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CN102811803A - 减少过渡的静态混合器构造 - Google Patents

减少过渡的静态混合器构造 Download PDF

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CN102811803A
CN102811803A CN2011800143029A CN201180014302A CN102811803A CN 102811803 A CN102811803 A CN 102811803A CN 2011800143029 A CN2011800143029 A CN 2011800143029A CN 201180014302 A CN201180014302 A CN 201180014302A CN 102811803 A CN102811803 A CN 102811803A
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P.A.吉利斯
J-P.杰尔克
A.克林格
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Dow Global Technologies LLC
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Abstract

在位于静态混合器的出口和反应器/分离器贮存器之间的管道中过多的停留时间可以导致不期望的副产物，形成固体，和管道污垢。本申请涉及具有降低过渡时间的静态混合器的改善构造，以帮助在混合的工艺过程中减少产生不期望的副产物，更特别地涉及包括用于将从静态混合器至反应器/分离器贮存器的过渡时间减少至1秒或更少的短或极短管道的光气反应器。

Description

减少过渡的静态混合器构造
技术领域
本申请涉及具有降低过渡时间的静态混合器的改善构造，以帮助在混合的工艺过程中减少产生不期望的副产物和污垢，更特别地涉及具有用于将从静态混合器至反应器/分离器贮存器的反应混合物过渡时间减少至1秒或更少的短或极短输出管道的光气和胺反应器。
背景技术
异氰酸酯的分子特征在于N=C=O官能团。最广泛使用的异氰酸酯是源自苯的芳族化合物。两种多异氰酸酯在工业上广泛生产，即，甲苯二异氰酸酯(TDI)和聚合的亚甲基二苯基-二异氰酸酯(PMDI)。PMDI是聚亚甲基二异氰酸酯和两种单体亚甲基二苯基二异氰酸酯异构体的混合物。最后，这些异氰酸酯与多元醇反应形成聚氨酯。主要聚氨酯应用中的两种是针对器具绝缘体的刚性泡沫体和针对床垫和座椅的挠性泡沫体。
混合在PMDI和TDI生产中是重要的。PMDI产品品质和TDI收率取决于多步化学反应网络，包括第一步骤，其中反应物的两个连续流导入到混合器中并且其中由于在工艺的第一步骤中生成的化合物的剩余反应性，在主反应之后产生的二级影响或反应发生并最终降低产品组合物的品质。例如，在光气化作用化学的情况下，在本申请也称为胺的亚甲基二(苯胺)(MDA或PMDA)与COCl2(光气)混合，生成氢氯酸(HCl)和氨基甲酰氯的混合物。化学反应可以描述为如下：
胺+COCl2->HCl+氨基甲酰氯
氨基甲酰氯然后分解为异氰酸酯。尽管需要生产异氰酸酯，但是二级反应可以导致产生不期望的副产物。认为这些二级反应中的一些生成产物例如胺盐酸盐、脲、和碳二酰亚胺。
由于不期望形成副产物例如脲和/或加成的产物A(APA)，增加溶剂中光气与PMDA的比率、稀释溶剂中的PMDA、或改善混合而不会带来不期望的混合可以最小化不期望的副产物和污垢的形成。很多已知和未知的因素控制主反应的品质。混合的品质和速率可以受设备污垢、或混合器内喷射器的堵漏影响，这由此导致降低的性能。随着时间流逝，结块和随后的堵塞扰乱流体流动通过静态混合器中PMDA的入口喷射器的注射和分布。例如，在静态混合器的出口，长导管或管a.k.a.管道运输反应混合物。当其流动至下游反应器/分离器贮存器时，该混合物进一步反应、产生热量、和改变气体/液体组成。
当穿过注嘴的物质溶解或悬浮在溶剂或任何其它悬浮介质中时，污垢的危险性降低。由于发生二级反应，污垢也可能发生在设备表面上。当发生污垢和/或堵塞时，必须中断连续工艺，将静态混合器拆开和清洁，产生不期望和昂贵的停机周期。当使用危险的物质时，工业卫生规则成为在静态混合器的拆卸过程中必要的昂贵措施，例如在拆卸前系统的彻底冲洗，气氛的耗尽，工人的保护服装、和呼吸设备。这些措施的每一种都会增加总成本，降低产量，和降低工艺的效率。
一些化学反应需要适当的混合以减少二级反应。适当的混合可以防止初始反应的产物与反应流中另一组分反应产生二级反应中的不期望产物。不适当的混合可能有助于副产物形成和静态混合器污垢。因此，不会促进适当混合的静态混合器设计可能导致所需产物的总收率降低或者可能产生堵塞或污垢反应器系统的产物，导致停机和/或增加维护成本。
在第一种类型的静态混合器中，光气沿装置的轴运输，PMDA使用多个-T型混合器从圆周孔插入光气的主要流中。在第二种类型的静态混合器中，光气沿装置的轴运输，PMDA围绕置于光气流中的内部结构的间隔位置圆周插入以产生环形混合区域。这样的结构如以下文献所示并描述于该文献，提交于________的美国申请________，通过参考完全并入本申请。新型静态混合器用于减少反应的不期望的副产物，但是它们通常不足以最优化总体反应和生产异氰酸酯的有关速率并且仍导致一定水平的不期望污垢。
胺光气化作用化学需要反应流之间的适当混合。PMDA与氨基甲酰氯和异氰酸酯反应产生不期望的副产物。最后，形成过程的目的是为了避免二级反应和产生APA。
在TDI的生产中，不期望产物，即，焦油，必须在之后与异氰酸酯分离。集中在主反应和以上描述的避免二级反应的改进使得生产量提高。相反，在PMDI生产中，不期望的产物APA作为产物中的杂质出售，关于反应选择性的关键设计目的是保持最终产物中可接受的APA含量。当体积流量增加时，混合效率下降，因此二级反应较易发生，由此，不期望含量的杂质增加。
美国专利申请10/539,802描述了两步骤或多步骤工艺连续生产异氰酸酯的新方法，其给出非常高的化学收率和低停顿。该方法依赖于控制在工艺不同阶段的压力和温度以最优化不同的反应。温度增加通过控制总工艺中在不同贮存器的过渡时间而部分受控。
美国专利申请10/539,802教导连续工艺和有关混合物如何在三个阶段中进行：第一阶段混合胺和光气以在非常快的反应中形成氨基甲酰氯和氯化氢和胺盐酸盐，接下来两个阶段分解氨基甲酰氯以形成所需异氰酸酯和氯化氢以及使胺盐酸盐进行光气化作用以形成氨基甲酰氯。限制副产物和固体形成的一种方法是使产物溶解在有机溶剂中并在反应器中快速混合它们。在所描述工艺第二阶段达到的温度通常高于在第一阶段达到的温度。
在所有现有技术中，美国专利申请10/539,802描述了经导管或具有注嘴的管从第一阶段的混合反应器至第二阶段的反应器的通道。申请’802描述了反应，其第二阶段的停留时间为1秒至30分钟，优选的平均停留时间为30秒至10分钟，甚至更优选的平均停留时间为2至7分钟。以上描述的停留时间保持较高并且仍在系统中产生不可接受的不期望的副产物和固体。该参考文献并未教导在第一阶段反应器出口的导管或管如何影响工艺或对总体工艺产生二级影响。
公开US 2006/0041166A1描述了将光气和胺混合器置于图1所示的反应器容器内。一部分光气再循环并在用于排放HCl的精馏系统与新鲜的光气混合。来自喷射混合器的排放端深深插入反应器中某一点，在该点可以将排放物立即加热。图1中所示的系统提供在低于反应器中温度的温度操作的喷射混合器。排放端位于反应器中液体表面之下并且用作喷射器以产生反应器中的循环模式。
图2显示典型的构造，其中PMDI的连续流与COCl2的连续流在静态光气混合器中混合。在该构造中，在混合物到达反应器/分离器贮存器的隔离阀之前，混合物行进距离B。这些隔离阀并非必要的，但是可以用于帮助拆除和清洁静态混合器。
所有的静态混合器通常位于距贮存器/分离器一段距离的地方并且由于发生污垢而需要频繁维护。在通常邻近下游贮存器/分离器的位置这些混合器的出口上的管道中通常需要维护。清洁这些管道代表危险和重要的维护成本。
需要能够提高静态混合器的生产量同时降低对管道维护的需要和降低有关的危险的改善方法。也需要限制产生杂质和污垢、和由静态混合器产生的其它固体的新方法。
发明内容
在位于静态混合器的出口和反应器/分离器贮存器之间的管道中过多的停留时间可以导致不期望的副产物，形成固体，和管道污垢。本申请涉及具有降低过渡时间的静态混合器的改善构造，以帮助在混合的工艺过程中减少产生不期望的副产物和污垢，更特别地涉及包括用于将从静态混合器至反应器/分离器贮存器的过渡时间减少至1秒或更少的短或极短管道的光气反应器。
附图说明
某些优选的实施方式如附图所示。但是，应该理解本申请不限于附图所示的排列和工具。
图1是根据US 2006/0041166A1连续制备异氰酸酯的工艺。
图2说明根据现有技术的具有到达反应器/分离器贮存器的长管道的静态混合器。
图3说明根据本申请实施方式的降低过渡的静态混合器的构造。
图4是柱形图，说明对于两种不同的生产速率，与图3所示的降低过渡的光气混合器中的停留时间相比，图2所示的现有技术中离开静态混合器的反应性混合物的可能停留时间。
图5说明根据另一种实施方式的降低过渡的光气静态混合器。
图6说明在图5所示的降低过渡的混合器，其中混合器是具有根据本申请另一实施方式的导向元件的静态混合器。
具体实施方式
针对促进和理解本发明和本申请公开的原理的目的，现在参考附图中说明的优选实施方式，具体术语用于描述它们。但是应该理解这不意图限制本发明的范围。在说明的装置中的这样的变更和进一步修正和按照本申请说明公开的原理的这种进一步应用也可以正常地由本申请所涉及技术领域技术人员所想到。
期望减少管道污垢和通常与有机异氰酸酯的生产相关的污垢。一些固体在光气和胺的混合工艺的化学反应过程中形成。这些化学物质的危险性质增加与维护在静态混合器的出口上的管道有关的困难。这些固体行进通过导管并最终使它们自己集聚在反应器/分离器贮存器或者可以甚至在混合器的出口污垢管道。期望在静态混合器的出口移除管道或减小管道的长度。
静态混合器的出口管道的不同构造显示，管道的不同几何形状、管道直径的变化或管道长度的变化对不期望的副产物和管道的污垢具有影响。
图4说明构造，其中例如不多于约10英尺的短管道和例如不多于约20英尺的长管道以100%的作为混合物的光气和胺(100%Q)的满流形式连接于静态混合器的出口。该表也说明，70%的作为混合物的光气和胺(70%Q)的减少流。该图进一步证明，管道长度减少50%对于满流和减少流形式都使过渡时间减少多于50%。管道中的可变蒸发使得长度和停留时间之间的关系为非线性。在静态光气混合器的出口的长管道是不期望的并且当可以时应该移除或缩短。
在图3中，静态混合器10的位置直接邻近于反应器阀8。当比较图2和3所示的构造时，静态混合器10和反应器/分离器贮存器1之间的距离从A+B降至A。第一管道13、和14以及任何控制或调节阀11将光气(COCl2)的连续流运送至静态混合器10。也可以装备有控制或调节阀12的第二管道16、和15调节PMDA的连续流到达进入静态混合器10。在各组分在静态混合器10中混合之后，混合物通过连接管6行进离开静态混合器10的出口，混合物然后在过渡进入管道达所描述时间段作为停留时间之后达到进入反应器/分离器贮存器1。
在一种实施方式的实例中，静态混合器10之间的约20英尺管道的操作寿命仅为6天。当管道长度降至图3所示实施例的约10英尺时，操作寿命增至多于40天。
在图5和图6中所示的另一种构造中，静态光气混合器10直接位于液体管线3下方的反应器/分离器贮存器1的底部。在该构造中，静态光气混合器10的出口和反应器/分离器贮存器1之间的距离甚至进一步减小但是并未完全消除。图6显示构造，其中静态光气混合器1是具有充分描述于提交于____的美国申请________题为Static Mixer的导向元件89的静态混合器，该文献通过参考完全并入本申请。
图3，与图2相比，显示在连续制备有机异氰酸酯或多异氰酸酯中减少污垢和不期望的副产物的方法，所述制备是通过有机胺与光气在有机溶剂存在下在压力下的反应进行的。该方法包括以下步骤：在静态光气混合器10中混合图3中所示的作为COCl2的包含光气的流与作为PMDA所示的包含胺的流，以产生送至反应器/分离器贮存器1的反应的胺-光气的混合物。此外，该方法包括以下步骤：将反应的胺-光气混合物排放到异氰酸酯反应器/分离器贮存器1中，其中由字母A所示的管道6和有关的阀8位于静态混合器10的出口和反应器/分离器贮存器1的入口之间，并且加以构造，由此胺和光气的流的停留时间小于1秒。
静态光气混合器10可以布置得低于或连接于图6中所示的反应器/分离器贮存器1的壁120。在一种实施方式中，异氰酸酯选自二苯基甲烷二异氰酸酯(MDI)，聚亚苯基-聚亚甲基多异氰酸酯(PMDI)，甲苯二异氰酸酯(TDI)，六亚甲基二异氰酸酯(HDI)，异佛尔酮二异氰酸酯(IPDI)，或二苯基甲烷二异氰酸酯(MDI)和聚亚苯基-聚亚甲基多异氰酸酯(PMDI)的混合物。列出了几种异氰酸酯，但是可以使用任何异氰酸酯、多异氰酸酯、或具有相同环境约束的任何其它化合物。
在静态光气混合器10的出口和反应器/分离器贮存器1之间的管道中产生的污垢和不期望的副产物通过以下任一种或其任何组合进一步减少：减小所述管道的内径，减小所述管道的长度，或增加反应的胺-光气混合物的体积流量。
图6显示了在连续制备有机异氰酸酯中减少污垢和不期望的副产物的方法，所述制备是通过有机胺例如PMDI与光气在有机溶剂存在下在压力下使用环形混合器10的反应进行的。该方法包括以下步骤：在环形静态混合器10中混合包含光气的流与包含胺的流，以产生反应的胺-光气混合物的组合喷射物。此外，反应物然后排放进反应器/分离器贮存器1，如作为图3中的工艺部分所示。
由图2中A+B所示(其减小为在图3中的A)的管道在静态光气混合器10的出口和反应器/分离器贮存器1的入口之间限定，由此管道6或6和8中混合物的停留时间小于1秒，并且其中静态混合器10包括图6所示的通过外壳83内表面限定的第一通道82，由与由箭头所示的第一通道82相通的至少一个孔限定的第二通道85，和置于第一通道82中的与第二通道85大体上对齐的导向元件89，其中环形混合室在导向元件89和邻近第二通道85的内表面83之间限定。
本领域技术人员知道，尽管本申请的教导已经联系某些实施方式和方法进行说明，但是这并不意图将本发明限制于这样的实施方式和方法。相反，本申请的目的是覆盖清楚落入本申请教导范围内的所有修正和实施方式。

Claims (17)

1.减少通过管道连接于反应器/分离器贮存器的静态混合器中污垢和不期望的副产物的方法，该方法包括以下步骤：
在静态混合器中混合包含光气的流与包含胺的流，以产生反应的胺-光气的混合物；和
经管道将混合物卸料到所述反应器/分离器贮存器中，
其中所述管道在第一末端连接于所述静态混合器的出口，和在第二末端连接于所述反应器/分离器贮存器的入口，由此所述混合物在所述管道中的停留时间小于1秒。
2.权利要求1的方法，其中所述静态混合器的出口邻近于反应器阀。
3.权利要求1的方法，其中所述管道在第一末端和第二末端之间的长度为至多约20英尺，所述混合物在所述管道中以满流的形式的停留时间为约0.5秒。
4.权利要求1的方法，其中所述管道在第一末端和第二末端之间的长度为至多约20英尺，所述混合物在所述管道中以满流的70%的有限流的形式的停留时间为约1秒。
5.权利要求1的方法，其中所述管道在第一末端和第二末端之间的长度为至多约10英尺，所述混合物在所述管道中以满流的形式的停留时间为约1/10秒。
6.权利要求1的方法，其中所述管道在第一末端和第二末端之间的长度为至多约10英尺，所述混合物在所述管道中以满流的70%的有限流的形式的停留时间为约2/10秒。
7.权利要求1的方法，其中所述静态混合器的出口和所述反应器/分离器贮存器的入口之间的距离是非常短的但是并未消除。
8.权利要求1的方法，其中所述污垢和杂质的产生通过以下任一种或其任何组合进一步减少：减小所述管道的内径，减小所述管道的长度，或增加所述混合物的体积流量。
9.权利要求1的方法，其中所述管道的长度减小约50%会提高管反应器的操作寿命至少100%。
10.权利要求1的方法，其中所述管道在第一末端和第二末端之间的长度减小约50%，所述管道的操作寿命在时间上提高多于100%。
11.减少具有通过管道连接于反应器/分离器贮存器的导向元件的静态光气混合器中污垢和不期望的副产物的方法，该方法包括以下步骤：
在静态混合器中混合包含光气的流与包含胺的流，以产生反应的胺-光气的混合物；和
经管道将混合物卸料到所述反应器/分离器贮存器中，
其中设定在所述静态混合器的出口和所述反应器/分离器贮存器的入口之间限定的管道的构造，使得所述混合物在所述管道中的停留时间小于1秒，以及
其中所述静态混合器包括由外壳的内表面限定的第一通道，由与所述第一通道相通的至少一个孔限定的第二通道，和置于所述第一通道中与所述第二通道大体上对齐的导向元件；由此环状混合室在所述导向元件和邻近于所述第二通道的内表面之间限定。
12.权利要求11的方法，其中具有导向元件的静态混合器的出口和所述反应器/分离器贮存器的入口之间的距离是非常短的但是并未消除。
13.权利要求11的方法，其中所述静态混合器的出口邻近于反应器阀。
14.权利要求11的方法，其中所述静态混合器的出口和所述反应器/分离器贮存器的入口之间的距离是非常短的但是并未消除。
15.权利要求11的方法，其中所述污垢和不期望的副产物的产生通过以下任一种或其任何组合进一步减少：减小所述管道的内径，减小所述管道的长度，或增加所述混合物的体积流量。
16.权利要求11的方法，其中所述管道的长度减小约50%会提高管反应器的操作寿命至少100%。
17.权利要求11的方法，其中所述管道包括邻近于所述静态混合器的出口的第一末端和邻近于所述反应器/分离器贮存器的第二末端，并且其中所述第一末端和所述第二末端之间的管道的长度减小约50%，和所述管道的操作寿命在时间上提高多于100%。
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