CN101506609B - 用于以组合的方式进行使用流体的静态混合及热传递的装置 - Google Patents

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Abstract

将流体(8)和传热媒介(7)之间的热传递与流体的静态混合组合的装置(1)包括在外罩(3)中的装入件(2)。外罩(3)在头部端(4)和基部端(5)之间纵向地延伸，装入件构成热传递及混合结构，传热媒介可作为内部流而在装入件的管道(21，22)中从基部端输送至头部端，流体可作为外部流而从头部端输送至基部端。设置有加强元件(6，6’，6”)，其使装入件在纵向方向上对着由流体产生的压力梯度而保持稳定。装入件在主区域内通过加强元件而连接成不可伸展的部分结构(2a)；并且，在与主区域互补的邻近区域内，装入件作为纵向可伸展的部分结构(2b)保持至少部分未被加强。

Description

用于以组合的方式进行使用流体的静态混合及热传递的装置
技术领域
本发明涉及这样的一种装置，其将流体与传热媒介(waermetransportierenden Medium)之间的热传递与流体的静态混合(statischen Mischen)组合。本发明还涉及这种装置的使用。
背景技术
文件EP-A-0009 638公开了设计作为反应器的载热体，在聚合时利用该载热体将反应热去除，以保持最优的温度。这种聚合反应器包括管形壳体以及装入件(Einbaute)，利用它们可进行从聚合混合物(高粘度的流体)中传出热量。该装入件同时引起这种高粘度流体的静态混合。
这种带有壳体和装入件的设备是这样一种装置，即，对于这种装置可有多种应用。一个典型的应用是聚酯熔液的冷却，其在约290℃下产生于缩聚反应器中。在将该产品取出反应器后，必须将温度降低10℃，以避免产品产生分解。冷却需在装置中以均匀的、带有聚酯熔液的很窄的停留时间差异(Verweilzeitspektrum)的方式来进行，以获得均匀的产品。在制造薄聚合纤维时，需相当精确地保持熔液温度的均匀性。
由文件EP-A-0 009 638已知的用于以组合的方式进行热传递及静态混合的聚合反应器包括呈外罩(Mantel)形式的壳体和装入件，该壳体纵向地在头部端和基部端之间延伸，而该装入件构成热传递及混合结构(waermeuebertragende und mischende Struktur)。该装入件包括在纵向方向上延伸的管道，该管道成形成蛇形。管道在下文中有时称作“载热体/混合管道(Waermeuebertrager-/Mischrohr)”。每个管道都具有弯曲的管道部分(Rohrteile)和连接所述弯曲的管道部分的、笔直且相互平行的管道部分。管道位于平面的，相接触的层中；并且相邻管道的直的管道部分相互交叉。传热媒介作为内部流被泵送穿过装入件的管道。管道联结在头部端处，在该处同样布置有用于待冷却产品的外部流的入口部位。被冷却的产品在基部端处离开装置，在所述基部端处装入件不被联结。由于在基部端和装入件之间的连接的缺失，省去了伸展补偿(否则的话，其将由于装入件和壳体不同的热伸展而必不可少)。伸展差尤其在起动时产生，因为盘管几乎立即呈现出相同于载热体的温度，而壳体仅仅间接地且缓慢地经由在外罩空间内的聚合物而被加热。
在已知的聚合反应器中，热传递以多级的方式(mehrgaengig)进行，即，分别地在管道的第一半部分中以顺流的形式而在管道的第二半部分中以逆流的形式来进行。传热媒介的内部流由于盘旋的形状而与高粘度流体的外部流相交叉，以使得交叉流也与顺流或逆流组合。
发明内容
本发明的目的在于，创造一种改良的装置，其设计成在功能上与已知的聚合反应器相同，但是，在该装置中热传递能更高效率地进行。该目的将通过如下装置来实现。
一种装置将在流体和传热媒介之间的热传递与所述流体的静态混合组合，其中，在所述装置的外罩内，装入件构成热传递及混合结构，所述外罩在头部端和基部端)之间纵向地延伸，并且，所述装入件包括管道，以使得，所述传热媒介可作为所述管道内的内部流在所述管道中从所述基部端输送至所述头部端；并且，所述流体可作为所述管道外的外部流从所述头部端输送至所述基部端，其中所述装入件的管道构成平的层，所述层平行地布置；并且，设置有加强元件，其与通过流体而产生的压力梯度相反而在纵向方向上稳定所述装入件的管道；并且，所述装入件的管道在主区域中通过所述加强元件连接成不可伸展的部分结构，并在与所述主区域互补的邻近区域中保持至少部分地未被加强而形成可纵向地伸展的部分结构。
本发明还提供了根据本发明的装置的有利的实施形式以及根据本发明的装置的应用可能性。
根据本发明的一方面，该装置设置有第一层，在所述第一层中，所述管道的第一管道迂回地、以包含弯管和平行的部分管道件的方式从入口端延伸至出口端。
根据本发明的一方面，该装置设置有第二层，在所述第二层中，所述管道的第二管道迂回地、以包含弯管和平行的部分管道件的方式从入口端延伸至出口端。
根据本发明的一方面，相邻的层的部分管道件相交叉。
根据本发明的一方面，在所述装入件的主区域内，所述管道被紧固在轴向的，也就是说，定向在纵向的杆上，其中所述杆包括用于镶嵌管道的槽状的凹部，并且，通过所述杆而连接的管道相互接触或布置成彼此间隔相对较小的间距，所述间距显著小于所述杆的厚度。
根据本发明的一方面，在所述装入件的主区域内，所述管道借助于呈带状板形式的元件而被连接，其中，在所述板上设置有用于镶嵌管道的槽状的凹部，以使得通过所述板而连接的管道相互接触或布置成间隔相对较小的间距，所述间距显著小于所述板的厚度。
根据本发明的一方面，在所述槽状的凹部中建立紧固连接，并且，所述紧固连接通过在钎焊炉中的钎焊而建立。
根据本发明的一方面，在所述装入件的主区域内，所述管道借助于连接块而形成紧固连接。
根据本发明的一方面，所述紧固连接通过熔焊而建立。
根据本发明的一方面，所述装入件的主区域设计为坚固成如下程度，即，在装置的头部端和基部端之间的至少为10bar的纵向的压差下，所述装入件保持完好。
根据本发明的一方面，所述装入件的主区域设计为坚固成如下程度，即，在装置端部之间的40bar的纵向的压差下，所述装入件保持完好。
根据本发明的一方面，所述头部端和所述基部端各与所述外罩及所述装入件以不可松脱的方式相连接且所述装入件因此为不可拆卸的。
根据本发明的一方面，所述外罩包括环状缝隙空间，通过所述环状缝隙空间可传输所述传热媒介。
根据本发明的一方面，所述装入件的管道在所述头部端处装入并紧固到第一孔中，而在基部端处装入并紧固于第二孔中，所述第一孔布置在外罩附近处的环上，所述第二孔布置在穿越所述基部端的中心的条带上。
根据本发明的一方面，所述头部端具有中心的入口开口而所述基部端具有非中心的布置在中心附近的出口开口，以用于流体。
根据本发明的一方面，所述头部端具有入口开口而所述基部端具有出口开口，以用于流体，两个开口都布置在中心处或都以偏心的方式布置。
根据本发明的一方面，所述头部端具有入口开口而所述基部端具有出口开口，以用于流体，其中所述入口开口偏心地布置而所述出口开口布置在中心处。
一种根据本发明前述任一方面的装置的应用，其中流体为熔化的聚合物，而传热媒介为导热油。
根据本发明前述任一方面的装置的应用，其中所述流体为聚酯熔液。
根据本发明前述任一方面的装置的应用，其中所述流体被冷却以便降低所述聚合物的分解。
根据本发明前述任一方面的装置的应用，其中所述流体被加热以便使所述聚合物更具流动性。
附图说明
下面将根据示意图阐述本发明。其中：
图1示出了带有载热体/混合管道的根据本发明的装置的头部端，
图2示出了相邻的载热体/混合管道的两个层，
图3示出了根据本发明的装置的部分地示出的纵向截面，而
图4示出了加强元件的其它示例。
具体实施方式
将根据图1至图4对根据本发明的装置1进行描述。将流体8和传热媒介7之间的热传递与流体8的静态混合相组合的该装置1包括装入件2和带有管形的、引导流体8的壳体3’的外罩3。待处理的流体8典型地具有至少为1Pa·s的相对高的动粘度；其在装置1的重要应用中为具有例如50bar的压力的聚酯熔液。
外罩3在头部端4和基部端5之间纵向地延伸。装入件2构成了热传递及混合结构。传热媒介7作为内部流在装入件2的管道21，22中从基部端5流至头部端4。流体8作为外部流从头部端4流至基部端5。设置有加强元件6(参见图2和图4)，该加强元件使装入件2在纵向方向上对抗由流体8产生的压力梯度而保持稳定。所述装入件2在主区域中通过加强元件6而连接成不可伸展的部分结构2a。在对主区形成补充的邻近区域中，装入件2保持未被加强或仅仅部分地被加强，这样，形成了柔性的可纵向地伸展的部分结构2b(点划线包围的矩形)。由于该柔性的部分结构2b而获得了伸展补偿，其由于装入件2和壳体3’的不同的热伸展(其例如在装置启动时出现)而必不可少。
在根据本发明的装置1中，热传递以单级的方式，即，以逆流的方式进行。众所周知，与顺流相比，逆流时内部流和外部流之间平均而言产生较大的温差。因此，与已知聚合反应器的多级的热传递相比，热传递能够更高效率地进行。由此，举例而言，长度为2m的反应器可通过长度缩短了大约35cm的逆流反应器来替代(其中，两个反应器具有相同的横截面积和相同的冷却功率)。同时，内部流(导热油形式的载热体)的压力损失减半。
载热体/混合管道，也就是说，装入件2的管道21，22，构成了平的、平行地布置的层200，其横向的定向在图1中通过点划线204来表明。在各个层200中，管道22(和/或管道21)迂回状地、以包括弯管(Boegen)201和平行的部分管道件(Teilrohrstuecke)202的方式，从基部端5处的入口端25延伸至头部端4处的出口端24。相邻的层200的部分管道件202在交叉部位203处相交叉。在图3中，左侧示出了相邻的两个管道21和22，右侧仅示出了管道21。
在装入件2的主区域内，相邻两个层200的管道21和管道22被紧固在轴向的(即，定向在纵向上的)杆6’上，其构成了加强元件6的一种有利的实施形式。该杆6’在基部端5处被紧固且延伸经过非柔性的部分结构2a直至柔性的部分结构2b处，所述柔性的部分结构2b使得伸展补偿得以成为可能。同样，这样的一种实施形式也是可能的，在该实施形式中，杆6’紧固在头部端4处而柔性的部分结构2b位于基部端5处。
加强元件6有利地设计成带状板(未示出)，杆6’(图2)，或者连接块6”(图4)，其分散地布置在多个部位上。带状板指的是这样的加强元件6，其尽管以与杆截面(Stangenabschnitt)类似的方式进行构造，但却相似于图4中的连接块6”地分散地布置。在杆6’或板上设置有槽状的凹部，以用于镶嵌管道21和管道22，这样，通过该板而连接的管道相互接触或被布置成间隔相对较小的间距，该间距显著小于板的厚度。优选的，管道与板或管道与杆6’之间的紧固的连接通过在钎焊炉中钎焊(Loeten)形成。该连接当然也可通过熔焊(Schweissen)而产生。在图4中示出的加强形式中，连接块6”各使两个相邻的部分管道件202相连接。其优选地被焊接。
主区域的非柔性的部分结构2a设计成坚固成以下程度，即，当在外部流中由于流阻而在装置端部之间出现至少为10bar，优选为40bar的纵向的压差时，装入件保持完好(intakt)。
根据本发明的装置1通常构造成如下形式，即，头部端4和基部端5各与外罩3以及装入件2以不可松脱的方式相连接。在这种情况下，装入件2为不可拆卸(nicht ausbaubar)的。如果可拆卸的装入件2是必需的，则使用已知的装置(聚合反应器)可能是更为有利的。
外罩3可在外壁30和管形壳体3’之间包含环状缝隙空间(Ringspaltraum)31，通过该环状缝隙空间31可传输载热体，优选地为传热媒介7的一部分(载热体的入口管路35和出口管路34)。
载热体/混合管道21，22在头部端4处装入并紧固到孔40中而在基部端5处装入并紧固到孔50中。孔40布置在外罩附近处的两个环形分段上；孔50布置在横越基部端5的中心的条带(Streifen)上。传热媒介7通过入口管路51和分配腔517供给至装入件2的各个管道21，22中，并在其出口处在集流腔417中及出口管路41中汇合。
头部端4具有用于流体8的位居中心的入口开口42，而基部端5具有布置在中心旁边的出口开口52。同样可将两个开口42和52都布置在中心处或都以偏心的方式来布置，或者，入口开口42偏心地布置而出口开口52布置在中心处。
根据本发明的装置1可例如用于聚酯熔液或其它熔化的聚合物(流体8)，以通过冷却而降低分解。另一个应用是加热聚合物，以使其流动性更强。其它的应用是在食品领域内高粘度媒介(例如巧克力，奶糖，口香糖)的加热和冷却。通常使用导热油作为传热媒介7。也可使用例如水或蒸汽等的其它媒介。

Claims (22)

1.一种装置(1)，其将在流体(8)和传热媒介(7)之间的热传递与所述流体(8)的静态混合组合，
其中，在所述装置(1)的外罩(3)内，装入件(2)构成热传递及混合结构，所述外罩(3)在头部端(4)和基部端(5)之间纵向地延伸，并且，所述装入件(2)包括管道(21，22)，以使得，所述传热媒介(7)可作为所述管道(21，22)内的内部流在所述管道(21，22)中从所述基部端(5)输送至所述头部端(4)；并且，所述流体(8)可作为所述管道(21，22)外的外部流从所述头部端(4)输送至所述基部端(5)，其中所述装入件(2)的管道(21，22)构成平的层(200)，所述层(200)平行地布置；并且，设置有加强元件(6，6’，6”)，其与通过流体而产生的压力梯度相反而在纵向方向上稳定所述装入件(2)的管道(21，22)；并且，所述装入件(2)的管道(21，22)在主区域中通过所述加强元件(6，6’，6”)连接成不可伸展的部分结构(2a)，并在与所述主区域互补的邻近区域中保持至少部分地未被加强而形成可纵向地伸展的部分结构(2b)。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，设置有第一层，在所述第一层中，所述管道(21，22)的第一管道(21)迂回地、以包含弯管(201)和平行的部分管道件(202)的方式从入口端(25)延伸至出口端(24)。
3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，设置有第二层，在所述第二层中，所述管道(21，22)的第二管道(22)迂回地、以包含弯管和平行的部分管道件的方式从入口端(25)延伸至出口端(24)。
4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，相邻的层(200)的部分管道件(202)相交叉。
5.根据权利要求1-4中任一项所述的装置，其特征在于，在所述装入件(2)的主区域内，所述管道(21，22)被紧固在轴向的，也就是说，定向在纵向的杆(6’)上，其中所述杆(6’)包括用于镶嵌管道(21，22)的槽状的凹部，并且，通过所述杆(6’)而连接的管道(21，22)相互接触或布置成彼此间隔相对较小的间距，所述间距显著小于所述杆(6’)的厚度。
6.根据权利要求1-4中任一项所述的装置，其特征在于，在所述装入件(2)的主区域内，所述管道(21，22)借助于呈带状板形式的元件而被连接，其中，在所述板上设置有用于镶嵌管道的槽状的凹部，以使得通过所述板而连接的管道相互接触或布置成间隔相对较小的间距，所述间距显著小于所述板的厚度。
7.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，在所述槽状的凹部中建立紧固连接，并且，所述紧固连接通过在钎焊炉中的钎焊而建立。
8.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，在所述槽状的凹部中建立紧固连接，并且，所述紧固连接通过在钎焊炉中的钎焊而建立。
9.根据权利要求1-4中任一项所述的装置，其特征在于，在所述装入件(2)的主区域内，所述管道(21，22)借助于连接块(6”)而形成紧固连接。
10.根据权利要求9所述的装置，其特征在于，所述紧固连接通过熔焊而建立。
11.根据权利要求1-4中任一项所述的装置，其特征在于，所述装入件(2)的主区域设计为坚固成如下程度，即，在装置的头部端(4)和基部端(5)之间的至少为10bar的纵向的压差下，所述装入件(2)保持完好。
12.根据权利要求1至4中任一项所述的装置，其特征在于，所述装入件(2)的主区域设计为坚固成如下程度，即，在装置的头部端(4)和基部端(5)之间的40bar的纵向的压差下，所述装入件(2)保持完好。
13.根据权利要求1-4中任一项所述的装置，其特征在于，所述头部端(4)和所述基部端(5)各与所述外罩(3)及所述装入件(2)以不可松脱的方式相连接且所述装入件因此为不可拆卸的。
14.根据权利要求1-4中任一项所述的装置，其特征在于，所述外罩(3)包括环状缝隙空间(31)，通过所述环状缝隙空间(31)可传输所述传热媒介(7)。
15.根据权利要求1-4中任一项所述的装置，其特征在于，所述装入件(2)的管道(21，22)在所述头部端(4)处装入并紧固到第一孔(40)中，而在基部端(5)处装入并紧固于第二孔(50)中，所述第一孔(40)布置在外罩(3)附近处的环上，所述第二孔(50)布置在穿越所述基部端(5)的中心的条带上。
16.根据权利要求1-4中任一项所述的装置，其特征在于，所述头部端(4)具有中心的入口开口(42)而所述基部端(5)具有非中心的布置在中心附近的出口开口(52)，以用于流体(8)。
17.根据权利要求1至4中任一项所述的装置，其特征在于，所述头部端(4)具有入口开口(42)而所述基部端(5)具有出口开口(52)，以用于流体(8)，两个开口都布置在中心处或都以偏心的方式布置。
18.根据前述权利要求1至4中任一项所述的装置，其特征在于，所述头部端(4)具有入口开口(42)而所述基部端(5)具有出口开口(52)，以用于流体(8)，其中所述入口开口(42)偏心地布置而所述出口开口(52)布置在中心处。
19.一种根据前述权利要求中任一项所述的装置(1)的应用，其特征在于，流体(8)为熔化的聚合物，而传热媒介(7)为导热油。
20.根据权利要求19所述的装置(1)的应用，其特征在于，所述流体(8)为聚酯熔液。
21.根据权利要求19或20所述的装置(1)的应用，其特征在于，所述流体被冷却以便降低所述聚合物的分解。
22.根据权利要求19或20所述的装置(1)的应用，其特征在于，所述流体被加热以便使所述聚合物更具流动性。
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