用于连续流动催化反应器的静态混合器制造技术

本公开涉及包含催化性材料的催化性静态混合器。静态混合器可以构造用于连续流动化学反应器，例如用于多相催化反应的管状连续流动化学反应器。本公开还涉及制备静态混合器的工艺。本公开还涉及包含静态混合器的连续流动化学反应器，包含连续流动化学反应器的系统，使用连续流动反应器合成产物的工艺，以及使用静态混合器筛选催化性材料的方法。

Static mixer for continuous flow catalytic reactor

This disclosure relates to catalytic static mixers containing catalytic materials. Static mixers can be constructed for continuous flow chemical reactors, such as tubular continuous flow chemical reactors for heterogeneous catalytic reactions. The disclosure also relates to a process for preparing a static mixer. The present disclosure also relates to a continuous flow chemical reactor comprising a static mixer, a system comprising a continuous flow chemical reactor, a process for synthesizing products using a continuous flow reactor, and a method for screening catalytic materials using a static mixer.

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于连续流动催化反应器的静态混合器领域本公开涉及包含催化性材料的催化性静态混合器。静态混合器可以构造用于连续流动化学反应器，例如用于多相催化反应的管状连续流动化学反应器。本公开还涉及制备静态混合器的工艺。本公开还涉及包含静态混合器的连续流动化学反应器，包含连续流动化学反应器的系统，使用连续流动反应器合成产物的工艺，以及使用静态混合器筛选催化性材料的方法。背景连续流动化学反应器一般包含管状反应腔室，其中反应物流体被连续进料到该反应腔室经历化学反应以连续地形成从该反应腔室流出的产物。反应腔室通常浸入在加热/冷却剂流体中，例如在壳管状热交换器构造中，以便有助于向反应传递热/从反应向外传递热。催化反应中使用的连续流动反应器通常采用填充床反应腔室，其中反应腔室填充有固态催化剂颗粒，该固态催化剂颗粒提供其上可以发生化学反应的催化表面。静态混合器被用于预混合在与填充床反应腔室接触之前和位于这些反应腔室的下游的流体流，以便在反应器管的中央和外部区域之间传热。静态混合器包含固体结构，该固体结构中断流体流动以便在填充床反应腔室中进行反应之前促进反应物的混合并用于促进在这些反应腔室下游的期望的传热模式。静态混合器还独立于填充床而使用，因为一些反应物不需要催化剂来活化它们的反应。为了通过增大的反应产率来提高工艺生产率，明显需要开发易于拆卸并容易更换的用于连续流动化学反应器的增强的静态混合器和/或反应腔室，允许进一步再设计增强且能够提供更有效的反应物化学品和/或电化学反应物的混合、热传递以及催化反应。
技术实现思路
本申请专利技术人已经对替代的连续流动化学反应器进行了重要的研究和开发，并且已确定静态混合器可以提供催化表面使得所得到的静态混合器能够用于连续流动化学反应器。出人意料地发现，在增材制造的静态混合物的表面上加入催化性材料可以提供催化性静态混合器，该静态混合器可以构造成易于拆卸且容易更换，允许进一步再设计增强，并在连续流动化学反应器中提供反应物的有效混合、传热以及催化反应。静态混合器可以作为插入物或作为模块化封装(modularpackages)而提供用于一列式(in-line)连续流动反应器，其中静态混合器作为反应器管本身的一部分的整体部件(integralpart)。因此，第一方面，提供一种静态混合器元件，该静态混合器元件构造为用于连续流动化学反应器腔室的模块，其中静态混合器元件包含催化活性支架，该支架限定多个通路，该多个通路构造用于将一种或多种流体反应物在其通过混合器流动和反应的过程中混合，并且其中支架的至少一部分表面包含催化性材料用于给所述表面提供催化活性位点。静态混合器元件可以是增材制造的静态混合器。静态混合器元件可以构造为模块化插入物用于组装到连续流动反应器腔室中。模块可以提供静态混合器作为反应器的一部分的整体部件。在第二方面，提供一种制备用于连续流动化学反应器腔室的静态混合器元件的方法，其包括以下步骤：提供包含支架的静态混合器元件，该支架限定多个通路，该多个通路构造用于将一种或多种流体反应物在其通过混合器流动和反应的过程中混合；以及将催化性涂层施用到支架的至少一部分表面。将催化性涂层施用到支架的至少一部分表面的步骤可以包含电沉积或冷喷涂，或者由电沉积或冷喷涂组成。催化性涂层可以包含选自金属、金属合金、金属陶瓷以及金属氧化物中至少一种的催化性材料，用于提供具有多个催化活性位点的表面。方法可以包括通过增材制造制备静态混合器的支架的步骤。支架的材料可以选自金属、金属合金、金属陶瓷以及金属氧化物中的至少一种。在第三方面，提供一种用于在一种或多种流体反应物的反应中使用的连续流动化学反应器，其包含一个或多个根据本文所述任一实施方式的静态混合器元件。在第四方面，提供一种用于提供连续流动化学反应的系统，其包含：连续流动化学反应器，该化学反应器包含根据本文所述任一实施方式的静态混合器；泵，用于为通过所述反应器的一种或多种流体反应物及其任何产物提供流体流动；一个或多个热交换器，用以控制反应器、腔室部分、静态混合器或其流体组分的温度；以及控制器，用于控制系统的一个或多个参数，该一个或多个参数选自一种或多种流体反应物或者其源或产物的浓度、流速、温度、压力以及停留时间。在第五方面，提供一种通过一种或多种流体反应物的催化反应合成产物的方法，该方法包括以下步骤：提供连续流动化学反应器，该化学反应器包含根据本文所述任一实施方式的静态混合器元件或系统；经由一个或多个反应物进口提供至少第一流体反应物到反应器；操作化学反应器或者其控制装置，以提供通过静态混合器的该至少第一流体反应物的流动和催化反应；以及获得输出料流，其包含该至少第一反应物的催化反应的产物。在第六方面，提供一种用根据本文所述任一实施方式的静态混合器元件或系统针对催化反应性筛选催化剂材料的方法，其包括以下步骤：在预定的反应器设定下操作连续流动化学反应器，该化学反应器包含具有预定催化剂材料的静态混合器；以及确定从输出料流获得的产物的产率。在第七方面，提供一种设计和制造用于连续流动化学反应器腔室的催化性静态混合器(CSM)元件的方法，其包括以下步骤：设计包含支架的原型静态混合器元件，该支架限定多个通路，该多个通路构造用于将一种或多种流体反应物在其通过混合器流动和反应的过程中混合；增材制造该原型静态混合器元件；将催化性涂层施用到该原型静态混合器元件的支架表面，以形成原型催化性静态混合器(CSM)元件；针对在连续流动化学反应器中催化性涂层的适宜性或者操作性能和持久性中的至少一个对原型CSM进行试验；对静态混合器元件再设计以增强在连续流动化学反应器中催化性涂层的适宜性或者操作性能和持久性中的至少一个；以及制造再设计的静态混合器元件，其包含再设计的支架，该支架限定多个通路，该多个通路构造用于将一种或多种流体反应物在其通过混合器流动和反应的过程中混合，以及将催化性涂层施用到支架表面以形成催化性静态混合器(CSM)元件。下面对上述各方面的进一步实施方式进行描述。附图说明现在将仅示例性地结合附图对本公开的优选实施方式进行进一步描述和示例，其中：图1示出了根据一些实施方式的多个不同静态混合器；图2示出了根据一些实施方式的静态混合器；图3示出了根据一些实施方式的冷喷涂系统的示意图；图4示出了根据一些实施方式，用于对支架进行冷喷涂的支架支撑系统；图5示出了根据其他实施方式，用于对支架进行冷喷涂的支架支撑系统；图6示出了与图5的支架支撑系统一起使用的支撑元件；图7A图示了根据一个实施例用于涂覆静态混合器的工艺；图7B示出了用根据图6A的工艺涂覆的静态混合器；图8A和8B示出了根据一个实施例，用冷喷涂沉积涂覆有催化剂的静态混合器的涂覆表面与未涂覆表面以及(各自截面)之间的差异；图8C和图8D示出了根据一个实施例，使用冷喷涂涂覆有催化性材料的静态混合器的表面的详细图像；图9A和图9B示出了根据一个实施例，使用电沉积涂覆有催化性材料的静态混合器的表面的详细图像；图10示出了包含本公开的CSM的连续流动反应器系统的示意性示例；图11示出了气液比例对转化率的影响，使用根据一个实施方式催化剂组合Ni-CS-SS-C-R1-4且油酸作为底物，溶剂：EtOAc，压力＝16bar，T＝140℃，总流速＝2.30ml/mi本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.静态混合器元件，该静态混合器元件构造为用于连续流动化学反应器腔室的模块，其中静态混合器元件包含催化活性支架，该支架限定多个通路，该多个通路构造用于将一种或多种流体反应物在其通过混合器流动和反应的过程中混合，并且其中支架的至少一部分表面包含催化性材料用于给所述表面提供催化活性位点。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2015.12.23 AU 2015905354;2016.10.03 AU 20169039981.静态混合器元件，该静态混合器元件构造为用于连续流动化学反应器腔室的模块，其中静态混合器元件包含催化活性支架，该支架限定多个通路，该多个通路构造用于将一种或多种流体反应物在其通过混合器流动和反应的过程中混合，并且其中支架的至少一部分表面包含催化性材料用于给所述表面提供催化活性位点。2.权利要求1所述的静态混合器元件，其中，所述模块构造用于插入到连续流动反应器腔室中。3.权利要求1或2所述的静态混合器元件，其中，所述催化活性位点通过以下中至少一种来提供：支架由催化性材料形成；催化剂材料插层、散布和/或嵌入支架的至少一部分中；以及支架的至少一部分表面包含含有催化剂材料的涂层。4.权利要求1-3任一项所述的静态混合器元件，其中，支架的至少一部分包含含有催化剂材料的涂层。5.权利要求3或4所述的静态混合器元件，其中，所述涂层是电沉积或冷喷涂涂层。6.权利要求1-5任一项所述的静态混合器元件，其中，所述催化性材料选自金属、金属合金、金属陶瓷以及金属氧化物中至少一种。7.权利要求1-6任一项所述的静态混合器元件，其中，所述催化性材料包含选自以下中至少一种的金属：铁、钴、铜、锌、镍、钯、铂、金、银、钌、铱、铑、钛、钒、锆、铌、钽和铬，或者它们的金属合金、金属陶瓷或金属氧化物。8.权利要求1-7任一项所述的静态混合器元件，其中，所述催化性材料包含以下中的至少一种：金属，选自铁、钴、铜、锌、镍、钯、铂、金、银、钌、铱和铑，或者它们的任意合金或混合物；半金属，选自Bi、CdTe、HgCdTe、GaAs或者它们的任意混合物；以及金属氧化物，选自PbO、PbO2、ZnO、TiO2、CoO、Al2O3或者它们的任意混合物。9.权利要求1-8任一项所述的静态混合器元件，其中，所述催化性材料包含镍或镍合金。10.权利要求1-9任一项所述的静态混合器元件，其中，所述支架包含金属、金属合金、金属陶瓷以及金属氧化物，或由金属、金属合金、金属陶瓷以及金属氧化物组成。11.权利要求10所述的静态混合器元件，其中，所述支架包含钛、铝或不锈钢，或者由钛、铝或不锈钢组成。12.权利要求1-11任一项所述的静态混合器元件，其中，所述支架通过增材制造形成。13.权利要求1-12任一项所述的静态混合器元件，其中，静态混合器相对于用于容纳混合器的反应器腔室的体积置换％为小于30。14.权利要求1-13任一项所述的静态混合器元件，其中，使用计算流体动力学软件确定支架的构造以增强反应物的混合以及传热。15.权利要求1-14任一项所述的静态混合器元件，其中，所述支架以具有多个整体单元的网状构造而提供，该整体单元限定了构造用于帮助反应物混合和传热的多个通路。16.权利要求1-15任一项所述的静态混合器元件，其中，所述支架的构造提供至少约3000的雷诺数(Re)。17.用于一种或多种流体反应物的反应的连续流动化学反应器，该反应器包含一种或多种权利要求1-16任一项的静态混合器元件。18.权利要求17所述的连续流动化学反应器，包含一个或多个催化性静态混合器插入物和至少一个构造用于接收和容纳所述插入物的腔室部分。19.权利要求17或18所述的连续流动化学反应器，包含：相互流体连通的一个或多个腔室部分，其中至少一个腔室部分包含设置在其中用于将一种或多种流体反应物在其通过混合器流动和反应的过程中分散和混合的静态混合器元件；用于将一种或多种流体反应物供应到一个或多个腔室部分的一个或多个反应物进口；以及与静态混合器流体连通用于接收包含反应产物的输出料流的一个或多个出口。20.权利要求17-19任一项所述的连续流动化学反应器，其中，所述反应器是管状反应器。21.权利要求17-20任一项所述的连续流动化学反应器，其中，静态混合器相对于用于容纳混合器的反应器腔室的体积置换％为小于约30。22.权利要求17-21任一项所述的连续流动化学反应器，其中，所述反应器包括热交换系统以允许反应器、腔室部分、催化性静态混合器、或其流体组分的温度控制。23.权利要求17-22任一项所述的连续流动化学反应器，其中，热交换器系统包含控制器以控制反应器、腔室部分、催化性静态混合器...

【专利技术属性】
技术研发人员：W·亨利，J·灿纳斯迪斯，C·霍尔农，A·J·厄本，D·弗拉泽，D·R·古纳斯卡兰，M·D·霍纳，JP·维德，T·罗普普洛斯，
申请(专利权)人：联邦科学技术研究组织，
类型：发明
国别省市：澳大利亚,AU