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TWI429481B - 混合裝置 - Google Patents

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TWI429481B
TWI429481B TW096108224A TW96108224A TWI429481B TW I429481 B TWI429481 B TW I429481B TW 096108224 A TW096108224 A TW 096108224A TW 96108224 A TW96108224 A TW 96108224A TW I429481 B TWI429481 B TW I429481B
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impeller
mixing device
cis
bis
liquid phase
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TW096108224A
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Darren Gobby
John Colin Middleton
Neil Tindale
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Lucite Int Uk Ltd
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Description

混合裝置
本發明係關於一種混合裝置。詳言之(但不排他)，本發明係關於一種用於將氣體分散於液體中之裝置。
許多工業製程併有一葉輪驅動混合系統，例如用於醱酵、氫化、氯化、氧化及羰化之製程。
葉輪驅動混合系統通常併有一個安裝於一旋轉軸上之葉輪。認為該等系統可具有一平行於該旋轉軸之軸線之軸向縱向流及/或一平行於安裝於該軸上之徑向延伸葉片之徑向流。因此，該葉輪可能為一徑流式葉輪，其在徑向上向其中安置該葉輪之腔室壁投射流體，例如Chemineer BT－6TM 渦輪，或者該葉輪可為一軸流式葉輪，其包含以一角度傾斜使得在軸向上引導流體流動之徑向延伸葉片。軸流式葉輪之實例包括船用葉輪及水翼葉輪。已知其中葉輪在軸向及徑向上引起流動之混合流動系統。混流式葉輪之實例為45°傾斜之葉片渦輪。該等混合系統可用於液體－液體、液體－固體或液體－氣體之反應。
已知用於在一容器中將氣體分散於液體中之雙葉輪系統。特定而言，在1982年4月27日29日之Fourth European Conference on Mixing上，在Kuboi之題為"The Power Drawn by Dual Impeller Systems Under Gassed and Ungassed Conditions"之文章中，揭示兩種軸向間隔之45°傾斜之葉片渦輪，藉此一第一葉輪在一共用軸上安裝於一第二葉輪下方。葉輪葉片經定向使得該第一葉輪向上及向外地投射液體且該第二葉輪向下及向外地投射液體。在氣體之情況下，當氣體引入該容器中時，第一葉輪引起氣泡之入流分開，使得有些流徑向向外地驅向容器壁，且有些軸向向上地驅向第二葉輪。
在充氣之情況下，兩種葉輪系統之有效性視葉輪之旋轉速度而定。在較低速度下，可能藉由第一葉輪向上投射之氣泡不受第二葉輪之影響。第二葉輪不能克服浮力且因此第二葉輪在將氣體分散於液體中不起作用。僅當第二葉輪之旋轉速度提高時，克服浮力。不利地，產生氣體於液體中之不均勻分散。在本申請案之圖1中展示此情況。為達成均勻分散，另外不利地為第二葉輪之旋轉速度必須急劇提高。
在工業製程中極需要能夠達成完全均勻之分散。在其中氣體/液體質量轉移為基本特徵之工業製程中，此有助於可控性且增強反應器效能。在該等製程中，當氣體良好分散時，相當均勻之擾動動力渦流消散區域可存在於控制氣泡合併及破碎之葉輪之間及周圍的液體中。若氣體分散極不均勻，則不當合併可導致氣泡尺寸之急劇增加，且因此減少用於待發生之界面質量轉移之表面積。有利地，經控制之擾動能量消散場引起在葉輪比功率範圍中之窄氣泡尺寸分佈。
本發明之一目標為提供一種使得能夠控制流體或固體之混合同時同步提供有效混合環境之混合裝置。
根據本發明之第一態樣，提供一種用於混合至少兩種流體之混合裝置，該混合裝置包含一關於其縱向軸線可旋轉之軸、安裝於該軸上且分別軸向間隔開之一第一徑向延伸葉輪及一第二徑向延伸葉輪，該混合裝置之特徵在於該第一葉輪包含在軸向上可操作地使該等流體向該第二葉輪移動之複數個彎曲葉片，且該第二葉輪包含在軸向上可操作地使該等流體向該第一葉輪移動之複數個彎曲葉片。
較佳地，每一葉輪上之該等葉片向內泵送至葉輪之間的空間中。在大體上垂直軸之情況下，下部葉輪因此向上泵送且上部葉輪向下泵送。較佳地，每一葉輪之葉片為水翼葉片。合適之水翼葉片為Chemineer MaxfloTM W。或者，可使用Lightnin A315TM 、A320TM 或A340TM 。
有利地，由於由第一葉輪及第二葉輪產生之反向軸流，在該等葉輪之間的中央混合區中觀測到一高擾動區域。由於在此區中保持高擾動，因此在擾動能量消散方面存在很少變化。因此，在氣泡尺寸方面存在最小變化，此引起氣泡在中央混合區中之窄尺寸分佈。有利地，窄氣泡尺寸分佈使得製程或化學反應更容易控制。此區域提供其中至少兩種流體彙集在一起混合之區。因此，在中央混合區中可促進化學反應。該等流體可為液體－固體、液體－液體或液體－氣體。較佳地，至少兩種流體包含液體及氣體。
有利地提供其中氣泡尺寸基本上不依賴於葉輪比功率之氣體/液體混合環境。在此系統中，液體混合時間可不依賴於氣泡尺寸而變化。
較佳地，第一葉輪及第二葉輪各自包含兩個或兩個以上彎曲葉片，更佳為三個或三個以上彎曲葉片。最佳為具有四個彎曲葉片之葉輪。提供具有大量彎曲葉片之葉輪增加破碎大氣泡之剪切力作用。產生之小氣泡具有比用具有較少彎曲葉片之第一葉輪及/或第二葉輪產生之彼等小氣泡小的平均氣泡直徑，且因此增加用於待發生反應之有效表面積。
較佳地，第一葉輪之直徑與第二葉輪之直徑相同。較佳地，該葉輪或每一葉輪之直徑大體上為其中安裝該葉輪之容器之直徑的一半。
有利地，葉輪之直徑愈小，對於給定功率所產生之剪切力愈大，且因此產生大量小氣泡，此使得用於待發生反應之有效表面積增加。
較佳地，第一葉輪與第二葉輪之間的軸向距離相隔至少一個葉輪直徑。在此組態中，由反向葉輪產生之擾動在中央混合區中為平衡狀態，此容許預測氣泡尺寸且因此控制反應發生。
較佳由葉輪組合所獲得之總功率低。較佳地，葉輪在較佳大體上介於1與5之間，更佳大體上介於1與3之間，最佳大體上為1.75之低功率值下操作。在該種情況下，與在通常為3.2之功率值下操作之習知系統相比，該系統消耗較少能量。功率可使用例如應變儀之習知設備來量測。
較佳地，當在低功率值下操作時，達成完全均勻分散之相分佈。此極為合乎需要且由於葉片之能量效率，因此較佳為水翼葉片。
在不受理論限制之情況下，對於本發明之效率之一種可能解釋為利用水翼葉片減少翼尖渦旋且將更多軸能量轉化成流動而非擾動能量，促進完全分散。
較佳地，當第一葉輪及第二葉輪旋轉時，使用之比功率大體上介於50 W/m3 與900 W/m3 之間，更佳大體上介於100 W/m3 與800 W/m3 之間。
較佳地，當雙反向Maxflo型葉輪用於系統中時，較佳比功率大體上介於50 W/m3 與900 W/m3 之間。較佳地，當使用BT－6型葉輪時，較佳比功率大體上介於400 W/m3 與3200 W/m3 之間。在該等比功率下，保持窄氣泡尺寸分佈且控制反應。
較佳地，當使用雙反向Maxflo葉輪時，算術平均尺寸(d10 )大體上介於250 μm與550 μm之間且表面體積平均直徑(d32 )大體上介於400 μm與750 μm之間。較佳地，當在大體上750 rpm下操作時，d10 大體上介於250 μm與350 μm之間，最佳大體上為296 μm，且較佳d32 大體上介於400 μm與500 μm之間，最佳大體上為450 μm。較佳地，當在大體上991 rpm下操作時，d10 大體上介於300 μm與400 μm之間，最佳大體上為330 μm，且d32 較佳大體上介於460 μm與560 μm之間，最佳大體上為510 μm。較佳地，當在大體上1200 rpm下操作時，d10 大體上介於350 μm與450 μm之間，最佳大體上為394 μm，且d32 較佳大體上介於450 μm與550μm之間，最佳大體上為500μm。
較佳地，當使用BT-6型葉輪時，d10 大體上介於250μm與1500μm之間。尤其，當在大體上251rpm下操作時，d10 較佳大體上介於550μm與650μm之間，最佳大體上為633μm，且d32 較佳大體上介於800μm與1000μm之間，最佳大體上為978μm。較佳地，當在大體上380rpm下操作時，d10 較佳大體上介於800μm與900μm之間，最佳大體上為841μm，且d32 較佳大體上介於1000μm與1500μm之間，最佳大體上為1345μm。當在大體上500rpm下，d10 較佳大體上介於500μm與600μm之間，最佳大體上為597μm，且d32 較佳大體上介於700μm與800μm之間，最佳大體上為721μm。較佳地，當在大體上765rpm下操作時，d10 較佳大體上介於300μm與400μm之間，最佳大體上為378μm，且d32 較佳大體上介於400μm與500μm之間，最佳大體上為445μm。
在將氣體噴射至攪動液體介質之反應器中，在較佳介於50rpm與1200rpm之間，最佳大體上為50rpm至200rpm之葉輪速度下，較佳地，噴射氣體之速度大體上介於0.05m3 /s與1.0m3 /s之間，較佳大體上介於0.1m3 /s與0.5m3 /s之間，最佳大體上為0.13m3 /s。
在設計氣體液體混合系統中使用之關鍵參數為臨界分散速度。此為確保氣泡之均勻分散所需要之最小葉輪速度。在一具有較佳大體上介於1m與10m之間，更佳大體上介於2m與5m之間的直徑之容器中，在雙反向流動水翼系統中達成分散之臨界分散速度較佳大體上介於1 rpm與100 rpm之間，較佳大體上介於5 rpm與50 rpm之間，更佳大體上介於10 rpm與20 rpm之間，最佳大體上為14 rpm。
因此，在本發明之另一態樣中，提供一種化學反應系統，其包含液相及一根據本發明之第一態樣用於將流體混合於該液相中之混合裝置。較佳地，該流體為固體，或最佳地，該流體為氣體。
較佳地，液相包含至少一種用於與引入液相中之氣體反應的液相反應物，以及至少一種液相反應產物。較佳地，液相包括引入其中之氣體。較佳地，該氣體包含一或多種能夠與該或該等反應物反應之反應物。較佳地，液相包含催化劑系統。較佳地，反應系統為羰化反應系統，諸如同在申請中之英國專利申請案GB 0516556.8中所描述或如以下歐洲專利及專利申請案中所提及之羰化反應系統：EP－A－0055875、EP－A－04489472、EP－A－0106379、EP－A－0235864、EP－A－0274795、EP－A－0499329、EP－A－0386833、EP－A－0441447、EP－A－0489472、EP－A－0282142、EP－A－0227160、EP－A－0495547、EP－A－0495548、EP－A－1651587、EP－A－1565425、EP－A－1554039、EP－A－1534427、EP－A－1527038、EP－A－1204476、WO2005118519及WO2005079981。
較佳地，反應系統為羰化製程，其包含在較佳甲醇之羥基源及催化劑系統存在下，用一氧化碳將烯系不飽和化合物羰化，該催化劑系統包含(a)雙牙膦、胂或銻化氫配位體，及(b)選自第8、9或10族金屬或其化合物之催化金屬，較佳為鈀。較佳地，膦配位體係選自1,2－雙－(二－第三丁基膦基甲基)苯、1,2－雙－(二－第三戊基膦基甲基)苯、1,2－雙－(二－第三丁基膦基甲基)萘、1,2－雙(二金剛烷基膦基甲基)苯、1,2－雙(二－3,5－二甲基金剛烷基膦基甲基)苯、1,2－雙(二－5－第三丁基金剛烷基膦基甲基)苯、1,2－雙(1－金剛烷基第三丁基－膦基甲基)苯、1－(二金剛烷基膦基甲基)－2－(二－第三丁基膦基甲基)苯、1－(二－第三丁基膦基甲基)－2－(二鑽石烷基膦基甲基)苯(1－(di－tert－butylphosphinomethyl)－2－(dicongressylphosphinomethyl)benzene)、1－(二－第三丁基膦基甲基)－2－(磷－金剛烷基－P－甲基)苯、1－(二金剛烷基膦基甲基)－2－(磷－金剛烷基－P－甲基)苯、1－(第三丁基金剛烷基膦基甲基)－2－(二－金剛烷基膦基甲基)苯及1－[(P－(2,2,6,6－四甲基亞膦基－4－酮)膦基甲基)]－2－(磷－金剛烷基－P－甲基)苯，其中"磷－金剛烷基"係選自2－磷－1,3,5,7－四甲基－6,9,10－三氧雜金剛烷基,2－磷－1,3,5－三甲基－6,9,10－三氧雜金剛烷基、2－磷－1,3,5,7－四(三氟甲基)－6,9,10－三氧雜金剛烷基或2－磷－1,3,5－三(三氟甲基)－6,9,10－三氧雜金剛烷基；1,2－雙－(二甲基胺基甲基)二茂鐵、1,2－雙－(二第三丁基膦基甲基)二茂鐵、1－羥基甲基－2－二甲基胺基甲基二茂鐵、1,2－雙－(二第三丁基膦基甲基)二茂鐵、1－羥基甲基－2,3－雙－(二甲基胺基甲基)二茂鐵、1,2,3－三(二第三丁基膦基甲基)二茂鐵、1,2－雙－(二環己基膦基甲基)二茂鐵、1,2－雙－(二－異丁基膦基甲基)二茂鐵、1,2－雙－(二環戊基膦基甲基)二茂鐵、1,2－雙－(二乙基膦基甲基)二茂鐵、1,2－雙(二－異丙基膦基甲基)二茂鐵、1,2－雙－(二甲基膦基甲基)二茂鐵、1,2－雙－(二(1,3,5,7－四甲基－6,9,10－三氧雜－2－磷－金剛烷基甲基))二茂鐵、1,2－雙－(二甲基胺基甲基)二茂鐵－雙甲基碘化物、1,2－雙(二羥基甲基膦基甲基)二茂鐵、1,2－雙(二膦基甲基)二茂鐵、1,2－雙－α,α－(P－(2,2,6,6－四甲基亞膦基－4－酮))二甲基二茂鐵及1,2－雙－(二－1,3,5,7－四甲基－6,9,10－三氧雜－2－磷－金剛烷基甲基))苯；順－1,2－雙(二－第三丁基膦基甲基)－4,5－二甲基環己烷；順－1,2－雙(二－第三丁基膦基甲基)－5－甲基環戊烷；順－1,2－雙(2－膦基甲基－1,3,5,7－四甲基－6,9,10－三氧雜－金剛烷基)－4,5－二甲基環己烷；順－1,2－雙(2－膦基甲基－1,3,5,7－四甲基－6,9,10－三氧雜－金剛烷基)5－甲基環戊烷；順－1,2－雙(二－金剛烷基膦基甲基)－4,5－二甲基環己烷；順－1,2－雙(二－金剛烷基膦基甲基)－5－甲基環戊烷；順－1－(P,P金剛烷基，第三丁基膦基甲基)－2－(二－第三丁基膦基甲基)－4,5－二甲基環己烷；順－1－(P,P金剛烷基，第三丁基膦基甲基)－2－(二－第三丁基膦基甲基)－5－甲基環戊烷；順－1－(2－膦基甲基－1,3,5,7－四甲基－6,9,10－三氧雜－金剛烷基)－2－(二－第三丁基膦基甲基)4,5－二甲基環己烷；順－1－(2－膦基甲基－1,3,5,7－四甲基－6,9,10－三氧雜－金剛烷基)－2－(二－第三丁基膦基甲基)－5－甲基環戊烷；順－1－(2－膦基甲基－1,3,5,7－四甲基－6,9,10－三氧雜－金剛烷基)－2－(二金剛烷基膦基甲基)－5－甲基環己烷；順－1－(2－膦基甲基－1,3,5,7－四甲基－6,9,10－三氧雜－金剛烷基)－2－(二金剛烷基膦基甲基)－5－甲基環戊烷；順－1－(2－膦基甲基－1,3,5,7－四甲基－6,9,10－三氧雜－金剛烷基)－2－(二金剛烷基膦基甲基)環丁烷；順－1－(二－第三丁基膦基甲基)－2－(二金剛烷基膦基甲基)－4,5－二甲基環己烷；順－1－(二－第三丁基膦基甲基)－2－(二金剛烷基膦基甲基)－5－甲基環戊烷；順－1,2－雙(2－磷－1,3,5－三甲基－6,9,10－三氧雜三環－{3.3.1.1[3.7]}癸基)－4,5－二甲基環己烷；順－1,2－雙(2－磷－1,3,5－三甲基－6,9,10－三氧雜三環－{3.3.1.1[3.7]}癸基)－5－甲基環戊烷；順－1－(2－磷－1,3,5－三甲基－6,9,10－三氧雜三環－{3.3.1.1[3.7]}癸基)－2－(二－第三丁基膦基甲基)－4,5－二甲基環己烷；順－1－(2－磷－1,3,5－三甲基－6,9,10－三氧雜三環－{3.3.1.1[3.7]}癸基)－2－(二－第三丁基膦基甲基)－5－甲基環戊烷；順－1－(2－磷－1,3,5－三甲基－6,9,10－三氧雜三環－{3.3.1.1[3.7]}癸基)－2－(二金剛烷基膦基甲基)－4,5－二甲基環己烷；順－1－(2－磷－1,3,5－三甲基－6,9,10－三氧雜三環－{3.3.1.1[3.7]}癸基)－2－(二金剛烷基膦基甲基)－5－甲基環戊烷；順－1,2－雙－全氟(2－磷－1,3,5,7－四甲基－6,9,10－三氧雜三環{3.3.1.1[3.7]}－癸基)－4,5－二甲基環己烷；順－1,2－雙－全氟(2－磷－1,3,5,7－四甲基－6,9,10－三氧雜三環{3.3.1.1[3.7]}癸基)－5－甲基環戊烷；順－1,2－雙－(2－磷－1,3,5,7－四(三氟－甲基)－6,9,10－三氧雜三環{3.3.1.1[3.7]}癸基)－4,5－二甲基環己烷；順－1,2－雙－(2－磷－1,3,5,7－四(三氟－甲基)－6,9,10－三氧雜三環{3.3.1.1[3.7]}癸基)－5－甲基環戊烷；順－1,2－雙(二－第三丁基膦基甲基)環己烷；順－1,2－雙(二－第三丁基膦基甲基)環戊烷；順－1,2－雙(二－第三丁基膦基甲基)環丁烷；順－1,2－雙(2－膦基甲基－1,3,5,7－四甲基－6,9,10－三氧雜－金剛烷基)環己烷；順－1,2－雙(2－膦基甲基－1,3,5,7－四甲基－6,9,10－三氧雜－金剛烷基)環戊烷；順－1,2－雙(2－膦基甲基－1,3,5,7－四甲基－6,9,10－三氧雜－金剛烷基)環丁烷；順－1,2－雙(二－金剛烷基膦基甲基)環己烷；順－1,2－雙(二－金剛烷基膦基甲基)環戊烷；順－1,2－雙(二－金剛烷基膦基甲基)環丁烷；順－1－(P,P－金剛烷基，第三丁基－膦基甲基)－2－(二－第三丁基膦基甲基)環己烷；順－1－(P,P－金剛烷基，第三丁基－膦基甲基)－2－(二－第三丁基膦基甲基)環戊烷；順－1－(P,P－金剛烷基，第三丁基－膦基甲基)－2－(二－第三丁基膦基甲基)環丁烷；順－1－(2－膦基甲基－1,3,5,7－四甲基－6,9,10－三氧雜－金剛烷基)－2－(二－第三丁基膦基甲基)環己烷；順－1－(2－膦基甲基－1,3,5,7－四甲基－6,9,10－三氧雜－金剛烷基)－2－(二－第三丁基膦基甲基)環戊烷；順－1－(2－膦基甲基－1,3,5,7－四甲基－6,9,10－三氧雜－金剛烷基)－2－(二－第三丁基膦基甲基)環丁烷；順－1－(2－膦基甲基－1,3,5,7－四甲基－6,9,10－三氧雜－金剛烷基)－2－(二金剛烷基膦基甲基)環己烷；順－1－(2－膦基甲基－1,3,5,7－四甲基－6,9,10－三氧雜－金剛烷基)－2－(二金剛烷基膦基甲基)環戊烷；順－1－(2－膦基甲基－1,3,5,7－四甲基－6,9,10－三氧雜－金剛烷基)－2－(二金剛烷基膦基甲基)環丁烷；順－1－(二－第三丁基膦基甲基)－2－(二金剛烷基膦基甲基)環己烷；順－1－(二－第三丁基膦基甲基)－2－(二金剛烷基膦基甲基)環戊烷；順－1－(二－第三丁基膦基甲基)－2－(二金剛烷基膦基甲基)環丁烷；順－1,2－雙(2－磷－1,3,5－三甲基－6,9,10－三氧雜三環－{3.3.1.1[3.7]}癸基)環己烷；順－1,2－雙(2－磷－1,3,5－三甲基－6,9,10－三氧雜三環－{3.3.1.1[3.7]}癸基)環戊烷；順－1,2－雙(2－磷－1,3,5－三甲基－6,9,10－三氧雜三環－{3.3.1.1[3.7]}癸基)環丁烷；順－1－(2－磷－1,3,5－三甲基－6,9,10－三氧雜三環－{3.3.1.1[3.7]}癸基)－2－(二－第三丁基膦基甲基)環己烷；順－1－(2－磷－1,3,5－三甲基－6,9,10－三氧雜三環－{3.3.1.1[3.7]}癸基)－2－(二－第三丁基膦基甲基)環戊烷；順－1－(2－磷－1,3,5－三甲基－6,9,10－三氧雜三環－{3.3.1.1[3.7]}癸基)－2－(二－第三丁基膦基甲基)環丁烷；順－1－(2－磷－1,3,5－三甲基－6,9,10－三氧雜三環－{3.3.1.1[3.7]}癸基)－2－(二金剛烷基膦基甲基)環己烷；順－1－(2－磷－1,3,5－三甲基－6,9,10－三氧雜三環－{3,3.1.1[3.7]}癸基)－2－(二金剛烷基膦基甲基)環戊烷；順－1－(2－磷－1,3,5－三甲基－6,9,10－三氧雜三環－{3.3.1.1[3.7]}癸基)－2－(二金剛烷基膦基甲基)環丁烷；順－1,2－雙－全氟(2－磷－1,3,5,7－四甲基－6,9,10－三氧雜三環{3.3.1.1[3.7]}－癸基)環己烷；順－1,2－雙－全氟(2－磷－1,3,5,7－四甲基－6,9,10－三氧雜三環{3.3.1.1[3.7])癸基)環戊烷；順－1,2－雙－全氟(2－磷－1,3,5,7－四甲基－6,9,10－三氧雜三環{3.3.1.1[3.7]}癸基)環丁烷；順－1,2－雙－(2－磷－1,3,5,7－四(三氟－甲基)－6,9,10－三氧雜三環{3.3.1.1[3.7]}癸基)環己烷；順－1,2－雙－(2－磷－1,3,5,7－四(三氟－甲基)－6,9,10－三氧雜三環{3.3.1.1[3.7]}癸基)環戊烷；及順－1,2－雙－(2－磷－1,3,5,7－四(三氟－甲基)－6,9,10－三氧雜三環{3.3.1.1[3.7]}癸基)環丁烷；(2－外，3－外)－二環[2.2.1]庚烷－2,3－雙(二－第三丁基膦基甲基)及(2－內，3－內)－二環[2.2.1]庚烷－2,3－雙(二－第三丁基膦基甲基)。
由本發明產生之氣泡尺寸可為小的且因此提供大表面積用於待發生之界面質量轉移。另外，因為氣泡尺寸分佈較窄且具有小偏差，因此可控制羰化反應。
除非該等組合相互排斥，否則本文中描述之所有特徵可與以上態樣之任何一者組合成任何組合。
圖1展示一使用中之於一含有液體14之容器12中的先前技術混合裝置10。該容器12具有一入口16，氣體18經由該入口16噴射於液體14中。該混合裝置10包含一關於一縱向軸線21可旋轉之垂直伸長軸20，一第一葉輪22及一第二葉輪24呈間隔開之關係固定地安裝於該垂直伸長軸20上。該第一葉輪22安裝於該第二葉輪24上方。第一葉輪22及第二葉輪24均為45°傾斜之葉片渦輪。
在使用中，該等葉輪必須以相同速度旋轉。第一葉輪22使得進氣氣泡26在軸向及徑向上流動。軸向分量之流動產生動量，其連同浮力阻止第二葉輪24有效地操作。僅藉由提高葉輪22、葉輪24之速度來克服動量及浮力。此速度之增加使得氣體18如圖1中所示，藉由線路A完全分散於液體14中。因為混合過程可不受控制，所以液體14在氣體18中之不均勻分散不合需要。
圖2展示一根據本發明之混合裝置100。該混合裝置100包含一關於一縱向軸線121可旋轉之垂直伸長軸120，一第一葉輪122及一第二葉輪124呈間隔開之配置固定地安裝於該垂直伸長軸120上。該第一葉輪122及該第二葉輪124均包含許多水翼葉片125。在使用中，葉輪122、葉輪124各自包含四個固定地安裝於該軸120上之徑向延伸葉片125以共同操作關於該軸之縱向軸線之旋轉。在葉輪122、葉輪124之每一者上之每一葉片125為經配置使得在另一葉輪方向上軸向地推動周圍流體之水翼葉片。因此，第一葉輪或下部葉輪122為一向上泵送葉輪且第二葉輪或上部葉輪124為一向下泵送葉輪。儘管僅可在圖中見到兩個葉片125，但熟練技術者應瞭解可在該等葉輪之每一者上使用任何數目的葉片，例如3個、4個或甚至6個葉片。尤其，合適之市售葉輪為彼等稱為MaxfloTM W、A315、A320或A340葉輪之葉輪。
第一葉輪122安裝於軸120上使得葉片125之凹面面向向上之方向。第二葉輪124沿軸120間隔且經安裝以使葉片125之凹面面向向下之方向。第一葉輪122與第二葉輪124之間的距離大約為該等葉輪122、124之任一者之直徑。
圖3展示在一圓柱形容器112中之混合裝置100。一氣體入口116位於該容器112之底部壁130中，鄰近於基底132。應瞭解容器112可具有任何合適之替代性組態，例如其可能為一料斗。混合裝置100懸置於容器112中央。
儘管在圖3中僅展示一個混合裝置100，但應瞭解在腔室112中可使用任何數目的混合裝置100。舉例而言，可將兩個、三個或四個混合裝置100安裝於腔室112中。
亦應瞭解可將任何數目的第一葉輪122或第二葉輪124安裝於軸120上且與本發明之目標一致。舉例而言，在圖4中展示配置200，其中一連串第一葉輪222及一連串第二葉輪224安裝於軸220上。在該軸220上可設置任何數目的葉輪222、224。
一替代性組態將包含一對安裝於軸上之葉輪。每一對將包含一第一葉輪及一第二葉輪。在任何給定軸上，可能有許多對葉輪，例如兩對、三對或四對。在該配置中，例如氣體之流體可經由其基底或側壁，在該第一葉輪下方且朝向該第一葉輪引導而引入腔室中。
第一或第二葉輪可藉由一單獨驅動構件驅動使得(例如)第一葉輪之旋轉速度可不同於該其他葉輪之旋轉速度。
在所展示之任一實施例中，第一葉輪及第二葉輪之直徑可不必相同。此外，兩個葉輪之間的最佳距離視容器之幾何形狀及該等葉輪之直徑而定。
在使用中，如在所說明之羰化反應中，容器112、212充滿流體114、214。氣體118、218隨後經由氣體入口116、216導入容器112、212中。軸120、220藉由一適當驅動構件(未圖示)旋轉，以便使得第一葉輪122、222及第二葉輪124、224在液體114中關於軸120、220之縱向軸線121、221旋轉。
該氣體118、218以大氣泡150、250形式進入容器112、212中。第一葉輪122、222之旋轉使得該等大氣泡150、250在軸向上移向葉片125、225。大氣泡150、250撞擊於葉片125、225上且在高擾動能量消散區域中破碎成許多小氣泡152、252。小氣泡沿起初為軸向隨後為徑向之液體流道而行。
第二葉輪124、224在向下方向上引起朝向第一葉輪122、222之軸流。由於由該等葉輪產生之反向軸流道，因此形成一中央區160、260或高擾動能量消散區。該中央區160、260包含一具有高界面面積之相當均勻高擾動能量消散區以允許液體114、214中之反應物與氣體118、218中之反應物之間的反應。此外，因為保持中央區160、260中之擾動能量消散而無大量變化，所以產生小氣泡之窄尺寸分佈。該窄尺寸分佈使得能夠預測且控制反應器效能。
混合裝置100、200尤其適於羰化製程。
表1給出用於在各種速度下且在4.2 mm/sec下操作之雙反向Maxflo葉輪系統之所得氣泡尺寸之一實例。使用一典型影像擷取攝影機測定氣泡尺寸。
能夠控制發生於兩種流體，尤其液體與氣體之間的反應為一顯著優勢。能夠促進至少兩種流體之間的有效及高效混合及界面質量轉移亦尤其有利。當應用於工業製程時，該等優勢具有高商業價值。
讀者應注意與本申請案相關之與本說明書同時或在本說明書之前申請且與本說明書一起願接受公眾檢驗之所有文章及文件，且所有該等文章及文件之內容係以引用的方式併入本文中。
在本說明書(包括任何隨附申請專利範圍、摘要及圖式)中揭示之所有特徵及/或因而揭示之任何方法或製程之所有步驟可組合於任何組合中，其中該等特徵及/或步驟中之至少一些相互排斥之組合除外。
除非另有明確說明，否則在本說明書(包括任何隨附申請專利範圍、摘要及圖式)中揭示之每一特徵可由用於相同、等效或類似目的之替代性特徵替代。因此，除非另有明確說明，否則所揭示之每一特徵僅為一連串通用等效或類似特徵之一實例。
本發明不受限於先前實施例之詳述。本發明包括在本說明書(包括任何隨附申請專利範圍、摘要及圖式)中揭示之特徵之任何新穎或任何新穎組合，或包括因而揭示之任何方法或製程之步驟之任何新穎步驟或任何新穎組合。
10．．．先前技術混合裝置/混合裝置
12．．．容器
14．．．液體
16．．．入口
18．．．氣體
20．．．垂直伸長軸
21．．．縱向軸線
22．．．第一葉輪/葉輪
24．．．第二葉輪/葉輪
26．．．進氣氣泡
100．．．混合裝置
112．．．圓柱形容器/容器/腔室
114．．．流體/液體
116．．．氣體入口
118．．．氣體
120．．．垂直伸長軸/軸
121．．．縱向軸線
122．．．第一徑向延伸葉輪/葉輪/第一葉輪/下部葉輪
124．．．第二徑向延伸葉輪/葉輪/第二葉輪/上部葉輪
125．．．彎曲葉片/葉片/水翼葉片/徑向延伸葉片
130．．．底部壁
132．．．基底
150．．．大氣泡
152．．．小氣泡
160‧‧‧中央區
212‧‧‧容器
216‧‧‧氣體入口
220‧‧‧軸
222‧‧‧第一葉輪/葉輪
224‧‧‧第二葉輪/葉輪
250‧‧‧大氣泡
252‧‧‧小氣泡
260‧‧‧中央區
A‧‧‧線路
圖1為一先前技術混合裝置之示意性截面側視圖。
圖2為一根據本發明之混合裝置之示意性截面側視圖。
圖3為一使用中之根據本發明之混合裝置的示意性截面側視圖。
圖4為一使用中之根據本發明之混合裝置的另一示意性截面側視圖。
100．．．混合裝置
112．．．圓柱形容器/容器/腔室
114．．．流體/液體
116．．．氣體入口
118．．．氣體
120．．．垂直伸長軸/軸
122．．．第一徑向延伸葉輪/葉輪/第一葉輪/下部葉輪
124．．．第二徑向延伸葉輪/葉輪/第二葉輪/上部葉輪
125．．．彎曲葉片/葉片/水翼葉片/徑向延伸葉片
130．．．底部壁
132．．．基底
150．．．大氣泡
152．．．小氣泡
160．．．中央區

Claims (17)

  1. 一種用於混合至少兩種流體之混合裝置，該混合裝置包含關於其縱向軸線可旋轉之軸、安裝於該軸上且分別軸向間隔開之第一徑向延伸葉輪及第二徑向延伸葉輪，該混合裝置之特徵在於該第一葉輪包含複數個可操作而使該等流體在軸向上向該第二葉輪移動之彎曲葉片，且該第二葉輪包含複數個可操作而使該等流體在軸向上向該第一葉輪移動之彎曲葉片，其特徵在於該至少兩種流體包含液體及氣體，且其中各葉輪之葉片為水翼葉片。
  2. 如請求項1之混合裝置，其特徵在於每一葉輪上之該等葉片係向內泵送至該等葉輪之間的空間中。
  3. 如請求項1之混合裝置，其特徵在於該第一葉輪及該第二葉輪各自包含兩個或兩個以上之彎曲葉片。
  4. 如請求項1之混合裝置，其特徵在於該第一葉輪之直徑係與該第二葉輪之直徑相同。
  5. 如請求項1之混合裝置，其特徵在於該第一葉輪與該第二葉輪之間的軸向距離係相隔至少一個葉輪直徑。
  6. 如請求項1之混合裝置，其特徵在於該等葉輪係在大體上為1.75之功率值下操作。
  7. 如請求項1之混合裝置，其特徵在於當該第一葉輪及該第二葉輪旋轉時，所使用之比功率係大體上介於100W/m3 與800W/m3 之間。
  8. 如請求項1之混合裝置，其特徵在於當使用雙反向Maxflo葉輪時，算術平均尺寸(d10 )大體上介於250μm與 550μm之間且表面體積平均直徑(d32 )大體上介於400μm與750μm之間。
  9. 如請求項1之混合裝置，其特徵在於當使用BT-6型葉輪時，該d10 係大體上介於250μm與1500μm之間。
  10. 如請求項9之混合裝置，其特徵在於當在大體上765rpm下操作時，該d10 大體上為378μm，且該d32 大體上為445μm。
  11. 如1請求項11之混合裝置，其特徵在於所噴射氣體之速度係大體上介於0.05m3 /s與1.0m3 /s之間。
  12. 如請求項11之混合裝置，其特徵在於在大體上為50rpm至200rpm之葉輪速度下，該所噴射氣體之速度大體上為0.13m3 /s。
  13. 如請求項1之混合裝置，其特徵在於在具有大體上介於2m與5m之間的直徑之容器中之臨界分散速度係大體上介於10rpm與20rpm之間。
  14. 一種化學反應系統，其包含液相及用於將流體混合於該液相中之混合裝置，其中該混合裝置包含關於其縱向軸線可旋轉之軸、安裝於該軸上且分別軸向間隔開之第一徑向延伸葉輪及第二徑向延伸葉輪，該混合裝置之特徵在於該第一葉輪包含複數個可操作而使該等流體在軸向上向該第二葉輪移動之彎曲葉片，且該第二葉輪包含複數個可操作而使該等流體在軸向上向該第一葉輪移動之彎曲葉片，其中各葉輪所述之葉片為水翼葉片。
  15. 如請求項14之化學反應系統，其特徵在於該液相包含至 少一種用於與經引入該液相中之氣體反應之液相反應物，以及至少一種液相反應產物。
  16. 如請求項14之化學反應系統，其特徵在於該液相包含催化劑系統。
  17. 如請求項14之化學反應系統，其特徵在於該反應系統為羰化製程，其包含在羥基源及催化劑系統存在下，用氧化碳羰化烯系不飽和化合物，其中該催化劑系統包含(a)雙牙膦、胂或銻化氫配位體，及(b)選自第8、9或10族金屬或其化合物之催化金屬。
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