CN116324327A - 用于供热或散热、用于进行反应及用于混合和分散流动介质的装置 - Google Patents

用于供热或散热、用于进行反应及用于混合和分散流动介质的装置 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种用于供热和散热、用于进行反应以及用于混合和分散在具有用于介质(I)的内直径(D)的壳体(1)中的流动介质的装置，该装置具有置入件，所述置入件由一束具有外直径(d)的管件(2)或其他细长元件以及交叉地置入到所述细长元件之间的接片或者接片层(31、41)形成，其具有优选相对于壳体的纵轴线平行的定向，其中所述接片相对于壳体的纵轴线倾斜且彼此不接触。在一定数量的轴向前后相随的接片或者说长度(L)之后，接片以旋转了优选90°的方式被置入到管件之间。热传导介质(II)能够顺流或逆流地在管件中流动，由此形成了具有极其大的热传导能力和近似柱塞流的混合器‑热交换器或反应器。

Description

用于供热或散热、用于进行反应及用于混合和分散流动介质 的装置
技术领域
本发明涉及一种根据权利要求1的前序部分所述的用于供热或散热、用于进行反应以及用于混合和分散壳体中的流动介质的装置，所述装置具有置入件。所述装置由一束管件或其他细长元件和第一布置的接片或者说接片层以及接片层的至少一个第二布置形成，所述一束管件或其他细长元件具有优选相对于壳体的纵轴线平行的定向，所述第一布置的接片或者说接片层被推入到所述管件或细长元件之间，所述第一布置的接片或者说接片层相对于壳体的纵轴线是倾斜的，其中第一布置的接片的倾斜角具有与第二接片层的布置相反的符号且它们相交却不接触。接片被置入到管束的管件之间并且互相不接触。在第一和第二布置的相互交叉的接片之间优选存在一个管件或管列。流动的介质(产品)沿轴向的主流动方向围绕着所述管件在壳体中流动。由于相对于管件或者说相对于壳体轴线倾斜的交叉布置的接片，流动介质被迫围绕着所述管件横向流动并且同时持续地横向混合。载热介质在管件中能够然而不是必须相对于产品顺流或逆流地流动。圆形的管件或管束-热交换器的外壳空间优选用作壳体。根据本发明的装置优选适合于层流介质，然而也能应用于湍流流动。本发明还涉及一种用于在根据本发明的装置中在流动介质中执行多相催化反应或用于物质交换的方法。
背景技术
由专利文献CH 642 564已知了一种用于高粘性产品中层流流动的非常有效的静态混合装置，其中混合元件由一组参照横截面投影6-10个相互交叉的接片组成，所述接片布置在彼此交叉的平面中。在这种情况下，接片或者说平面相对于流动方向倾斜了优选45°并且相邻的接片在交叉位置处彼此接触。混合元件具有0.75至1.5D的长度，并且前后相随的混合元件以旋转了90°的方式置入到壳体中。还已知了一种特定用于改进在被层流流经的管件中的热传导的变型方案，例如像在CH 627 263中所述的那样，其具有相对于流动方向仅倾斜了30°的相互交叉的接片，所述接片具有较小的压力损失系数但当然也具有较差的混合和热交换效果。目前为止，许多供应商仍提供这些略有不同的混合元件作为所谓的X-混合器(例如SMX、SMXL、KMX、GX、CSE-X、AMX或UM。该列举并不是全部)。它们的特征在于，极好的混合效果、高的热传导系数或者说Nu数(Nu＝αD/λ)和极窄的停留时间范围。在此，α表示产品侧的热传导系数，D(或d)表示管直径，并且λ表示产品的热导率。与空管不同，由于边界层的持续的横向混合和更新，即使在层流流动中，Nu数也与管长度无关。相对于空管，热传导系数α在层流流动中增大了5至10倍。使用这些装置的高粘性物质中通常的传热系数k在150至250W/(m2K)的范围内。具有X-结构的静态混合器在所有已知的静态混合器中具有最窄的停留时间范围。测得的博登斯坦数Bo为50至100m-1或例如在2m长的反应器中高达200(F.Streiff in
Figure BDA0004178658450000021
bei der Kunststofffertigung(塑料制造中的热传导)，第241/275页，VDI出版社，Düsseldorf(杜塞尔多夫)，1986年)。由此实际上实现了理想的柱塞流(Bo＝∞)。博登斯坦数是根据分散模型用于停留时间分布的宽度或者说轴向返混的宽度的常用无量纲计量标准(Bo＝vL/Dax)。在此，v表示平均轴向流速，Dax表示轴向分散系数，L表示装置的轴向长度。与数量j个彼此串联的搅拌釜的级联模型的停留时间范围相比，Bo＝2j。因此，Bo＝200的这种反应器的停留时间特性能够与100个理想搅拌釜的级联相媲美。静态混合器的多种应用同时要求强烈的横向混合、高的热传导能力和窄的停留时间范围。例子是尤其在层流流动中的反应器，例如聚合反应器。在其他应用中，产品必须在短时间内被加热或冷却，而不发生不良反应和产品改变(聚合、降解)。在空管的情况下，在层流流动中不发生相对于壁的横向流动。这对热传导、停留时间分布和产品质量都有非常不利的影响。在若干应用中，流动介质还额外是两相(气/液)，并且除了热交换之外，该装置还应实现相的充分混合和分散。例如加热含有挥发性组分的聚合物溶液或冷却含有发泡剂的塑料熔融物。对所有这些任务来说，在低生产量的情况下，理想的解决方案是在从外部被加热或被冷却的壳体中的X-混合器。然而，在工业生产量上扩大规模变得不可能，因为直径较大的管件中表面积与体积的比率迅速下降，并且热量不再能够被充分传递。解决该任务的一种可能的解决方案是，在管束热交换器中并联多个管件并在管件中置入混合元件。尽管由此保留了混合器的有利特性，然而遗憾的是仅在一个管件中。管件与管件之间会存在很大的生产量和停留时间的差异。当要冷却粘性产品或当聚合物溶液在热交换器中同时反应和/或至少部分脱气时，这种风险特别高。各个管件中不同的温度和粘度导致了所谓的分布不均。分布不均导致各个管件中流速、温度和粘度的明显不平均。结果可能是装置故障或产品质量下降。
由于X-混合元件的压力损失系数相对高，必须构造具有短而多的管件的管束热交换装置。由此除了置入元件的成本之外它们变得非常昂贵，因为管板变厚并且头部的体积变得非常大。对于具有部分脱气功能的产品加热器来说，混合元件中的压力损失防止了过早的部分脱气，并且由此损坏了产品或阻止了完全脱气。X-结构的另一个缺点是它在吸收流动力方面的机械弱点。特别是在受到拉力负荷的情况下，它们表现得像犬牙形篱笆并且很容易被拉开。但即使在压力负荷下，它们也表现得像弹簧一样，并不是很稳定。因此，对于高粘度产品，接片必须做得很厚。这导致压力损失的进一步剧烈增加。尝试通过加强元件或外部环使结构更稳定。
利用专利文献DE 28 39 564提出了一种静态混合器-热交换器或反应器，它采用了X-结构的基本思想，但用加热或冷却介质在其中流动的管件代替了接片。由此，找到了一种解决方案，以便能够在规模放大时保持每个体积下的单位热交换面积与在小壳体直径时相当，且同时获得与在X-混合器中类似的混合效果和类似的停留时间特性。该结构由交叉的、曲折地弯曲的盘管构成。管件同样优选相对于流动方向倾斜了45°并且承担了接片的功能。一定数量的这种相互交叉的盘管分别形成混合元件，并且前后相随的元件以旋转了90°的方式被置入到壳体中。每个元件必须配备自己的用于载热介质的收集器。这些设备的设计和构造非常苛刻且昂贵。为了将花费保持在一定范围内，选择尽可能长的元件长度，这当然会由于90°旋转次数少而对混合效果产生不利影响。在产品侧以及载热体侧压力损失也极高。各个盘管中的流速可能非常不均匀。当壳体出于实际原因是圆形而不是最初设想的方形时，问题就尤为严重。这导致了产品侧出现额外分配不均的风险。通过选择盘管的直径和数量，同样能够与反应器体积无关地实现具有热交换表面积A与体积V的大比率或者说具有高单位热传导能力
Figure BDA0004178658450000031
Figure BDA0004178658450000041
的非常大的反应器体积(参见上述引用文献的第265页)。在所述公式中，/>
Figure BDA0004178658450000042
表示能够传递的热量流，AT表示产品与载热介质之间的温差平均值，k表示传热系数。由此简化了规模放大并且无需使用并行的管件。由此降低了分布不均的风险。然而，利用体积连同热交换表面积受到盘管的最小可能的弯曲半径和压力损失的限制。在该设备中，停留时间分布也与在X-混合器中一样窄。测量的博登斯坦数也约为60m-1。然而，由于接片的圆形形状且由于长的元件，层流混合的均化长度最多是SMX混合器中的两倍(W.Miiller，Chem.-Ing.Tech.(化学工程师技术)，54，1982年，第6期)。在没有额外的支撑元件的情况下，该结构不能用于高粘度产品，因为它不够稳定。根据US2004/0125691，利用额外的细长支撑元件改进了稳定性，然而它仍然是一个薄弱环节并且花费巨大。尽管存在缺点和困难，然而这些设备仍已经证明了自己并被已知为SMR反应器，并且经常用作例如在纤维设备中粘性产品的聚合反应器或冷却器，或用于冷却塑料熔融物。
利用专利文献EP 1 067 352提出了另一种静态混合器-热交换器或者说反应器，其具有带有集成管束的X-结构的相互交叉的接片。该X-结构参照横截面的投影来看仅具有4个接片，且管件被引导穿过接片中的孔，这些接片相对于流动方向倾斜45°。接片位于彼此形成90°角的相互交叉的平面群中。接片彼此接触并连接并且至少部分地与管件连接。该X结构首先在横截面的范围内由4个接片构件，接着引导管件穿过成品结构的接片中的孔。轴向的接片间距应为0.2至0.4D。利用专利文献WO 2008/141472提出了这种结构的修改方案，其中轴向的接片间距相对于内管的直径应小于6倍。由此改善了热传导。同样，通过选择管件的直径和数量，能够实现具有热交换表面积与体积的大比率或者说具有高单位热传导能力的非常大的反应器体积，如在SMR中一样。载热介质侧的压力损失明显低于在SMR中，并且省去了由于弯曲半径引起的机械限制。根据专利文献，该结构的停留时间特性也非常好，可与X-混合器相媲美。然而，结构非常复杂并且要求极高的精度。要在没有太大公差的情况下，使混合器和管板中的所有孔齐平地对准一定是极为困难的。与在X-结构中一样，机械强度仍然是一个问题。
发明内容
本发明的任务是提供一种优选用于粘性产品的、具有X-结构的装置，所述装置用于供热和散热、用于进行反应又或者作为反应器用于光合作用，以及用于在没有分布不均和具有窄的停留时间分布的情况下在管状壳体中混合和分散流动的、液态的、气态的或多相的介质，制造所述装置能够比迄今为止已知的具有这种结构的装置明显更简单并且成本更低廉，并且所述装置在需要时还能够不仅在载热体侧还在产品侧都具有高抗流动力稳定性和低压力损失。该任务通过专利权利要求1所述的特征解决。从属专利权利要求的主题是特别有利的实施方案。
本发明的另一个方面是独立方法权利要求20的主题。
“间距t”或“管间距t”尤其理解为横向于管轴线或者说壳体轴线一个管列中两个相邻管件的管中心点的间距，或者横向于细长元件的轴线或者说壳体轴线的一列中两个相邻细长元件的中心点的间距。
“正方形的间距”尤其是指相邻管中心点在横向于管轴线或者说壳体轴线的第一方向上和在横向于管轴线或者说壳体轴线的第二方向上的间距相同，其中第二方向垂直于第一方向。这同样适用于细长元件。这种正方形的间距例如在1991年的VDI-
Figure BDA0004178658450000051
(VDI热图集)第6版第Ob6段图9中示出并得以描述。
附图说明
本发明的有利的变型实施方案在附图中被示出并且在下面被更详细地阐述。在此：
图1示出了一种参照剖开的壳体中的横截面的投影具有4个相互交叉的接片并且具有9个管件的根据本发明的装置的变型实施方案的一部分的侧视图。
图2示出了一种具有在所述横截面的投影中4个接片层和9个管件的根据本发明的装置的变型实施方案的横截面在流动方向上的投影。所述接片具有最大宽度b＝t-d并接合到管件之间。
图3示出了一种具有在所述横截面的投影中6个接片和21个管件或者说杆件的根据本发明的装置的变型实施方案的横截面在流动方向上的投影，其中所述接片在管件的区域中的最大宽度是b＝t-d且甚至在其之间减小。所述接片接合到管件之间。
图4示出了一种具有在所述横截面的投影中5个接片和16个管件的根据本发明的装置的变型实施方案的横截面在流动方向上的投影，其中接片在管件的区域中的宽度具有缺口，并且接片宽度b小于管间距却大于相邻管件的中间间隙。沿横截面的轴线没有管件。这种布置实现了U形管环路。
图5示出了一种具有在所述横截面的投影中7个接片层和32个管件的根据本发明的装置的变型实施方案的横截面在流动方向上的投影。
图6示出了一种像图5中那样而仅有部分用于管件或细长元件的位置被使用的根据本发明的装置的变型实施方案的横截面在流动方向上的投影。
图7示出了一种具有在所述横截面的投影中8个接片层和45个管件的根据本发明的装置的变型实施方案的横截面在流动方向上的投影，其中接片的倾斜度的符号分别对于2个并排的接片层而言是相同的(由阴影表示)且成组地改变。
图8示出了一种具有作为旋转90°的十字形的彼此交织的接片的根据本发明的装置的变型实施方案的横截面在流动方向上的投影。
图9示出了一种具有被部分按照混合元件的长度L切割的接片(31a、41b)的根据本发明的装置的变型实施方案的透视图。所述接片具有最大宽度b＞(t-d)并部分包围管件。
图10示出了另一种根据本发明的装置的变型实施方案的透视图，其中接片在纵向方向上至少部分地相对彼此偏移并且混合元件具有轴向间距。
图11示出了另一种根据本发明的装置的变型实施方案的透视图，其中接片作为根据图8的旋转90°的十字形彼此交织。
图12示出了用于接片和细长元件或管件的其他可行的形状和横截面的图示。该图示不是穷举的。
图13示出了通过保持杆将接片形成接片层的可行的栅格状连接的透视图。
图14示出了由倾斜的接片形成的接片层的可行的变型方案的透视图，所述倾斜的接片被连接成波纹片状的接片层。
图15示出了与根据CH 642 564的在横截面的投影中具有8个接片的静态混合器相比根据图9(RWX)的具有根据本发明的结构的混合试验的结果。
具体实施方式
根据本发明的构思，该装置由优选圆形的壳体1和置入的管束组成，所述壳体1具有内直径D，所述管束具有相对于纵轴线并且相对于主流动方向平行的管件2，所述管件2具有外直径d。其他的细长元件也能够代替所述管件。所述管束优选具有正方形的管间距t。将相对于纵轴线以角度α为幅度倾斜的接片(31、41)或接片层置入到管件之间，优选α＝30°至60°，特别优选α＝45°。相互交叉的接片(31、41)的倾斜角优选具有相反的符号并且管件之间的接片层的沿轴向方向前后相随的接片优选彼此平行并且优选全部具有相同的间距m。在相互交叉的接片之间存在优选一个管件或管列，然而同样可行的是，接片在一个管件或管列的两个侧面上的倾斜角具有相同的符号，并且符号的改变仅在多个相邻的接片或者说接片层之后进行。接片层的接片在横向方向上优选一个接一个地处于平行的彼此交叉的平面A、B中，所述平面A、B具有相对于纵轴线的倾斜角α。所有接片优选具有相同的倾斜角α。然而同样可行的是，接片或者说接片层相对彼此轴向地任意错开，和/或接片的垂直间距m不同又或者接片层内部的倾斜角不同或接片层与接片层的倾斜角不同。于是接片沿横向方向不再一个接一个地位于共同的平面中。接片具有宽度b，并且该宽度小于或者至多等于管间距t。接片就其宽度b而言优选垂直于管件。然而也能够就其宽度而言以相对于管件的倾斜度安装所述接片。接片能够却不是必须一直延伸到壳体壁，或者它们也能够仅点式地接触该壳体壁。流动介质(I)或者说产品在管束的外壳空间或者说壳体中围绕管件或者说细长的元件流动，并且在管件中载热介质(II)能够但不是必须顺流或逆流地流动。相应数量na的沿轴向方向前后相随的接片形成接片层，并且所有接片层在横截面中在长度L内形成混合元件。前后相随的混合元件的接片层以旋转90°的方式被推入管件之间。长度L优选为0.5至4D。根据该长度切割的混合元件由全长的接片(31、41)和切割的接片(31a、41b)组成。为了低的压力损失，接片优选具有小于管间距t的宽度b，并且当最大宽度为至多b＝t-d(图2和图3)时，所述接片的置入变得尤其简单。较宽的接片具有供管件通过的凹部(图4)，并且当其在置入时被略微倾斜地放置则同样能够简单地置入到现有的管束中。通过较宽的接片增大了与管件的接触线。当管件与接片连接时，这对结构强度和热传导具有有益影响。当然，并非装置的所有接片都必须具有相同的宽度和形状。图9在没有壳体的情况下以透视图示出了根据本发明的装置的一种变型实施方案，其具有由9个管件和长度L＝D的混合元件构成的管束，所述混合元件在横截面中具有4个接片。在该变型实施方案中的接片比管列之间的自由间隙稍宽并且具有最大宽度b＞(t-d)。接片不必一定要切割为长度L，而是接片层的接片能够伸入到随后的元件中，只要与随后的90°旋转的接片不冲突，或者混合元件能够如图10所示的那样以间隔开的方式置入。就其本身而言，为了横向混合和向管件的热传导经常想要将接片定向旋转90°。然而，在长度L太短的情况下，在整个横截面范围内的传输变得不充分并且构造变得更加复杂。另一方面，在90°旋转的次数太少的情况下，则会减少横向混合。
令人惊讶的是，根据本发明的装置还提供了另一种迄今未知类型的接片布置，如图8和图11所示。在此，接片(31、41)和90°旋转的接片(31′、41′)在一个元件中彼此交织地被推入到管件2之间。由此形成一个元件，其同时在两个横向方向上混合。所有前后相随的元件都相同地构造。所述元件能够以间隔开的方式置入或者以尽可能套入到彼此中的方式置入。取消了典型的单个元件90°旋转并形成了统一的结构。
根据本发明的装置内所有的混合元件优选相同地构造并且具有相同的接片间距。然而，对于特殊任务、像例如局部分散混合或者对于局部增强的热传导或物质交换来说能够需要的是，应该较窄地或者说较小地选择例如装置内的单个混合元件或混合元件组的混合元件长度L、接片的轴向间距m或接片宽度b。为了实现高稳定性，接片能够在所有交叉位置处或仅在一部分交叉位置处通过熔焊、钎焊或粘合与所述管件连接。然而，当出于实际原因不想要这样做并且接片或接片层的组能够通过间隔保持件和附加支撑件5相互连接时，接片则不必非要与管件连接。最后，一层的接片也能够通过板片连接并倾斜。接片层则能够采用波纹片的形式。在图2中作为变型方案示出了宽度b＝t的笔直接片，而在图4中在另一种实施方案中接片更宽且具有用于管件的凹部。接片的宽度能够在其长度范围内变化，并且侧向边界能够具有弯曲的形状，如图3作为另一种变型方案所示的那样。在此，最大宽度为最大b＝t。在图2至8中，相互交叉的接片的不同倾斜角由其不同方向的阴影线表示。出于更简单的表示的原因，在下文中称作“管件”或“管束”，优选其中流动着用于供热或散热的介质，其中需要时也能够用其他细长元件替代他们，甚至没有载热介质，如杆件、型材、加热杆、杆状照明器件或具有半渗透的壁部或多孔壁部的管件。此外，本发明的可用性不限于金属材料。所述接片优选是由板片制成的平坦的板状的型材又或者U形或V形的型材或者管件或者空心型材或者杆件。最后，所述接片的表面也能够结构化。图12示出了可行的轮廓形状的选择，该轮廓形状既能用作接片也能用作细长元件。
可行的制造工艺
根据本发明的装置的制造就可拆卸的管束而言非常简单。接片或接片组能够被推入到成品管束中。这则特别适用于下述情况：接片宽度在各处都小于t-d并且接片仅在从外部能够触及的位置处与管件连接。然而，直至b＝t的更宽的接片也能够通过在置入时相应地倾斜而轻松地单个地被置入到成品管束的管件之间。只有当接片也要在从外部无法触及的位置处与管件连接时，才需要在构造管束时引入接片。优选接片被置入到U形管束中，因为该装置由此能够拆卸并且不会出现热应力。在这种情况下，沿壳体横截面的主轴线不存在管件。这种布置的缺点是，不能进行关于热传导介质的恰当的逆流。
在构造具有固定的管底部和导流板的热交换器时常见的是：先将导流板置入在外壳中并且最后再拉入管件。该制造方法也能够用于根据本发明的装置。为此，接片仅与一定数量的细长元件连接从而形成稳定的结构，该稳定的结构而后能够像常见的导流板一样被置入到装置的外壳中。最后，在预定位置处推动剩余的管件穿过管底部和X-结构。在这种情况下，除了支撑元件之外，管件不与接片连接。除了所提到的制造方法外，在尺寸和材料允许的情况下，还能够通过3D打印机将整个置入件以及管件或细长元件作为整体构件制造。在另一个制造变型方案中，置入件在3D打印机中由易于熔化的材料制成并且以大部分为陶瓷的坯料涂覆。于是，材料在硬化的模具的内部熔融并且剩下了铸模，该铸模借助于液态金属(精密铸造)或硬化树脂铸造。
其他实施例
平行于纵轴线的管件的数量和大小取决于交换面积与装置的体积的所需的比率或者说所需的单位热传导能力
Figure BDA0004178658450000101
或者当不要传递热量时，取决于接片和结构的所需的支撑和稳定性。在根据本发明的反应器中，单位交换面积(A/V)为大于50m2/m3且最高可达400m2/m3。对高粘度产品来说，根据本发明的反应器的单位热传导能力能够达到超过100kW/m3K。例如，在强放热聚合反应的情况下，如果反应器的单位热传导能力不够大，就会出现热点和失控反应。由此，这些反应只能在具有较小直径的管式反应器中进行控制。根据本发明的反应器关于热传导能力、混合特性和停留时间分布对应于具有管直径为10mm(A/V＝400m2/m3)至80mm(A/V＝50m2/m3)的X-混合元件的管式反应器。与这些管式反应器相反，在根据本发明的反应器中，能够很大程度上与反应器体积或设备体积无关地来选择单位交换面积和单位热传导能力。由此使得规模放大特别容易。例如，聚合反应以强烈放热的方式并且在较高的粘度的情况下进行。为了能够在窄的分子量分布下可靠地控制该聚合反应，则需要像根据本发明的装置一样的设备。由于极高的单位热传导能力和窄的停留时间范围，聚合反应实际上能够在很小的温差下被等温控制。由于反应和热传导在壳体中随着持续的横向混合而发生，因此不会形成分布不均。借助于具有相应的混合和停留时间特性的根据本发明的装置能够将利用具有X-混合元件的小型管式反应器的先导试验的结果容易地扩大到工业规模。
管间距优选被选择为在整个横截面的范围内是均匀的。在正方形的管间距的情况下，结构特别简单，因为所有混合元件的构件都是相同的。也有可能的是，在两个横向方向上的间距和旋转90°的组的接片宽度不同或者局部有偏差。然而，也能够选择间距局部不同，或者省去单个管件或管件组，或者在所需的热传导能力允许的情况下，取代用于热交换的管件，而全部或部分地使用具有其他特性的管件或细长元件、如发光元件或具有半渗透的壁部或多孔壁部的元件，或者干脆使用不具有载热介质的管件或杆件或其他用于在预设的管位置处加强结构的细长型材。在向横截面表面上的投影中，接片的数量nb对应于nb＝rm+1，其中rm是横截面轴线处或附近的管列中管件的数量。因此与已知的X-混合器相反，接片的数量随着管件的数量和/或壳体直径的增加而增加。令人惊讶的是，已经表明，接片在横向方向上的数量对压力损失只有很小的影响。只要接片的数量至少为nb＝4，则混合效果也非常好，并且从nb＝8开始几乎不会进一步增加。在图5中示出了一种在横截面的方位内具有7个接片和32个管件的根据本发明的装置的变型实施方案在流动方向上的视图。
在根据本发明的装置的多种实际应用中，流动介质仅需静态地混合或分散，而无需同时供热或散热或者必须对产品进行温度调节。于是，管位置能够部分地不被占用和/或将管件全部或部分地替换为用作结构加固的实心型材。由此形成具有极高的抗流动力稳定性的静态混合器，该流动力例如在黏性的塑料熔融物的挤压或注射成型时出现。
图6示出如图5的变型方案，其中不是所有可行的管位置都被占用并且其中若干管件被实心杆件或型材替代。图12示出了细长元件的可行的形状的选择。该选择并不是全部。这些细长元件既能够轴向取代管件2被安装，也能够相对于其倾斜地作为接片(31、41)的替代的形式被安装。轴向前后相随的接片31能够通过辅助元件5连接成接片层并被推入到管件之间，如图13所示。倾斜的板片也能够作为连接件，并且接片层变成波纹片状结构，如图14所示。
相对于壳体轴线倾斜的、相互交叉的接片或型材负责强烈的横向混合和横向流动，并改善了向管件的热交换和物质交换。沿着流动方向相随的接片之间的垂直间距m是根据本发明的管束结构的压力损失的决定性计量标准，因为由此显著影响反应器中置入件的润湿表面积。因此，间距m应尽可能得大，当只要求良好的横向混合而不要求或需要很少的热交换时则优选选择m为0.2至0.4D。预计，管件与接片的更频繁的交叉以及接片方向的频繁旋转有利于向管件的热传导。在层流流动中发现，当比率m/d＜4时，向管件的热传导系数或物质交换急剧增加。然而，随着间距m变小，装置的压力损失也增加。因此，最佳间距m或内管的最佳直径d以及最佳管间距t取决于应用的具体要求。
试验结果
在与硬化的聚酯树脂的混合试验中使用了根据本发明的装置，该装置根据图9具有9个管件的管束和参照横截面在流动方向上的投影相应4个被推入的且相互交叉的接片。直至90°旋转处的元件长度L为1D并且接片的最大宽度b为管间距t的60％。结果与根据CH642 564的现有技术的X-混合器进行了比较，所述根据CH 642564的现有技术的X-混合器具有参照在横截面的流动方向上的投影8个接片以及接片的相同的轴向接片间距m、接片的相同的倾斜角和相同的元件长度。根据1D的长度分别切开硬化的搅拌杆，并且测量出一层的最大厚度I作为混合质量计量标准并且与初始厚度Io比较。这种测量方法对于指明在层流流动时、尤其在混合的初始区域中在静态混合器中的混合过程和混合质量是非常简单且有效的。图15示出了混合试验的结果。令人惊讶的是，在仅具有4个接片的根据本发明的装置中达到了与在根据现有技术的具有8个接片的静态混合器中几乎相同的最大层厚度(混合质量)！与根据现有技术的实施方案相比，根据本发明的装置的被润湿的接片表面积仅为约60％。因此，能够预计，在层流流动中的压力损失同样以几乎相同的比率减少，因为轴向定向的管件几乎不影响压力损失。试验表明，即使当接片宽度明显小于管间距或者甚至当无凹部的接片被推入到管件之间(接片宽度最大为b＝t-d)时，利用根据本发明的装置也实现了在低压力损失的情况下优异的混合效果。
为了指明根据本发明的装置的预期的窄的停留时间分布，进行了CFD流动计算以模拟使用上述装置时的停留时间分布，并与已知的X-混合器进行比较。通过计算证实了，如预期的那样，根据本发明的装置的停留时间特性与已知的X-结构相当。
由此能够以根据本发明的装置展现出具有极其大的热传导能力、良好的横向混合和近乎理想的柱塞流的静态反应器。
应用范围
根据本发明的装置的应用不仅限于层流流动区域。众所周知，X-结构非常良好地适用于在低粘度介质中分散湍流流动中的液体或气体。因此，该装置也适用于在低粘度介质中用于高热效应反应或用于生物反应器。如果管件被杆状光发生器或导体代替，则也适用于光合作用。在立式安装的情况下，也能够简单地将催化剂载体装填到壳体中，以用于在固定床或流化床中在较高的热效应下执行多相催化反应。
根据本发明的装置优选作为具有高横向混合和低轴向反混的混合器-热交换器用于
-通常作为用于层流流动的热交换器，
-加热或冷却聚合物溶液或聚合物熔融物，
-脱气室之前带部分脱气的产品加热器，
-冷却粘性产品，
-加热敏感的或反应性的粘性的产品，
-反应器、特别是聚合反应器，
-气液反应器，
-带光合作用的生物反应器，
-利用固定床或流化床多相催化的反应器，
或者甚至在没有载热介质的情况下作为具有稳定结构且低压力损失的静态混合器优选用于粘性产品。用于塑料熔融物的静态混合器必须承受极高的流动力并且始终需要温度控制以将运行温度保持在所需范围内。因此这些混合器配备了能加热的双壁管。混合元件通常必须支撑在壳体壁上，因此它们能够承受流动力。所述混合元件随后不能再拆除，并且按照压力容器法规要求的焊缝测试并不总是可行的。借助根据本发明的装置提供了一种用于这种应用情况和类似应用情况的X-混合器，该X-混合器能够简单地加热、极其稳定且能够拆卸。省去了极其昂贵的双壁管，并且取而代之的是载热介质流经其中的U形盘管。需要时，在管位置处的其他细长型材承担对结构的必要的加固。根据本发明的混合器也能够被迅速加热到运行温度，因为预计不会像在双壁管中那样在壳体中出现高应力。

Claims (20)

1.一种用于供热和散热、用于进行反应以及用于混合和分散在具有内直径D的优选管状的壳体(1)中流动的介质的装置，通过所述壳体(1)的纵轴线确定了用于液态、气态或多相的产品流(I)的主流动方向，所述装置具有置入件，
其特征在于，
所述置入件由一束具有外直径d的管件(2)或其他细长元件形成，其具有优选相对于所述壳体的纵轴线平行的定向、具有优选管束的正方形的间距t，并且第一布置(31)的至少一个优选板状的接片被置入到所述管件或其他细长元件之间，并且所述至少一个接片相对于所述壳体的纵轴线以角度α为幅度倾斜，优选α＝30°至60°，特别优选α＝45°，并且与其相交地以优选相同的倾斜角然而相反的符号推入第二布置(41)的至少一个优选板状的第二接片；
并且所述接片具有宽度b并且所述宽度小于或至多等于所述管束的间距t；
并且所述接片不接触。
2.根据权利要求1所述的装置，
其特征在于，
在所述管件或其他细长元件之间在轴向方向上前后相随的接片形成接片层，并且所述接片层的接片优选是平行的且具有间距m；
并且所述接片层根据接片的数量或者说长度L以旋转了优选90°的方式(31′、41′)被置入到所述管件之间。
3.根据前述权利要求中任一项所述的装置，
其特征在于，
第一接片层(31)与交叉地置入的第二接片层(41)相邻；
并且在所述第一接片层(31)与所述第二接片层(41)之间是一管件或管列并且所述接片彼此不接触。
4.根据前述权利要求中任一项所述的装置，
其特征在于，
在相邻的接片之间横向于主流动方向存在间距；
并且所述接片的最大宽度b优选小于管间距t的85％、尤其小于管间距t的65％。
5.根据前述权利要求中任一项所述的装置，
其特征在于，
所述接片在没有凹部的情况下被接合到所述管束的管件之间并且具有最大宽度b＝t-d。
6.根据前述权利要求中任一项所述的装置，
其特征在于，
所述接片在横向方向上定向成使得所述接片分别处于相互交叉的平面A、B中。
7.根据前述权利要求中任一项所述的装置，
其特征在于，
所述接片至少在一个接片层中的轴向间距m为0.2至0.4D。
8.根据前述权利要求中任一项所述的装置，
其特征在于，
所述接片至少在一个接片层中的轴向间距m小于4d。
9.根据前述权利要求中任一项所述的装置，
其特征在于，
接片层的组形成具有轴向长度L的混合元件；
并且前后相随的混合元件的所述接片层以旋转了90°的方式被推入到所述管件之间；
并且所述混合元件的所述长度L优选为0.5至4D。
10.根据前述权利要求中任一项所述的装置，
其特征在于，
第一组的相互交叉的接片(31、41)与旋转了90°的第二组的相互交叉的接片(31′、41′)彼此交织并且形成了在两个横向方向上进行混合的混合元件。
11.根据前述权利要求中任一项所述的装置，
其特征在于，
所述细长元件的至少一部分是具有用于液态、气态或蒸汽状的热传导介质(II)的供给及排出设备的管件；
并且所述热传导介质(II)相对于产品流(I)顺流地或逆流地在所述管件的外部空间中流动。
12.根据前述权利要求中任一项所述的装置，
其特征在于，
所述细长元件的至少一部分是电加热杆或电加热盘管。
13.根据前述权利要求中任一项所述的装置，
其特征在于，
所述细长元件的至少一部分具有用于交换过程的多孔的或半渗透的壁部。
14.根据前述权利要求中任一项所述的装置，
其特征在于，
所述细长元件的至少一部分与所述接片固定地连接或者与所述接片一起形成整体部件。
15.根据前述权利要求中任一项所述的装置，
其特征在于，
至少一个接片层的所述接片彼此倾斜并且通过辅助元件或板片彼此连接并且形成波纹片状的接片层。
16.根据前述权利要求中任一项所述的装置，
其特征在于，
接片层的组通过辅助元件横向地或纵向地彼此连接。
17.根据前述权利要求中任一项所述的装置，用于加热或冷却或用于进行反应、特别是聚合反应，其中所述流动介质是具有单相或多相的聚集态的高粘性溶液或熔融物，
其特征在于，
所述管束的表面积与所述装置或者说反应器的空体积的比率至少为50m2/m3。
18.根据前述权利要求中任一项所述的装置，
其特征在于，
所述管件或细长元件的至少一部分是发光元件或者具有半渗透的或多孔的壁部的元件或者没有载热介质的管件或杆件或者用于在所述管束的预设的位置处加强结构的其他细长型材。
19.根据前述权利要求中任一项所述的装置，
其特征在于，
为所述管束的管件预设的位置的至少一部分未被占用。
20.用于在根据前述权利要求中任一项所述的装置中在流动介质中执行多相催化反应或物质交换的方法，其特征在于，在所述管束的管件周围的产品空间(I)被填充了催化剂载体或离子交换树脂的固定床或流化床。
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