ТРУБЧАТЫЙ МОДУЛЬ
TUBULAR MODULE

Настоящее изобретение относится в общем к трубчатому модулю или системе трубчатых модулей и применению трубчатого модуля или системы трубчатых модулей. Изобретение особенно относится к коаксиальному трубчатому реактору или системе коаксиального трубчатого реактора.
Уровень техники
Трубчатые реакторы используются в течение нескольких лет, примеры таких реакторов раскрыты в US3052524 и GB932048, которые описывают концентрический трубчатый реактор, содержащий три трубы с теплообменной текучей средой, текущей в самой внутренней и самой внешней трубах, и с реагирующей текучей средой, текущей в средней трубе. Другой пример раскрыт в WO2009150677, который показывает систему трех концентрических труб для каталитических реакций.
Традиционные концентрические трубчатые реакторы имеют постоянный профиль, т.е. путь потока является прямым, и в технологической, и во вспомогательной сторонах. Это значит, что поток внутри трубчатого реактора на обеих сторонах часто является ламинарным, в частности, при низких скоростях потока, которые обычно используются на технологической стороне, когда реакции занимают от многих секунд до нескольких минут до завершения.
Функционирование в режиме ламинарного потока обеспечивает:
плохое смешивание,
плохой теплообмен (кроме тех случаев, когда расстояние между стенками является очень маленьким),
плохой поршневой поток.
Это может приводить к уменьшенному выходу продукта или избирательности требуемого продукта, и, таким образом, конечная смесь будет содержать нежелательные побочные продукты, которые необходимо выделять из требуемого продукта.
Изобретение
Соответственно настоящее изобретение находит решение вышеуказанных проблем обеспечением трубчатого модуля для потока или коаксиального трубчатого модуля для потока, в частности коаксиального трубчатого реактора или коаксиального трубчатого теплообменника, причем трубчатый модуль для потока содержит, по меньшей мере, две спиралевидные концентрические трубы. Таким образом, настоящее изобретение относится к трубчатому модулю для потока, причем модуль потока содержит, по меньшей мере, две концентрические трубы с непрерывными кольцеобразными спиральными элементами. Концентрические трубы могут быть расположены друг относительно друга так, что одна труба, т.е. вторая труба, может быть коаксиально расположена внутри другой трубы, т.е. первой трубы, и каждая труба имеет максимальный диаметр и минимальный диаметр. Максимальный диаметр второй трубы может быть больше, чем минимальный диаметр первой трубы, и, таким образом, образуется пространство между первой трубой и второй трубой. Пространство образует путь потока для текучих сред между первой трубой и второй трубой, а путь потока образован как комбинация кольцеобразного спиралевидного пути потока и аксиального извилистого пути потока.
Первая и вторая концентрические трубы, имеющие непрерывные кольцеобразные спиральные элементы, т.е. внешняя и внутренняя спиралевидные трубы, могут быть коаксиально расположены так, что между ними может быть образовано пространство. Такая геометрия заставляет поток текучей среды непрерывно изменять направление и в результате вызывает вихри, которые улучшают смешивание, теплообмен и поршневой поток. Таким образом, путь потока может быть образующим кольцеобразный путь для текучих сред, ограниченный поверхностями, и может иметь вид спиральных волн. Таким образом, внешняя и внутренняя трубы, имеющие спиральные элементы, могут быть зацеплены как винт и гайка, где спиральные элементы действуют как резьбы. Внутренняя спиралевидная труба может быть ввинчена во внешнюю спиралевидную трубу, когда трубы собираются друг с другом. В зазоре между спиральными элементами может быть образован требуемый кольцеобразный извилистый путь потока.
Трубчатый модуль для потока также может содержать трубу, коаксиально расположенную снаружи первой трубы. Минимальный диаметр внешней трубы может быть больше или меньше, чем максимальный диаметр первой трубы, а образованное кольцеобразное пространство может быть образовано как пространство между внешней трубой и первой трубой, и это кольцеобразное пространство может использоваться для теплообменных текучих сред или других текучих сред.
Трубчатый модуль для потока также может содержать трубу, коаксиально расположенную внутри второй трубы. Максимальный диаметр внутренней трубы может быть меньше или больше, чем минимальный диаметр второй трубы, а образованное кольцеобразное пространство может быть образовано как пространство между внутренней трубой и второй трубой, и это кольцеобразное пространство может использоваться для теплообменных текучих сред или других текучих сред.
Внутренняя труба и внешняя труба соответственно могут быть целесообразно выбраны из группы, состоящей из цилиндрических труб, гофрированных труб, ребристых труб, спиралевидных труб или труб со спиральными ребрами.
Трубчатый модуль для потока может содержать более двух концентрических труб со спиральными элементами, коаксиально расположенными друг относительно друга, образуя более одного кольцеобразного пути потока для текучих сред.
Таким образом, модуль потока может иметь один или более путей потока и одно или более кольцеобразных пространств потока. Кольцеобразные пути потока могут использоваться для технологических потоков, но также возможно, что кольцеобразные пути потока могут использоваться для теплообменных текучих сред. Кольцеобразные пространства потока могут использоваться для теплообменных текучих сред или для технологических текучих сред.
Трубчатый модуль для потока может содержать более двух спиральных концентрических труб, коаксиально расположенных друг относительно друга, образуя более одного кольцеобразного пути потока. Также кольцеобразные пространства потока, т.е. пространства потока для теплообменных текучих сред или для технологических текучих сред, могут быть расположены коаксиально внутри модуля потока. Каждый кольцеобразный путь потока и каждое кольцеобразное пространство может иметь, по меньшей мере, один впуск и, по меньшей мере, один выпуск. Несколько концентрических кольцеобразных путей потока и кольцеобразных пространств потока могут находиться внутри одного и того же модуля потока, а трубы могут относиться к любому виду подходящей формы и могут быть выбраны из группы, состоящей из цилиндрических труб, гофрированных труб, ребристых труб, спиральных труб или труб со спиральными ребрами.
В трубчатом модуле для потока согласно изобретению трубы, имеющие спиральные элементы, могут быть выбраны из группы, состоящей из спиралеобразных стенок или труб с прикрепленными спиральными ребрами. Спиральные элементы имеют шаг (A), зазор (B) и высоту (C) спирального элемента, подходящие для получения улучшенного типа поршневого потока текучих сред в каждом кольцеобразном пути потока. Кольцеобразные пространства потока также могут иметь шаг (A), зазор (B) и высоту (C) спирального элемента, подходящие для получения типа поршневого потока текучих сред в каждом кольцеобразном пространстве потока.
Кольцеобразное пространство между спиральной концентрической трубой и внутренней или внешней трубой может иметь одну или более прокладок, расположенных внутри пространства для закрепления пути потока и обеспечения предварительно заданного расстояния между спиральной концентрической трубой и внутренней или внешней трубой. Пути потока дополнительно могут быть закреплены одним или более элементами концевого соединения. Трубы изобретения могут иметь средства размещения, размещаемые с одним или более элементами концевого соединения, и, таким образом, позиционируют и стабилизируют конструкцию труб. Элементы концевого соединения могут иметь порты для текучих сред. Порты могут быть расположены в тангенциальном направлении к пути потока, в радиальном направлении к пути потока или в продольном выравнивании, т.е. аксиальном направлении с трубами на элементах концевого соединения.
Все части, т.е. трубы, имеющие спиральные элементы, внутренние трубы, внешние трубы и элементы концевого соединения могут быть скреплены вместе, например, болтом, но другие решения могут быть возможны, например сварка, пайка, гидравлика. Одна или две гайки могут быть средствами для закрытия модуля вместе с болтами. Концевые колпачки, расположенные внутри двух элементов концевого соединения, могут быть одним путем закрытия модуля или вместе с гайками и болтами или без них. Элемент концевого соединения вместе с концевым колпачком могут быть отдельными элементами или объединены в один элемент в зависимости от того, как может быть выполнен и закрыт модуль. Одна или две пружины, например цилиндрические пружины, дисковые пружины, комплекты дисковых пружин, могут быть использованы для компенсации термического расширения и/или в качестве предохранителя, чтобы позволять трубам открываться при высоком давлении.
Трубчатый модуль для потока может иметь один или более портов доступа или одно или более отверстий порта или комбинация их, причем порты доступа или отверстия порта могут быть обеспечивающими доступ к кольцеобразным путям потока или кольцеобразным пространствам. Порты доступа или отверстия порта могут быть впуском для текучих сред, выпуском для текучих сред или портами для инструментов. Порты доступа или отверстия порта могут быть расположены тангенциально, радиально или аксиально к кольцеобразным путям потока или кольцеобразным пространствам.
Один или более портов доступа или одно или более отверстий порта или комбинации их могут быть оборудованы одним или более штуцерами порта. Штуцеры порта могут иметь конструкции для сопел, для блоков датчиков, для термопар, для приводимых в действие пружиной датчиков или для резисторных термометров.
Сопла, которые могут быть вставлены через штуцеры порта согласно изобретению, могут быть выбраны из любых пригодных сопел. Примерами сопел являются инжекторные сопла, рассеивающие сопла, повторно рассеивающие сопла, повторно смешивающие сопла, коаксиальные сопла, трубчатые сопла и т.д.
Коаксиальное сопло может быть образовано как сопло с двумя или более трубами, расположенными внутри друг друга так, что большая труба, имеющая больший радиус, окружает меньшую трубу, имеющую меньший радиус. Когда используется такое сопло, две или более текучих сред могут быть смешаны или могут образовывать дисперсии. Повторно смешивающее сопло может быть трубчатым соплом, имеющим отверстие с головкой сопла, и отверстие имеет меньший радиус, чем труба. Сопло может быть рассеивающим соплом, которое может иметь одно или более отверстий на выпуске рассеивающего сопла, и отверстия могут быть расположены в виде концентрических окружностей или отверстия могут быть расположены в виде других подходящих рисунков.
Материал труб модуля потока может быть выбран из группы, состоящей из нержавеющей стали, сплавов на основе железа, сплавов на основе никеля, титана, титановых сплавов, тантала, танталовых сплавов, сплавов на основе молибдена, циркония, циркониевых сплавов, стекла, кварца, графита, армированного графита, хастеллоя или любого другого материала, устойчивого к технологической среде. Другие подходящие материалы для труб являются специальными материалами, например пластиковым материалом, таким как PEEK (полиэфиркетон), PPS (полифениленсульфид), PTFE (политетрафторэтилен), perfuorelatomers или флюороэластомеры, PP (полипропилен) и т.д., из которых могут быть изготовлены трубы. Различные трубы могут быть изготовлены из одного материала, но также возможно, что различные трубы могут быть изготовлены из различных материалов. Может быть возможным, что, по меньшей мере, одна из труб может быть изготовлена из мембранного материала, и, таким образом, трубчатый модуль может иметь мембранную емкость. Трубы могут быть покрыты, например, каталитическим материалом или любым другим типом материала, который имеет свойства, подходящие для цели модуля потока.
Настоящее изобретение также относится к системе трубчатых модулей для потока, причем система трубчатых модулей для потока может содержать, по меньшей мере, два трубчатых модуля для потока, которые могут быть соединены последовательно, параллельно или в комбинациях их друг с другом. Дополнительная альтернатива может заключаться в том, что система трубчатых модулей для потока может находиться внутри или в пределах оболочки, образующей оболочку и систему труб.
Трубчатый модуль для потока согласно изобретению может быть применен как реактор для химических реакций, как теплообменник для теплообмена, как соединитель для отделений или для извлечений или их комбинации.
Другие аспекты и преимущества изобретения будут представлены в следующем далее подробном описании вариантов выполнения изобретения со ссылкой на сопровождающие чертежи. Фигуры ниже предназначены для иллюстрации изобретения, а не ограничения объема охраны изобретения.
Краткое описание чертежей
Фигура 1 раскрывает модуль потока изобретения, имеющий две спиральные трубы.
Фигура 2 раскрывает другой вариант выполнения изобретения, в котором модуль потока имеет две спиральные трубы и внутреннюю и внешнюю трубы, образующие пути для теплообмена текучих сред.
Фигура 3 раскрывает дополнительный вариант выполнения изобретения, в котором модуль потока имеет две спиральные трубы и внутреннюю и внешнюю трубы, образующие пути для теплообмена текучих сред.
Фигура 4 раскрывает шаг, зазор и высоту спирального элемента трубы.
Подробное описание чертежей
Две концентрические спиральные трубы 1 и 2 образованы таким образом, который позволяет одной из них зацепляться в другой. Спиральная форма будет работать как резьба, где наружный диаметр внутренней трубы 2 является большим, чем внутренний диаметр внешней трубы 1. В зазоре между двумя трубами образовано пространство, т.е. путь 3 потока. Путь 3 потока образует спиральный путь, а также извилистый путь и в аксиальном, и в радиальном направлении труб 1 и 2.
Конструкция может быть целесообразно использована как путь потока текучей среды, причем текучие среды могут быть технологическими текучими средами или теплообменными текучими средами. Среднее направление потока находится в аксиальном направлении. Также будет изменение скоростей в радиальном и тангенциальном направлениях трубы. Размер скоростных составляющих может быть настроен спиральным шагом A, зазором B и высотой С элемента. Изменения скорости вызывают вихри во всех направлениях. Это является благоприятным для смешивания, разбивания поверхностных слоев и создает улучшенные условия поршневого потока. Отношение смоченной поверхности к объему пространства может регулироваться зазором между спиралями. Эти признаки делают конструкцию подходящей для модулей потока, реакторов, теплообменников и т.д. Поток текучей среды может быть любого вида, например жидкостями, растворами или газом.
Фигура 2 показывает, что внешняя спиральная труба 1 может быть заключена во внешней трубе 4, образуя кольцеобразное пространство 5 или путь для потока текучих сред, например теплообменных текучих сред, между внешней спиральной трубой 1 и внешней трубой 4. Внутренняя спиральная труба 2 может заключать внутреннюю трубу 6, образуя кольцеобразное пространство 7 для потока текучих сред, например теплообменных текучих сред, между внутренней трубой 6 и внутренней спиральной трубой 2. Трубы 4 и 6 могут быть прямыми концентрическими, т.е. цилиндрическими трубами, как показано на фигуре 2. Трубы 4 и 6 могут быть спиральными или трубами со спиральными ребрами, или трубы 4 и 6 могут иметь любую другую подходящую форму, например гофрированные, ребристые трубы, или любую другую форму, которая соответствует внутренней или наружной спиральным трубам, т.е. трубам 1 и 2, другие типы форм труб 4 и 6, кроме цилиндрической формы, не показаны на фигуре 2.
Кольцеобразные пространства 5 и 7 могут быть оборудованы одной или более прокладками между внешней цилиндрической трубой 4 и внешней спиральной трубой 1 и внутренней цилиндрической трубой 6 и внутренней спиральной трубой 2 соответственно, указанные прокладки не показаны на фигуре 2. Прокладки могут быть использованы с целью укрепления, выравнивания, в качестве усиливающих смешивание элементов или в качестве площадок крепления.
Спиральные трубы 1 и 2 расположены друг относительно друга и в аксиальном, и в тангенциальном направлении в каждом конце посредством элемента 9 концевого соединения. Средства размещения объединены в сопряженные части. Спиральные трубы 1 и 2 и элементы 9 концевого соединения уплотнены друг с другом посредством заменяемого уплотнения, т.е. уплотнительного кольца, и т.д. или постоянного уплотнения, т.е. сварки, пайки и т.д. Элементы 9 концевого соединения имеют один или более портов 10 для соединения с линией текучей среды или инструмент, например термопару или преобразователь давления.
Внешняя труба 4 и внешняя спиральная труба 1 уплотнены элементами 11 концевого соединения. Для случая с цилиндрической трубой 4 тангенциальное расположение необязательно. Элемент 11 концевого соединения имеет один или более портов 12 для соединения с линией текучей среды или инструмент, например термопару или преобразователь давления. Порты 12 могут быть расположены в тангенциальном направлении к спиральной трубе 1 в направлении, которое направляет текучую среду в предпочтительное направление.
Внутренняя труба 6 и внутренняя спиральная труба 2 уплотнены элементами 13 концевого соединения. Для случая с цилиндрической трубой 6 тангенциальное расположение необязательно. Элемент концевого соединения имеет один или более портов 14 для соединения с линией текучей среды или инструмент, например термопару или преобразователь давления. Порты 14 могут быть расположены в тангенциальном направлении к спиральной трубе 2 в направлении, которое направляет текучую среду в предпочтительное направление. Все уплотнения находятся в условиях окружающей среды, а не между путями потока или кольцеобразными пространствами 3, 5 и 7 для минимизации риска перекрестного загрязнения.
Все части, т.е. спиральные трубы 1 и 2, цилиндрические трубы 4 и 6 и элементы 9, 11, 13 концевого соединения удерживаются вместе болтом 15, гайками 17, концевыми колпачками 16 и комплектами 18 дисковых пружин. Дисковые пружины 18 могут быть настроены на компенсацию эффектов термического расширения или/и могут действовать в качестве предохранительного элемента или устройства, позволяющего трубам открываться при слишком высоком давлении.
Несколько блоков, образующих систему модуля потока, могут быть соединены вместе. Порты 10, 12 и 14 могут быть соединены между блоками или трубопроводами.
Фигура 3 показывает трубчатый модуль для потока, в котором пространство 7 между спиральной трубой 2 и цилиндрической трубой 6 оборудовано усиливающим смешивание элементом 19, размещенным на цилиндрической трубе 6. Усиливающий смешивание элемент 19 может быть резьбой 19 или спиральными ребрами 19, которые соответствуют спиральной форме спиральной трубы 2. Соответствующая конструкция может быть выполнена в пространстве 5 между цилиндрической трубой 4 и спиральной трубой 1, это не показано на фигуре 3. Порты 10, 12 и 14 являются впусками текучих сред, выпусками текучих сред или портами для инструментов. На фигуре 3 порты 10, 12 и 14 расположены тангенциально или радиально к кольцеобразному пути 3 потока или кольцеобразным пространствам 5 и 7, но другие альтернативы также возможны. Одной возможной конструкцией портов будет расположение портов аксиально к путям потока или пространствам потока, это не показано на фигуре 3.
Фигура 4 показывает отношение шага A, зазора В и высоты С спирального элемента спиральных труб. Шаг A, зазор В и высота С спирального элемента также применимы для цилиндрических труб, которые имеют спиральные ребра 19, выполненные для улучшения смешивания в пределах пространств 5 и 7 потоков, фигура 4 не раскрывает этого. Шаг A, зазор В и высота С спирального элемента могут также поддерживать тип поршневого потока текучих сред в каждом кольцеобразном пути 3 потока и пространствах 5 и 7 потока.
Модуль потока настоящего изобретения применяется при проведении следующих технологических операций: изготовления, реакций, смешивания, соединения, выполнения криогенных операций, промывания, извлечений и очищений, регулирования pH, замен растворителя, изготовления химикатов, изготовления промежуточных химикатов, изготовления API (активных фармацевтических ингредиентов) при работе с низкотемпературными операциями, изготовления фармацевтических промежуточных продуктов, повышающих и понижающих разработок, образования осадков или кристаллизаций, выполнения множественных инъекций или множественных добавлений или множественных измерений или множественных выборок, работы с многоступенчатыми реакциями, операций предварительного охлаждения, операций предварительного нагревания, операций последующего нагревания и последующего охлаждения, процессов преобразования периодических процессов в непрерывные процессы и операций для разделения и воссоединения потоков.
Типы реакций, которые могут быть выполнены в настоящем изобретении, включают реакции присоединения, реакции замещения, реакции элиминации, реакции обмена, реакции тушения, восстановления, нейтрализации, разложения, реакции смещения или вытеснения, реакции диспропорционирования, каталитические реакции, реакции расщепления, окисления, замыкания кольца и размыкания кольца, реакции ароматизации и деароматизации, реакции защиты и снятия защиты, межфазный перенос и межфазный катализ, фотохимические реакции, реакции, включающие газовые фазы, жидкие фазы и твердые фазы, и которые могут включать свободные радикалы, электрофилы, нуклеофилы ионы, нейтральные молекулы и т.д.
Синтез, например синтез аминокислот, ассиметричный синтез, хиральный синтез, синтез жидкой фазы пептида, олефиновый метатезис, пептидный синтез и т.д. также могут быть выполнены с помощью модуля потока. Другие типы синтеза, в которых модуль потока может использоваться, являются реакциями в пределах химии углевода, химии сероуглерода, химии цианида, химии диборана, химии эпихлоргидрина, химии гидразина, химии нитрометана и т.д. или синтеза гетероциклических соединений, ацетиленовых соединений, хлорангидридов, катализаторов, цитоксических соединений, стероидных промежуточных продуктов, ионных жидкостей, пиридиновых химикатов, полимеров, мономеров, карбогидратов, нитронов и т.д.
Модуль потока является подходящим для именных реакций, например конденсаций Адоля, восстановлений Бирха, окислений Байера-Виллигера, перегруппировок Курциуса, конденсаций Дикмана, реакций Дильса-Альдера, конденсаций Добнера-Кновенагеля, реакций Фриделя-Крафтса, перегруппировок Фриса, синтеза Габриэля, реакций Гомберга-Бахмана, реакций Гриньяра, реакций Хека, перегруппировок Хофмана, реакций Яппа-Клингемана, индольного синтеза Лаймгрубера-Батчо, реакций Манниха, присоединений Михаэля, реакций Михаэлиса-Арбузова, реакций Мицунобу, реакций Мияура-Судзуки, реакций Реформатского, реакций Риттера, восстановлений Розенмунда, реакций Зандмейера, восстановлений основания Шиффа, реакций Шоттена-Баумана, эпоксидирований Шаплесса, синтеза Скраупа, связываний Соногашира, синтез аминокислот Штрекера, окислений Шверна, реакций Ульмана, перегруппировок Вильгеродта, реакций Вильсмейра-Хаака, синтеза эфира Вильямсона, реакций Виттига и т.д.
Дополнительными реакциями, для которых модуль потока является пригодным, являются реакции конденсации, реакции соединения, сапонификации, озонолиз, реакции циклизации, реакции циклополимеризации, диголигонерования, дегидроциклизации, дегидрогенизирования, дегидрогалогенирования, диазотирования, диметилсульфатные реакции, галогенидного замещения, цианисто-водородные реакции, фтороводородные реакции, реакции гидрогенизации, реакции йодирования, изоцианатные реакции, кетеновые реакции, жидкоаммиачные реакции, реакции метилирования, соединения, органометаллические реакции, металирования, окислительные реакции, окислительные соединения, реакции оксосинтеза, поликонденсации, полиэтерификации, реакции полимеризации, другие реакции, например ацетилирования, арилирования, акрилации, алкоксилирования, аммонолиза, алкилирования, аллильного бромирования, амидирования, аминирования, азидирования, бензоилирования, бромирования, бутилирования, карбонилирования, карбоксилирования, хлорирования, хлорметилирования, хлорсульфирования, цианирования, цианоэтилирования, цианметилирования, цианурации, эпоксидирования, этерификации, эфиризации, галогенизации, гидроформилирования, гидросилилирования, гидроксиляции кетализации, нитрования, нитрометилирования, нитрозирования, переокисления, фосгенирования, кватернизации, силилирования, сульфохлорирования, сульфонирования, сульфоксидирования, тиокарбонилирования, тиофосгенирования, введения тозила, трансаминирования, трансэтерификации и т.д.
Вышеприведенное описание не ограничивается отмеченными вариантами выполнения изобретения, но специалисту в области техники понятно, что имеются некоторые возможные модификации в пределах объема охраны заявленного изобретения.