CN115253747B - 静态混合换热器及其制备方法、应用 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种静态混合换热器及其制备方法、应用，涉及化工设备制造领域。包括一体成型的静态混合管道和换热管道，静态混合管道和换热管道均设置有入口和出口，换热管道套在静态混合管道的外部，静态混合管道的内壁面空腔之间形成混合腔，静态混合管道的外壁面与换热管道的内壁面之间的空腔形成换热腔，混合腔与换热腔通过静态混合管道的壁面进行热量交换。通过将静态混合管道和换热管道一体成型，不仅使得换热管道可以根据静态混合管道的形状大小对应设置，以适应不同的静态混合器的结构，换热效率提高。而且换热管道中的换热介质流动更安全，不会发生漏液等情况。
Description
技术领域
本发明涉及化工设备制造领域，具体而言，涉及一种静态混合换热器及其制备方法、应用。
背景技术
静态混合器是20世纪70年代初开始发展的一种先进混合器。和普通的搅拌器不同的是，静态混合器的内部没有运动部件，主要运用流体流动和内部结构单元实现各种流体的混合。在静态混合器中，流体的运动遵循着“分割-移位-重叠”的规律，混合过程的中起主要作用的是移位。移位的方式可分为两大类：“同一截面流速分布引起的相对移位”和“多通道相对移位”，不同型号混合器的移位方式也有所不同。静态混合器不仅可以应用于混合过程，还可以应用于与混合-传递有关的过程，包括气/气混合、液/液萃取、气/液反应、强化传热及液/液反应等过程，相对于孔板柱、文氏管、搅拌器、均质器等其它混合设备，具有混合效率高、能耗低、体积小、投资省、易于连续化生产等优点，广泛应用于塑料、化工、医药、矿冶、食品、日化、农药、电缆、石油、造纸、化纤、生物、环保等多个行业。
当静态混合器中的混合体会发生反应并放热时，常常需要加入换热模块，但是静态混合器作为一种专利产品，国内、国外都对此结构保密，而且成品的静态混合器均是制成一次性不可拆卸的结构。因此，通常的做法是在静态混合器的外部焊接套筒用于换热，但是外部焊接的套筒无法较好地适应静态混合器的外部复杂结构，也会存在焊接泄露等问题，导致静态混合器的热交换效率较低。
鉴于此，特提出本发明。
发明内容
本发明的目的在于提供一种静态混合换热器及其制备方法、应用，其能够以适应不同静态混合器的结构，换热效率提高，换热介质流动更安全，不会发生漏液等情况。
本发明的实施例是这样实现的：
第一方面，本发明提供一种静态混合换热器，包括一体成型的静态混合管道和换热管道，静态混合管道和换热管道均设置有入口和出口，换热管道套在静态混合管道的外部，静态混合管道的内壁面空腔之间形成混合腔，静态混合管道的外壁面与换热管道的内壁面之间的空腔形成换热腔，混合腔与换热腔通过静态混合管道的壁面进行热量交换。
静态混合器是一种混合效率较高的化工混合器械，当混合介质在混合过程中发生反应并放热时，常常需要加入换热模块，但是静态混合器的结构并未被公开，而且成品的静态混合器均是制成一次性不可拆卸的结构。因此，通常的做法是在静态混合器的外部焊接套筒用于换热，但是外部焊接的套筒无法较好地适应静态混合器的外部复杂结构，也会存在焊接泄露等问题，导致静态混合器的热交换效率较低。因此发明人提出了一种静态混合换热器，通过将静态混合管道和换热管道一体成型，换热管道可以根据静态混合管道的形状大小对应设置，以适应不同的静态混合器的结构，换热效率提高。同时，由于换热管道与静态混合管道一体成型，使得换热管道中的换热介质流动更安全，不会发生漏液等情况。该静态混合换热器的制备方法简单，制备周期短，能够制备出具有高效混合和换热功能的静态混合换热器。
在可选的实施方式中，为了提高静态混合效果，静态混合管道包括多个静态混合单元，多个静态混合单元相互连通。
在可选的实施方式中，每个静态混合单元包括两个第一混合部和一个第二混合部，第二混合部的直径小于第一混合部的直径，且第二混合部位于两个第一混合部之间，以使每个静态混合单元形成沙漏状结构。
可以理解的是，静态混合管道的整体形状即为连续沙漏结构，由于每个静态混合单元均为沙漏结构，使得静态混合管道内部的直径交替变大变小，其内部的混合介质根据流体流动原理，在直径较大的第一混合部内，流速较小，在直径较小的第二混合部内，流速变大，提高了混合介质的静态混合效果。
在可选的实施方式中，第一混合部的直径为5～300mm。需要说明的是，上述第一混合部的直径指的是第一混合部的最大直径，即沙漏的两端切口处的直径。
第二混合部的直径可以根据实际需要常规设置，只要第二混合部的直径小于第一混合部即可。
在可选的实施方式中，每个静态混合单元的长度与第一混合部的直径之比为0.5～2：1。例如，每个静态混合单元的长度与第一混合部的直径之比可以为0.5：1、1：1或2：1。
在可选的实施方式中，每个第一混合部内均安装有第一分隔件，以提高混合效率。
优选地，第一分隔件立体填充于第一安装部内，以进一步增强混合介质的混合效果。
优选地，第一分隔件的形状包括扇形片状结构或枝干状结构的任一种。
其中，扇形片状结构包括两个或多个扇形片，每个扇形片的顶点固定，扇面向第一混合部靠近第二混合部的壁面延伸，且扇形片立体填充于第一混合部中。较佳地，扇形片状结构包括两个扇形片。
枝干状结构由多个条状结构组成，每个条状结构的一端固定，另一端向第一混合部靠近第二混合部的壁面延伸，且每个条状结构均立体填充于第一混合部中，强化混合介质的均质效果。
优选地，换热腔内设置有第二分隔件，第二分隔件为立方体形片状结构。第二分隔件为第二分割件的片状结构沿着换热腔的内壁延伸，将换热腔等分为几个相同形状的换热腔。
优选地，第二分隔件为多个，多个第二分隔件均匀间隔设置于换热腔内，以增强静态混合管道的壁面与换热介质之间的接触，提高换热效率。
优选地，第一分隔件和第二分隔件的厚度均为0.5～3mm。可以理解的是，第一分隔件和第二分隔件的厚度可以相同也可以不同，只要在上述范围内即可。
在可选的实施方式中，换热管道的内壁面到静态混合管道的外壁面之间的垂直线处处相等。也可以理解为换热管道与静态混合管道的管道形状完全相同，且互相平行设置。
例如，在本发明的一些实施方式中，静态混合管道的形状为连续沙漏形，则换热管道的形状也为连续沙漏形，二者形状完全相同，仅是管道大小的区别。
在其他实施方式中，当静态混合管道为其他形状时，换热管道的形状也对应改变，并根据换热介质的体积的需求确定换热管道与静态混合管道之间的大小差异。
优选地，垂直线的长度为0.5～1mm。该长度可根据对热介质的体积的需求稍作调整。
优选地，换热管道与静态混合管道的材料包括镍基合金、不锈钢、钛合金、陶瓷材料或高分子材料的任一种。
在可选的实施方式中，当混合介质为多种时，静态混合管道的入口连接多通接口，以向静态混合管道内加入多种原料。
优选地，多通接口包括但不限于三通、四通或五通的任一种。
优选地，为了方便静态混合管道和换热管道与其他通路连通，静态混合管道和换热管道的入口和出口均设置有螺纹连接，螺纹包括内螺纹或外螺纹的任一种。
在可选的实施方式中，静态混合换热器的材质为金属材质或尼龙材质，具体可以根据实际需要进行选择。
第二方面，本发明提供一种如前述实施方式任一项的静态混合换热器的制备方法，包括采用3D打印的方法，一体成型打印静态混合管道和位于静态混合管道表面的换热管道。
在可选的实施方式中，3D打印包括采用选区激光熔化技术、电子束激光熔化技术、粘结剂喷射成型技术、选区激光烧结技术和光固化成型技术的任一种。
在可选的实施方式中，选区激光熔化技术包括利用金属3D打印机进行打印，粉末原料的粒径为15～53μm，打印参数包括：激光功率200～400W，激光速度700～900mm/s，扫描间隔0.05～0.2mm，层厚20～60μm。
在可选的实施方式中，电子束激光熔化技术的参数包括：激光功率1～3KW，扫描速度3000～5000m/s，层厚30～100μm。
在可选的实施方式中，粘结剂喷射成型技术包括利用喷射成型3D打印机进行打印，打印参数包括：铺粉层厚20～60μm、喷头移动速度80～500mm/s、墨水参数粘度8～12cps，颗粒度＜10um，表面张力35～55mN/m。
在可选的实施方式中，选区激光烧结技术包括利用尼龙3D打印机进行打印，粉末原料的粒径为45～85μm，打印参数包括：激光功率：10～30W，激光速度2500～3500mm/s，扫描间隔0.1～0.3mm，层厚80～120μm。
在可选的实施方式中，光固化成型技术的参数包括：激光功率50～250W,扫描速度500～2000mm/s，扫描间隔0.05～0.2mm。
在一些实施方式中，根据静态混合换热器的不同材质选择不同的3D打印方法。例如当静态混合换热器的材质为316L不锈钢时，采用选区激光熔化技术进行打印；当静态混合换热器的材质为PA12尼龙材料时，采用选区激光烧结技术进行打印；当静态混合换热器的材质为inconel625材料时，采用粘结剂喷射成型进行打印。
第三方面，本发明提供了一种如前述实施方式任一项的静态混合换热强或如前述实施方式的方法制备的静态混合换热器在混合、均质领域中的应用。
本发明实施例的有益效果是：
本发明提供了一种静态混合换热器及其制备方法、应用，通过将静态混合管道和换热管道一体成型，换热管道可以根据静态混合管道的形状大小对应设置，以适应不同的静态混合器的结构，换热效率提高。同时，由于换热管道与静态混合管道一体成型，使得换热管道中的换热介质流动更安全，不会发生漏液等情况。该静态混合换热器的制备方法简单，制备周期短，能够制备出具有高效混合和换热功能的静态混合换热器。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1为本发明第一实施例提供的静态混合换热器的结构示意图；
图2为本发明第一实施例提供的静态混合换热器的结构透视图；
图3为本发明第一实施例提供的静态混合单元的结构示意图；
图4为本发明第一实施例提供的静态混合单元的三视图；
图5为本发明第二实施例提供的含有静态混合单元的结构示意图；
图6为本发明第二实施例提供的第一分隔件的立体示意图和三视图。
图标:100-静态混合换热器；110-静态混合管道；111-混合腔；112-静态混合单元；1121-第一混合部；1122-第一分隔件；1123-第二混合部；120-换热管道；121-换热腔。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
此外，术语“水平”、“竖直”等术语并不表示要求部件绝对水平或悬垂，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。
在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
第一实施例
请参照图1和2，本实施例提供了一种静态混合换热器100，其包括一体成型的静态混合管道110和换热管道120，静态混合管道110和换热管道120均设置有入口和出口，换热管道120套在静态混合管道110的外部，静态混合管道110的内壁面空腔之间形成混合腔111，静态混合管道110的外壁面与换热管道120的内壁面之间的空腔形成换热腔121，混合腔111与换热腔121通过静态混合管道110的壁面进行热量交换。
为了提高静态混合效果，静态混合管道110包括多个静态混合单元112，多个静态混合单元112相互连通。
如图3所示，每个静态混合单元112包括两个第一混合部1121和一个第二混合部1123，第二混合部1123的直径小于第一混合部1121的直径，且第二混合部1123位于两个第一混合部1121之间，以使每个静态混合单元112形成沙漏状结构。
如图2所示，由多个静态混合单元112组成的静态混合管道110的整体形状为连续沙漏结构。静态混合管道110内部的直径交替变大变小，其内部的混合介质根据流体流动原理，在直径较大的第一混合部1121内，流速较小，在直径较小的第二混合部1123内，流速变大，提高了混合介质的静态混合效果。
在本实施例中，第一混合部1121的最宽处直径为15mm，第二混合部1123的直径为5mm，每个静态混合单元112的长度为15mm。
如图4所示，每个第一混合部1121内均安装有第一分隔件1122，第一分隔件1122立体填充于第一安装部内，以进一步增强混合介质的混合效果。
在本实施例中，第一分隔件1122的形状为枝干状结构。枝干状结构由12个条状结构组成，每个条状结构的一端固定，另一端向第一混合部1121靠近第二混合部1123的壁面延伸，且每个条状结构均立体填充于第一混合部1121中，强化混合介质的均质效果。
换热腔121内设置有第二分隔件(图中未示出)，第二分隔件为多个，多个第二分隔件均匀间隔设置于换热腔121内。第二分隔件为立方体形片状结构，第二分隔件的片状结构沿着换热腔的内壁延伸，将换热腔等分为几个相同形状的换热腔，以增强静态混合管道110的壁面与换热介质之间的接触，提高换热效率。
在本实施例中，第一分隔件1122的每个条状结构的厚度为0.5mm，第二分隔件的厚度为0.5mm。
在可选的实施方式中，换热管道120的内壁面到静态混合管道110的外壁面之间的垂直线处处相等，垂直线的长度为0.5mm。换热管道120与静态混合管道110的管道形状完全相同，且互相平行设置。
在本实施例中，静态混合管道110的形状为连续沙漏形，因此，换热管道120的形状也为连续沙漏形。
为了方便静态混合管道110和换热管道120与其他通路连通，静态混合管道110和换热管道120的入口和出口均设置有螺纹连接，在本实施例中，螺纹为外螺纹。且静态混合管道110的入口不连接多通接口，直接与混合介质所在的管路连通，将混合介质通入静态混合换热器100。
本实施例提供的一种静态混合换热器100的工作过程为：混合介质从静态混合管道110的入口进入静态混合管道110，依次穿过多个静态混合单元112和第一分隔件1122，至静态混合管道110的出口流出，完成混合介质的均质过程。换热介质从换热管道120的入口进入，依次穿过多个第二分隔件，并与静态混合管道110重复接触换热，然后从换热管道120的出口流出。
第二实施例
本实施例提供一种静态混合换热器100，其结构与实施例1大致相同，具体区别如下：
请参照图5和6，本实施例中，第一分隔件1122的形状为，扇形片状结构包括两个扇形片，每个扇形片的顶点固定，扇面向第一混合部1121靠近第二混合部1123的壁面延伸，且扇形片立体填充于第一混合部1121内。
在本实施例中，静态混合管道110的入口连接有三通接口，以向静态混合管道110内加入三种原料进行混合。
第三实施例
本实施例提供了一种如第一实施例所示结构的静态混合换热器的制备方法，具体如下：
换热管道与静态混合管道的材料均为316L不锈钢，316L不锈钢粉末为气雾化球形316L粉末，粒径为15～53μm。
采用选区激光熔化技术进行3D打印，利用金属3D打印机，控制打印参数包括：激光功率216W，激光速度800mm/s，扫描间隔0.11mm，层厚40μm。
第四实施例
本实施例提供了一种如第一实施例所示结构的静态混合换热器的制备方法，具体如下：
换热管道与静态混合管道的材料均为PA12尼龙材料，选择近球形PA12尼龙粉末，粒径为45～85μm。
采用选区激光烧结技术进行3D打印，利用尼龙3D打印机，控制打印参数包括：激光功率：20W，激光速度2800mm/s，扫描间隔0.2mm，层厚100μm。
第五实施例
本实施例提供了一种如第二实施例所示结构的静态混合换热器的制备方法，具体如下：
换热管道与静态混合管道的材料均为inconel 625材料，inconel 625材料粒径为15-53μm，粘结剂为酚醛树脂。
采用粘结剂喷射成型技术进行3D打印，利用喷射成型3D打印机，控制打印参数包括：铺粉层厚40μm、喷头移动速度80～500mm/s、墨水参数粘度8～12cps，颗粒度＜10um，表面张力35～55mN/m。
第一对比例
本对比例提供了一种静态混合换热器,包括在第一实施例相同结构的静态混合管道外侧焊接一个直管状的换热管道。
第二对比例
本对比例提供了一种静态混合换热器，其结构与第一实施例基本相同，区别仅在于换热管道为一体成型的直管状结构。
试验例1
将第三实施例～第五实施例以及第一对比例、第二对比例制得的静态混合换热器进行换热性能检测和混合效果检测，检测方法如下。
在静态混合管道中通入水和色拉油作为待混合组分，换热管道内的冷媒为水。
换热性能检测方法为：分别在静态混合管道和换热管道的出、入口设置温度检测器，然后静态混合换热器开始工作，将水和色拉油进行混合，在工作过程中持续接收静态混合管道和换热管道的出、入口的温度信号，计算温度差进而计算换热能力。
混合效果检测：在静态混合管道的出口处放置收容器，将混合好的水和色拉油混合物静置，观察混合物的分层时间，进而评估混合效果。检测结果如表1所示。
表1性能检测表
| 换热能力 | 分层时间 | |
| 第三实施例 | 35KJ/S | 90S |
| 第四实施例 | 8KJ/S | 90S |
| 第五实施例 | 37KJ/S | 83S |
| 第一对比例 | 18KJ/S | 90S |
| 第二对比例 | 20KJ/S | 90S |
由表1可知，换热能力跟材料具有很大的关系，金属材料的换热能力远远优于尼龙材料，因此在需要制备强换热能力的静态混合器时，首先考虑静态混合器的材质为金属。此外，将同为金属材质的第三实施例、第五实施例与两个对比例进行对比可以发现，本实施例中的换热结构比常规的管状换热结构效率提高2倍。对于混合效果，材质以及换热结构对于混合通道相同的混合效果影响不大，混合效果主要与混合单元的结构有关，其中第一实施例的混合结构最优。
综上所述，本发明实施例提供了一种静态混合换热器，其至少具有如下优点：
通过将静态混合管道和换热管道一体成型，换热管道可以根据静态混合管道的形状大小对应设置，以适应不同的静态混合器的结构，换热效率提高。同时，由于换热管道与静态混合管道一体成型，使得换热管道中的换热介质流动更安全，不会发生漏液等情况。该静态混合换热器的制备方法简单，制备周期短，能够制备出具有高效混合和换热功能的静态混合换热器。
以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种静态混合换热器，其特征在于，包括一体成型的静态混合管道和换热管道，所述静态混合管道和换热管道均设置有入口和出口，所述换热管道套在所述静态混合管道的外部，所述换热管道的内壁面到所述静态混合管道的外壁面之间的垂直线处处相等，所述静态混合管道的内壁面空腔之间形成混合腔，所述静态混合管道的外壁面与所述换热管道的内壁面之间的空腔形成换热腔，所述混合腔与所述换热腔通过所述静态混合管道的壁面热量交换；
所述静态混合管道包括多个静态混合单元相互连通；
每个静态混合单元包括两个第一混合部和一个第二混合部，所述第二混合部的直径小于所述第一混合部的直径，且所述第二混合部位于两个第一混合部之间，以使每个所述静态混合单元形成沙漏状结构；
每个所述第一混合部内均安装有第一分隔件，以提高混合效率；
所述第一分隔件的形状包括扇形片状结构或枝干状结构的任一种；
所述换热腔内设置有第二分隔件，所述第二分隔件为立方体形片状结构；
所述第一分隔件和所述第二分隔件的厚度均为0.5~3mm。
2.根据权利要求1所述的静态混合换热器，其特征在于，所述第一混合部的直径为5~300mm，每个所述静态混合单元的长度与所述第一混合部的直径之比为0.5~2：1。
3.根据权利要求1所述的静态混合换热器，其特征在于，所述垂直线的长度为0.5~1mm。
4.根据权利要求1所述的静态混合换热器，其特征在于，所述换热管道与所述静态混合管道的材料包括镍基合金、不锈钢、钛合金、陶瓷材料或高分子材料的任一种。
5.根据权利要求1所述的静态混合换热器，其特征在于，所述静态混合管道的入口连接多通接口，用于混合多种原料；
所述多通接口包括三通、四通或五通的任一种。
6.根据权利要求5所述的静态混合换热器，其特征在于，所述静态混合管道和所述换热管道的入口和出口均设置有螺纹连接，所述螺纹包括内螺纹或外螺纹的任一种。
7.一种如权利要求1~6任一项所述的静态混合换热器的制备方法，其特征在于，包括采用3D打印的方法，一体成型打印所述静态混合管道和位于所述静态混合管道表面的所述换热管道。
8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，所述3D打印包括采用选区激光熔化技术、电子束激光熔化技术、粘结剂喷射成型技术、选区激光烧结技术和光固化成型技术的任一种。
9.一种如权利要求1~6任一项所述的静态混合换热器，或如权利要求7或8的方法制备的所述静态混合换热器在混合、均质领域中的应用。
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