JP5523097B2 - 液体を用いて熱交換および静的混合を組み合わせて実施するための装置 - Google Patents

Description

本発明は、液体と熱輸送媒体との間の熱交換を、液体の静的混合（ｓｔａｔｉｃ ｍｉｘｉｎｇ）と組み合わせる装置に関する。本発明はまた、この装置の使用に関する。

欧州特許第０００９６３８号公報は、反応器として製作された熱交換器を開示しており、それによって、最適温度を維持するように、重合プロセス中に反応熱が除去される。この重合反応器は、管状のハウジングと、固定構造体（ｉｎｓｔａｌｌｅｄ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ）とを含み、それによって、重合混合物すなわち高粘度の液体からの熱交換を実施することができる。固定構造体は、この高粘度液体の静的混合を同時に成し遂げる。

ハウジングおよび固定構造体を有するこのタイプのデバイスは、様々な応用例が見出されている装置である。典型的な応用例は、重縮合反応器内で約２９０℃の温度で製造されたポリエステル融成物の冷却である。この製品をこの反応器から取り出した後、製品の分解を低減するために温度を１０℃下げなくてはならない。均質な製品を得るために、冷却は均一に、ポリエステル融成物の短い滞留時間範囲で行わなければならない。細いポリエステル糸を製造する場合、融解温度の均一性を、非常に精密に観察しなければならない。

欧州特許第０００９６３８号公報から知られる熱交換と静的混合を組み合わせて実施するための重合反応器は、ヘッド側端部とベース側端部の間に長手方向に延びるジャケットの形のハウジングと、熱交換および混合構造を形成する固定構造体とを含む。固定構造体は複数の管から成り、これらの管は長手方向に延び、また蛇行形状を有している。以下で、管を「熱交換器／混合管」と呼ぶことがある。各管は、複数の湾曲管部分を有し、それらの湾曲管部分は、直線状で互いに平行な連結管部分を有する。管は、平坦であり且つ接触している層内に配置され、隣接する管の直線管部分が交差する。熱輸送媒体が、固定構造体の管を通って内部流としてポンプで流される。管同士は、ヘッド側端部にて連結されており、ヘッド側端部には、冷却する製品の外部流用の入口位置も配置される。冷却された製品は、固定構造体が連結されないベース側端部にて、装置から離れる。ベース側端部と固定構造体の間に連結部がないので、固定構造体とハウジングの熱膨張が異なることにより必要となる膨張補償が無用である。膨張の差は、特に始動時に生じる。というのも、管コイルは、熱キャリヤの温度をほぼ直接受け取るが、ハウジングは、ジャケット空間内のポリマーを介して間接的にゆっくりとしか加熱されないからである。

この公知の重合反応器内では、熱交換は多数のステップで、すなわち管の第１の半体で並行流および第２の半体で対向流の各ケースで行われる。熱輸送媒体の内部流は、蛇行形状ゆえに高粘度液体の外部流と交差しており、それによって交差流もまた並交流および対向流と組合せられる。

本発明の目的は、改良された装置を提供することであり、この装置は、公知の重合反応器と機能上は同様に製作されるが、この装置内ではより効率的に熱交換を行うことができる。この目的は、請求項１に規定した装置によって達成される。

液体と熱輸送媒体の間の熱交換を液体の静的混合と組み合わせる装置は、ジャケット内に固定構造体を有する。ジャケットは、ヘッド側端部とベース側端部の間で長手方向に延びている。固定構造体は、熱交換および混合構造体を形成する。熱輸送媒体は、固定構造体の管内で、内部流としてベース側端部からヘッド側端部に運ばれることができる。液体は、外部流としてヘッド側端部からベース側端部に運ばれることができる。液体により生成される圧力勾配に逆らって固定構造体を長手方向に固定する補強要素が設けられる。複数の固定構造体が補強要素によって連結されて伸張不可能部構造体を主要区域内に形成し、また複数の固定構造体は少なくとも部分的に補強されず、主要区域を補完する２次区域内で長手方向伸張可能部構造体として残される。

従属請求項２〜９は、本発明による装置の有利な実施例に関する。請求項１０の主題は、本発明による装置の使用可能性である。

本発明を、以下で図面を参照しながら説明する。

熱交換器／混合管を有する、本発明による装置のヘッド側端部である。 隣接する熱交換器／混合管の２つの層である。 本発明による装置の長手断面を部分的に示す図である。 補強要素のさらなる例である。

本発明による装置１を、図１から図４を参照しながら説明する。液体８と熱輸送媒体７との熱交換を液体８の静的混合と組み合わせるこの装置１は、固定構造体２と、液体８を案内する管状ハウジング３’を有するジャケット３とを含む。処理される液体８は通常、少なくとも１Ｐａ・ｓの比較的高い絶対粘度を有し、装置１の重要な応用例では、例えば５００００００Ｐａ（５０ｂａｒ）の圧力を有するポリマー融成物である。

ジャケット３は、ヘッド側端部４とベース側端部５の間に長手方向に延びている。固定構造体２は、「熱交換および混合」構造体を形成する。熱輸送媒体７は、固定構造体２の管２１、２２内部流として、ベース側端部５からヘッド側端部４へと流れる。液体８は、外部流としてヘッド側端部４からベース側端部５へと流れる。補強要素６（図２および図４参照）が設けられており、この補強要素６は固定構造体２を、液体８により生成される圧力勾配に逆らって長手方向に固定する。複数の固定構造体２が主要区域で補強要素６によって連結されて、伸張不可能部構造体２ａを形成する。主要区域を補完する２次区域では、それら固定構造体２は補強されないままであり、または部分的にのみ補強されており、それにより、柔軟な長手方向伸張可能部構造体２ｂが形成される（一点鎖線で縁取られた矩形）。この柔軟部構造体２ｂがあるおかげで、膨張補償がもたらされる。膨張補償は、例えば装置の始動時などに生じる固定構造体２とハウジング３’の熱膨張が異なるために必要である。

本発明による装置１では、１つのステップで、すなわち対向流において熱交換が行われる。対向流では、知られているように、内部流と外部流の間で生じる平均温度差が、並行流におけるよりも大きい。結果的に、知られている重合反応器の多数ステップの熱交換よりも効率的に、熱交換を実施することができる。従って、２ｍの長さを有するそのような反応器を、例えば約３５ｃｍ短い対向流反応器で置き換えることができる（両方の反応器は同じ断面積および同じ冷却能力を有する）。同時に、内部流（伝熱オイルの形態の熱キャリヤ）の圧力損失が半減される。

熱交換器／混合管、すなわち固定構造体２の管２１、２２は、平行に配置された平坦な層２００を形成しており、その横方向の整合位置が、図１に一点鎖線２０４で示されている。各層２００において、管２２（または２１）は、弧２０１および平行部分管部片２０２を含み、ベース側端部５にある入口端部２５からヘッド側端部４にある出口端部２４へと蛇状に延びている。隣接する層２００の部分管部片２０２は、交差点２０３で交差する。図３では、２つの隣接する管２１および２２を左側に示し、管２１のみを右側に示している。

固定構造体２の主要区域では、２つの隣接する層２００の管２１および２２は、補強要素６の有利な一実施例を形成するバー６’であって、軸線方向すなわち長手方向に位置合せされたバー６’上に締結される。バー６’は、ベース側端部５に締結され、膨張補償を可能にする柔軟部構造体２ｂまで、非柔軟部構造体２ａにわたって延びている。バー６’がヘッド側端部４に締結され、柔軟部構造体２ｂがベース側端部５に配置される実施例も可能である。

補強要素６は有利には、複数の箇所に分布するように配置された帯状プレート（図示せず）、バー６’（図２）、または連結部片６”（図４）として形成される。帯状プレートは、明らかにバーセクションと同等に製作された補強要素６であって、しかし図４の連結部片６”と同様の分布態様で配置された補強要素６として理解される。バー６’またはプレート上に、管２１および２２を挿入するための溝状の凹部が設けられ、それにより、そのプレートによって連結された管は互いに接触し、または、プレートの厚さよりも実質的に小さい比較的小さい間隔で配列される。管とプレートの間、または管とバー６’の間の締結連結部は、好ましくは、はんだ炉内ではんだ付けによって構築される。連結部は当然、溶接によって構築することもできる。図４に示される補強形態では、連結部片６’がそれぞれ、２つの隣接する部分管部片２０２に接触している。それらは、好ましくは溶接で取り付けられる。

流れ抵抗により、外部流内で装置の端部間に少なくとも１０ｂａｒ、好ましくは４０ｂａｒの長手方向の圧力差が生じるときに固定構造体が損なわれずに維持されるように、主要区域の非柔軟部構造体２ａに十分な耐久性が与えられる。

本発明による装置１は、原則的に、ヘッド側端部４およびベース側端部５がそれぞれ、ジャケット３および固定構造体２に解放不可能に連結されるように設計される。この場合、固定構造体２は取り外すことができない。取外し可能な固定構造体２が必要とされる場合、既に知られている装置（重合反応器）を使用する方が有利となる可能性がある。

ジャケット３は、外壁３０と管状ハウジング３’との間に、環状間隙空間３１を含むことができ、好ましくは熱輸送媒体７の一部である熱キャリヤを、前記環状間隙空間（熱キャリヤの入口ライン３５および出口ライン３４）を通して案内することができる。

熱交換器／混合管２１、２２は、ボアすなわち穴４０内でヘッド側端部４に、および穴５０内でベース側端部５に、取り付けられ締結される。穴４０は、ジャケット付近の２つの環状セグメント上に配列され、穴５０は、ベース側端部５の中央を横断する帯上に配列される。熱輸送媒体７は、入口ライン５１および分配チャンバ５１７を通して、固定構造体２の個々の管２１、２２内に供給され、収集チャンバ４１７内のそれらの出口および出口ライン４１にて組み合わされる。

ヘッド側端部４は、中央入口開口４２を有し、ベース側端部５は、中央に隣接配置された液体８用の出口開口５２を有する。また、両方の開口４２および５２を中央に、または偏心して配置することができ、あるいは、入口開口４２を偏心させ、出口開口５２を中央にすることができる。

本発明による装置１は、冷却によって分解を最低限に抑えるために、例えばポリエステル融成物または別の融解ポリマー（液体８）のために使用することができる。別の用途は、ポリマーをより流動可能にするためのポリマーの加熱である。別の用途は、多量のチョコレート、キャラメル、またはチューイング・ガムなど、食品分野における高粘度媒体の加熱または冷却である。一般に、伝熱オイルが熱輸送媒体７として使用される。水または蒸気など、その他の媒体を使用することもできる。

Claims (8)

1. 液体（８）と熱輸送媒体（７）の間の熱伝達を、前記液体の静的混合と組み合わせる装置（１）であって、
   複数の固定構造体（２）が、ヘッド側端部（４）とベース側端部（５）の間に長手方向に延びるジャケット（３）内に熱交換および混合構造体を形成し、
   前記熱輸送媒体は、前記ベース側端部から前記ヘッド側端部へと前記固定構造体の複数の管（２１、２２）内で内部流として運ばれることができ、
   前記液体は、前記ヘッド側端部から前記ベース側端部へと外部流として運ばれることができ、
   前記液体によって生み出される圧力勾配に抗して前記固定構造体を前記長手方向に固定する複数の補強要素（６、６、６”）が設けられ、
   前記固定構造体は、主要区域内で前記補強要素によって連結されて伸張不可能部分構造体（２ａ）を形成し、また主要区域を補足する２次区域内で少なくとも部分的に補強されずに長手方向伸張可能部分構造体（２ｂ）となり、
   前記管（２１、２２）がそれぞれ、隣接する管と平行な平坦な層（２００）を形成し、且つ、弧（２０１）および平行部分管部片（２０２）を画定するように該管の入口端部（２５）から出口端部（２４）へと蛇行状に延び、
   隣接する層の前記部分管部片が交差し、また
   前記固定構造体（２）の前記主要区域は、少なくとも１０ｂａｒ、好ましくは４０ｂａｒの前記装置の端部間の長手方向の圧力差で前記固定構造体が損傷を受けないままであるような耐久性を与えられている
   ことを特徴とする装置。
2. 前記固定構造体（２）の前記主要区域において、前記複数の管（２１、２２）が、軸線方向すなわち長手方向に整列された複数のバー（６’）上に締結され、または帯状プレートの形態の要素によって連結されており、前記プレートまたはバー内に複数の溝状凹部が前記管を挿入するために設けられており、それにより、それらのプレートまたはバーによって連結された前記管が互いに接触し、あるいは、前記プレートまたはバーの厚さより実質的に比較的小さい間隔で配列され、また前記締結連結部は、好ましくは、はんだ炉内ではんだ付けにより構築されることを特徴とする、請求項１に記載の装置。
3. 前記固定構造体（２）の前記主要区域において、前記管（２１、２２）が連結部片（６”）によって連結されており、前記締結連結部は、好ましくは溶接によって構築されることを特徴とする、請求項１に記載の装置。
4. 前記ヘッド側端部およびベース側端部（それぞれ４および５）が、前記ジャケット（３）および前記固定構造体（２）にそれぞれ解放不可能に連結されており、従って前記固定構造体を取り外すことができないことを特徴とする、請求項１から請求項３までのいずれか一項に記載の装置。
5. 前記ジャケット（３）が、環状間隙空間（３１）を含み、それを通して熱輸送媒体を案内可能であることを特徴とする、請求項１から請求項４までのいずれか一項に記載の装置。
6. 前記固定構造体（２）の前記複数の管（２１、２２）が、前記ヘッド側端部およびベース側端部（それぞれ４および５）にて、穴（４０）内に導入および締結されており、前記穴（４０）は、前記ジャケット付近の環部上、または前記ヘッド側端部もしくはベース側端部の中央を横断する帯上に配列されていることを特徴とする、請求項１から請求項５までのいずれか一項に記載の装置。
7. 前記ヘッド側端部（４）が中央入口開口（４２）を有し、前記ベース側端部（５）が、中央に隣接して配置された前記液体（８）用の非中央出口開口（５２）を有すること、あるいはその反対であること、または
   非中央または中央開口（４２、５２）が両方の端部（４、５）に配置されることを特徴とする、請求項１から請求項６までのいずれか一項に記載の装置。
8. 前記液体（８）が例えばポリエステル融成物など融解ポリマーであり、前記熱輸送媒体（７）が伝熱オイルであること、および
   前記融成物が、例えば分解を最低限に抑えるために冷却され、または、例えば前記ポリマーをより流動可能にするために加熱されること
   を特徴とする、請求項１から請求項７までのいずれか一項に記載の装置（１）の使用。

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