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CN1272804A - 连续无序的对流混合器、热交换器和反应器 - Google Patents

连续无序的对流混合器、热交换器和反应器 Download PDF

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CN1272804A
CN1272804A CN98807493A CN98807493A CN1272804A CN 1272804 A CN1272804 A CN 1272804A CN 98807493 A CN98807493 A CN 98807493A CN 98807493 A CN98807493 A CN 98807493A CN 1272804 A CN1272804 A CN 1272804A
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CN
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Pending
Application number
CN98807493A
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English (en)
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威尔弗雷德·希尔霍尔茨
格茨·劳施克
斯特凡·奥特
乌尔里希·施密特
彼得·海因
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Aventis Research and Technologies GmbH and Co KG
Original Assignee
Aventis Research and Technologies GmbH and Co KG
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Priority claimed from DE19831247A external-priority patent/DE19831247A1/de
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Abstract

本发明涉及一种专门用来混合、热交换或进行反应的装置(1),它具有一个或多个可流通的元件(2),它们在流动方向具有一条中心线(3),其特征在于:这个或这些元件(2)至少局部做成或设置成这样,使得由这条或这些中心线(3)构成的曲线(9)大致满足参数表达式(1),其中参数和常数具有如下含义:θ(t)在笛卡尔坐标系内的位置向量，t为沿曲线(9)的参数，－∞≤t≤+∞,[t]为t的整数部分,a(t)为曲率半径(10),满足0< a(t)< ∞,c(t)为间距参数,满足0< 丨c(t)丨< ∞。

Description

连续无序的对流 混合器、热交换器和反应器
本发明涉及一种特别地用于混合、用于热交换或进行反应的装置，具有一个或多个可流通的元件，它们沿流动方向具有一条中心线。
所述的这类装置是已知的，而且是用于牛顿和非牛顿流体的连续无序的对流混合器或热交换器或反应器。
此外还知道多种混合器-热交换器类型。静态混合器有一个固定的内装构件，借助于它加速混合过程。在另一种类型的混合器中(搅拌容器、搅拌反应管)搅拌通过运动的内装构件进行。无序混合器和热交换器(J.Fluid Mech，1989，第209卷335～357页，实验热力学和流体科学，1993。第7卷333～344页，WO94/12270)充分利用在弯曲管道或通道内由惯性感应的次级流动。
在静态混合器中由于再循环区域在内装构件上会出现沉积。其次在再循环区域局部可能出现流体过热(热点)。带有运动内装构件的混合系统有这样的缺点：其结构成本比静态混合器昂贵。通常它需要一个驱动装置和控制系统。在热力和流变复合流体时由于搅拌元件上很大的剪切率(Scherraten)会出现局部流体过热和分解。在已知的混合器(WO94/12270)中由于流动的导向在较大流量的流动时会出现分离区。这样在这个再循环区会出现沉积和局部过热。
因此本发明的目的是，发明一种开头所述这一类的装置，它不需要内装构件，以及制造方便、结构紧凑。其次应该在一个宽的粘度和流量范围内达到良好的混合和热交换效果，而没有前面讨论过的缺点。
按照本发明这个目的通过开头所述这一类的装置来解决，其特征在于：可流通的元件至少在局部做成或设置成这样，使由它或它们的中心线构成的曲线大致符合以下的参数表达式：
Figure A9880749300061
其中参数和常数具有如下含义：
θ(t)  在笛卡尔坐标系内的位置向量，
t     沿曲线(9)的参数，  -∞≤t≤+∞
[t]   t的整数部分
a(t)  曲率半径(10)，     0＜|a(t)|＜∞
c(t)  间距参数           0＜|c(t)|＜∞
因此本发明的内容是一种特别是用于混合、用于热交换或进行反应的装置，具有一个或多个可流通的元件，它们在流动方向具有一条中心线，其特征在于：这个或这些可流通的元件至少局部做成或设置成这样，使得由它的或它们的中心线构成的曲线大致满足如下的参数表达式：
其中参数和常数有如下含义：
θ(t)  在笛卡尔坐标系内的位置向量，
t      沿曲线(9)的参数，-∞≤t≤+∞，
[t]    t的整数部分
a(t)   曲率半径(10)，  0＜|a(t)|＜∞
c(t)   间距参数        0＜|c(t)|＜∞
其中对于从一个整数到下一个整数可流通的元件的参数t范围定义一个所谓的360°回环，到再下一个整数定义一个双回环。
优先的结构由从属权利要求得到。
由多个回环拼接成的装置优先。回环的连接可以通过专业人士众所周知的方法可拆卸地(法兰)或不可拆卸地(焊接、钎焊)连接。单个回环也可以通过已知的连接件、直的或弯曲的管子相互连接。用这种方法可以制造任意多个不同的按本发明的装置。在一个这种类型的装置中a(t)和c(t)沿曲线或从一个回环到另一个回环可以是变化的，也可以是相同的。在一种优先的结构中一个或每个可流通元件和/或一个或每个回环正确地或局部正确地或完全地符合参数表达式。
其次优先的是这样的结构，其中可流通元件做成或设置成这样，使得由它或它们的中心线构成的曲线在整个装置上符合参数表达式。可流通的元件或回环最好具有一个圆形、矩形或椭圆形横截面。它们在空间内不是位于同一个平面内，而是在空间内向前推进地、一个接一个地设置。中心线可以是相对于横截面的对称线。在对称或近似对称的横截面时各个可流通元件周边上在流动方向位置相同的点，例如在正方形的元件时各个元件确定的角点、相互连接成的曲线看作与由中心线构成的曲线等效，也就是说，这个曲线(沿流动方向的棱边)同样符合参数表达式。曲线与参数表达式的、特别是在通常的加工和/或装配公差范围内的微小偏差没有妨碍。
此装置可以由单个零件或多个零件组成。设计和制造可以按常用的方法进行。根据结构和流过的流体种类的不同可以考虑专业人员所熟悉的各种金属或非金属材料作材料：如塑料、钢(防锈的或耐酸的)、玻璃、陶瓷或特种材料。
作为中心线的曲率半径a(t)优先采用在德国DIN标准2605T1中规定的管子直径的倍数。一种典型的结构例如由径为外D＝40毫米的管子组成。按照标准的结构类型5得到曲率半径为100毫米。这样导程(间距参数c(t))为每360°的回环100毫米证明是优良的。回环的数量取决于混合的工作量。典型的回环数为4至8。壁厚通常在0.5至几毫米的范围内，在压力特别大时直到10毫米或更大。在特别的结构中它或每个可流通元件具有范围为1至200毫米的外径D，优先5至100毫米，特别优先采用10至50毫米和曲率半径a(t)在1*D至7*D，优先在2*D至5*D范围内选择。距离参数c(t)在一20*D至+20*D、优先在-10*D至+10*D，特别优先在-5*D至+5*D范围内选择有好处，其中它永远≠0。
按本发明的装置的优点主要在于：可以方便地安装和制造，并在流动导向方面不出现沉积区。另一个重要的优点是：由于组成的规则形成一种紧凑的结构形式。与带有内装构件的静态混合器相比按本发明的装置可以方便地清洗，例如用油管清洗器。与由WO 94/12270所知的无序混合器相比按本发明的装置有这样的优点：它可以很好地拼装成紧凑的模块，例如成为多螺距的热交换器。此外在这种结构中由于大入射角的迎流面和强的旋涡对于外层流体得到更好的热交换。
下面借助于图1、2、5、6中用透视图表示的举例性的结构对本发明的装置作进一步说明。图3表示数值试验的结果，图4表示图2中一个局部的剖视图。本发明并非想以任何一种方式仅仅特别地局限于这种结构。
图1表示按本发明的装置1，它由一根圆形横截面的单独的管子2制成，它在流动方向(箭头)具有中心线3，它形成一条曲线9。一起示出的有一个具有空间方向X、Y和Z的笛卡尔坐标系8。但是装置1也可以设想分解为4个回环6a、6b、6c、6d和两根直管15，其中回环6交替地相互错开地顺序设置。在回环结构的开头和末尾采用直管15。画出的分界线17表示多个回环6或管子15之间的交接处。一个接一个分布的回环6a、6c或6b、6d的间距用线段7表示，在所示情况下它相当于2*c(t)，也就是两倍的导程。圆形元件6a、6b、6c、6d的曲线9在XZ平面内的投影显示出半径a(t))10，它沿曲线同样可以是变化的。图2中装置1至少局部由单个可流通的具有矩形横截面的元件16组成，它们通过法兰5相互连接。图4表示通过这种管段的横截面。这里表示这些元件16的中心线3怎样构成曲线9。同样示出了一条与曲线9等值的曲线12，它连接各个元件16的角点。在相应地成形或弯曲的正方形元件16时这些元件的棱边4也可以形成一条曲线9，它和中心线3等值并且符合参数表达式。
图3表示在图1所示的装置1中两种流体13、14混合的数值试验结果，这两种液体的粘度相差5倍，例如HC1 13和水玻璃14。在这个例子中这样地选择初始条件，使低粘度流体13(HC1)位于中心，高粘度流体14(水玻璃)位于进口(左下方)的外部区域。在图表中表示的灰色深浅等级表示低粘度流体13的浓度(体积成分，黑色＝1，白色＝0)。人们可以清楚地看到，在无序混合元件中也就是回环6中混合过程的逐步前进。在通过3个回环6以后在这种情况下已经建立了良好的充分混合。两种流体的浓度在整个横截面上差不多均匀地为0.5。
图5表示按本发明的装置1的一种优选结构，其中两对回环6a，b和6c，d通过一根直管15连接。在按图6的另一种优选结构中回环对6a，b和6c，d通过S形管段18连接。由此专业人员可以方便地制造几乎任意多不同的、紧凑的、混合得非常好的无序对流混合器。
下面借助于三组参数举例说明如图1、5和6中所示的按本发明的混合器。但是本发明并不局限于此。
图1
回环       t               a(t)                c(t)
6a         0-1             5*R                3*R
6b         1-2             5*R                3*R
内径R＝1毫米(R＝(D-2*d)/2)
图5
回环        t              a(t)               c(t)
6a          0-1            5*R               5*R
6b          1-2            5*R               5*R
6c          0-1            5*R              -5*R
6d          1-2            5*R              -5*R
内径R＝20毫米；回环6b和6c通过一个直的元件(管子15)连接。
图6
回环        t              a(t)               c(t)
6a          0-1            5*R               5*R
6b          1-2            5*R               5*R
6c          0-1            5*R              -5*R
6d          1-2            5*R              -5*R
内径R＝20毫米；回环6b和6c通过一个S形弯曲的元件(管18)连接。
其次本发明的对象是制造按本发明的装置的方法，其中围绕[t]个圆柱形成形体弯曲管子，成形体交错地布置成两个相互平行的柱子，其中在每个成形体的圆周上加工出曲率半径为a(t)、导程为1/2*c(t)的导向槽，并且这里绕第一个柱子的第一成形体弯曲管子，接着是绕第二个柱子的第一个成形体，接着将另一个成形体交替地插在第一和第二个柱子上并绕该另一个成形体弯曲管子。
此外本发明的对象是实现这一方法的装置，它有一个底板，它上面至少装有两个成为相互平行的、相隔间距(b)的柱子的两个圆柱形成形体，其中至少两个圆柱形成形体在圆周上具有用来弯曲管子的曲率半径为a(t)和导程为1/2*c(t)的导向槽，并且单个成形体可以相互插在一起成为柱子。
本发明的方法和装置的优选结构形式在各个从属权利要求中公开。
下面借助于图7至10对这些内容作较详细的说明。但由此并不表明本发明以任何一种方式局限于此。
其中表示：
图7  按本发明的带一根开始弯曲过程的管子的弯曲装置的透视图；
图8  按本发明的带一根弯曲成回环以后的管子的弯曲装置的透视图；
图9A、B按本发明的带两个各有三个成形体的柱子的弯曲装置的侧视图和剖开的侧视图；
图10  按本发明的弯曲装置的顶视图；
图11  具有按本发明制造的双回环的热交换器。
为了引导在按本发明权利要求1的装置1的双回环6a，6b(下面对为“无序混合器”或“CM”)内及绕其运动的液流，不用拼接技术制造这种双回环有好处。为此取一段长度为混合路程的管子2并在一个模块化设计的弯曲装置22中适当地成形。
其中弯曲装置22具有多个、最好是圆柱形的成形体23，它们可以相互插在一起，并布置成两个相互平行分布的柱子29、32。成形体23的数量等于回环6a，6b，……的数量[t]。由成形体23组成的柱子29、32固定在一块底板上，相互间隔间距b。在成形体23的圆周上是一个导向槽31，用来在弯曲时引导管子2，导向槽最好加工成至少具有1/4个管子横截面、最好是1/2个管子横截面，导程为1/2*c(t)，例如通过铣削或铸造的方法加工。
成形体23可以相互插接并相互相对转动，使得第一个柱子29上的第一个成形体23的导向槽31(铣出的槽)与第二个柱子32上的相接的导向槽的交接处没有台阶。出于这个原因第二个柱子32的第一个成形体23或者它的槽31升高一个相当于导程的尺寸。成形体23具有一个至少90°、优选180°、特别优选360°的完整的槽31。
为了弯曲按图1的CM1需要两种成形体23：a)具有左旋导程和b)具有右旋导程，也就是说成形体23a)的导向槽31导程具有和成形体23b)的导向槽导程相反的符号。
在由相互插接的成形体23组成的一个柱子29、32中各自存在一种类型a)或b)。由此在管子2绕成形体23a)和b)弯曲后形成具有确定导程的8种形状的双回环6a，6b。根据柱子29、32相互间距离b的不同可以形成与图1中所示形状不同的双回环形状6a，6b。
弯曲过程按以下的方式进展：
CM元件的弯曲过程应该由此开始的管端借助于一个支座30a固定在底板30上(图7)。
管子2借助于一个固定在杠杆36上的导向滚轮34绕成形体23a)弯曲，其中杠杆36插在由成形体23a)组成的柱子29的上端上并在高度方向可以移动。当管子2绕这个成形体23a)弯曲到足够程度以后(图7中点划线表示)，在柱子32上插上一个成形体23b)。同样杠杆36从上面插在柱子32上，然后管子2向另一个方向继续弯曲(图8)。其中应该注意，管子2在继续弯曲之前无压力地靠在每个新插上的成形体23上，或者放在它的导向槽31内，因为否则当成形体23取出来以后会导致整个CM元件过度的变形。也就是管子2超过弹性区产生塑性变形。接着在柱子29上插上另一个成形体23a)以及杠杆36，并像上面所述那样继续弯曲。这个过程一直重复直到建立所希望的回环数6a、6b、……为止。
成形体23在整个弯曲过程结束以后从CM元件中拧出来。通过这种方式成形体23可以当作模具重复使用，并可以用来制造多个同样的CM元件6a、6b……。
管子2放在它里面的第一个成形体23和其他成形体的不同之处在于：导向槽31在开头有一段水平分布，以便只有在圆周上导向槽的后续分布中过渡到所要求的导程。由此使管子2放入成形体23变得容易得多。
此外应注意以下几点：
应该根据要求选择管子的内径和外径。外径可以从2毫米直到500毫米。
作为管子材料可以选择符合要求的、耐腐蚀金属或合适的塑料，其中用于弯曲过程的塑料管在必要情况下必须加热。
成形体23应该由合适的材料加工成，它与管子材料在弯曲过程中不应该产生问题，如腐蚀(Fressen)。
管子横截面不应该由于弯曲工序而造成明显的变形。理想的是圆形横截面。微小的偏差是可以允许的。
如果CM在工作时承受压力，那么应该注意，在弯曲时所产生的热负荷不应该使强度有太大的降低。
在弯曲时管子应填满适当的填充材料。
从弯曲部分到直线管段的交接部位应该没有不连续性，如折拐，也就是做成相切的。
由相互插接的成形体23组成的柱子29、32应该以适当的强度固定在底板30上。此外柱子29、32相互之间的间距b特别取决于所用管子的尺寸和弯曲特性。
CM元件的主要尺寸可以在以下的范围之内：间距b：10至5000毫米，直径DCM(图10)：5至3000毫米，导程角α和导程c(t)有关系，(图9B)每个成形体231至60度。
这种按本发明的方法的主要优点在于：由于模块化结构和成形体交替地插接成柱子，可以将“任意”长的管子弯曲成无序混合器。
图11举例表示三个按本发明制造的CM元件37是怎样能够拼装成一个紧凑的、高效地工作的热交换器38。

Claims (14)

1.特别是用来混合、热交换或进行反应的装置，具有一个或几个可流通的元件(2)，它们在流通方向具有一条中心线(3)，其特征在于：这个或这些可流通的元件(2)至少局部做成或设置成这样，使得由这个或这些中心线(3)构成的曲线(9)大致满足如下的参数表达式：
Figure A9880749300021
其中参数和常数具有如下含义：
θ (t)  在笛卡尔坐标系(8)中的位置向量，
t     沿曲线(9)的参数，-∞≤t≤+∞
[t]   t的整数部分
a(t)  曲率半径(10)，  满足0＜|a(t)|＜∞
c(t)  间距参数        满足0＜|c(t)|＜∞
2.按权利要求1的装置，其特征在于：对于一个或多个可流通的元件(2)曲线(9)完全满足参数表达式，其中参数t在0到1内变化。
3.按权利要求1的装置，其特征在于；对于一个或多个可流通的元件(2)曲线(9)完全满足参数表达式，其中t在1到2内变化。
4.按权利要求1至3之至少一项的装置，其特征在于：这个或每个可流通元件(2)具有在1至200毫米范围内的外径D，优选为5至100毫米，特别优选为10至50毫米，a(t)在1*D到7*D的范围内选择，优选在2*D至5*D的范围内选择。
5.按权利要求1至3之至少一项的装置，其特征在于：这个或每个可流通元件(2)具有在1至200毫米范围内的外径D，优选是5至100毫米范围内，特别优选是10至50毫米范围内；c(t)在-10*D至+10*D，优选在-5*D至+5*D的范围内选择。
6.按权利要求1至5之至少一项的装置，其特征在于：一个或多个可流通元件(2)具有椭圆形或矩形或圆形或正方形横截面。
7.按权利要求1至6之至少一项的装置用来混合或热交换或进行反应。
8.制造按权利要求1至6之一项或多项的装置(1)的方法，其中将管子(2)绕[t]个圆柱形成形体(23)弯曲，成形体交替地设置成两个相互平行的柱子(29、32)，其中每个成形体(23)在圆周上加工出一个具有曲率半径(10)a(t)和导程为1/2*c(t)的导向槽，其中管子绕第一个柱子的第一个成形体(23)弯曲，接着绕第二个柱子的第一个成形体(23)弯曲，接着将其余的成形体(23)交替地插在第一个和第二个柱子上，并且管子绕这些其它的成形体(23)弯曲。
9.按权利要求8的方法，其特征在于：成形体(23)可以在柱子(29、32)上旋转。
10.按权利要求8或9的方法，其特征在于：这个或每个成形体(23)具有一个至少占管子横截面1/4的导向槽(31)。
11.按权利要求8至10之一项或几项的方法，其特征在于：第二个柱子的这个或每个成形体(23)的导向槽(31)的导程具有与第一个柱子的这个或每个成形体(23)的导向槽(31)的导程相反的符号。
12.实现按权利要求8至11之一项或几项的方法的装置(22)，它具有一块底板(30)，在它上面至少两个圆柱形成形体设置成两个相互平行的相隔间距为(b)的柱子(29、32)，其中至少两个圆柱形成形体(23)在圆周上具有曲率半径(10)为a(t)和导程为1/2*c(t)的导向槽(31)以弯曲管子，并且单个成形体可以拼接成柱子(29、32)。
13.按权利要求12的装置，其特征在于：成形体(23)在柱子(29、32)上可以转动。
14.按权利要求12或13的装置，其特征在于：在第一个柱子上的成形体(23)的导向槽(31)的导程有与第二个柱子上的成形体的导向槽的导程不同的符号。
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