[发明专利]一种混合器及制备有机异氰酸酯的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种混合器以及利用该混合器制备有机异氰酸酯的方法。

背景技术

流体混合的目的是为了实现混合物中不同组分的均一分布，通常要求在短时间内完成。 对于流体混合过程来说，分子扩散是混合过程的最后步骤。基于Fick定律，混合与扩散系 数以及扩散距离有关。对于没有辅助措施的扩散通常是一个相对缓慢的过程。采取将混合体 积分成多个部分或采用薄的层状结构以减少扩散距离是实现快速混合的可行办法，尤其是在 层流状态下。而在湍流区域，流体主体被诱导分成许多薄层，并形成涡流，流体分散成许多 小的碎片，促进相互间的混合。

除机械搅拌这种常见的流体混合手段之外，流动混合是实现流体混合的重要手段。利用 流动混合的混合器主要有两种类型，一种是利用流体在具有特定形状的混合设备中高速流动 形成自由湍流，例如各种混合喷嘴；另一种是基于流体的拆分和重新组合实现混合，例如各 种静态混合器。

根据传递过程的基本理论，当流体边界层厚度显著降低时能实现超快速的混合。James B. Knight等人利用一种被称为“水力学聚焦(hydrodynamic focusing)”的手段，实现了快速混 合，可参考文献：Knight，J.B.，Vishwanath，A.，Brody，J.P.，Austin，R.H.Hydrodynamic focusing on a silicon chip：mixing nanoliters in microseconds.Phys.Rev.Lett，1998，80，17：3863-3866。通 过水力学聚焦作用，能显著压缩流体边界层，缩短垂直于流动方向上的扩散路径，从而能够 实现良好混合。

超声波具有方向性好，穿透能力强的特点，并具有诸如机械效应、空化作用等特殊的超 声效应。超声波的机械作用可促成液体的乳化、凝胶的液化和固体的分散。超声波作用于液 体时可产生大量小气泡。一个原因是液体内局部出现拉应力而形成负压，压强的降低使得原 本溶于液体的气体过饱和而从液体逸出，成为小气泡；另一原因是强大的拉应力把液体“撕 开”成一空洞，称为空化。因空化作用形成的小气泡会随周围介质的振动而不断运动、长大 或突然破灭。小气泡破灭时周围液体突然高速冲入气泡而在气泡附近的液体中产生强烈的局 部激波，从而产生了超声的粉碎、去污和混合作用。

异氰酸酯是聚氨酯工业的重要单体原料，由伯胺光气化法反应制备异氰酸酯的方法在专 利中被多次报道，并已经在工业上大规模进行。一般地，有机伯胺与光气反应分两个阶段进 行。第一光气化段称为冷光气化，进行的反应包括有机伯胺与光气反应形成对应的氨基甲酰 氯和氯化氢，有机伯胺与氯化氢结合成胺的盐酸盐；第二光气化段称为热光气化，进行的反 应包括氨基甲酰氯分解形成对应的有机异氰酸酯和氯化氢，胺盐酸盐光气化形成氨基甲酰 氯。

有机伯胺与光气反应生成氨基甲酰氯是一个快速强放热反应，反应过程好坏极大程度上 取决于混合效果。反应物料要快速混合均匀，防止有机胺局部过剩发生副反应。同时，反应 产生的氨基甲酰氯和胺的盐酸盐会以固体形式析出，可能堵塞反应器。氨基甲酰氯以及有机 异氰酸酯会和有机胺反应生成脲，造成产品异氰酸酯收率降低。

为了使副产物和固体形成降至最低，一般将有机伯胺和过量的光气各自溶解于惰性有机 溶剂中，在混合设备中进行快速混合。混合设备基本可分为动态混合器和静态混合器。已知 的混合设备尤其包括喷嘴，如环隙喷嘴(DE 1792660)、环孔喷嘴(DE 3744001)、文丘里混 合喷嘴(DE-B 1175666)等。

CN 2444949报道了一种用于液相制备甲苯二异氰酸酯的喷射反应器。喷射反应器由连 接有进料口的喷射器主体、连接有进料口的撞针及其下部的调控结构组成。撞针插入到喷射 器主体下部的空心圆柱内，撞针的圆锥部的外侧壁与喷射器主体的内侧壁及其上凸起形成原 料室及环绕通道。喷射反应器用来主要完成冷光气化段反应，原料无需加热，放热使反应温 度升高；热光气化段反应在塔式反应器中加热完成。但是，由于反应器中存在有移动部件， 存在光气泄漏的危险。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于混合至少两种流体的混合器，该混合器构造简单，并有 良好的微观混合效率。

本发明的第二个目的是提供一种制备有机异氰酸酯的方法。

本发明的技术方案概述如下：