述的向含鹽廢水(例如，工業工藝過程的廢水中氯化鈉含量約為百分之3的重量濃度或更大)通氣時，加強氧氣向含鹽廢水中的質量轉移，增大了生化反應的速率。換句話說，隨著質量轉移的改善，氧氣的利用率增加了。本發明的方法和裝置，通過比傳統的氣泡發生器產生更小的氣泡，有效地改善了質量轉移。
該改進是通過消耗能量而產生應力場而發生的。能量的消耗與通過混合管的壓力下降和液體速度的平方成正比的。一個相對於氣泡尺寸而減小能量輸出量的實用點發生在50到70千帕的範圍內，如圖6所示。雖然質量轉移的表面積隨著能量消耗的增加而增加，能量的成本將超過由質量轉移而獲得的利益。一個決定能量成本變為不經濟的轉折點(對應地，即決定什麼氣泡尺寸—儘管通過本發明在技術上是可實現的，並且無論是否以平均直徑0.5毫米或更小為特徵—可以經濟地實現)將依所選擇的最終應用而變化。換句話說，像增進氧-激活阻聚劑的效率這樣的最終應用允許比廢水處理消耗更大的能量。然而，通常相信本發明的方法和裝置，可以為給定的應用以可控制和經濟的方式產生比至今為止已有裝置所能產生的更小的氣泡，而且本發明的方法和裝置可以獨特地產生非常小的氣泡，其尺寸為平均氣泡直徑0.5毫米或更小，特別是小於0.1毫米或更小，雖然如上所述，在應用中產生這樣小的氣泡可能在經濟上不是合算的。
下面進一步說明了，但不是限制了本發明的範圍。除非另加說明，所有的分數和百分數都以重量為基礎。
實施例1根據本發明的工藝過程在一個6英寸乘6英寸(15.2釐米乘15.2釐米)的橫截面，高36英寸(91.4釐米)的矩形聚丙烯箱子內進行。將10％的重量百分濃度的NaCl水溶液裝入該箱子，達到29.7英寸(75.4釐米)高。該箱子頂端開口，溫度為68華氏度(°F)，即20攝氏度(℃)。
在此實施例中所採用的兩相混合裝置類似於圖1所示的那種裝置。它包括一個3/8英寸(0.9釐米)外徑(OD)的不鏽鋼內空氣管道(15)，該管道一端封閉，且在距該封閉端3/8英寸(0.9釐米)處以120°的間隔角度鑽了三個1/64英寸(0.04釐米)的小孔。該兩相混合器的外部包括一個3/8英寸(0.9釐米)的PVC管接套，該管接套被機加工出0.423英寸(1.1釐米)的內徑(ID)。該裝置的其餘部分包括一個1/2英寸(1.3釐米)的PVC三通管，一個1/2英寸(1.3釐米)的不鏽鋼外螺紋管擰在3/8英寸(0.9釐米)的管材連接件上，該連接件被鑽孔以通過3/8英寸(0.9釐米)的管，以及兩個1/2英寸(1.3釐米)到3/8英寸(0.9釐米)的管襯套。一個管襯套與三通管的一個開口端相連，而3/8英寸(0.9釐米)的管接套與該管襯套相連。對著管連接件的管與三通的另一個開口端以及3/8英寸(0.9釐米)的被插入並通過管材連接件的管相連，封閉的端使管的頭部剛好經過管接套的端部，使得三個1/64英寸(0.04釐米)的孔正好在管接套中。
該兩相混合裝置與利用第二管襯套與一個1/2英寸(1.3釐米)的內管螺紋接口在箱子底部中央連接，這樣混合器垂直向上向箱中排放。March TE-5C-MD離心泵的排出管與三通管的餘下口相連。該泵的吸管與箱子底部的一個1/2英寸(1.3釐米)的內管螺紋接口連接。一個Wallace and Tiernanmodel 5120M12333XXL Varea-Meter型的流量計被設置在排出管中以測量液體的流速。一個空氣供給管與3/8英寸(0.9釐米)管相連，空氣流速由帶Matheson綜合流量控制器model8274的Matheson質量流速轉換器測量。
液體的流速為每分鐘1.75加侖(GPM)(每秒11×10立方米)，而空氣的流速為每分鐘1.235標準升(SLM，標準條件是0攝氏度和760毫米汞柱)。以這樣的流速，箱中充滿了小氣泡，外觀為乳白色，幾乎不透明。
從該箱子的頂部懸掛一塊1/8英寸(0.3釐米)厚的黑色橡膠板，且該板向下延伸進入箱中的液面下約一又二分之一英尺(0.46米)處。該板離箱子的前壁幾個毫米(mm)，創造了一個背景，使得可以在該淺視埸區域觀察各個氣泡。用一個帶微攝附件的攝像機對箱子的丙烯壁內的一個小的區域進行錄像。將一個1mm的柵格透明地粘貼在箱子上並也被錄像，以便標定微攝附件的放大率。
用帶有Jog/Shuttle功能的錄像機(VCR)觀看該錄像帶，這樣可以分析每一幀錄像。用一個毫米標尺對錄像機屏幕上的每一幀錄像所顯示的氣泡進行測量。也以這種方法對表示1mm柵格的每一幀錄像進行觀察，同時在同一個屏幕上測量各個分格。這樣證實了放大率為60比1(測量的1.0mm＝實際尺寸0.0154mm)。
在一幀中觀察到二十個尺寸在0到0.046mm範圍內的氣泡、十個尺寸在0.047到0.154mm範圍內的氣泡，四個尺寸在0.155到0.231mm範圍內的氣泡，三個尺寸在0.232到0.384mm範圍內的氣泡。可以測量到的最小氣泡為0.0154mm，而在此幀中觀察到的最大氣泡為0.385mm。
實施例2根據美國土木工程協會(American Society of Civil Engineers)(ASCE)清潔水非穩定狀態方法—「一個測量氧向清潔水中轉移的標準」Amer.Soc.of Civil Eng.，New York，N.Y.(1984)，在一個設計用於鹽廢水、結構如圖2所示的裝置那樣的剪切混合裝置上進行氧轉移試驗。試驗結果和與已知的商業上可獲得的大氣泡噴灑器的對比數據如表I所示表I試驗號 噴霧器 空氣流速 水流速KLa20 SAE*類 型 (SLM/SCFM) (每分鐘升/ (L/小時) (1b氧HP/小時)每分鐘加侖)1大氣泡 50.9/1.7 0 1.61.7噴灑器**2剪切混合器 22.4/0.75 49.2/13 3.32.63剪切混合器 38.9/1.349.2/13 5.12.54剪切混合器 50.9/1.749.2/13 6.22.55剪切混合器 53.9/1.849.2/13 6.32.56剪切混合器 101.8/3.4 49.2/13 9.71.87剪切混合器 53.9/1.849.2/13 15.4 5.7(5％的鹽)*SAE＝每馬力動力每小時的以磅計的氧氣標準通氣效率。
**非本發明的實例。
為了在剪切混合裝置與大氣泡噴灑器之間進行直接對比的目的，採用了alpha值(定義為兩個試驗系統的KLa20值的比)。在這種情況下，標準的或參考的狀態是試驗1，是以大氣泡噴灑器(CBD)用於清水。採用試驗1和4，在清水中，alpha＝KLa20剪切混合器(試驗4)/KLa20 CBD(試驗1)＝3.9。採用試驗1和7，在5％的鹽水中，alpha＝KLa20剪切混合器(試驗7)/KLa20CBD(試驗1)＝9.6。
表I中的數據顯示本發明相對於傳統的大氣泡噴灑器的有效性。大於單位值(1.0)的alpha值表明剪切混合裝置相對於大氣泡噴灑器進行質量轉移更有效。可以相信質量轉移增加，至少部分地是由於增加了表面積而引起的。表面積的增加主要是因為剪切混合器的平均氣泡尺寸小於一般的大氣泡噴灑器的氣泡尺寸。鹽試驗溶液(試驗7)的alpha值提示相對於大氣泡噴灑器在清水中(試驗1)的質量轉移的改善至少是部分地由於液體的非聚合性質。換句話說，氣泡一旦形成，就趨向於維持其個體，而不是與其它的氣泡合併或聚合。
實施例3—安裝在單體工藝過程中的氣體/液體剪切混合器的概述。
為了在一個十階段反應器的前七個階段中消除自由基聚合物的形成，安裝了七臺本發明的氣/液剪切混合器，每一臺在一個階段中，以改善空氣在反應混合物中的彌散。除了在第一管道50中僅有一個小孔/噴嘴54外，該剪切混合器類似於圖2所示的裝置(裝置40)。空氣中的氧氣激活了系統中的自由基抑制劑。在安裝這些剪切混合器之前，聚合物存在於階段1到10中，而且經每八小時過濾收集聚合物大約為0.5立方英尺(0.014立方米)。該氣/液剪切混合器以11.5SLM的空氣流速和每分鐘1.0加侖(6.3×10-5立方米/秒)的溶劑流速進行作業。剪切混合器的噴嘴直徑(以每個單個噴嘴54的直徑為基準)為3/16英寸(0.5釐米)，而噴嘴的長度(從每個混合器的單噴嘴54到管道50的第二、輸出端52)為1英寸(2.5釐米)。空氣和溶劑在給定的反應器之外混合併通過一個傾斜管被輸送到位於反應器中的剪切混合器。由於安裝了剪切混合器，在前面的七個階段中消除了聚合物，而且聚合物的形成已被減少到每8個小時0.25立方英尺(0.007立方米)。
雖然在本實施例中混合器只有一個形成氣泡的小孔，更多的小孔將會加強其性能。熟練的技工可不經過試驗便容易地確定還需要增加多少小孔才適合他們的應用。
實施例4一個氣/液剪切混合器被安裝在一個2000加侖(56.6方立米)的容器中，該容器被用來從一種易受到自由基聚合的有機化合物中由空氣提出水。空氣中的氧氣激活了系統中的自由基抑制劑。該氣/液剪切混合器(與圖3中所採用的類似)以每分鐘4.0標準立方英尺(SCFM)(119.7SLM)的空氣流速和每分鐘50加侖(0.19立方米/分)回收單體的流速進行作業。該剪切混合器的內部直徑為1英寸(2.4釐米)，長度約為4英尺(1.2米)。最初一批在有機單體中含有重量約2％的水，在十二個小時內氣提至少於百分之0.0500。氣提條件是80毫米汞柱的絕對壓力和60℃。在以該方法進行的氣提的四個批量中，沒有形成任何聚合物。
實施例5一個直徑0.6米高4.57米的容器中有高4.27米的液體，其中充滿了來自工業廢水處理設備的已孰化(acclimated)的激活汙泥。總的懸浮固體(TSS)為2600毫克/升。0.086立方米的液面上的空間以由BrooksInstrument Mass Controller(model 5851 I)測量出的5SLM的氮氣來清潔。液體以0.19立方米/小時供入，並且停留時間為6.3小時。該液體是從工業氧化烴工廠出來的廢水，其鹽濃度為70克/升(約7％的重量百分濃度)。作用物的濃度為150毫克/升。該系統用噴嘴直徑為0.005米的大氣泡噴灑器通入1.14SLPM的氧氣，正如Brooks Instrument Mass Controller(model5851 I)所測，並且讓它達到穩定1小時。如Ingold Electronics Inc.DoSensor/Transmitter(model 4300)所測，溶解的氧氣濃度為0.1毫克/升，如Teledyne Analytic Instruments Model TAI 322多通道氧氣監視系統所測，在出口處的氧氣為15.9％，所產生的計算氧氣轉移效率是23％。在此，突然將該氧氣流導向至一臺代表本發明的如圖2所示的剪切混合裝置中，保持氧氣的流量與其它參數不變。出口處的氧氣濃度立即開始下降而生成物計算的氧氣轉移效率開始增加。7分鐘之後，轉移效率為50％，出口處的氧氣濃度為10.2％。13分鐘之後，轉移效率為70％，出口處的氧氣濃度為6.4％。52分鐘之後，轉移效率為90％，出口處的氧氣濃度為2.2％，並建立了新的穩定狀態值。在此之後，溶解的氧氣開始迅速上升到5毫升/升的穩定狀態值。
實施例6-8實施例6-8和比較實驗A和B在一個30升、垂直安裝的圓筒形CSTR中進行，該CSTR裝備有四個垂直的擋板和一個帶有一個或兩個葉輪的攪拌器。比較實驗A和B採用的下部葉輪是一個5英寸直徑的ChemineerTMCD-6，而上部葉輪是5英寸直徑的ChemineerTMA-315。實施例6-8僅採用ChemineerTMA-315葉輪。
實施例6-8中，HOCl水溶液被連續地加到葉輪的中心附近。液體從CSTR的底部泵出並經回收線路返回到CSTR中，該回收線路與本發明的0.295英寸內徑的剪切混合裝置(結構如圖2所示)相連，該混合裝置是裝在容器的外壁上的，回收線還從剪切混合裝置經過容器壁延伸到剛好在葉輪底部之下的一點上。通過內徑為0.295英寸的管，鏈烯氣體垂直於液體流進入混合裝置。以與供入速度相同的速度連續地將產出物從容器中移走，以保持CSTR中液面恆定。
實驗A和B中，HOCl水溶液被連續地加到下部葉輪的中心附近。鏈烯氣體通過一個由1/4英寸直徑的管構成的4英寸直徑的噴灑環，被加到下部葉輪的下面。在噴灑環上間隔均勻分布著12個1/32英寸的孔。通過一個底部的泵不斷地將產品從容器中移走，以保持CSTR中液面恆定。
實施例6—用本發明的剪切混合裝置生產丙烯氯乙醇。
上述的CSTR在50psig的壓力、69℃的條件作業，並且有一個速度為每分鐘400轉(rpm)的攪拌器。一種5.8％重量百分濃度的HOCl溶液以255磅/小時的流量，與水以215磅/小時的流量一同加入。液體通過混合器以3200磅/小時的流量回收，液體的表面速度為31英尺/秒。丙烯氣體通過混合器以12.5磅/小時的流量加入，氣體的表面速度為10英尺/秒，液體對氣體的表面速度之比為3.1。產品以483磅/小時的流量連續地從CSTR的底部移走。反應時間2分鐘，HOCl的轉化率為99％，以丙烯為基準的丙烯氯乙醇的產出率為98％。
對比試驗A—用傳統的氣體噴灑器生產丙烯氯乙醇。
CSTR在50psig的壓力、71℃的條件作業，攪拌器轉速為每分鐘560轉(rpm)。一種5.65％重量百分濃度的HOCl溶液以115磅/小時的流量，與水以63磅/小時的流量一同加入。新的丙烯通過噴灑環以4.7磅/小時的流量與從反應器液面上空間回收的流量為10磅/小時的丙烯一同加入。產品以183磅/小時的流量連續的移走。反應時間為12分鐘，HOCl的轉化率為99.8％，以丙烯為基準的丙烯氯乙醇的產出率為97.5％。
實施例7—用本發明的剪切混合裝置生產丁烯氯乙醇用速率為8.1磅/小時的丁烯氣體重複實施例6的作業程序。反應條件包括20psig的壓力/66℃，單葉輪的攪拌器轉速400rpm。供入的液體是流量為150磅/小時的5.6％重量百分濃度的HOCl溶液和流量為168磅/小時的水。液體通過剪切混合裝置以3400磅/小時的流量回收，其表面速度為31.9英尺/秒。氣體的表面速度為11.8英尺/秒，液體對氣體的表面速度之比為2.7。產品以326磅/小時的流量被連續地從CSTR中移走。反應時間為3分鐘，HOCl的轉化率為99.8％，以丁烯為基準的丁烯氯乙醇的產出率為94.9％。
對比實驗B—用傳統的氣體噴灑器生產丁烯氯乙醇依對比實驗B的操作程序，丁烯以氣體的形式按4.7磅/小時的供入量供入噴灑環。反應條件包括20psig的壓力，52℃，攪拌器轉速550rpm。供入的液體是流量為95.5磅/小時的4.9％重量百分濃度的HOCl溶液和流量為57.5磅/小時的水。產品以158磅/小時的流量被連續地移走。反應時間為15分鐘，HOCl的轉化率為99.5％，以丁烯為基準的丁烯氯乙醇的產出率為94.2％。
實施例8—用本發明的剪切混合裝置生產己烯氯乙醇依實施例6的操作程序，用7.2磅/小時的1-己烯代替丙烯。反應條件包括3.8psig的壓力，78℃，攪拌器轉速450rpm。供入的液體是2.14％重量百分濃度的HOCl溶液。液體通過剪切混合裝置以3080磅/小時的流量回收，其表面速度為29英尺/秒。氣體的表面速度為29英尺/秒，液體對氣體的表面速度之比為1.0。產品以166磅/小時的流量被連續地移走。反應時間為14.4分鐘，HOCl的轉化率為100％，以己烯為基準的己烯氯乙醇的產出率為88.2％。
權利要求
1.一種剪切混合裝置，包括至少一根輸送第一待混合流體的管道，該管道的第一端打開，接收待混合的第一流體，第二端關閉，在靠近其關閉的第二端處有一個或多個小孔，通過該小孔，由開口的第一端接受的流體被排出管道；一個混合器，它一般圍繞著一個或多個上述管道，並有一個封閉的第一端，該第一端上有相應的一個或多個小孔，其中穿過相應的一個或多個管道；該混合器還有一個第二端，該第二端與每個上述管道限定了一個阻力噴嘴，一個相應的空間，該空間由混合器封閉並限定在上述混合器封閉的第一端和第二端之間，各所說管道上的小孔基本上被置於與該給定管道相聯繫的阻力噴嘴處一個提供第二流體的管道，該管道與由混合器封閉的空間通連，以便向其提供第二流體，該第二流體通過一個或多個在混合器第二端的阻力噴嘴，並以某種剪切方式與由位於各阻力噴嘴處的小孔所提供的第一流體混合。
2.一種剪切混合裝置，包括提供待混合的第一流體的一個或多個管道，在各管道的一段長度上有一個或多個小孔；一個混合器，它具有一個第一端和一個第二端，並在其第一端和第二端之間有一個通常封閉的空間，流體供應管道與該空間通連，混合器的第一端和第二端各有一個相應的開口，以便使帶孔管道從其中穿過，這樣，提供第一種待混合流體的管道上的孔與空間通連。
3.一種剪切混合裝置，包括一個空心的氣體和液體接收部件，一個氣泡發生部件和一個任選的手柄，氣體和液體接收部件與氣泡發生部件連接並通連。
4.根據權利要求3的裝置，其特徵在於氣體和液體接收部件包括一個中央管道，它具有開口的入口端，用來接收其中的液體，還有一個出口端與氣泡發生部件通連；一個氣體接收室，它一般圍繞著中央管道並與中央管道分開，從而形成一個通道，使氣流通過到達氣泡發生部件，它至少包括一個接收氣體的通道，以便接收流過的氣體並經通道使之與氣泡發生部件通連，氣體接收室的一端氣密地連接在中央管道上，其連接點離中央管道的輸入端較近，離輸出端較遠。
5.根據權利要求4的裝置，其特徵在於氣泡發生部件包括一個基板，該基板在靠近中央管道輸出端處與中央管道氣密地連接；一個氣體和液體分配室，用來容納和分配分別來自氣體接收室和中央管道的氣體和液體，該分配室氣密地連接在基板上；一個蓋板，它與氣體和液體分配室氣密地連接，氣體和液體分配室有一個中心漏鬥狀的流體減壓室，該減壓室與基板、蓋板一起將氣泡發生部件分成上部的液體減壓腔和下部的氣體減壓腔；漏鬥狀的流體減壓室具有一個空心杆，該空心杆通常氣密地固定在中央管道的靠近出口端處和一個從上述空心杆朝外伸出的圓形延伸部分，該空心杆中有一組與氣體減壓腔通連的小孔和一組與液體減壓腔通連的液體通道，這些小孔與流體通道通連，以便混合通過的氣體和液體。
6.根據權利要求5的裝置，其特徵在於流體通道由流體分流調節器相互分開，該流體分流調節器設置在從空心杆朝外伸出的圓形延伸部分內。
7.一種在液體中產生氣泡的方法，包括a.將氣體置於壓力下，當氣體通過分隔氣體與液體的零件或元件上的至少一個孔而被導入液體中時，該壓力足以形成氣泡；b.使液體流過小孔，所選擇的流速8產生的Weger數超過該氣體和液體的臨界Weger數，以便在液體中產生直徑小於0.1毫米的氣泡。
8.根據權利要求7的方法，其特徵在於液體是一種低氯的次氯酸、一種次氯酸鹽或溶於水的氯的水溶液，而氣體包括一個不飽和有機化合物，該化合物在與一種或多種這些液體成份混合的條件下，可以發生反應生成包括鏈烯氯代醇的反應產物。
9.根據權利要求8的方法，其特徵在於該不飽和有機化合物從丙烯、丁烯和烯丙基氯中選擇。
10.根據權利要求9的方法，其特徵在於該不飽和有機化合物是丙烯或烯丙基氯。
11.根據權利要求10的方法，其特徵在於該不飽和有機化合物是丙烯，而由其形成的鏈烯氯代醇為丙烯氯乙醇。
12.一種在液體中產生直徑小於約0.1mm的氣泡的方法，該方法包括採用權利要求1的裝置，將該氣體導入一個剪切區域，該剪切區域是由液體流過該裝置的一個阻力噴嘴而建立起來的，液體以這樣的方法流動，即在通過阻力噴嘴上建立小於49,000帕的壓力差，而氣體的流動速度足以在管道和相對應的阻力噴嘴之間建立小於35,000帕的壓力差。
13.在適合於形成鏈烯氯代醇的條件下，在一個返混式的反應器中，通過將氣態的不飽和有機化合物與液態的低氯化合物、次氯酸水溶液混合而產生鏈烯氯代醇，在些方法中，進行的改進包括以平均直徑小於0.1毫米的小氣泡的形式，向液態的次氯酸溶液中提供不飽和有機化合物，通過這種方法，增加氣態的不飽和有機化合物往次氯酸溶液中的質量轉移。
全文摘要
本發明的剪切混合裝置和與其對應的方法,用來可控制地、經濟地在液體中產生例如平均直徑小於0.5毫米的小氣泡,從而在通過改善質量轉移而得益的應用中,改善該氣體往液體中的質量轉移(在相同的環境下與傳統的大氣泡發生器所達到的質量轉移相比較),包括將在壓力下的氣體經一個或多個噴嘴注入液體中,該液體的流動速度足以引起形成於該噴嘴的氣泡細分以達到預想的小氣泡尺寸。
文檔編號B01F3/04GK1191770SQ9710996
公開日1998年9月2日 申請日期1997年2月28日 優先權日1997年2月28日
發明者羅伯特·佩奇·希爾圖姆, 戴維·L·特倫特, 謝裡爾·A·蒂託維佐約, 保羅·A·吉利斯 申請人:陶氏化學公司