管模塊的製作方法
2023-04-29 15:58:16 2
管模塊的製作方法
【專利摘要】本發明涉及一種管狀流動模塊，其包括具有螺旋特徵的至少兩個同心管(1,2)，其中管(2)同軸地布置於管(1)內側並且每個管具有最大直徑和最小直徑，其中管(2)的最大直徑大於管(1)的最小直徑，從而限定管(1)與(2)之間用於流體的流動路徑(3)。本發明還涉及一種管狀流動模塊系統和管狀流動模塊的用途。
【專利說明】管模塊
【技術領域】
[0001]本發明大體涉及管模塊或管模塊系統，以及管模塊或管模塊系統的用途。本發明特別地涉及同軸管反應器或同軸管反應器系統。
【背景技術】
[0002]管狀反應器使用了數年，這樣的反應器的示例公開於US3052524和GB932048，其描述了一種同心管狀反應器，這種同心管狀反應器由三個管構成，其中傳熱流體在最內管和最外管中流動，並且反應物流體在中間管中流動。另一示例公開於W02009150677，其示出了用於催化反應的三同心管系統。
[0003]傳統同心管狀反應器具有恆定輪廓，即，在工藝側和實用(utility)側，流動路徑為直的。這意味著，在管狀反應器內在兩側的流動常常是層流，特別是在較低的流率，該較低的流率當反應經過數秒直到數分鐘而完成時通常採用於工藝側上。
[0004]以層流流態操作提供:
?較差混合
?較差的傳熱(除非在壁之間的距離很小)
?較差的柱塞流(plug flow)。
[0005]這可導致所希望的產品的降低的產品產率或選擇性，並且因此終端混合物將包含非希望的副產物，其需要從所希望的產品分離。
【發明內容】
[0006]因此，本發明發現了上文所提到的問題的解決方案，通過提供一種管狀流動模塊或同軸管流動模塊，特別地同軸管反應器或同軸管熱交換器，該管狀流動模塊包括至少兩個螺旋形同心管。因此本發明涉及一種管狀流動模塊，該流動模塊包括具有連續環形螺旋特徵的至少兩個同心管。同心管可以彼此布置成一個管(即，第二管)可以同軸地布置於另一管(即，第一管)內側，並且每個管具有最大直徑和最小直徑。第二管的最大直徑可以大於第一管的最小直徑並且因此在第一管與第二管之間形成空間。該空間限定在第一管與第二管之間用於流體的流動路徑，並且流動路徑限定為環形螺旋流動路徑與軸向卷繞(winding)流動路徑的組合。
[0007]具有連續環形螺旋特徵的第一同心管和第二同心管，即外螺旋管和內螺旋管，可以被同軸地布置使得空間可以形成於它們之間。這種幾何形狀迫使流體流持續地改變方向並且因此引起漩渦，漩渦改進了混合、傳熱和柱塞流。因此流動路徑可限定用於流體的環形路徑，用於流體的環形路徑由表面限制並且可以成形為螺旋波形。因此，具有螺旋特徵的外管和內管可以類似螺釘和螺母地接合，其中螺旋特徵充當螺紋。當管彼此組裝時，內螺紋管可以被旋擰到外螺旋管內。在螺旋特徵之間的空隙中，可以形成所希望的環形卷繞流動路徑。
[0008]管狀流動模塊也可包括在第一管外側同軸地布置的管。外側管的最小直徑可大於或小於第一管的最大直徑，並且所形成的環形空間可以限定為在外管與第一管之間的空間並且環形空間可以用於傳熱流體或其它流體。
[0009]管狀流動模塊也可包括在第二管內側同軸地布置的管。內側管的最大直徑可以小於或大於第二管的最小直徑，並且所形成的環形空間可以被限定為在內側管與第二管之間的空間並且環形空間可以用於傳熱流體或其它流體。
[0010]內側管和外側管可分別合適地選自圓柱形管、波紋管、加肋管、螺旋形管或者具有螺旋翅片的管。
[0011]管狀流動模塊可包括多於兩個同心管，其具有彼此同軸地布置螺旋特徵，從而形成用於流體的多於一個環形流動路徑。
[0012]流動模塊因此可以具有一個或多個流動路徑和一個或多個環形流動空間。環形流動路徑可以用於工藝流，但也可能的是，環形流動路徑可以用於傳熱流體。環形流動空間可以用於傳熱流體或工藝流體。
[0013]管狀流動模塊可包括彼此同軸地布置的多於兩個螺旋形同心管，從而形成多於一個環形流動路徑。而且，環形流動空間，即用於傳熱流體或用於工藝流體的流動空間，可以同軸地布置於流動模塊內。每個環形流動路徑和每個環形空間可以具有至少一個入口和至少一個出口。若干同心環形流動路徑和環形流動空間可以在同一流動模塊內，並且管可以為任何類型的合適形狀並且可以選自圓柱形管、波紋管、加肋管、螺旋形管或具有螺旋翅片的管。
[0014]在根據本發明的管狀流動模塊中，具有螺旋特徵的管可以選自螺旋狀形成的壁或者具有附連的螺旋翅片的管。螺旋特徵具有適合於獲得每個環形流動路徑中改進的柱塞流類型的流體流動的節距(Pitch) (A)、空隙(B)和螺旋特徵高度(C)。環形流動空間也可以具有適合於在每個環形流動空間中獲得柱塞流類型的流體流動的節距(A)、空隙(B)和螺旋特徵高度(C)。
[0015]在螺旋形同心管與內側管或外側管之間的環形空間可以具有布置在空間內的一個或多個間隔件以保持流動路徑並且在螺旋形同心管與內管或外管之間提供預先設計的距離。流動路徑還可由一個或多個端部連接件保持。本發明的管可以具有定位器件，其與一個或多個端部連接件一起定位，並且因此定位和穩定管布置。端部連接件可以具有用於流體的埠。埠可以在切向方向上布置到流動路徑，在徑向方向上布置到流動路徑或者與在端部連接件上的管縱向對準，即軸向方向。
[0016]所有部件，即具有螺旋特徵的管，內管、外管和端部連接件可以利用例如螺栓安裝在一起，但其它方案也是可能的，諸如焊接、釺焊、液壓。一個或兩個螺母可以為與螺栓一起將模塊閉合的器件。布置於兩個端部連接件內的端帽可以是與螺母或螺栓一起或者不與螺母或螺栓一起將模塊閉合的一種方式。端部連接件與端帽一起可以是單獨件或者整合為單件，取決於模塊可被構造和閉合的方式。可以使用一個或兩個彈簧諸如螺旋彈簧、盤簧、盤簧組，其被調整以補償熱膨脹和/或作為安全件來允許管在太高壓力下打開。
[0017]管狀流動模塊可以具有一個或多個進入埠或一個或多個埠孔或其組合，這些進入埠或埠孔可以通向環形流動路徑或環形空間。進入埠或埠孔口可以是流體入口、流體出口或用於器械的埠。進入埠或埠孔可以切向地、徑向地或軸向地布置到環形流動路徑或環形空間。[0018]一個或多個進入埠或一個或多個埠孔或其組合可以配備一個或多個埠配件。埠配件可以具有布置，用於噴嘴、用於傳感器單元、用於熱電偶、用於彈簧加載的傳感器或用於電阻溫度計。
[0019]根據本發明可以穿過埠配件插入的噴嘴可以選自任何合適噴嘴。噴嘴的示例為噴射噴嘴、分散噴嘴、再分散噴嘴、再混合噴嘴、同軸噴嘴、噴嘴管等。
[0020]同軸噴嘴可以被限定為一個布置於另一個內的兩個或更多個管，具有較大半徑的較大管包圍具有較小半徑的較小管。當使用這樣的噴嘴時兩種或更多種流體可以混合或者形成分散液。再混合噴嘴可以是帶有孔的管噴嘴，孔具有噴嘴頭，並且孔具有比管更小的半徑。噴嘴可以是分散噴嘴，其可以在分散噴嘴的出口處具有一個或多個孔並且孔可以被布置為同心圓或者孔可以被布置為其它合適樣式。
[0021]流動模塊的管的材料可選自:不鏽鋼、鐵基合金、鎳基合金、鈦、鈦合金、鉭、鉭合金、鑰基合金、錯、錯合金、玻璃、石英、石墨、強化石墨、哈氏合金(Hasteloy),或抗工藝介質的任何其它材料。用於管的其它適當材料為諸如塑料的專門材料，該塑料諸如PEEK(聚醚醚酮)、PPS (聚苯硫醚)、PTFE (聚四氟乙烯)、芳香橡膠或含氟橡膠，PP (聚丙烯)等，管道可由上述材料製成。不同的管可由相同材料製成，但也可能的是，不同的管可由不同材料製成。也可能的是，管中的至少一個可以由膜材料製成並且因此管模塊可以具有膜容量。管可以被塗覆有例如催化劑材料或者具有適合於流動模塊的目的的性質的任何其它類型的材料。
[0022]本發明還涉及管狀流動模塊系統，管狀流動模塊系統可包括可以彼此串聯、並聯或其組合的至少兩個管狀流動模塊。另一替代方案可以是管狀流動模塊系統可以在殼內側或內部，從而形成一種殼與管系統。
[0023]根據本發明的管狀流動模塊可以作為用於化學反應的反應器、作為用於傳熱的熱交換器，作為用於分離或提取的接觸器(contactor)或其組合。
[0024]參考附圖，本發明的其它方面和優點將在本發明的實施例的下文詳細描述中給出。以下附圖旨在說明本發明而不是限制本發明的範圍。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0025]圖1公開了具有兩個螺旋形管的本發明的流動模塊。
[0026]圖2公開了本發明的另一實施例，其中，流動模塊具有兩個螺旋形管以及內管和外管，從而形成用於傳熱流體的路徑。
[0027]圖3公開了本發明的又一實施例，其中，流動模塊具有兩個螺旋形管以及內管和外管，從而形成用於傳熱流體的路徑。
[0028]圖4公開了管的節距、空隙和螺旋特徵高度。
【具體實施方式】
[0029]兩個同心螺旋形管I和2以如下方式形成，這種方式允許它們之一接合到另一個中。螺旋形狀將用作螺紋，其中，內管2的外徑大於外管I的內徑。在兩個管之間的空隙中，形成空間，即流動路徑3。流動路徑3在管I和2的軸向和縱向方向上形成螺旋形路徑以及卷繞路徑。[0030]這種設計可以合適地用作流體流動路徑，流體可以是工藝流體或傳熱流體。平均流動方向是在軸向方向上。也將可以在管的徑向和切向方向上存在變化的速度。速度分量的大小可以由螺旋節距A、空隙B和特徵高度C來調整。速度變化在所有方向上引起漩渦。這良好地用於混合、打破邊界層並且形成改進的柱塞流條件。溼潤表面與空間體積的比例可以由螺旋之間的空隙調節。這些特徵使得設計適合於流動模塊、反應器、熱交換器等。流體流可以為任何類型，諸如液體、漿或氣體。
[0031]圖2示出了，外螺旋管I可以封閉於外管4中，從而在外螺旋管I與外管4之間形成用於流體流(例如傳熱流體)的環形空間5或路徑。內螺旋管2可以封閉內管6，從而在內管6與內螺旋管2之間形成用於流體流(例如傳熱流體)的環形空間7。管4和6可以是直同心即圓柱形管，如圖2所示。管4和6可以是螺旋形的或者帶有螺旋翅片的管，或者管4和6可以具有任何其它合適形狀，諸如波紋、加肋管或任何其它形狀，其裝配於螺旋管(即管I和2)內側或外側，管4和6的除了圓柱形狀之外的其它類型形狀未在圖2中示出。
[0032]環形空間5和7可以分別在外圓柱形管4與外螺旋管I之間、內圓柱形管6與內螺旋管2之間配備一個或多個間隔件，所述間隔件在圖2中並未示出。間隔件可以用於加強的目的、用於對準、用作混合增強元件或者用作固定位點。
[0033]螺旋管I和2由端部連接件9在每個端部在軸向和切向方向彼此定位。定位器件整合於配合部件中。螺旋管I和2和端部連接件9通過可替換的密封件(即O形環等)或者永久密封(即焊接、釺焊等)彼此相靠密封。端部連接件9具有一個或多個埠 10，用於連接到流體管線或者例如熱電偶或壓力換能器的器械等。
[0034]外管4和外螺旋管I由端部連接件11密封。對於圓柱形管4的情況，無需切向定位。端部連接件11具有一個或多個埠 12，用於連接到流體管線或者例如熱電偶或壓力換能器的器械等。埠 12可以在切向方向上布置到螺旋形管1，在以優選方向引導流體的方向上。
[0035]內管6和內螺旋管2由端部連接件13密封。對於圓柱形管6的情況，無需切向定位。端部連接件具有一個或多個埠 14，用於連接到流體管線或者例如熱電偶或壓力換能器的器械等。埠 14可以在切向方向上布置到螺旋形管2，在以優選方向引導流體的方向上。所有密封件是包圍的(ambient)而不是在流動路徑或環形空間3、5和7之間，以最小化交叉汙染的風險。
[0036]所有部件，即，螺旋管I和2，圓柱形管4和6和端部連接件9、11和13由螺栓15、螺母17、端帽16和盤簧組18保持在一起。可以調整盤簧18以補償熱膨脹效應和/或用作安全特徵或裝置以允許管在太高壓力下打開。
[0037]形成流動模塊系統的若干單元可以連接在一起。埠 10、12和14可以連接於這些單元之間或者歧管中。
[0038]圖3示出了管狀流動模塊，其中在螺旋管2與圓柱形管6之間的空間7配備有布置於圓柱形管6上的混合增強元件19。混合增強元件19可以是螺紋19或者螺紋翅片19，其遵循螺旋管2的螺旋形狀。相應布置可以形成於圓柱形管4與螺旋管I之間的空間5中，這在圖3中未示出。埠 10、12和14為流體入口、流體出口或器械埠。在圖3中，埠10、12和14切向地或徑向地布置到環形流動路徑3或環形空間5和7，但其它替代方案也是可能的。一種可能的埠布置將埠軸向地布置於流動路徑或流動空間，這在圖3中未示出。
[0039]圖4示出了螺旋管的節距A、空隙B和螺旋特徵高度C的關係。節距A、空隙B和螺旋特徵高度C也適用於具有螺旋翅片19的圓柱形管，螺旋翅片19被布置成增強流動空間5和7內的混合。圖4並未公開這點。節距A、空隙B和螺旋特徵高度C也可以促進在每個環形流動路徑3和流動空間5和7中的柱塞流類型的流體流動。
[0040]當進行以下工藝操作時，本發明的流動模塊是有用的；製備、反應、混合、摻合、作冷凍操作、洗滌、萃取和提純、PH調節、溶劑交換、化學製品的製備、中間化學製品的製備、當與低溫操作一起工作時製備API (活性藥物成分)、藥物中間體的製備、放大和縮小研製、沉澱或結晶、執行多重噴射或多重添加或多重測量或多重取樣、與多級反應一起工作、預冷操作、預熱操作、後熱和後冷操作、用於將分批工藝轉換成連續工藝的工藝和用於對流進行分開和重組的操作。
[0041]在本發明中可執行的反應類型包括加成反應、排代反應、消除反應、交換反應、熄滅反應、還原、中和、分解、置換或取代反應、歧化反應、催化反應、切斷反應、氧化、閉環和開環、芳構化和脫芳構化反應、保護和去保護反應、相轉移和相轉移催化、光化學反應、涉及氣相、液相和固相的反應，並且其可涉及自由基、親電體、親核基團、離子、中性分子等。
[0042]合成，諸如胺基酸合成、不對稱合成、手性合成、液相肽合成、烯烴複分解、肽合成等，也可利用流動模塊實現。流動模塊可在其中使用的其它類型的合成為在碳水化合物化學、二硫化碳化學、氰化物化學、乙硼烷化學、表氯醇化學、肼化學、硝基甲烷化學等內的反應或雜環化合物的、乙 炔化合物的、醯基氯的、催化劑的、細胞毒素化合物的、類固醇中間體的、離子流體的、吡啶化學製品的、聚合體的、單體的、碳水化合物的、硝酮等的合成。
[0043]流動模塊適合於照某人姓名命名的反應，諸如Aldol縮合、Birch還原、Baeyer-Villiger 氧化、Curtius 重排、Dieckmann 縮合、Diels-Alder 反應、Doebner-Knoevenagel 縮合、Friedel-Crafts 反應、Fries 重排、Gabriel 合成、Gomberg-Bachmann 反應、Grignard 反應、Heck 反應、Hofmann 重排、Japp-Klingemann 反應、Leimgruber-Batcho 吲哚合成、Mannich 反應、Michael 加成、Michaelis-Arbuzov 反應、Mitsunobu 反應、Miyaura-Suzuki 反應、Reformatsky 反應、Ritter 反應、Rosenmund 還原、Sandmeyer 反應、Schiff 喊還原、Schotten-Baumann 反應、Sharpless 環氧化作用、Skraup合成、Sonogashira 偶聯、Strecker 胺基酸合成、Swern 氧化、Ullmann 反應、Willgerodt 重排、Vilsmeier-Haack 反應、Williamson 醚反應、Wittig 反應等。
[0044]流動模塊適合的更多的反應為:縮合反應、偶聯反應、皂化、臭氧分解、環化反應、環聚反應、脫滷作用、脫氫環化作用、脫氫作用、脫氫滷化作用、重氮化作用、二甲基硫酸鹽(酯)反應、滷化物交換、氰化氫反應、氟化氫反應、氫化反應、碘化反應、異氰酸鹽(酯)反應、乙烯酮反應、液氨反應、甲基化反應、偶聯、有機金屬反應、金屬化作用、氧化反應、氧化耦合作用、含氧化合物合成反應、縮聚作用、聚酯化作用、聚合作用，其它反應，諸如乙醯化作用、芳基化作用、丙烯酸酯化作用、烷氧基化作用、氨解作用、烷基化作用、烯丙位溴化作用、醯胺化作用、胺化作用、疊氮化作用、苯甲醯作用、溴化作用、丁基化作用、羰基化作用、羧化作用、氯化作用、氯甲基化作用、氯磺醯化作用、氫化作用、氰乙基化作用、氰甲基化作用、氰尿酸鹽(酯)化作用、環氧化作用、酯化作用、醚化作用、滷化作用、加氫甲醯基化作用、氫化矽烷化作用、羥基化作用、縮酮化作用、硝化作用、硝基甲基化作用、亞硝化作用、過氧化作用、光氣化作用、季胺化作用、甲矽烷基化作用、氯磺化作用、磺化作用、磺化氧化作用、硫代羰基化作用、硫光氣化作用、甲苯磺醯化作用、氨基交換作用、酯交換作用等。
[0045]上文的描述並不限於所提到的本發明的實施例，但對於本領域技術人員而言，能在所要求保護的本發明的範圍內進行若干可能修改。
【權利要求】
1.一種管狀流動模塊，其包括具有連續環形螺旋特徵的至少兩個同心管(1，2)，其中管(2)同軸地布置於管(I)內側並且每個管具有最大直徑和最小直徑，其中管(2)的最大直徑大於管(I)的最小直徑，從而在管(I)與管(2)之間形成空間，並且所述空間限定管(I)與(2)之間用於流體的流動路徑(3)，其中流動路徑(3)限定為環形螺旋流動路徑與軸向卷繞流動路徑的組合。
2.根據權利要求1所述的管狀流動模塊，其特徵在於，所述管狀流動模塊還包括同軸地布置在管(I)外側的管(4)，其中管(4)的最小直徑大於或小於管(I)的最大直徑，並且環形空間(5)限定為在管(4)與管(I)之間的空間並且所述環形空間用於傳熱流體或其它流體。
3.根據權利要求1或2所述的管狀流動模塊，其特徵在於，所述管狀流動模塊還包括同軸地布置在管(2)內側的管(6)，其中內管(6)的最大直徑小於或大於管(2)的最小直徑，並且環形空間(7)限定為管(6)與管(2)之間用於傳熱流體或其它流體的空間。
4.根據權利要求1、2或3所述的管狀流動模塊，其特徵在於，管(6)和管(4)分別選自圓柱形管、波紋管、加肋管、螺旋形管或帶螺旋翅片的管。
5.根據權利要求1至4中任一項所述的管狀流動模塊，其特徵在於，所述管狀流動模塊包括多於兩個同心管(1，2)，其具有彼此相對同軸地布置的螺旋特徵，從而形成用於流體的多於一個環形流動路徑(3)。
6.根據權利要求1至5中任一項所述的管狀流動模塊，其特徵在於，每個環形流動路徑(3)和每個環形空間(5，7)具有至少一個入口和至少一個出口。
7.根據權利要求1至6所述的管狀流動模塊，其特徵在於，一個或多個進入埠或一個或多個埠孔或其組合通向環形流動路徑(3)或環形空間(5，7)。
8.根據權利要求1至7中任一項所述的管狀流動模塊，其特徵在於，埠(10，12，14)為流體入口、流體出口或用於器械的埠，並且埠(10，12，14)切向地、徑向地、軸向地或縱向地布置到環形流動路徑(3)或環形空間(5，7)。
9.根據權利要求1至8中任一項所述的管狀流動模塊，其特徵在於，具有連續環形螺旋特徵的管選自螺旋狀形成的壁和具有附連的螺旋翅片的管。
10.根據權利要求1至9中任一項所述的管狀流動模塊，其特徵在於，所述連續環形螺旋特徵具有適合於形成每個環形流動路徑(3)的節距(A)、空隙(B)和螺旋特徵高度(C)。
11.根據權利要求1至10中任一項所述的管狀流動模塊，其特徵在於，所述流動路徑限定用於流體的環形流動路徑並且由所述兩個同心管(1，2)的表面限制，並且所述表面被成形為螺旋波形並且當組裝時充當螺紋。
12.—種管狀流動模塊系統，其包括至少兩個根據前述權利要求中任一項所述的管狀流動模塊，其中所述管狀流動模塊彼此串聯、並聯或者其組合。
13.根據權利要求12所述的管狀流動模塊系統，其特徵在於，所述管狀流動模塊系統在殼內側，從而形成一種殼與管系統。
14.根據權利要求1至11中任一項所述的管狀流動模塊或者根據權利要求12至13中任一項所述的管狀流動系統作為用於化學反應的反應器、用於傳熱的熱交換器、用於分離或提取的接觸器或其組合的用途。
【文檔編號】B01J8/06GK104023837SQ201280054575
【公開日】2014年9月3日 申請日期:2012年10月31日 優先權日:2011年11月8日
【發明者】K.赫格倫德 申請人:阿爾法拉瓦爾股份有限公司