EP4196734A1 - Vorrichtung zur zu- oder abfuhr von wärme, zur durchführung von reaktionen, und zum mischen und dispergieren von strömenden medien - Google Patents

Vorrichtung zur zu- oder abfuhr von wärme, zur durchführung von reaktionen, und zum mischen und dispergieren von strömenden medien

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Publication number
EP4196734A1
EP4196734A1 EP21765823.6A EP21765823A EP4196734A1 EP 4196734 A1 EP4196734 A1 EP 4196734A1 EP 21765823 A EP21765823 A EP 21765823A EP 4196734 A1 EP4196734 A1 EP 4196734A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
webs
tubes
elements
mixing
web
Prior art date
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Pending
Application number
EP21765823.6A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Felix Streiff
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Sulzer Management AG
Original Assignee
Sulzer Management AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Sulzer Management AG filed Critical Sulzer Management AG
Publication of EP4196734A1 publication Critical patent/EP4196734A1/de
Pending legal-status Critical Current

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    • B01F25/43161—Straight mixing tubes with baffles or obstructions that do not cause substantial pressure drop; Baffles therefor the baffles being flat pieces of material, e.g. intermeshing, fixed to the wall or fixed on a central rod composed of consecutive sections of flat pieces of material
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    • B01F2025/916—Turbulent flow, i.e. every point of the flow moves in a random direction and intermixes
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    • B01F2025/91—Direction of flow or arrangement of feed and discharge openings
    • B01F2025/917—Laminar or parallel flow, i.e. every point of the flow moves in layers which do not intermix
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    • F28D2021/0019—Other heat exchangers for particular applications; Heat exchange systems not otherwise provided for
    • F28D2021/0052—Other heat exchangers for particular applications; Heat exchange systems not otherwise provided for for mixers
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
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    • F28F2009/222—Particular guide plates, baffles or deflectors, e.g. having particular orientation relative to an elongated casing or conduit
    • F28F2009/228—Oblique partitions

Definitions

  • the invention relates to a device for supplying or dissipating heat, for carrying out reactions and for mixing and dispersing flowing media in a housing with internals according to the preamble of claim 1.
  • the device consists of a bundle of tubes or other elongated elements preferably aligned parallel to the longitudinal axis of the housing and between the tubes or the elongate elements inserted webs or web layers of a first arrangement which are inclined towards the longitudinal axis of the housing and at least a second arrangement of web layers, the angle of inclination of the webs of the first arrangement having an opposite sign like the arrangement of the second web layers and cross but do not touch.
  • the bars are installed between the tubes of the tube bundle and do not touch.
  • a tube or a row of tubes preferably lies between the crossing webs of the first and the second arrangement.
  • the flowing medium (product) flows in the axial main flow direction around the tubes in the housing.
  • the flowing medium is forced to cross-flow around the tubes and at the same time is continuously cross-mixed by the crosswise arranged webs which are inclined towards the tubes or towards the axis of the housing.
  • a heat transfer medium can, but does not have to, flow in the tubes in cocurrent or countercurrent to the product.
  • a round tube or the jacket space of a tube bundle heat exchanger preferably serves as the housing.
  • the device according to the invention is preferably suitable for laminar flowing media, but can also be used with turbulent flow.
  • the invention further relates to a method for carrying out heterogeneous, catalytic reactions or for mass transfer in a flowing medium in a device according to the invention.
  • the mixing elements consist of groups of 6-10 intersecting webs based on the projection of the cross-section are arranged in intersecting planes.
  • the webs or planes are inclined by preferably 45° to the direction of flow and the adjacent webs touch at the crossing points.
  • the mixing elements have a length of 0.75 to 1.5D and successive mixing elements are turned by 90° and built into the housing.
  • a is the heat transfer coefficient on the product side
  • D (or d) is the pipe diameter
  • X is the thermal conductivity of the product.
  • the Nu number is also independent of the pipe length in laminar flow because of the constant cross-mixing and renewal of the boundary layer. With laminar flow, the heat transfer coefficient a is increased by a factor of 5 - 10 compared to the empty pipe.
  • Usual heat transfer coefficients k for highly viscous substances with these devices are in the range of 150-250 W/(m 2 K).
  • Static mixers with an X structure have the narrowest residence time spectrum of all known static mixers.
  • the measured Bodenstein number Bo is 50-100 m' 1 or, for example, up to 200 in a reactor 2 m long (F. Streiff in Heat transfer in plastics processing, pp. 241/275, VDI Verlag, Düsseldorf 1986). This practically achieves an ideal plug flow
  • the Bodenstein number is a common, dimensionless measure for the width of the residence time distribution or the axial backmixing according to the dispersion model
  • the flowing medium is also 2-phase (gas/liquid) and the device should also bring about an intensive mixing of the phases and dispersion in addition to the heat exchange. Examples are the heating of polymer solutions with volatile components or the cooling of plastic melts with blowing agents.
  • An X-mixer in a housing that is heated or cooled from the outside is the ideal solution for all of these tasks with low throughputs.
  • scale-up becomes impossible at industrial throughputs because the surface-to-volume ratio in a pipe with a larger diameter decreases very rapidly and the heat can no longer be transferred sufficiently.
  • a possible solution to this problem is to connect many tubes in parallel in a tube bundle heat exchanger and to install mixing elements in the tubes. As a result, the favorable properties of the mixers are retained, but unfortunately only in one tube. There can be very large differences in throughput and residence time from tube to tube. This risk is particularly high when viscous products are to be cooled or when polymer solutions react simultaneously in the heat exchanger and/or at least partially degas. Different temperatures and viscosities in the individual pipes result in so-called maldistribution. The maldistribution leads to a glaring inequality of flow velocity, temperature and viscosity in the individual tubes. The result can be equipment failure or reduced product quality.
  • the tube bundle heat exchange apparatus must be built with short and many tubes. This makes them very expensive, in addition to the cost of the mounting elements, because the tube sheets become thick and the volume of the heads becomes very large.
  • the pressure drop in the mixing elements prevents premature partial degassing and the product is damaged as a result or complete degassing is impeded.
  • Another disadvantage of the X structure is its mechanical weakness in absorbing the flow forces. Particularly when subjected to tension, they behave like a scissor lattice and are easily pulled apart. But even under pressure, they behave like a spring and are not very stable. As a result, the bars have to be built very thick for high-viscosity products. This leads to a further sharp increase in pressure loss. An attempt is made to make the structure more stable by means of reinforcement elements or external rings.
  • Patent specification DE 28 39 564 proposes a static mixer heat exchanger or reactor which adopts the basic idea of the X-structure but replaces the webs with tubes in which a heating or cooling medium flows.
  • a solution was found to make the specific heat exchange area per volume comparable with scale-up as with a with a small housing diameter and at the same time to obtain a similar mixing effect and a similar residence time behavior as with an X-mixer.
  • the structure is made up of intersecting, meandering, curved pipe coils.
  • the tubes are also preferably inclined at 45° to the direction of flow and assume the function of the webs. A number of such intersecting snakes each form a mixing element and successive elements are installed in a housing rotated by 90°.
  • Each element must be equipped with its own collector for the heat transfer medium.
  • the design and construction of these devices is very demanding and expensive.
  • the element length is selected as long as possible, which of course has an unfavorable effect on the mixing effect due to the small number of 90° rotations.
  • the pressure loss on the product side as well as on the heat transfer medium side is very high.
  • the flow rate in the individual pipe coils can be very uneven. The problem is particularly acute when, for practical reasons, the case is circular instead of square as originally thought. This leads to the risk of additional maldistribution on the product side.
  • the residence time distribution is as narrow as in the X-mixer.
  • Measured Bodenstein numbers are also around 60m' 1 .
  • the homogenization length for laminar mixing is up to twice as long as with the SMX mixer because of the round shape of the bars and because of the long elements (W. Müller, Chem.-Ing.Tech. 54 1982, No. 6).
  • the structure cannot be used for high-viscosity products without additional support elements because it is not sufficiently stable.
  • the stability is improved with additional elongated support elements, but it remains a weak point and is expensive.
  • the devices have proven themselves and are known as SMR reactors and are often used as polymerization reactors or coolers for viscous products, for example in fiber plants or for cooling plastic melts.
  • Patent specification EP 1 067 352 proposes another static mixer heat exchanger or reactor with crossing webs of the X structure with an integrated tube bundle.
  • the X-structure has only 4 webs based on the projection of the cross-section and the tubes are guided through holes in the webs inclined at 45° to the direction of flow.
  • the ridges lie in intersecting groups of planes which enclose an angle of 90° with one another.
  • the webs touch and are connected to each other and at least partially to the tubes.
  • the X-structure of 4 webs across the cross-section is built up first and the tubes are fed through the holes in the webs of the finished structure.
  • the axial web distance should be 0.2 - 0.4 D.
  • the object of the invention is a device for supplying and removing heat, for carrying out reactions or as a reactor for photosynthesis and for mixing and dispersing flowing, liquid, gaseous or multi-phase media in a tubular housing without maldistribution and with a to create a narrow residence time distribution, preferably for viscous products, with an X-structure, which is much easier and cheaper to produce than previously known devices with this structure and, if necessary, also have high stability against the flow forces and a lower pressure loss, both on the heat transfer medium - as exhibited on the product page.
  • the object is solved by the features of claim 1. Particularly advantageous embodiments are the subject matter of the dependent patent claims.
  • Another aspect of the present invention is the subject of independent method claim 20.
  • the "pitch t" or the “tube pitch t” refers in particular to the distance between the center points of two adjacent tubes in a row of tubes transverse to the tube or housing axis or the distance between the centers of two adjacent elongate elements in a row understood transversely to the axis of the elongate elements or housing axis.
  • Quadratic division means in particular that the distances from adjacent tube centers are equal in a first direction transverse to the tube or housing axis and in a second direction transverse to the tube or housing axis, the second direction being perpendicular to the first direction.
  • This quadratic division is shown and described, for example, in the VDI heat atlas, 6th edition, 1991, Section Ob6, Figure 9.
  • FIG. 1 shows a side view of a part of an embodiment variant of a device according to the invention with 9 tubes and with 4 crossing webs in relation to the projection of the cross section in a cut open housing
  • FIG. 2 shows a projection in the direction of flow of a cross section through an embodiment variant of a device according to the invention with 9 tubes and 4 layers of webs in the projection of the cross section.
  • FIG. 4 shows a projection in the flow direction of a cross section through an embodiment variant of a device according to the invention with 16 tubes and 5 webs in the projection of the cross section, the width of the webs having cutouts in the area of the tubes, and the web width b being smaller than the tube division but greater than is the space between adjacent tubes. There are no pipes in the axes of the cross sections. This arrangement allows U-tube loops.
  • 5 shows a projection in the direction of flow of a cross section through an embodiment variant of a device according to the invention with 32 tubes and 7 layers of webs in the projection of the cross section
  • FIG. 6 shows the projection in the direction of flow of a cross section through an embodiment variant of a device according to the invention as in FIG. 5 with only partially used spaces for the pipes or elongate elements
  • Fig. 7 shows a projection in the flow direction of a cross section through an embodiment of a device according to the invention with 45 tubes and 8 layers of webs in the projection of the cross section, the sign of the inclination of the webs being the same for 2 adjacent web layers (indicated by hatching) and in groups changes
  • FIG. 8 shows the projection in the direction of flow of a cross section through an embodiment variant of a device according to the invention, with interwoven webs as crosses rotated by 90°
  • FIG. 9 A perspective representation of an embodiment variant of a device according to the invention with webs (31a, 41b) partially cut to the length L of the mixing elements.
  • the webs have a maximum width b > (t - d) and partially enclose the tubes
  • FIG. 10 A perspective view of a further embodiment of a device according to the invention, in which the webs are at least partially offset from one another in the longitudinal direction and the mixing elements are axially spaced
  • FIG. 11 A perspective representation of a further embodiment variant of a device according to the invention, in which the webs are woven into one another as crosses rotated by 90° according to FIG.
  • FIG. 13 Perspective view of a possible grid-like connection of webs to a web layer by support rods 14
  • the device consists of a preferably circular housing 1 with an inside diameter D and a built-in tube bundle with tubes 2 parallel to the longitudinal axis and to the main flow direction and having an outside diameter d.
  • Other elongated elements can also take the place of the pipes.
  • the tube bundle preferably has a square tube pitch t.
  • the angle of inclination of the crossing webs (31, 41) preferably has an opposite sign and the webs following one another in the axial direction of a web layer between the tubes are preferably parallel to one another and preferably all have the same distance m.
  • the webs of the web layers preferably lie one behind the other in the transverse direction in parallel, intersecting planes A, B with the angle of inclination ⁇ to the longitudinal axis. All webs preferably have the same angle of inclination a.
  • the webs or web layers can be offset axially as desired and/or for the vertical distances m of the webs or also the angle of inclination to differ within one web layer or from one web layer to the next.
  • the webs then no longer lie one behind the other in the transverse direction in common planes.
  • the webs have a width b and this width is less than or at most equal to the tube pitch t.
  • the webs are preferably perpendicular to the tubes with their width b.
  • the webs can, but do not have to, reach all the way to the housing wall or they can also only touch it at certain points.
  • a number n a of webs following one another in the axial direction form a web layer and all web layers in a cross section within the Length L form a mixed element.
  • the bar layers of successive mixing elements are rotated by 90° and inserted between the tubes.
  • the length L is preferably 0.5 to 4D.
  • a cut to length mixing element consists of full length fins (31, 41) and cut fins (31a, 41b).
  • Wider webs have recesses (Fig. 4) for the passage of the tubes and can also be easily installed in existing tube bundles if they are slightly inclined during installation.
  • the contact line to the tubes is increased by wider webs. This has a beneficial effect on the strength of the structure and heat transfer when the tubes are connected to the webs.
  • not all ridges of a device need to have the same width and shape.
  • the webs in this variant are slightly wider than the free space between the rows of tubes and have a maximum width b > (t - d).
  • the webs do not necessarily have to be cut to the length L, but the webs of the web layers can protrude into the following element as long as there is no conflict with the following webs rotated by 90° or the mixing elements can be installed at intervals, as shown in FIG. As such, frequent 90° rotation of the web orientation would be desirable for cross mixing and heat transfer to the tubes.
  • the length L is too short, the transport over the entire cross-section becomes insufficient and the construction becomes more complex.
  • the number of 90° turns is too small, cross-mixing is reduced.
  • the device according to the invention offers a further, hitherto unknown type of web arrangement, as shown in FIGS. 8 and 11.
  • the webs (31, 41) and the webs (31', 4T) rotated through 90° are inserted into one element interwoven between the tubes 2.
  • the result is an element that mixes in two transverse directions at the same time. All subsequent elements have the same structure.
  • the elements can be built in spaced or nested as much as possible. The typical 90° rotation of individual elements is no longer necessary and a uniform structure is created.
  • All mixing elements within a device according to the invention are preferably constructed in the same way and with the same web spacing. However, for special tasks such as for locally dispersive mixing, or for locally increased heat transfer or mass transfer, it may be necessary that, for example, the axial distance m of the webs, the web width b or the Mixing element length L of individual mixing elements or groups of mixing elements within a device should be narrower or smaller.
  • the webs can be connected to the tubes at all or only some of the crossing points by welding, soldering or gluing.
  • the webs do not necessarily have to be connected to the tubes if this is not desired for practical reasons, and groups of webs or web layers can be connected to one another by spacers and additional supports 5.
  • the webs of a layer can also be connected by metal sheets and be inclined. Then the web layers can take the form of a corrugated sheet.
  • the width of the webs can be variable over their length, and the lateral boundaries can have a curved shape, as shown in FIG. 3 as a further variant.
  • FIGS. 2 to 8 the different angles of inclination of the crossing webs are indicated by the different direction of the hatching.
  • the terms “tubes” or “tube bundles” are used in the following, in which a medium for supplying or dissipating heat preferably flows, with other, elongate elements, also without a heat transfer medium, such as rods, being used instead if required.
  • Profiles, heating rods, rod-shaped lamps or tubes with a semi-permeable or porous wall can occur.
  • the applicability of the invention is not limited to metallic materials.
  • the webs are preferably flat, plate-shaped profiles made of sheet metal or else U- or V-shaped profiles or tubes or hollow profiles or rods.
  • the surface of the webs can also be structured. 12 shows a selection of possible profile shapes that can be used both as webs and as elongate elements.
  • the manufacture of the device according to the invention for removable tube bundles is very simple.
  • the webs are installed in U-tube bundles because the device can be expanded in this way and no thermal stresses can occur. In this case there are no pipes in the Main axes of the case cross-section. The disadvantage of this arrangement is that correct counterflow to the heat transfer medium is not possible.
  • the entire fixtures and pipes or elongated elements are produced as a monolithic component using a 3D printer, if the dimensions and the material allow it.
  • the built-in parts are made from an easily meltable material in a 3D printer and covered with a mostly ceramic mass. Then the material inside the hardened mold is melted out and what remains is a mold that is filled with liquid metal (investment casting) or a hardening resin.
  • the specific exchange area (A/V) in reactors according to the invention is >50 m 2 /m 3 and can be up to 400 m 2 /m 3 .
  • the specific heat transfer capacity of the reactors according to the invention with highly viscous products can reach over 100 kW/m 3 K. For example, in the case of strongly exothermic polymerization reactions, hot spots and runaway reactions occur if the specific heat transfer capacity of the reactor is not large enough.
  • the specific exchange area and the specific heat transfer capacity can be selected largely independently of the reactor or apparatus volume. This makes the scale-up particularly easy. For example, polymerization reaction ions are strongly exothermic and at higher viscosities.
  • the pipe division is preferably selected to be uniform over the entire cross section. With a square tube pitch, the structure is particularly simple because the components of all mixing elements are the same. It is also possible that the divisions in both transverse directions and the web widths of the groups rotated by 90° are different or deviate locally. However, it is also possible to choose the division differently locally, or to omit individual or groups of tubes, or instead of tubes for the heat exchange, in whole or in part, tubes or elongate elements with other properties such as light-emitting elements or elements with semi-permeable or porous walls or simply tubes or Use rods without a heat transfer medium or other elongated profiles to reinforce the structure at the intended tube locations if the required heat transfer capacity allows.
  • FIG. 5 shows a view in the direction of flow for an embodiment variant of a device according to the invention with 32 tubes and 7 webs over the cross section.
  • the flowing medium only has to be mixed or dispersed statically, without heat being supplied or removed at the same time, or the product having to be tempered. It is then possible for tube spaces to be partially vacant and/or the tubes are wholly or partially replaced by full profiles which serve as reinforcement for the structure. This creates static mixers with very high stability against the flow forces, such as those that occur during extrusion or injection molding of tough plastic melts.
  • FIG. 6 shows a variant like FIG. 5, in which not all possible tube locations are occupied and in which some tubes are replaced by full rods or profiles. 12 shows a selection of possible shapes of elongate elements. The selection is not complete.
  • These elongate elements can be installed both axially instead of tubes 2 and inclined thereto as alternative forms of webs (31, 41).
  • Webs 31 that follow one another axially can be connected by auxiliary elements 5 to form a web layer and inserted between the tubes, as shown in FIG.
  • Sheets that are inclined are also possible as a connection and the web layer becomes a corrugated sheet-like structure as shown in FIG.
  • the intersecting webs or profiles which are inclined towards the housing axis, ensure intensive transverse mixing and transverse flow and improve the heat and mass transfer to the tubes.
  • the vertical distance m between the webs that follow in the direction of flow is a determining measure of the pressure drop in the tube bundle structure according to the invention, because it significantly influences the wetted surfaces of the internals in the reactor.
  • the distance m should therefore be as large as possible, preferably 0.2 to 0.4D, if only good cross-mixing with little or no heat exchange is required. It is expected that a more frequent crossing of the tubes with the webs and a frequent rotation of the web direction is favorable for the heat transfer to the tubes.
  • the hardened mixer rods were each cut open after a length of 1 D and the maximum thickness I of a layer was measured as a measure of mixing quality and compared with the initial thickness l 0 .
  • This measurement method is very simple and efficient for demonstrating the mixing process and the mixing quality in static mixers with laminar flow, especially in the Beginning of mixing.
  • the result of the mixing tests is shown in FIG. 15.
  • almost the same maximum layer thickness (mixing quality) is achieved in the device according to the invention with only 4 bars as in the static mixer according to the prior art with 8 bars!
  • the wetted web surface of the device according to the invention is only about 60% compared to the design according to the prior art.
  • the application of the device according to the invention is not only limited to the laminar flow range. It is known that the X structure is very well suited for dispersing liquids or gases in turbulent flow in low-viscosity media. This device is therefore also suitable for low-viscosity media for reactions with a high degree of heat generation or also for bioreactors. If the tubes are replaced by rod-shaped light generators or conductors also for photosynthesis. In the case of vertical installation, a catalyst carrier can also be easily filled into the housing for carrying out heterogeneous, catalytic reactions with higher heat of reaction in a fixed bed or in a fluidized bed.
  • the inventive device is preferably used as a mixer-heat exchanger with high transverse and low axial back-mixing for
  • a very expensive double-walled pipe is no longer required and is replaced by U-shaped pipe coils through which a heat transfer medium flows. If required, further elongated profiles at the pipe places take over the necessary reinforcement of the structure.
  • the mixer according to the invention can also be heated quickly to the operating temperature, since no high stresses are to be expected in the housing, as is the case with a double-walled pipe.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Zu- und Abfuhr von Wärme, zur Durchführung von Reaktionen und zum Mischen und Dispergieren von strömenden Medien in einem Gehäuse (1) mit einem Innendurchmesser (D) für ein Medium (I) mit Einbauten aus einem Bündel von Rohren (2) mit einem Aussendurchmesser (d) oder anderen länglichen Elementen mit vorzugsweise zur Längsachse des Gehäuses paralleler Ausrichtung und zwischen die länglichen Elementen kreuzweise eingebauten Stegen oder Steglagen (31,41) wobei die Stege zur Längsachse des Gehäuses geneigt sind und sich nicht berühren. Nach einer Anzahl axial aufeinander folgender Stege bzw. einer Länge (L), werden die Stege um vorzugsweise 90° gedreht zwischen die Rohre eingebaut. In den Rohren kann ein Wärmeträgermedium (II) im Gleich- oder Gegenstrom fliessen womit ein Mischer-Wärmetauscher oder Reaktor mit ausserordentlich grosser Wärmeübertragungskapazität und nahezu Pfropfenströmung entsteht.

Description

Vorrichtung zur Zu- oder Abfuhr von Wärme, zur Durchführung von Reaktionen, und zum Mischen und Dispergieren von strömenden Medien
Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Zu- oder Abfuhr von Wärme, zur Durchführung von Reaktionen und zum Mischen und Dispergieren von strömenden Medien in einem Gehäuse mit Einbauten nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Die Vorrichtung besteht aus einem Bündel von Rohren oder anderen länglichen Elementen mit vorzugsweise zur Längsachse des Gehäuses paralleler Ausrichtung und zwischen die Rohre oder die länglichen Elementen eingeschobenen Stege bzw. Steglagen einer ersten Anordnung die gegen die Längsachse des Gehäuses geneigt sind und mindestens einer zweiten Anordnung von Steglagen wobei der Neigungswinkel der Stege der ersten Anordnung ein entgegengesetztes Vorzeichen aufweisen wie die Anordnung der zweiten Steglagen und sich kreuzen aber nicht berühren. Die Stege werden zwischen die Rohre des Rohrbündels eingebaut und berühren sich nicht. Zwischen den sich kreuzenden Stegen der ersten und der zweiten Anordnung liegt vorzugsweise ein Rohr oder eine Rohrreihe. Das strömende Medium (Produkt) fliesst in axialer Hauptströmungsrichtung um die Rohre im Gehäuse. Durch die zu den Rohren bzw. zur Gehäuseachse geneigten, kreuzweise angeordneten Stege wird das strömende Medium zu einer Querströmung um die Rohre gezwungen und gleichzeitig dauernd quervermischt. In den Rohren kann, aber muss nicht, ein Wärmeträgermedium im Gleich- oder Gegenstrom zum Produkt fliessen. Als Gehäuse dient vorzugsweise ein rundes Rohr oder der Mantelraum eines Rohrbündel-Wärmetauschers. Die erfindungsgemässe Vorrichtung eignet sich vorzugsweise für laminar strömende Medien, kann aber auch bei turbulenter Strömung eingesetzt werden. Weiter betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Durchführung von heterogenen, katalytischen Reaktionen oder zum Stoffaustausch in einem strömenden Medium in einer erfindungsgemässen Vorrichtung.
Stand der Technik
Mit der Patentschrift CH 642 564 wurde eine sehr effiziente statische Mischvorrichtung für laminare Strömung bei hochviskosen Produkten bekannt, bei der die Mischelemente aus Gruppen von 6 - 10 sich kreuzenden Stegen bezogen auf die Projektion der Querschnitts bestehen die in sich kreuzenden Ebenen angeordnet sind. Dabei sind die Stege bzw. Ebenen um vorzugsweise 45° zur Strömungsrichtung geneigt und die benachbarten Stege berühren sich an den Kreuzungsstellen. Die Mischelemente haben eine Länge von 0.75 bis 1.5D und aufeinander folgende Mischelemente sind um 90° gedreht, in das Gehäuse eingebaut. Speziell für die Verbesserung des Wärmeübergangs in laminar durchströmten Rohren wurde auch eine gestreckte Variante, wie in CH 627 263 beschrieben, mit nur um 30° zur Strömungsrichtung geneigten, sich kreuzenden Stegen die einen geringeren Druckverlustbeiwert, aber natürlich auch eine geringere Misch- und Wärmeaustausch Wirkung hat, bekannt. Diese Mischelemente werden bis heute mit geringen Abweichungen von vielen Anbietern als sogenannte X-Mischer (z.B. SMX, SMXL, KMX, GX, CSE-X, AMX oder UM. Die Aufzählung ist nicht vollständig) angeboten. Sie zeichnen sich aus durch eine sehr gute Mischwirkung, hohe Wärmeübergangs- bzw. Nu-Zahl (Nu = aD/X) und ein sehr enges Verweilzeitspektrum. Dabei bedeuten a die Wärmeübergangszahl auf der Produktseite, D (oder auch d) den Rohrdurchmesser und X die Wärmeleitfähigkeit des Produkts. Die Nu-Zahl ist ausserdem auch bei laminarer Strömung wegen der dauernden Quermischung und Erneuerung der Grenzschicht, im Gegensatz zum leeren Rohr, unabhängig von der Rohrlänge. Die Wärmeübergangszahl a wird bei laminarer Strömung um das 5 - 10- fache gegenüber dem leeren Rohr erhöht. Übliche Wärmedurchgangszahlen k bei hochviskosen Stoffen mit diesen Vorrichtungen liegen im Bereich von 150 - 250 W/(m2K). Statische Mischer mit X-Struktur haben das engste Verweilzeitspektrum aller bekannten statischen Mischer. Die gemessene Bodensteinzahl Bo liegt bei 50 - 100 m'1 oder z.B. bei bis zu 200 bei einem Reaktor von 2m Länge (F. Streiff in Wärmeübertragung bei der Kunststoffaufbereitung, S. 241/275, VDI- Verlag, Düsseldorf 1986). Damit wird praktisch eine ideale Pfropfenströmung erreicht
(Bo = oo). Die Bodensteinzahl ist ein übliches, dimensionsloses Mass für die Breite der Verweilzeitverteilung bzw. der axialen Rückmischung nach dem Dispersionsmodell
(Bo = vL/Dax). Dabei bedeuten v die mittlere, axiale Strömungsgeschwindigkeit, Dax den axialen Dispersionskoeffizienten und L die axiale Länge der Vorrichtung. Verglichen mit dem Verweilzeitspektrum des Kaskadenmodells einer Anzahl j von in Serie geschalteten Rührkesseln entspricht Bo = 2j. Das Verweilzeitverhalten eines derartigen Reaktors mit Bo = 200 ist also vergleichbar mit einer Kaskade von 100 idealen Rührkesseln. Viele Anwendungen für statische Mischer erfordern gleichzeitig eine intensive Quermischung, eine grosse Wärmeübertragungskapazität und eine enges Verweilzeitspektrum. Beispiele sind Reaktoren, insbesondere bei laminarer Strömung wie z. B. Polymerisationsreaktoren. Bei anderen Anwendungen müssen Produkte in kurzer Zeit erhitzt oder gekühlt werden, ohne dass unerwünschte Reaktionen und Produktveränderungen (Polymerisation, Degradation) auftreten. Beim leeren Rohr findet bei laminarer Strömung keine Querströmung zur Wand statt. Das wirkt sich sehr ungünstig auf den Wärmeübergang, die Verweilzeitverteilung und auf die Qualität der Produkte aus. Bei einigen Anwendungen ist das strömende Medium zusätzlich 2-phasig (gas/flüssig) und die Vorrichtung soll neben dem Wärmeaustausch auch noch eine intensive Vermischung der Phasen und Dispergierung bewirken. Beispiele sind die Erhitzung von Polymerlösungen mit flüchtigen Komponenten oder die Kühlung von Kunststoffschmelzen mit Treibmitteln. Für alle diese Aufgaben ist bei geringen Durchsätzen ein X-Mischer in einem von aussen beheizten oder gekühlten Gehäuse die ideale Lösung. Der Scale-up wird aber bei industriellen Durchsätzen unmöglich weil das Verhältnis von Oberfläche zu Volumen in einem Rohr mit grösserem Durchmesser sehr rasch abnimmt und die Wärme nicht mehr ausreichend übertragen werden kann. Eine mögliche Lösung dieser Aufgabe ist es, viele Rohre in einem Rohrbündelwärmetauscher parallel zu schalten und Mischelemente in die Rohre einzubauen. Dadurch bleiben die günstigen Eigenschaften der Mischer zwar erhalten aber leider nur in einem Rohr. Von Rohr zu Rohr können sehr grosse Unterschiede des Durchsatzes und der Verweilzeit vorkommen. Diese Gefahr ist besonders hoch, wenn viskose Produkte gekühlt werden sollen oder wenn Polymerlösungen im Wärmetauscher gleichzeitig reagieren und/oder mindestens teilweise entgasen. Durch unterschiedliche Temperaturen und Viskositäten in den einzelnen Rohren kommt es zur sogenannten Maldistribution. Die Maldistribution führt zu einer krassen Ungleichheit der Strömungsgeschwindigkeit, Temperatur und der Viskosität in den einzelnen Rohren. Das Resultat kann ein Versagen der Vorrichtung oder eine Verminderung der Produktqualität sein.
Durch den verhältnismässig hohen Druckverlustbeiwert der X-Mischelemente müssen die Rohrbündel-Wärmeaustauschapparate mit kurzen und vielen Rohren gebaut werden. Dadurch werden sie zusätzlich zu den Kosten der Einbauelemente sehr teuer weil die Rohrplatten dick werden und das Volumen der Köpfe sehr gross wird. Bei Produkterhitzern mit teilweiser Entgasung verhindert der Druckverlust der Mischelemente eine frühzeitige Teilentgasung und das Produkt wird dadurch geschädigt oder die vollständige Entgasung behindert. Ein weiterer Nachteil der X-Struktur ist ihre mechanische Schwäche zur Aufnahme der Strömungskräfte. Besonders auf Zug belastet, verhalten sie sich wie ein Scherengitter und werden leicht auseinander gezogen. Aber auch auf Druck belastet, verhalten sie sich wie eine Feder und sind nicht sehr stabil. Als Folge müssen die Stege sehr dick gebaut werden bei hochviskosen Produkten. Das führt zu einer weiteren, starken Zunahme des Druckverlusts. Durch Verstärkungselemente oder durch äussere Ringe wird versucht die Struktur stabiler zu machen.
Mit der Patentschrift DE 28 39 564 wird ein statischer Mischer-Wärmetauscher bzw. Reaktor vorgeschlagen der die Grundidee der X-Struktur aufnimmt aber die Stege durch Rohre ersetzt in denen ein Heiz- oder Kühlmedium fliesst. Dadurch wurde eine Lösung gefunden um die spezifische Wärmeaustauschfläche pro Volumen beim Scale-up vergleichbar wie bei ei- nem kleinen Gehäusedurchmesser zu halten und gleichzeitig eine ähnliche Mischwirkung und ein ähnliches Verweilzeitverhalten wie bei einem X-Mischer zu erhalten. Die Struktur wird aus sich kreuzenden, mäanderförmig gebogenen Rohrschlangen gebildet. Die Rohre sind ebenfalls vorzugsweise um 45° zur Strömungsrichtung geneigt und übernehmen die Funktion der Stege. Eine Anzahl solcher, sich kreuzender Schlangen, bilden jeweils ein Mischelement und aufeinanderfolgende Elemente werden um 90° verdreht in ein Gehäuse eingebaut. Jedes Element muss mit einem eigenen Sammler für das Wärmeträgermedium ausgerüstet sein. Die Auslegung und der Bau dieser Apparate ist sehr anspruchsvoll und teuer. Um den Aufwand in Grenzen zu halten wird die Elementlänge möglichst lang gewählt, was natürlich die Mischwirkung durch die geringe Anzahl von 90° Drehungen ungünstig beeinflusst. Der Druckverlust auf der Produkt- wie auch auf der Wärmeträgerseite ist sehr hoch. Die Durchflussmenge in den einzelnen Rohrschlangen kann sehr ungleichmässig sein. Das Problem ist besonders gross wenn das Gehäuse aus praktischen Gründen kreisrund, statt wie ursprünglich gedacht, quadratisch ist. Das führt auf der Produktseite zur Gefahr von zusätzlicher Maldistribution. Durch die Wahl des Durchmessers und der Anzahl der Rohrschlangen können auch sehr grosse Reaktorvolumen mit einem grossen Verhältnis von Wärmeaustauschfläche A zu Volumen V bzw. mit einer hohen spezifischen Wärmeübertagungskapazität (Q/VAT) = (kA/V) > 10 KW/m3K unabhängig vom Reaktorvolumen realisiert werden (vergl. S. 265 der oben zitierten Literaturstelle). In den Formeln bedeutet Q den übertragbaren Wärmestrom, AT mittlere die Temperaturdifferenz zwischen Produkt und Wärmeträgermedium und k die Wärmedurchgangszahl. Dadurch wird der Scale-up vereinfacht und es muss nicht auf parallele Rohre ausgewichen werden. Die Gefahr einer Maldistribution wird dadurch geringer. Die Ausnützung des Volumens mit Wärmeaustauschfläche wird aber begrenzt durch den kleinstmöglichen Biegeradius der Rohrschlangen und den Druckverlust. Auch in diesem Apparat ist die Verweilzeitverteilung vergleichbar eng wie im X-Mischer. Gemessene Bodensteinzahlen liegen ebenfalls bei ca. 60m'1. Die Homogenisierungslänge für die laminare Vermischung ist allerdings bis doppelt so gross wie beim SMX Mischer wegen der runden Form der Stege und wegen den langen Elemente (W. Müller, Chem.- Ing.Tech. 54 1982, Nr. 6). Die Struktur ist ohne zusätzliche Stützelemente nicht einsetzbar für hochviskose Produkte weil sie nicht genügend stabil ist. Gemäss US2004/0125691 wird die Stabilität mit zusätzlichen länglichen Stützelementen verbessert, bleibt aber ein Schwachpunkt und ist aufwändig. Die Apparate haben sich trotz den Mängeln und Schwierigkeiten bewährt und sind bekannt als SMR-Reaktoren und werden häufig eingesetzt als Polymerisationsreaktoren oder Kühler für viskose Produkte z.B. in Faseranlagen oder zur Kühlung von Kunststoffschmelzen.
Mit der Patentschrift EP 1 067 352 wird ein anderer statischer Mischer-Wärmetauscher bzw. Reaktor mit sich kreuzenden Stegen der X-Struktur mit integriertem Rohrbündel vorgeschla- gen. Die X-Struktur weist nur 4 Stege bezogen auf die Projektion des Querschnitts auf und die Rohre werden durch Bohrungen in den 45° zur Strömungsrichtung geneigten Stegen geführt. Die Stege liegen in sich kreuzenden Ebenenscharen die untereinander einen Winkel von 90° einschliessen. Die Stege berühren sich und sind miteinander und mindestens teilweise mit den Rohren verbunden. Die X-Struktur aus 4 Stegen über den Querschnitt wird zuerst aufgebaut und die Rohre durch die Bohrungen in den Stegen der fertigen Struktur geführt. Der axiale Stegabstand soll 0.2 - 0.4 D sein. Mit der Patenschrift WO 2008/141472 wird eine Modifikation dieser Struktur vorgestellt wobei der axiale Stegabstand zum Durchmesser der Innenrohre < 6 betragen soll. Damit wird eine Verbesserung des Wärmeübergangs erreicht. Wiederum kann durch die Wahl des Durchmessers und der Anzahl der Rohre ein sehr grosses Reaktorvolumen mit einem grossen Verhältnis von Wärmeaustauschfläche zu Volumen, bzw. mit einer hohen spezifischen Wärmeübertagungskapazität wie beim SMR realisiert werden. Der Druckverlust auf der Wärmeträgerseite ist wesentlich geringer als beim SMR und mechanische Limiten durch den Biegeradius entfallen. Das Verweilzeitverhalten dieser Struktur ist gemäss Patentschrift ebenfalls sehr gut und vergleichbar mit den X- Mischern. Die Konstruktion ist allerdings sehr aufwändig und erfordert eine sehr hohe Präzision. Es muss sehr schwer sein alle Bohrungen im Mischer und in der Rohrplatte fluchtend und ohne zu grosse Toleranzen auszurichten. Die mechanische Festigkeit bleibt wie bei der X-Struktur ein Problem.
Darstellung der Erfindung
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung zur Zu- und Abfuhr von Wärme, zur Durchführung von Reaktionen oder auch als Reaktor für die Fotosynthese und zum Mischen und Dispergieren von strömenden, flüssigen, gasförmigen oder mehrphasigen Medien in einem rohrartigen Gehäuse ohne Maldistribution und mit einer engen Verweilzeitverteilung, vorzugsweise für viskose Produkte, mit einer X-Struktur zu schaffen, die wesentlich einfacher und kostengünstiger als bisher bekannte Vorrichtungen mit dieser Struktur herzustellen ist und die bei Bedarf auch eine hohe Stabilität gegen die Strömungskräfte und einen geringeren Druckverlust, sowohl auf der Wärmeträger- wie auf der Produktseite aufweist. Die Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst. Besonders vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche.
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung ist Gegenstand des unabhängigen Verfahrensanspruchs 20.
Unter der "Teilung t" oder der "Rohrteilung t" wird insbesondere der Abstand der Rohrmittelpunkte zweier benachbarter Rohre in einer Rohrreihe quer zur Rohr- bzw. Gehäuseachse oder der Abstand der Mittelpunkte zweier benachbarter länglicher Elemente in einer Reihe quer zur Achse der länglichen Elemente bzw. Gehäuseachse verstanden.
"Quadratische Teilung" bedeutet insbesondere, die Abstände von benachbarten Rohrmittelpunkten in einer ersten Richtung quer zur Rohr- bzw. Gehäuseachse und in einer zweiten Richtung quer zur Rohr- bzw. Gehäuseachse, wobei die zweite Richtung senkrecht zur ersten Richtung steht, gleich sind. Das Gleiche gilt analog für längliche Elemente. Diese quadratische Teilung wird z.B. im VDI-Wärmeatlas, 6. Auflage, 1991 , Abschnitt Ob6, Bild 9 dargestellt und beschrieben.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Vorteilhafte Ausführungsvarianten der Erfindung sind in den beigefügten Zeichnungen dargestellt und werden im Folgenden näher erläutert. Dabei zeigen
Fig. 1 eine Seitenansicht eines Teils einer Ausführungsvariante einer erfindungsgemässen Vorrichtung mit 9 Rohren und mit 4 sich kreuzenden Stegen bezogen auf die Projektion des Querschnitts in einem aufgeschnittenen Gehäuse
Fig. 2 eine Projektion in Strömungsrichtung eines Querschnitts durch eine Ausführungsvariante einer erfindungsgemässen Vorrichtung mit 9 Rohren und 4 Steglagen in der Projektion des Querschnitts. Die Stege haben die maximale Breite b = t - d und passen zwischen die Rohre.
Fig. 3 eine Projektion in Strömungsrichtung eines Querschnitts durch eine Ausführungsvariante einer erfindungsgemässe Vorrichtung mit 21 Rohren bzw. Stäben und 6 Stegen in der Projektion des Querschnitts wobei die maximale Breite der Stege im Bereich der Rohre b = t - d ist und dazwischen sogar abnimmt. Die Stege passen zwischen die Rohre.
Fig. 4 eine Projektion in Strömungsrichtung eines Querschnitts durch eine Ausführungsvariante einer erfindungsgemässen Vorrichtung mit 16 Rohren und 5 Stegen in der Projektion des Querschnitts, wobei die Breite der Stege im Bereich der Rohre Ausschnitte aufweisen, und die Stegbreite b kleiner als die Rohrteilung aber grösser als der Zwischenraum benachbarter Rohre ist. In den Achsen der Querschnitte befinden sich keine Rohre. Diese Anordnung ermöglicht U-Rohr Schlaufen. Fig. 5 eine Projektion in Strömungsrichtung eines Querschnitts durch eine Ausführungsvariante einer erfindungsgemässe Vorrichtung mit 32 Rohren und 7 Steglagen in der Projektion des Querschnitts
Fig. 6 zeigt die Projektion in Strömungsrichtung eines Querschnitts durch eine Ausführungsvariante einer erfindungsgemässen Vorrichtung wie in Fig. 5 mit nur teilweise genutzten Plätzen für die Rohre oder länglichen Elemente
Fig. 7 eine Projektion in Strömungsrichtung eines Querschnitts durch eine Ausführungsvariante einer erfindungsgemässen Vorrichtung mit 45 Rohren und 8 Steglagen in der Projektion des Querschnitts, wobei das Vorzeichen der Neigung der Stege jeweils für 2 nebeneinander liegende Steglagen gleich ist (angedeutet durch die Schraffur) und gruppenweise wechselt
Fig. 8 zeigt die Projektion in Strömungsrichtung eines Querschnitts durch eine Ausführungsvariante einer erfindungsgemässen Vorrichtung, mit ineinander verwobenen Stegen als 90° gedrehte Kreuze
Fig. 9 Eine perspektivische Darstellung einer Ausführungsvariante einer erfindungsgemässen Vorrichtung mit teilweise auf die Länge L der Mischelemente zugeschnittenen Stegen (31 a, 41 b). Die Stege haben eine maximale Breite b > (t - d) und umfassen die Rohre teilweise
Fig. 10 Eine perspektivische Darstellung einer weiteren Ausführungsvariante einer erfindungsgemässen Vorrichtung bei der die Stege in Längsrichtung mindesten teilweise gegeneinander verschoben sind und die Mischelemente axiale Abstände aufweisen
Fig. 11 Eine perspektivische Darstellung einer weiteren Ausführungsvariante einer erfindungsgemässen Vorrichtung bei der die Stege als 90° gedrehte Kreuze gemäss Fig. 8 ineinander verwoben sind
Fig. 12 Eine Darstellung von weiteren, möglichen Formen und Querschnitten für Stege und längliche Elemente oder Rohre. Die Darstellung ist nicht abschliessend
Fig. 13 Perspektivische Darstellung einer möglichen, gitterartigen Verbindung von Stegen zu einer Steglage durch Haltestangen Fig. 14 Perspektivische Darstellung einer möglichen Variante einer Steglage aus geneigten Stegen die zu einer wellblechartigen Steglage verbunden sind
Fig. 15 Das Resultat eines Mischversuchs mit einer erfindungsgemässen Struktur nach Fig. 9 (RWX) im Vergleich zu einem statischen Mischer nach CH 642 564 mit 8 Stegen in der Projektion des Querschnitts
Ausführungsbeispiele
Nach der Erfindungsidee besteht die Vorrichtung aus einem vorzugsweise kreisrunden Gehäuse 1 mit einem Innendurchmesser D und einem eingebautem Rohrbündel mit zur Längsachse und zur Hauptströmungsrichtung parallelen Rohren 2 mit einem Aussendurchmesser d. An die Stelle der Rohre können auch andere, längliche Elemente treten. Das Rohrbündel hat vorzugsweise eine quadratische Rohrteilung t. Zwischen die Rohre werden um einen Winkel a, vorzugsweise a = 30 - 60°, besonders bevorzugt a = 45° gegen die Längsachse geneigte Stege (31 ,41) oder Steglagen eingebaut. Der Neigungswinkel der sich kreuzenden Stege (31 ,41) hat vorzugsweise ein entgegengesetztes Vorzeichen und die in axialer Richtung aufeinander folgenden Stege einer Steglage zwischen den Rohren, sind vorzugsweise parallel zueinander und weisen vorzugsweise alle den gleichen Abstand m auf. Zwischen den sich kreuzenden Stegen liegt vorzugsweise ein Rohr oder eine Rohrreihe, aber es ist auch möglich, dass der Neigungswinkel der Stege auf beiden Seiten eines Rohres oder einer Rohrreihe das gleiche Vorzeichen hat, und dass der Wechsel des Vorzeichens erst nach mehreren benachbarten Stegen bzw. Steglagen erfolgt. Die Stege der Steglagen liegen in Querrichtung vorzugsweise hintereinander in parallelen, sich kreuzenden Ebenen A, B mit dem Neigungswinkel a zur Längsachse. Alle Stege haben vorzugsweise den gleichen Neigungswinkel a. Es ist aber auch möglich, dass die Stege bzw. die Steglagen gegeneinander axial beliebig versetzt sind und/oder dass die senkrechten Abstände m der Stege oder auch der Neigungswinkel innerhalb einer Steglage, oder von Steglage zu Steglage, verschieden sind. Die Stege liegen dann in Querrichtung nicht mehr in gemeinsamen Ebenen hintereinander. Die Stege haben eine Breite b und diese Breite ist kleiner oder höchstens gleich gross wie die Rohrteilung t. Die Stege stehen mit ihrer Breite b vorzugsweise senkrecht zu den Rohren. Es ist aber auch möglich die Stege mit ihrer Breite mit einer Neigung zu den Rohren einzubauen. Die Stege können, aber müssen nicht, bis ganz an die Gehäusewand reichen oder sie können diese auch nur punktuell berühren. Das strömende Medium (I) bzw. das Produkt fliesst im Gehäuse bzw. im Mantelraum des Rohrbündels um die Rohre bzw. länglichen Elemente und in den Rohren kann, aber muss nicht ein Wärmeträgermedium (II) im Gleich- oder Gegenstrom fliessen. Jeweils eine Anzahl na in axialer Richtung aufeinander folgender Stege bilden eine Steglage und alle Steglagen in einem Querschnitt innerhalb der Länge L bilden ein Mischelement. Die Steglagen aufeinander folgender Mischelemente werden um 90° gedreht zwischen die Rohre eingeschoben. Die Länge L beträgt vorzugsweise 0.5 bis 4D. Ein auf die Länge zugeschnittenes Mischelement besteht aus Stegen der vollen Länge (31 , 41) und abgeschnittenen Stegen (31a, 41 b). Vorzugsweise haben die Stege für einen niedrigen Druckverlust eine geringere Breite b als die Rohrteilung t, und besonders einfach wird deren Einbau wenn die max. Breite höchstens b = t - d beträgt (Fig. 2 und Fig.3). Breitere Stege haben Aussparungen (Fig. 4) für den Durchtritt der Rohre und können ebenfalls einfach in bestehende Rohrbündel eingebaut werden, wenn sie beim Einbau leicht schräg gestellt werden. Durch breitere Stege wird die Kontaktlinie zu den Rohren vergrös- sert. Dies wirkt sich günstig auf die Festigkeit der Struktur und den Wärmeübergang aus, wenn die Rohre mit den Stegen verbunden sind. Selbstverständlich müssen nicht alle Stege einer Vorrichtung dieselbe Breite und Form haben. Fig. 9 zeigt eine Ausführungsvariante einer erfindungsgemässen Vorrichtung ohne Gehäuse in perspektivischer Darstellung mit einem Rohrbündel aus 9 Rohren und Mischelementen der Länge L = D mit 4 Stegen im Querschnitt. Die Stege in dieser Ausführungsvariante sind leicht breiter als der freie Zwischenraum zwischen den Rohrreihen und haben eine maximale Breite b > (t - d). Die Stege müssen nicht unbedingt auf die Länge L zugeschnitten sein sondern die Stege der Steglagen können in das folgende Element hineinragen solange kein Konflikt mit den nachfolgenden, 90° gedrehten Stegen erfolgt oder die Mischelemente können abstandsweise eingebaut sein wie Fig. 10 zeigt. An sich wäre eine häufige Drehung 90° der Stegausrichtung erwünscht für die Quermischung und den Wärmeübergang an die Rohre. Bei zu kurzer Länge L wird jedoch der Transport über den ganzen Querschnitt ungenügend und die Konstruktion wird aufwändiger. Bei einer zu geringen Anzahl 90° Drehungen andererseits, vermindert sich die Quermischung.
Überraschend bietet die erfindungsgemässe Vorrichtung noch eine weitere, bisher nicht bekannte Art der Steganordnung an wie in Fig. 8 und Fig. 11 dargestellt. Hier werden die Stege (31 ,41) und die 90° gedrehten Stege (31’,4T) in einem Element ineinander verwoben zwischen die Rohre 2 eingeschoben. Es entsteht so ein Element das gleichzeitig in zwei Querrichtungen mischt. Alle aufeinander folgenden Elemente sind gleich aufgebaut. Die Elemente können abstandsweise oder soweit wie möglich ineinander verschachtelt eingebaut werden. Die typische 90° Drehung von Einzelelementen entfällt und es entsteht eine einheitliche Struktur.
Vorzugsweise sind alle Mischelemente innerhalb einer erfindungsgemässen Vorrichtung gleich und mit gleichen Stegabständen aufgebaut. Für besondere Aufgaben wie z.B. für lokal dispersives Mischen, oder für lokal erhöhten Wärmeübergang oder Stoffaustausch, kann es jedoch erforderlich sein, dass z.B. der axiale Abstand m der Stege, die Stegbreite b oder die Mischelementlänge L einzelner Mischelemente oder Mischelementgruppen innerhalb einer Vorrichtung enger bzw. kleiner gewählt werden soll. Zur Erzielung einer hohen Stabilität können die Stege an allen oder nur an einem Teil der Kreuzungsstellen mit den Rohren durch Schweissen, Löten oder Kleben verbunden werden. Die Stege müssen aber nicht notwendigerweise mit den Rohren verbunden sein wenn dies aus praktischen Gründen nicht erwünscht ist, und Gruppen von Stegen oder Steglagen können untereinander durch Abstandshalter und zusätzliche Stützen 5 verbunden sein. Schliesslich können die Stege einer Lage auch durch Bleche verbunden werden und geneigt sein. Dann können die Steglagen die Form eines Wellblechs annehmen. In Fig. 2 sind als Variante gerade Stege der Breite b = t dargestellt während in Fig. 4 die Stege in einer weiteren Ausführungsform breiter sind mit Aussparungen für die Rohre. Die Breite der Stege kann über deren Länge variabel sein, und die seitlichen Begrenzungen können eine geschweifte Form aufweisen, wie als weitere Variante die Fig. 3 zeigt. Dabei beträgt die grösste Breite maximal b = t. In den Figuren 2 bis 8 werden die unterschiedlichen Neigungswinkel der sich kreuzenden Stege durch deren unterschiedliche Richtung der Schraffur angezeigt. Aus Gründen der einfacheren Darstellung wird im Folgenden von „Rohren“ oder „Rohrbündeln“ gesprochen in denen vorzugsweise ein Medium zur Zu- oder Abfuhr von Wärme fliesst, wobei an deren Stelle bei Bedarf auch andere, längliche Elemente, auch ohne Wärmeträgermedium, wie Stäbe, Profile, Heizstäbe, stabförmige Leuchtmittel oder Rohre mit einer semipermeablen oder porösen Wand treten können. Die Anwendbarkeit der Erfindung ist ausserdem nicht auf metallische Werkstoffe beschränkt. Die Stege sind vorzugsweise flache, plattenförmige Profile aus Blech oder auch U- oder V-förmige Profile oder Rohre oder Hohlprofile oder Stäbe. Schliesslich kann die Oberfläche der Stege auch strukturiert sein. Fig. 12 zeigt eine Auswahl von möglichen Profilformen die sowohl als Stege, wie auch als längliche Elemente eingesetzt werden können.
Mögliche Herstellverfahren
Die Herstellung der erfindungsgemässen Vorrichtung für ausbaubare Rohrbündel ist sehr einfach. Die Stege oder Steggruppen können in die fertigen Rohrbündel eingeschoben werden. Dies trifft besonders dann zu, wenn die Stegbreite überall kleiner als t - d ist und die Stege nur an den von aussen zugänglichen Stellen mit den Rohren verbunden werden. Aber auch breitere Stege bis b = t, können einfach einzeln zwischen die Rohre der fertigen Rohrbündel eingebaut werden durch entsprechende Neigung beim Einbau. Erst wenn die Stege auch an von aussen nicht zugänglichen Stellen mit den Rohren verbunden werden sollen, ist die Einführung der Stege beim Aufbau des Rohrbündels notwendig. Vorzugsweise werden die Stege in U-Rohr Bündel eingebaut weil die Vorrichtung dadurch ausbaubar wird und keine Wärmespannungen auftreten können. In diesem Fall befinden sich keine Rohre in den Hauptachsen des Gehäusequerschnitts. Nachteil dieser Anordnung ist, dass keine richtige Gegenstromführung zum Wärmeträgermedium möglich ist.
Beim Bau von Wärmetauschern mit festen Rohrböden und Leitblechen ist es üblich die Leitbleche zuerst im Mantel einzubauen und am Schluss die Rohre einzuziehen. Diese Herstellmethode kann auch für die erfindungsgemässen Vorrichtungen angewandt werden. Dazu werden die Stege nur mit einer Anzahl länglicher Elemente verbunden, so dass eine stabile Struktur gebildet wird die dann, wie die üblichen Leitbleche, in den Mantel der Vorrichtung eingebaut werden kann. Die restlichen Rohre werden am Schluss an den vorgesehenen Plätzen durch den Rohrboden und die X-Struktur geschoben. In diesem Fall sind die Rohre, mit Ausnahme der stützenden Elemente, nicht mit den Stegen verbunden. Neben den erwähnten Herstellungsmethoden ist es auch möglich die ganzen Einbauten und Rohre oder länglichen Elemente durch einen 3D-Drucker als monolithisches Bauteil herzustellen, wenn es die Abmessungen und das Material zulassen. In einer weiteren Herstellvariante werden die Einbauten in einem 3D Drucker aus einem leicht schmelzbaren Material hergestellt und mit einer meist keramischen Masse überzogen. Dann wird das Material im Innern der ausgehärteten Form ausgeschmolzen und es bleibt eine Gussform übrig die mit flüssigem Metall (Feinguss) oder einem aushärtenden Harz ausgegossen wird.
Weitere Ausführungsbeispiele
Die Anzahl und Grösse der zur Längsachse parallelen Rohre richtet sich nach dem erforderlichen Verhältnis von Austauschfläche zu Volumen der Vorrichtung bzw. nach der erforderlichen spezifischen Wärmeübertragungskapazität (Q/VAT) = (kA/V), oder wenn keine Wärme übertragen werden soll, nach der erforderlichen Abstützung und Stabilität der Stege und der Struktur. Die spezifische Austauschflächen (A/V) bei erfindungsgemässen Reaktoren liegt bei > 50 m2/m3 und kann bis 400 m2/m3 betragen. Die spezifische Wärmeübergangskapazität der erfindungsgemässen Reaktoren bei hochviskosen Produkten kann über 100 kW/m3K erreichen. Beispielsweise bei stark exothermen Polymerisationsreaktionen kommt es zur Bildung von Hot-spots und zu Runaway Reaktionen wenn die spezifische Wärmeübergangskapazität des Reaktors nicht genügend gross ist. Dadurch können diese Reaktionen nur in Rohrreaktoren mit kleinem Durchmesser beherrscht werden. Die erfindungsgemässen Reaktoren entsprechen bezüglich Wärmeübergangskapazität, Mischverhalten und Verweilzeitverteilung, Rohrreaktoren mit X-Mischelementen mit einem Rohrdurchmesser von 10 mm (A/V = 400 m2/m3) bis 80 mm (A/V = 50 m2/m3). Im Gegensatz zu diesen Rohrreaktoren ist bei den erfindungsgemässen Reaktoren die spezifische Austauschfläche und die spezifische Wärmeübertragungskapazität weitgehend unabhängig vom Reaktor- oder Apparatevolumen wählbar. Dadurch wird der Scale-up besonders leicht. Beispielsweise Polymerisationsreakti- onen verlaufen stark exotherm und bei höheren Viskositäten. Damit diese sicher beherrscht werden können bei enger Molekulargewichtsverteilung, sind Apparate wie die erfindungsgemässe Vorrichtung notwendig. Durch die sehr hohe spezifische Wärmeübertragungskapazität und das enge Verweilzeitspektrum, können die Polymerisationsreaktionen praktisch isotherm bei geringen Temperaturdifferenzen kontrolliert werden. Da die Reaktion und der Wärmeübergang in einem Gehäuse mit dauernder Quermischung stattfindet, kann sich eine Maldistribution nicht ausbilden. Resultate aus Pilotversuchen mit kleinen Rohrreaktoren mit X-Mischelementen werden mit Hilfe der erfindungsgemässen Vorrichtung mit vergleichbarem Misch- und Verweilzeitverhalten, einfach skalierbar bis zum industriellen Massstab.
Die Rohrteilung wird vorzugsweise gleichmässig über den ganzen Querschnitt gewählt. Bei einer quadratischen Rohrteilung ist der Aufbau besonders einfach, da die Bauteile aller Mischelemente gleich sind. Es ist auch möglich dass die Teilungen in beiden Querrichtungen und die Stegbreiten der um 90° gedrehten Gruppen unterschiedlich sind oder örtlich abweichen. Es ist aber auch möglich die Teilung örtlich verschieden zu wählen, oder einzelne oder Gruppen von Rohren wegzulassen, oder anstelle von Rohren für den Wärmeaustausch ganz oder teilweise Rohre oder längliche Elemente mit anderen Eigenschaften wie Leuchtelemente oder Elemente mit semipermeablen oder porösen Wänden oder einfach Rohre oder Stäbe ohne Wärmeträgermedium oder andere längliche Profile zur Verstärkung der Struktur an den vorgesehenen Rohrplätzen einzusetzen, wenn es die erforderliche Wärmeübertragungskapazität zulässt. Die Anzahl der Stege nb in der Projektion auf die Querschnittsfläche entspricht nb = rm + 1 wobei rm die Anzahl Rohre in der Rohrreihe in oder nahe der Querschnittsachse ist. Im Gegensatz zu den bekannten X-Mischern steigt damit die Anzahl der Stege mit zunehmender Anzahl Rohre und/oder Gehäusedurchmesser an. Überraschend hat sich gezeigt dass die Anzahl der Stege in Querrichtung auf den Druckverlust nur einen geringen Einfluss hat. Auch die Mischwirkung ist sehr gut, sofern die Anzahl der Stege mindestens nb = 4 beträgt und steigt ab nb = 8 kaum noch weiter an. In Fig. 5 wird eine Ansicht in Strömungsrichtung für eine Ausführungsvariante einer erfindungsgemässen Vorrichtung mit 32 Rohren und 7 Stegen über den Querschnitt gezeigt.
Bei vielen praktischen Anwendungen der erfindungsgemässen Vorrichtungen muss das strömende Medium nur statisch gemischt oder dispergiert werden, ohne dass gleichzeitig Wärme zu- oder abgeführt, oder das Produkt temperiert werden muss. Es können dann Rohrplätze teilweise nicht besetzt werden und/oder die Rohre werden ganz oder teilweise durch volle Profile ersetzt die als Verstärkung für die Struktur dienen. Dadurch entstehen statische Mischer mit sehr hoher Stabilität gegen die Strömungskräfte wie sie z.B. bei der Extrusion oder beim Spritzguss von zähen Kunststoffschmelzen auftreten. Fig. 6 zeigt eine Variante wie Fig.5 bei der nicht alle möglichen Rohrplätze belegt sind und bei der einige Rohre durch volle Stäbe oder Profile ersetzt werden. Fig. 12 zeigt eine Auswahl möglicher Formen von länglichen Elementen. Die Auswahl ist nicht vollständig. Diese länglichen Elemente können sowohl axial anstelle von Rohren 2, wie auch geneigt dazu als alternative Formen von Stegen (31 ,41), verbaut werden. Axial aufeinander folgende Stege 31 können durch Hilfselemente 5 zu einer Steglage verbunden und zwischen die Rohre eingeschoben werden wie Fig. 13 zeigt. Als Verbindung sind auch Bleche möglich die geneigt sind und die Steglage wird zu einer wellblechartigen Struktur wie in Fig. 14 gezeigt.
Die zur Gehäuseachse geneigten, sich kreuzenden Stege oder Profile sorgen für eine intensive Quermischung und Querströmung und verbessern den Wärme-und Stoffaustausch an die Rohre. Der senkrechte Abstand m der in Strömungsrichtung folgenden Stege ist ein bestimmendes Mass für den Druckverlust der erfindungsgemässen Rohrbündelstruktur weil dadurch die benetzte Oberflächen der Einbauten im Reaktor wesentlich beeinflusst wird. Deshalb soll der Abstand m möglichst gross, vorzugsweise 0.2 bis 0.4D gewählt werden wenn nur eine gute Quervermischung ohne oder mit geringem Wärmeaustausch erforderlich ist. Es wird erwartet, dass für den Wärmeübergang an die Rohre eine häufigere Kreuzung der Rohre mit den Stegen und eine häufige Drehung der Stegrichtung günstig ist. Bei laminarer Strömung wurde gefunden, dass die Wärmeübergangszahl oder der Stoffaustausch an die Rohre stark ansteigt wenn das Verhältnis m/d < 4 beträgt. Mit geringerem Abstand m steigt aber auch der Druckverlust der Vorrichtung. Der optimale Abstand m oder der optimale Durchmesser d der Innenrohre und die optimale Rohrteilung t, hängen deshalb von den spezifischen Erfordernissen der Anwendung ab.
Versuchsresultate
In einem Mischversuch mit aushärtendem Polyesterharz wurde eine erfindungsgemässe Vorrichtung mit einem Bündel von 9 Rohren und jeweils 4 eingeschoben und sich kreuzenden Stegen bezogen auf die Projektion in Strömungsrichtung eines Querschnitts gemäss Fig. 9 durchgeführt. Die Elementlänge L bis zu einer 90° Drehung betrug 1 D und die maximale Breite der Stege b betrug 60% der Rohrteilung t. Das Resultat wurde verglichen mit einem X-Mischer nach dem Stand der Technik gemäss CH 642 564 mit 8 Stegen bezogen auf die Projektion in Strömungsrichtung eines Querschnitts und gleichem axialen Stegabstand m der Stege, gleicher Elementlänge und gleichem Neigungswinkel der Stege. Die ausgehärteten Mischerstangen wurden jeweils nach 1 D Länge aufgeschnitten und die maximale Dicke I einer Schicht als Mischgütemass herausgemessen und mit der Anfangsdicke l0 verglichen. Diese Messmethode ist sehr einfach und effizient zum Nachweis des Mischvorgangs und der Mischgüte in statischen Mischern bei laminarer Strömung, besonders im Anfangsbereich der Vermischung. Das Resultat der Mischversuche zeigt Fig. 15. Überraschend wird in der erfindungsgemässen Vorrichtung mit nur 4 Stegen nahezu dieselbe maximale Schichtdicke (Mischgüte) erreicht wie im statischen Mischer nach dem Stand der Technik mit 8 Stegen! Die benetzte Stegoberfläche der erfindungsgemässen Vorrichtung beträgt nur ca. 60% verglichen mit der Ausführung nach dem Stand der Technik. Deshalb kann erwartet werden, dass der Druckverlust bei laminarer Strömung ebenfalls im nahezu gleichen Verhältnis sinkt da die axial ausgerichteten Rohre kaum zum Druckverlust beitragen. Der Versuch zeigt, dass mit der erfindungsgemässen Vorrichtung auch eine ausgezeichnete Mischwirkung bei geringem Druckverlust erreicht wird, selbst dann wenn die Stegbreite wesentlich kleiner als die Rohrteilung ist oder sogar wenn die Stege ohne Aussparungen zwischen die Rohre geschoben werden (Stegbreite maximal b = t - d).
Zum Nachweis der erwarteten, engen Verweilzeitverteilung der erfindungsgemässen Vorrichtung wurden CFD Strömungsberechnungen zur Simulation der Verweilzeitverteilung mit der vorangehend beschriebenen Vorrichtung durchgeführt und mit dem bekannten X-Mischer verglichen. Durch die Berechnungen wurde bestätigt, dass das Verweilzeitverhalten der erfindungsgemässen Vorrichtungen wie erwartet mit der bekannten X-Struktur vergleichbar ist. Dadurch können mit der erfindungsgemässen Vorrichtung statische Reaktoren mit ausserordentlich grosser Wärmeübertragungskapazität, guter Quermischung und nahezu idealer Pfropfenströmung, dargestellt werden.
Anwendungsbereich
Die Anwendung der erfindungsgemässen Vorrichtung ist nicht nur auf den laminaren Strömungsbereich beschränkt. Es ist bekannt, dass sich die X-Struktur sehr gut zum Dispergieren von Flüssigkeiten oder Gasen bei turbulenter Strömung in niederviskosen Medien eignet. Somit bietet sich diese Vorrichtung auch an bei niederviskosen Medien für Reaktionen mit grosser Wärmetönung oder auch für Bioreaktoren. Wenn die Rohre durch stabförmige Lichterzeuger oder Leiter ersetzt werden auch zur Fotosynthese. Bei vertikaler Aufstellung lässt sich auch einfach ein Katalysatorträger in das Gehäuse einfüllen für die Durchführung von heterogenen, katalytischen Reaktionen bei höherer Wärmetönung im Festbett oder in der Wirbelschicht.
Die erfindungsgemässe Vorrichtung wird vorzugsweise eingesetzt als Mischer- Wärmetauscher mit hoher Quer- und geringer axialer Rückmischung für
Allgemein als Wärmetauscher für laminare Strömung
Erhitzen oder kühlen von Polymerlösungen oder -Schmelzen Produkterhitzer mit Teilentgasung vor Entgasungskammern Kühlen von viskosen Produkten
Erhitzen von empfindlichen oder reaktionsfähigen, viskosen Produkten
Reaktoren, insbesondere Polymerisationsreaktor
Gas-Flüssig Reaktor
Bio-Reaktor mit Fotosynthese
Reaktor für heterogene Katalyse mit Festbett oder Wirbelschicht
Oder auch ohne ein Wärmeträgermedium als statischer Mischer mit stabiler Struktur und niedrigem Druckverlust, vorzugsweise bei viskosen Produkten. Statische Mischer für Kunststoffschmelzen müssen sehr hohe Strömungskräfte aushalten und benötigen immer eine Temperierung um die Betriebstemperatur im gewünschten Bereich zu halten. Daher sind diese Mischer mit einem beheizbaren Doppelmantelrohr ausgerüstet. Die Mischelemente müssen häufig an der Gehäusewand abgestützt werden damit sie die Strömungskräfte aushalten können. Die Mischelemente können dann nicht mehr ausgebaut werden und auch die nach der Druckbehälter Vorschrift nötigen Schweissnahtprüfungen sind nicht immer möglich. Mit der erfindungsgemässen Vorrichtung wird ein X-Mischer für diese und ähnliche Anwendungen bereitgestellt der einfach beheizbar, sehr stabil und ausbaubar ist. Ein sehr teures Doppelmantelrohr entfällt und wird durch U-Rohrschlangen durch die ein Wärmeträgermedium fliesst ersetzt. Weitere längliche Profile an den Rohrplätzen übernehmen bei Bedarf die notwendige Verstärkung der Struktur. Der erfindungsgemässe Mischer kann auch rasch auf Betriebstemperatur erhitzt werden, da keine hohen Spannungen im Gehäuse wie bei einem Doppelmantelrohr zu erwarten sind.

Claims

Patentansprüche
1. Vorrichtung zur Zu- und Abfuhr von Wärme, zur Durchführung von Reaktionen und zum Mischen und Dispergieren von strömenden Medien in einem vorzugsweise rohrartigen Gehäuse (1) mit einem inneren Durchmesser D durch dessen Längsachse eine Hauptströmungsrichtung für einen flüssigen, gasförmigen oder mehrphasigen Produktstrom (I) bestimmt ist, mit Einbauten, dadurch gekennzeichnet, dass die Einbauten aus einem Bündel von Rohren (2) mit einem äusseren Durchmesser d oder anderen länglichen Elementen, mit vorzugsweise zur Längsachse des Gehäuses paralleler Ausrichtung, mit vorzugsweise quadratischer Teilung t des Rohrbündels bestehen und zwischen die Rohre oder anderen länglichen Elementen mindestens ein, vorzugsweise plattenförmiger, Steg einer ersten Anordnung (31) eingebaut ist und dieser mindestens eine Steg um einen Winkel (/„ vorzugsweise a = 30 - 60°, besonders bevorzugt a = 45°, gegen die Längsachse des Gehäuses geneigt ist und kreuzweise dazu eingeschoben mindestens ein zweiter, vorzugsweise plattenförmiger, Steg einer zweiten Anordnung (41) mit vorzugsweise gleichem Neigungswinkel aber entgegengesetztem Vorzeichen und dass die Stege eine Breite b haben und diese Breite kleiner oder höchstens gleich wie die Teilung t des Rohrbündels ist und dass sich die Stege nicht berühren.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass in axialer Richtung aufeinander folgende Stege zwischen den Rohren oder anderen länglichen Elementen eine Steglage bilden und die Stege einer Steglage vorzugsweise parallel sind und einen Abstand m aufweisen und dass die Steglagen nach einer Anzahl Stege bzw. einer Länge L um vorzugsweise 90° gedreht (3T, 4T) zwischen die Rohre eingebaut sind.
3. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine erste Steglage (31) benachbart zu einer zweiten, kreuzweise eingebauten Steglage (41) ist, und dass dazwischen ein Rohr oder eine Rohrreihe ist und die Stege sich nicht berühren.
4. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den benachbarten Stegen quer zur Hauptströmungsrichtung Abstände vorhanden sind und dass die maximale Breite b der Stege vorzugsweise kleiner als 85%, insbesondere kleiner als 65% der Rohrteilung t beträgt.
5. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Stege ohne Aussparungen zwischen die Rohre des Rohrbündels passen und eine maximale Breite b = t - d haben.
6. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Stege in Querrichtung so ausgerichtet sind, dass die Stege jeweils in sich kreuzenden Ebenen A, B liegen.
7. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der axiale Abstand m der Stege mindestens in einer Steglage 0.2 bis 0.4 D beträgt
8. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der axiale Abstand m der Stege mindestens in einer Steglage < 4 d beträgt.
9. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Gruppen von Steglagen Mischelemente mit einer axialen Länge L bilden und dass die Steglagen aufeinander folgender Mischelemente um 90° gedreht zwischen die Rohre eingeschoben werden, und dass die Länge L der Mischelemente vorzugsweise 0.5 bis 4D beträgt.
10. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die sich kreuzenden Stege (31 ,41) einer ersten Gruppe mit den sich kreuzenden Stegen (31 ’,41’) einer zweiten, um 90° gedrehte Gruppe, ineinander verwobenen sind und ein Mischelement bilden das in zwei Querrichtungen mischt.
11. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Teil der länglichen Elemente Rohre mit einer Zu- und Ablaufeinrichtung für ein flüssiges, gas- oder dampfförmiges Wärmeträgermedium (II) sind und dass dieses im Gleich- oder Gegenstrom zum Produktstrom (I) im Aussenraum der Rohre fliesst.
12. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Teil der länglichen Elemente elektrische Heizstäbe oder elektrische Heizschlangen sind.
13. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Teil der länglichen Elemente eine poröse oder semipermeable Wand für ein Austauschverfahren aufweist. 19
14. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Teil der länglichen Elemente mit den Stegen fest verbunden ist oder mit den Stegen ein monolithisches Teil bildet.
15. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Stege mindestens einer Steglage gegeneinander geneigt und durch Hilfselemente oder Bleche miteinander verbunden sind und eine wellblechartige Steglage bilden.
16. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Gruppen von Steglagen durch Hilfselemente quer oder längs miteinander verbunden sind.
17. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche zur Erhitzung oder Kühlung oder zur Durchführung von Reaktionen, insbesondere von Polymerisationsreaktionen, wobei das strömende Medium eine hochviskose Lösung oder Schmelze mit ein- oder mehrphasigem Aggregatzustand ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis der Oberfläche des Rohrbündels zum Leervolumen der Vorrichtung bzw. Reaktors mindestens 50 m2/m3 beträgt.
18. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Teil der Rohre oder länglichen Elemente Leuchtelemente oder Elemente mit semipermeablen oder porösen Wänden oder Rohre oder Stäbe ohne Wärmeträgermedium oder andere längliche Profile zur Verstärkung der Struktur an den vorgesehenen Plätzen des Rohrbündels sind.
19. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Teil der vorgesehenen Plätze für die Rohre des Rohrbündels nicht besetzt sind.
20. Verfahren zur Durchführung von heterogenen, katalytischen Reaktionen oder zum Stoffaustausch in einem strömenden Medium in einer Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Produktraum (I) um die Rohre des Rohrbündels mit einer festen oder fluidisierten Schüttung von Katalysatorträgern oder Ionenaustauscher Harzen gefüllt ist.
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