CN101340972B - 热交换器混合系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种热交换器混合系统，包括至少一个热交换器区，具有一个或多个混合单元的至少一个连接板，每个连接板具有至少四个弯管头，其中各个弯管头是盲通道弯管头、贯通道弯管头、单通道弯管头或双通道弯管头，并且所述一个或多个混合单元设置有固定的混合元件。本发明还涉及热交换器混合系统的应用以及混合流体的方法。
Description
技术领域
本发明涉及一种热交换器混合系统、热交换器混合系统的应用以及混合流体的方法。
背景技术
混合器通常有多种应用，其中反应剂、流体等之间尽可能的接触很重要。接触通过湍流来改善，湍流通过使用不同类型的混合元件来实现。由于在许多这种操作中需要热传递，混合器通常与热交换器相组合。
从文献中可以知道很多混合器和热交换器的组合，例如WO97/21061公开了分别包括中央管的多个配合组件，设置有一个或多个固定的混合元件、围绕管的环形空间和套管。环形空间形成连续的隔间，其确保过程中的往复热传递。WO2002/46679公开了一种连接于热交换器开口的混合元件。
公开号为US2004/0109798的美国专利申请公开了一种利用单个单元或相互邻置的一组单元或子单元通过控制滞留时间和/或反应时间处理流体的方法。
现有技术的组合的混合器热交换器的一个问题是混合器和反应室之间的传递长度。这导致不良的热传递、温度控制和大规模的设备。因此，本发明的一个目的是设计一种热平衡效率更高的设备，另一个目的是设计一种更紧凑的混合器热交换系统。
发明内容
因此，本发明提供了一种紧凑的系统，其确保了更加有效的热平衡。因此，本发明涉及一种热交换器混合系统，包括：至少一个热交换器区，具有一个或多个混合单元的至少一个连接板，每个连接板具有至少四个弯管头，其中各个流体传送弯管头，此后称作弯管头，是盲通道弯管头、贯通道弯管头、单通道弯管头或双通道弯管头。所述一个或多个混合单元设置有混合元件。盲弯管头用作塞块并且流体不通过它。贯通道弯管头可以使流体通过连接板而不会使流体与任何其它流体混合，或者贯通道弯管头可以是从连接板外侧进入连接板的通道。单弯管头以相对于入口弯管头度的任何预设弯管头度引导流体流，并且单弯管头可以用于将流体流导入或导出连接板，或者可以引导流体绕过连接板。双弯管头以不同方向传送两种流体流而不会混合这两种流体流。双弯管头可以用于将流体流添加至系统。根据本发明可以使用的弯管头的实例公开于US4373579和WO99/51926。本发明包括任何类型的合适的弯管头。弯管头例如连接于连接板、混合单元、反应器区、热交换器区或其组合。流体可以通过弯管头传送入或传送出连接板，或者如果弯管头为双弯管头，则可以将工艺流体和例如热交换器流体传送入或传送出连接板，但是双弯管头也可以将两种工艺流体传送至两个混合单元、传送至两个反应器区、传送至两个热交换器区或其组合。
热交换器区可以是设置在至少一个连接板的一侧或两侧上的热交换器板，或者设置在两个或更多个连接板之间。根据另一个可选择性方案，热交换器区可以是连接板内部的空间，在内部混合单元外侧，或者热交换器区围绕外部连接的混合区。因此，至少一个热交换器区可以位于至少一个连接板的内侧和/或外侧。在另一个可选择性方案中，至少一个热交换器区可以作为热交换器板的组合设置在至少一个连接板的一侧或两侧上，并且作为热交换器区的组合位于至少一个连接板的内侧和/或外侧。
根据一个可选择性方案，两个、三个或更多个连接板可以在例如两个或更多个热交换器包装之间相互直接连接，但是可选择地，热交换器混合系统不必具有热交换器板，相反该系统可以具有外部和/或内部的热交换区。
连接板可以具有基本方形或矩形形状，但是任何形状都是可行的，只要热交换器混合系统的性能产生了所需效果。连接板可以具有容纳混合单元、热交换器流体、工艺流体或其组合的部分。至少一个连接板具有一个或多个混合单元，外部连接于和/或内部设置于至少一个连接板。连接板的入口或出口通过弯管头可以连通于热交换器流体或工艺流体，至少一个连接板可以具有用于流体的至少一个入口和至少一个出口。一个或多个混合单元可以外部连接于连接板。一种工艺流体可以在连接板内部的混合单元内传送，另一种工艺流体可以在外部设置的混合单元内传送。混合的工艺流体可以在又一个混合单元内组合并混合在一起，这完全取决于反应类型或者流体通过的物理步骤。连接板可以容纳一个或多个内部混合单元，一个在管或者其它类型的封闭通路的内部，另一个可以是围绕管或其它类型的封闭通路的混合单元。在另一个可选择性方案中，连接板容纳一个或多个内部设置的混合单元和用于热交换器流体的至少一个入口和至少一个出口。连接板可以被密封。弯管头可以集成在至少一个连接板中。
混合单元可以设置有混合元件。混合元件可以具有翼、翅或其它混合增强装置，混合元件可以是网、金属化泡沫、筛网、翅片等。混合元件可以选自于固定混合器、螺旋混合器、右和左转动混合器叶片的组合、涡流混合器、动力混合元件、枪式偏置湍流器、流动控制插板、金属化泡沫、筛网等。混合单元可以是混合元件，例如WO2004/045761公开的流动控制插板。混合单元和混合元件由以下材料制成：任何合适的合金、不锈钢、
氟聚合物、聚酯、塑料、聚氯乙烯(PVC)、尼龙、玻璃纤维、陶瓷、聚丙烯、聚苯乙烯、聚碳酸酯、聚乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚醚醚酮(PEEK)或其组合。
根据本发明的一个可选择性实施方式，根据本发明的热交换器系统可以具有一个或多个注射口，连接于例如一个或多个弯管头，或者沿着一个或多个连接板的侧面。注射口可以用于添加剂、反应剂等，或者用于测试样本、监控流体流等。根据一个可选择性实施方案，注射口可以连接于盲通道弯管头、贯通道弯管头、单通道弯管头或者双通道弯管头。
热交换器系统可以被钎焊和/或焊接，或者该系统的一些部分可以被钎焊和/或焊接，并且该系统可以被夹持在具有至少两个端板的框架内，但是该系统不是必须被夹持在框架内。
本发明还涉及一种热交换器混合系统，其可以用作反应器，该系统包括一个或多个热交换器混合系统和至少一个反应器区。热交换器混合反应器可以包括多至10个热交换器混合系统。
热交换器混合系统可以用于化学合成或反应，单元操作例如酸等的稀释，食品应用，农业化学、生物化学等。热交换器混合系统可以用作反应器。
本发明还涉及一种用于混合流体的连续方法，该方法包括步骤：传送至少一种第一工艺流体和至少一种第二工艺流体。流体可以是溶剂、稀释流体等，或者可以是具有添加的反应剂、催化剂等的反应流体。流体可以通过至少一个第一弯管头被引入热交换器混合系统的连接板的至少一个内部连接的混合单元，或者流体可以通过至少一个第一弯管头被传送入至少一个外部连接的混合单元。第一和第二流体可以混合在一起，可以向或者从混合单元传热。混合的工艺流体可以通过至少一个第二弯管头传送出混合单元以在另一个热交换器混合系统的热交换器区或反应器区内进一步处理。该方法可以包括：将内部热交换器流体通过至少两个弯管头传送至外部热交换器板，或者该方法可以包括：将内部热交换器流体通过至少一个第一弯管头传送入连接板，并且将内部热交换器流体通过至少一个第二弯管头传送出连接板以用于进一步的热交换。在另一个可选择性方案中，该方法可以包括：将外部热交换器流体通过至少一个第一弯管头传送入连接板，并且将外部热交换器流体通过至少一个第二弯管头传送出连接板。根据又一个可选择性方案，该方法可以包括：将外部热交换器流体传送入外部混合单元的至少一个外部调节单元，并且将外部热交换器流体传送出外部混合单元的至少一个外部调节单元。
本发明进一步的可选择的实施方式限定在权利要求中。借助图1-15来更详细地进一步描述本发明。附图仅用于说明本发明的目的而非限制其范围。
附图说明
图1示意性示出了本发明的热交换器混合系统的一个可选择的实施例。
图2示出了本发明连接板的简化示意图。
图3示出了具有用于工艺流体、热交换器流体等的四弯管头的连接板。
图4示出了盲通道弯管头。
图5示出了贯通道弯管头。
图6示出了单通道弯管头。
图7示出了双通道弯管头。
图8示出了本发明的设置有弯管头的热交换器混合系统的另一个可选择的实施例。
图9示出了本发明的具有隔开连接板的热交换器混合系统的另一个可选择的实施例。
图10示意性示出了具有单弯管头和贯通道弯管头的连接板。
图11示意性示出了具有内部固定混合单元的连接板。
图12示意性示出了具有连接于内部混合单元的内部调节装置的连接板。
图13示意性示出了具有外部调节单元的内部混合单元。
图14示意性示出了连接于连接板和内部调节装置的外部混合单元。
图15示意性示出了具有连接于连接板的外部调节装置的外部混合单元。
具体实施方式
在图1中，示意性示出了本发明，以限定和具体化根据本发明一个可选择的实施方式的热交换器混合系统的各个部件。该系统包括热交换器板1和连接板2a、2b和2c。连接板2a表示具有例如未示出的内部调节装置和内部混合单元的连接板。连接板2b具有外部接头3，用于添加剂、反应剂等的流动，用于外部混合单元，用于外部调节装置，或用于例如混合单元的内部调节用的另外的热交换器流体。连接板2c具有弯管头4，用于另外的工艺流体、反应剂或用于热交换器流体。每个连接板5具有至少4个弯管头6，参见图2，其连接于一个或多个混合单元7，或者连接于图2中未示出的具有热交换器流体流的调节装置。混合单元7可以内部集成于连接板5，或者可以外部连接于连接板，根据本发明的一个选择项实施方式，混合单元可以既外部又内部连接于相同的连接板。混合单元设置有混合元件8，混合元件8可以是混合单元的一部分，或者是附加于混合单元或连接板的分离部分。
图3示出了一种可选择的连接板5，具有四个不同的布置于连接板5的弯管头9、10、11和12。图4中的弯管头9为盲弯管头，当连接于连接板时用作塞块。图5中的弯管头10为贯通道弯管头，具有用于流体通过的孔13，这个弯管头可以使流体通过连接板而不会使流体与连接板内的任何流体混合。弯管头10也可以使连接板内的流体与任何类型的外部流体装置连通，或可以使连接板与待添加于本发明的混合系统的任何流体连通。图6中的单弯管头11将一种流体流通过孔13引入和引出管14，或者将流体通过管14引出孔13，这意味着该单弯管头可以将来自相邻板的流体传送入或传送出连接板，或者传送入或传送出混合单元。单弯管头也可以用于将流体添加于根据本发明的混合系统。图7中的双弯管头12具有相互分离两种流体的壁15。双弯管头12导引两种流体流而不会混合它们。双弯管头12也可以给连接板或混合系统附加多种功能。流体流可以在适用于系统的任何方向通过双弯管头。
图8示出了混合系统，具有在框架16内的连接板5和热交换器板1。两个端板17将系统稳固在框架16内。不同的弯管头设置成将流体引入或引出连接板，因此赋予本发明的混合系统多种功能。图9中的混合系统示出了在框架16内隔开的连接板5。在这个图中例如可以看到，单弯管头11阻止来自热交换器板1或连接板的一侧的流体流，并且将流体流从连接板或热交换器板外部加入连接板或热交换器板。
图10-15均是根据本发明的混合系统的内部或外部混合的不同可能性的示意图。图10的连接板配备有单弯管头11，用于将流体连通于可以是外部混合单元或可以是要在本发明的热交换器混合系统内处理的另外流体的外侧源。连接板也配备有两个弯管头，其可以是盲弯管头9或贯通道弯管头10，或各取其一。
图11的连接板配备有内部混合元件8。图12示出了一种连接板，其中一种流体流18被引入混合单元或者开放空间，另一种流体流19被引入连接板直至内部调节装置来内部调节流体流18，而不会使流体流18与流体流19混合。参看图13，外部调节流体流通过接头20被导引，接头20可以是贯通道弯管头10。外部调节流体流被引入图13中的具有单弯管头的连接板内的内部调节装置，来调节混合单元或开放空间内的流体，其可以用作反应空间而不发生混合。外部混合单元21连接于图14中的连接板，图15中的混合单元21配备有外部调节装置22。
一个或多个注射口23可以连接于一个或多个弯管头或连接于一个或多个连接板的侧面。在图11和12中注射口23连接于弯管头。图13示出了沿连接板一侧连接的几个注射口23。注射口23也可以连接于图5、6或7示出的弯管头。
Claims (24)
1.一种热交换器混合系统，包括：至少一个热交换器区，具有一个或多个混合单元的至少一个连接板，每个连接板具有作为连接板的拐角区域的至少四个弯管头，其中各个弯管头是盲通道弯管头、贯通道弯管头、单通道弯管头或双通道弯管头，并且所述一个或多个混合单元设置有混合元件，其中混合单元的混合元件选自于固定混合器、螺旋混合器、右和左转动混合器叶片的组合、涡流混合器、动力混合元件、流动控制插板、金属化泡沫、筛网。
2.根据权利要求1的热交换器混合系统，其中一个或多个注射口连接于一个或多个弯管头，沿着一个或多个连接板的一侧或多侧，或其组合。
3.一种热交换器混合系统，包括：至少一个热交换器区，具有一个或多个混合单元的至少一个连接板，每个连接板具有作为连接板的拐角区域的至少四个弯管头，其中各个弯管头是盲通道弯管头、贯通道弯管头、单通道弯管头或双通道弯管头，其中所述至少一个连接板具有一个或多个混合单元，其外部连接于和/或内部设置于所述至少一个连接板，所述一个或多个混合单元设置有混合元件，并且一个或多个注射口连接于一个或多个弯管头，沿着一个或多个连接板的一侧或多侧，或其组合。
4.根据权利要求3的热交换器混合系统，其中混合单元的混合元件选自于固定混合器、螺旋混合器、右和左转动混合器叶片的组合、涡流混合器、动力混合元件、流动控制插板、金属化泡沫、筛网。
5.根据权利要求1、2、3或4的热交换器混合系统，所述至少一个热交换器区是设置在所述至少一个连接板的一侧或两侧上的热交换器板。
6.根据权利要求1、2、3或4的热交换器混合系统，其中所述至少一个热交换器区位于所述至少一个连接板的内侧和/或外侧。
7.根据权利要求1、2、3或4的热交换器混合系统，其中所述至少一个热交换器区作为热交换器板的组合设置在所述至少一个连接板的一侧或两侧上，并且作为热交换器区的组合位于所述至少一个连接板的内侧和/或外侧。
8.根据权利要求1、2、3或4的热交换器混合系统，其中所述至少一个连接板具有基本方形或矩形形状。
9.根据权利要求1、2、3或4的热交换器混合系统，其中所述至少一个连接板具有用于流体的至少一个入口和至少一个出口。
10.根据权利要求1、2、3或4的热交换器混合系统，其中所述至少一个连接板具有一个或多个外部连接的混合单元。
11.根据权利要求1、2、3或4的热交换器混合系统，其中所述至少一个连接板具有一个或多个内部设置的混合单元。
12.根据权利要求11的热交换器混合系统，其中所述至少一个连接板具有一个或多个内部设置的混合单元和用于热交换器流体的至少一个入口和至少一个出口。
13.根据权利要求11的热交换器混合系统，其中所述至少一个连接板被密封。
14.根据权利要求1、2、3或4的热交换器混合系统，其中混合单元和混合元件由以下材料制成：任何合适的合金、不锈钢、氟聚合物、聚酯、聚氯乙烯、尼龙、玻璃纤维、陶瓷、聚丙烯、聚苯乙烯、聚碳酸酯、聚乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚醚醚酮或其组合。
15.根据权利要求1、2、3或4的热交换器混合系统，其中两个或多个连接板相互直接连接。
16.一种热交换器混合反应器，包括一个或多个根据前述任一权利要求的热交换器混合系统，包括至少一个反应器区。
17.根据权利要求16的热交换器混合反应器，其中该热交换器混合反应器包括多至10个热交换器混合系统。
18.一种根据权利要求1-15之一的热交换器混合系统的应用，用于化学合成或反应，单元操作，食品应用，农业化学、生物化学。
19.一种根据权利要求16或17的热交换器混合反应器的应用，用于化学合成或反应。
20.一种用于混合流体的连续方法，包括步骤：将至少一种第一工艺流体和至少一种第二工艺流体或至少一种反应剂通过至少一个第一弯管头传送入根据权利要求1-15之一的热交换器混合系统的连接板的至少一个内部连接的混合单元，或者将至少一种第一工艺流体和至少一种第二工艺流体或至少一种反应剂通过至少一个第一弯管头传送入至少一个外部连接的混合单元，将所述至少一种第一工艺流体与所述至少一种第二工艺流体或所述至少一种反应剂混合，从或者向混合单元传热，将混合的工艺流体通过至少一个第二弯管头传送出混合单元以在另一个根据权利要求1-15之一的热交换器混合系统的热交换器区或反应器区内进一步处理。
21.根据权利要求20的方法，其中该方法包括：将内部热交换器流体通过至少两个弯管头传送至外部热交换器板。
22.根据权利要求20的方法，其中该方法包括：将内部热交换器流体通过至少一个第一弯管头传送入连接板，并且将内部热交换器流体通过至少一个第二弯管头传送出连接板以用于进一步的热交换。
23.根据权利要求20的方法，其中该方法包括：将外部热交换器流体通过至少一个第一弯管头传送入连接板，并且将外部热交换器流体通过至少一个第二弯管头传送出连接板。
24.根据权利要求20的方法，其中该方法包括：将外部热交换器流体传送入外部混合单元的至少一个外部调节单元，并且将外部热交换器流体传送出外部混合单元的所述至少一个外部调节单元。
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