УСТАНОВКА ДЛЯ КОМБИНИРОВАННОГО ПРОВЕДЕНИЯ ТЕПЛООБМЕНА И СТАТИЧЕСКОГО СМЕШЕНИЯ С ЖИДКОСТЬЮ
PLANT FOR COMBINED HEAT EXCHANGE AND STATIC MIXING WITH FLUID

Изобретение относится к установке, которая комбинирует теплообмен между жидкостью и средой теплоносителя со статическим смешением жидкости. Изобретение также касается применения этой установки.
Патент ЕР-А-0009638 представляет теплообменник, скомпонованный в виде реактора, с помощью которого теплота реакции полимеризации отводится для поддержания оптимальной температуры. Этот полимеризационный реактор включает трубчатый корпус и встроенные элементы, с помощью которых может выполняться теплоперенос от полимеризуемой смеси, которая представляет собой высоковязкую жидкость. Встроенные элементы одновременно действуют как статический смеситель этой высоковязкой жидкости.
Подобную конструкцию с корпусом и встроенными элементами имеет устройство, для которого были найдены разнообразные варианты применения. Типичное применение состоит в охлаждении расплавленного сложного полиэфира, который формируется в реакторе для поликонденсации при температуре около 290°С. После выведения этого продукта из этого реактора температура должна быть понижена на 10°С, чтобы уменьшить разложение продукта. Охлаждение должно проводиться в устройстве равномерно и в узком диапазоне времени пребывания расплава сложного полиэфира, чтобы получить однородный продукт. При получении тонких полиэфирных волокон нужно весьма точно поддерживать однородность распределения температур расплава.
Известный из патента ЕР-А-0009638 полимеризационный реактор для комбинированного проведения теплообмена и статического смешения включает корпус в форме кожуха, который проходит в продольном направлении между головным концом и базовым концом, и встроенные элементы, которые формируют теплообменную и смесительную структуру. Встроенные элементы состоят из проходящих в продольном направлении труб, которые имеют извилистую форму. Эти трубы ниже иногда называются «теплообменными/смесительными трубами». Каждая труба имеет изогнутые части трубы, а также части трубы, соединяющие эти изогнутые части трубы и являющиеся прямыми и параллельными друг другу. Трубы уложены в виде плоских слоев, соприкасающихся между собой; и соседствующие друг с другом прямые участки труб перекрещиваются. Среда теплоносителя прокачивается в виде внутреннего потока через трубы встроенных элементов. Трубы подключены к головному концу, где также располагается впускной патрубок для наружного потока охлаждаемого продукта. Охлажденный продукт выводится из установки на базовом конце, к которому встроенные элементы не подсоединены. Благодаря отсутствию связи между базовым концом и встроенными элементами отпадает необходимость в компенсировании теплового расширения, каковое потребовалось бы вследствие различного теплового расширения встроенных элементов и корпуса. Различия в тепловом расширении проявляются, в частности, при пусковом режиме, поскольку змеевики почти немедленно достигают температуры теплоносителя, тогда как корпус лишь опосредованно и медленно прогревается полимером в пространстве рубашки.
В известном полимеризационном реакторе теплообмен производится в многооборотном порядке, а именно в первой половине каждой трубы в прямоточном режиме и во второй половине - в противоточном режиме. Внутренний поток среды теплоносителя пересекается благодаря извилистой форме наружного потока высоковязкой жидкости так, что с прямоточным и противоточным течением комбинируется также перекрестное течение.
Задача изобретения состоит в создании усовершенствованной установки, которая функционально скомпонована как известный полимеризационный реактор, однако при этом в данной установке теплообмен производится более эффективно. Эта задача разрешается с помощью установки, определенной в пункте 1 формулы изобретения.
Установка, которая комбинирует теплообмен между жидкостью и средой теплоносителя со статическим смешением жидкости, включает встроенные элементы в кожухе. Кожух проходит в продольном направлении между головным концом и базовым концом. Встроенные элементы формируют теплообменную и смесительную структуру. Среда теплоносителя подается в качестве внутреннего потока в трубы встроенных элементов от базового конца к головному концу. Жидкость подводится в качестве наружного потока от головного конца к базовому концу. Предусматриваются армирующие элементы, которые стабилизируют встроенные элементы в продольном направлении от воздействия градиентов давления, создаваемых в жидкости. Встроенные элементы в главной области соединены армирующими элементами с образованием частичной структуры, которая не подвержена тепловому расширению; и в побочной области, которая является дополнительной для главной области, они остаются как расширяющаяся в продольном направлении частичная структура, по меньшей мере, частично без армирования.
Зависимые пункты 2-9 формулы изобретения относятся к предпочтительным вариантам исполнения установки согласно изобретению. Возможность применения установки согласно изобретению представляет собой предмет пункта 10 формулы изобретения.
Далее изобретение будет разъяснено с привлечением чертежей.
Фиг. 1 представляет головной конец установки согласно изобретению с теплообменной/смесительной трубой,
Фиг. 2 представляет два слоя примыкающих друг к другу теплообменных/смесительных труб,
Фиг. 3 представляет частичный продольный разрез установки согласно изобретению,
Фиг. 4 представляет дальнейший пример армирующих элементов.
.
Установка 1 согласно изобретению описывается с помощью Фиг.1-4. Эта установка 1, которая комбинирует теплообмен между жидкостью 8 и средой 7 теплоносителя со статическим смешением жидкости 8, включает встроенные элементы 2 и кожух 3 с трубчатым корпусом 3', через который пропускается жидкость 8. Обрабатываемая жидкость 8 типично имеет относительно высокую динамическую вязкость на уровне не менее 1 Пас; при важнейших вариантах применения установки 1 она представляет собой расплав полимера, который имеет давление, например, 50 бар (5 МПа).
Кожух 3 проходит в продольном направлении между головным концом 4 и базовым концом 5. Встроенные элементы 2 формируют теплообменную и смесительную структуру. Среда 7 теплоносителя протекает как внутренний поток в трубах 21, 22 встроенных элементов 2 от базового конца 5 к головному концу 4. Жидкость 8 протекает как наружный поток от головного конца 4 к базовому концу 5. Предусматриваются армирующие элементы 6 (см. Фиг. 2 и 4), которые стабилизируют встроенные элементы 2 в продольном направлении от воздействия градиентов давления, создаваемых в жидкости 8. Встроенные элементы 2 в главной области соединены армирующими элементами 6 с образованием частичной структуры 2а, которая не подвержена тепловому расширению. В побочной области, которая является дополнительной для главной области, встроенные элементы 2 остаются без армирования или только частично с армированием, так что образуется гибкая, способная к расширению в продольном направлении частичная структура 2b (прямоугольник, обведенный штрихпунктирной линией). Благодаря этой гибкой частичной структуре 2b обеспечивается компенсирование теплового расширения, которое необходимо вследствие различного теплового расширения встроенных элементов 2 и корпуса 3', возникающего, например, при пусковом режиме установки.
В установке 1 согласно изобретению теплообмен производится за один проход, а именно в противоточном режиме. При противоточном режиме, как известно, в среде между внутренним и наружным потоком возникает более значительная разность температур, чем при прямоточном режиме. Поэтому теплообмен может производиться более эффективно, чем при многооборотном теплопереносе в известном полимеризационном реакторе. Тем самым, например, такой реактор, который имеет длину 2 м, может быть заменен противоточным реактором, который является примерно на 35 см более коротким (причем оба реактора имеют одинаковые площади поперечника и одинаковую охлаждающую способность). Одновременно вдвое снижается падение давления внутреннего потока (теплоноситель в форме масла-теплоносителя).
Теплообменные/смесительные трубы, то есть трубы 21, 22 встроенных элементов 2, образуют плоские, уложенные параллельно слои 200, расположение которых в поперечном направлении обозначается в Фиг. 1 штрихпунктирными линиями 204. В каждом слое 200 трубе 22 (соответственно 21) придана извилистая форма, включающая дугообразные изгибы 201 и параллельные прямые участки 202 трубы, от входного конца 25 на базовом конце 5 до выходного конца 24 на головном конце 4. Прямолинейные участки 202 трубы соседствующих слоев 200 пересекаются в точках 203 пересечения. На Фиг. 3 слева представлены две соседствующие трубы 21 и 22, справа только труба 21.
В главной области встроенных элементов 2 трубы 21 и 22 двух соседствующих слоев 200 закреплены на аксиальной, то есть проходящей в продольном направлении, штанге 6', которая образует предпочтительную форму выполнения армирующего элемента 6. Штанга 6' закреплена на базовом конце 5 и проходит через негибкую частичную структуру 2а вплоть до гибкой частичной структуры 2b, которая обеспечивает компенсирование теплового расширения. Возможна также форма выполнения, в которой штанги 6' закреплены на головном конце 4, и гибкая частичная структура 2b формируется на базовом конце 5.
Армирующие элементы 6 предпочтительно сформированы в виде ленточных пластин (не показаны), штанг 6' (Фиг. 2) или соединительных вставок 6” (Фиг. 4), которые распределены по многим местам. Под ленточными пластинами понимают армирующие элементы 6, которые изготовлены хотя и сравнимо с отрезками штанги, но подобно соединительным вставкам 6” в Фиг. 4 расположены с распределением. На штангах 6' или пластинах предусмотрены углубления в виде желобков для укладки труб 21 и 22 так, что соединенные этими пластинами трубы соприкасаются или располагаются на относительно небольших расстояниях друг от друга, которые являются значительно меньшими, чем толщина пластин. Предпочтительно фиксирующие соединения между трубами и пластинами и, соответственно, между трубами и штангами 6' изготавливаются с помощью пайки в паяльной печи. Разумеется, соединения могут быть изготовлены также с помощью сварки. В конструкции армирования, иллюстрированной в Фиг. 4, соединительные вставки 6” связывают каждые два соседних прямых участка 202 трубы. Они предпочтительно являются приваренными.
Негибкая частичная структура 2а главной области сформирована настолько прочной, что встроенные элементы остаются в рабочем состоянии, когда в наружном потоке вследствие сопротивления течению возникают разности давления в продольном направлении между концами установки на уровне, по меньшей мере, 10 бар (1 МПа), предпочтительно 40 бар (4 МПа).
Установка 1 согласно изобретению, как правило, сконструирована так, что головной конец 4 и базовый конец 5 соединяются с кожухом 3, а также со встроенными элементами 2 без возможности разборки. В этом случае встроенные элементы 2 являются несъемными. Если требуются съемные встроенные элементы 2, то может быть предпочтительным использование уже известного устройства (полимеризационного реактора).
Кожух 3 между наружной стенкой 30 и трубчатым корпусом 3' может содержать кольцевой зазор 31, через который может быть пропущен теплоноситель, предпочтительно часть среды теплоносителя 7 (входной патрубок 35 и выходной патрубок 34 теплоносителя).
Теплообменные/смесительные трубы 21, 22 вставлены и закреплены в отверстиях 40 на головном конце 4 и в отверстиях 50 на базовом конце 5. Отверстия 40 располагаются в двух кольцевых сегментах вблизи кожуха; отверстия 50 располагаются в пластине, пересекающей середину базового конца 5. Среда теплоносителя 7 подается через входной патрубок 51, а также распределительную камеру 517 в отдельные трубы 21, 22 встроенных элементов 2 и на их выходе объединяется в коллекторе 417, а также в выходном патрубке 41.
Для жидкости 8 головной конец 4 имеет центральное впускное отверстие 42, и базовый конец 5 имеет выпускное отверстие 52, расположенное сбоку от центра. Оба отверстия 42 и 52 могут быть также расположены в центре или смещены от центра, или впускное отверстие 42 смещено от центра, и выпускное отверстие 52 размещено в центре.
Установка 1 согласно изобретению может быть использована, например, для расплавленного сложного полиэфира или другого расплавленного полимера (жидкость 8), чтобы путем охлаждения свести к минимуму разложение. Другое применение представляет собой нагревание полимера, чтобы сделать его более текучим. Еще одно применение состоит в нагревании или охлаждении высоковязких сред в области пищевых продуктов, таких как шоколадные, карамельные массы или материалы для жевательных резинок. В качестве среды 7 теплоносителя, как правило, используется масляный теплоноситель. Применимы также другие среды, такие как вода или пар.