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    • 专利摘要:
    本發明涉及一種換熱器管道系統，其用來輸送黏稠流體，其具有大量作為管道元件的單個換熱器，且沿管道系統或在管道橫截面內具有預定控制的溫度及/或壓力分佈，其特徵在於，按管道系統的規則間距設置作為管道元件的換熱器，其中選擇所述規則間距，以便沿管道系統保持預定的溫度及/或壓力分佈，其中在換熱器內設置在換熱器管道內輸送的黏稠流體的調溫元件，以及任選的混合元件，以便根據管道橫截面在管道橫截面內保持預定的溫度及/或壓力分佈，並且其中換熱器管道系統長度的至少30%配備換熱器，本發明還涉及通過換熱器管道輸送黏稠流體的方法。
    公开号:TW201323814A
    申请号:TW101132059
    申请日:2012-09-03
    公开日:2013-06-16
    发明作者:Stefan Zikeli；Friedrich Ecker
    申请人:Aurotec Gmbh；
    IPC主号:F28D7-00
    专利说明:
    換熱器管道系統
    本發明涉及在輸送不穩定流體時換熱器的應用。
    例如，由US 2009/0321975已知用來輸送黏稠介質，例如熱熔塑膠(“熱熔體”)的管道。其中描述了一種設備，在該設備中黏稠的聚合物被輸送給擠出機。聚合物熔體在這裹通過換熱器冷卻。
    在EP 096 201 A1中描述了一種用來在高黏度介質中連續進行聚合反應的反應器。已知，高黏度下進行混合和熱傳遞時能量消耗如此之大，使得可能影響聚合期間的化學反應。因此力求用來排出反應熱和限制混合時間以便均勻化的方法。為此用冷卻劑環繞反應器流動並在內部設置靜態混合元件。
    靜態混合元件已廣泛推廣，對此例如可參見US 7,841,765或WO 2009/000642的公開。
    然而，不僅聚合反應需要排出反應熱。可熱分解的聚合物和聚合物溶液的溶解過程、中間儲存也需要主動控制的溫度管理，由此一方面使希望的產品具有相應的品質，另一方面還可以溫度可靠地進行上述工藝步驟。近期努力致力於能夠以工業規模由紡絲溶液製備可生物降解的產品，如纖維素纖維。紡絲溶液或擠出溶液既可以由天然聚合物(例如纖維素和纖維素衍生物)也可以由通過生物原料的複雜化學變化得到的生物基塑膠製成。另一方面，術語生物聚合物可以理解為以多糖、蛋白質、核酸的形式存在的生物合成聚合物。這些紡絲溶液可以由如纖維素的生物聚合物、溶劑、增溶組分的混合物，以及過程必需的添加劑(穩定劑、酸、鹼)和改變產品性能的添加劑組成。這種纖維素-氧化胺-水紡絲溶液系統的相應說明可以在出版物“Structure Formation of Regenerated Cellulose Materials from NMMO-Solutions(Prog.Polym.Sci.26(2001)1473-1524)”中查到。
    這些聚合物溶液通常具有極強的溫度和黏度敏感性，其在由溶液製備(亦即聚合物溶解)開始的所有過程步驟中，在操作所必需的中間步驟，如輸送、分配、過濾、熱交換、添加添加劑和成型中，必須給予高度重視。出版物“Rheology of Concentrated N-Methylmorpholine-N-Oxide Cellulose Solutions(Polymer Science，A刊39卷，1997年第九期，第1033-1040頁)”特別介紹了這種聚合物料的流變。
    US 2009/304890 A1描述了一種由多個換熱器組成的管道系統，所述換熱器被用於溫度調節的熱介質夾套包覆。所述管道內部裝配有薄板以升高湍流。也可配置擋板。
    US 2009/165994 A1涉及一種換熱器，所述換熱器的結構內部流動熱介質，所述熱介質既用於傳熱也用於混合。
    US 4,110,521 A中描述了一種用於使丙烯醯胺聚合的管系統，所述管系統包含換熱器，所述換熱器具有調溫夾套和內部靜態混合器。
    US 5,046,548 A顯示了一種換熱器，所述換熱器具有引導載熱體介質的內置雙螺旋。任選也可配置內置直線回路。
    WO 2009/122143 A2涉及一種“脈衝-流動-反應器”(PFR)，所述“脈衝-流動-反應器”具有使經泵送的液體材料振盪移動的設備。在該文獻中也描述了用於加熱材料的手段，例如熱水夾套。
    WO 2005/119154 A1描述了一種用於加熱高密度懸浮體的系統，所述懸浮體傾向於以低的內部傳熱進行層流流動。所述系統具有大量單個換熱器單元，其中每個換熱器具有多個平行的內管。
    專利公開US 2009/117218 A1、DE 10 2009 043788 A1、DE 102 41 276 A1、FR 1,383,810 A和EP 1 350 560 A1描述了其他換熱器。
    在上述出版物中表示，加工過程中應考慮溫度和黏度影響。相應的試驗證明，待成型產品(如短纖維、細絲、薄膜、成型體和無紡布)的加工必須給予高度重視。為了製備高品質的貴重成型產品，對聚合物溶液的品質提出最高要求，因為聚合物溶液在成型過程中經受最大負荷。
    除了所要求的聚合物熔體的品質標準，如溫度和黏度均勻性以外，還必須注意，一方面聚合物溶液熱量上均勻流動，並且在製備成型產品的NMMO-過程中，不發生聚合物(纖維素)以及溶劑(氧化胺)的熱分解。已知，上述纖維素聚合物溶液在一定前提條件下可導致自發產生的自動催化分解反應。在這種反應中，還要求盡可能受控地排出形成的反應熱。
    纖維素-氧化胺-水聚合物溶液也具有在熱作用下變色的性質。這種變色可達到這樣一種程度，即聚合物溶液從溶液製備開始時的蜂蜜色，經過輸送路程轉變成深褐色直至黑色。這種變色由聚合物和溶劑的熱負荷引起。強烈變色的聚合物溶液導致在加工位置製成的成品同樣具有深褐色的顏色，因此不適合於商業銷售。
    通過管道僅輸送高黏度纖維素溶液導致由管道的壓力阻力(1至5巴/米)產生摩擦熱並傳入聚合物料中。
    由於大規模製備的聚合物溶液通常具有雜質，在製備聚合物溶液時在處理聚合物溶液之前通過過濾去除這些雜質，例如膨潤體。由於過濾的原因通過過濾介質產生壓力損失，這在聚合物料內產生附加的摩擦熱。為了使製備的聚合物溶液到達各個加工位置，聚合物溶液通常通過直角件、T型件、Y型件、多重分配件分配，由此導致進一步的熱量傳入。
    借助例如齒輪泵的泵、擠出機、蝸杆泵、通道泵、離心泵移動或輸送高黏度聚合物溶液產生附加的摩擦熱，並傳入黏度敏感和熱敏感的纖維素溶液中。
    不僅上述設備構件會產生摩擦熱(設備的功耗)，裝入的混合器，例如靜態混合器，管道混合器等等，也產生摩擦熱。
    聚合物溶液的輸送系統，從溶液製備開始，經過泵、篩檢程式、分配元件直至最終加工設備，需要極複雜的設備系統，使得所有上述摩擦熱源都可在產生位置從聚合物溶液排出，從而在保持最高安全標準的情況下達到對於聚合物溶液加工的溫度和黏度均勻性。
    本發明的目的在於，提供一種用於加工高黏度流體，特別是聚合物溶液，如纖維素溶液的輸送系統，其具有必要的熱安全性，從而可以控制吸熱/或放熱性分解反應以及變色，並可以調整溫度和黏度均勻性。
    根據本發明提供一種換熱器管道系統，其適用於輸送黏稠流體並具有大量作為管道元件的單個換熱器，其中換熱器管道系統長度的至少30%配備換熱器。所述系統能夠通過例如流體的重組實現沿管道系統以及在管道橫截面內預定控制的溫度-及/或壓力分佈。按管道系統的規則間距設置作為管道元件的換熱器，其中選擇所述規則間距，以便沿管道系統保持預定的溫度及/或壓力分佈。在換熱器內設置調溫元件，以使換熱器管道內輸送的黏稠流體保持預定溫度，以及任選的混合元件，以便根據管道橫截面在管道橫截面內保持預定的溫度及/或壓力分佈，從而也可維持黏度均勻性。
    用來輸送黏稠流體的管道是公知的。在WO94/28213A1中推薦了一種用來輸送黏稠物質，即纖維素-NMMO(N-甲基嗎啉-N-氧化物)-溶液的管，其中在管中心及/或管道壁上按照該處給定的形式冷卻流體。為此引導冷卻介質流過包圍管子的冷卻外殼。冷卻介質將可能出現的放熱反應的熱從工作流體中排出並冷卻流體流的外部區域。由此在外部區域和管中心的流體之間產生極大的溫度差，這對流體的物理和化學性能產生負面影響。
    DE10024540描述了一種具有內置同心管形冷卻元件的流體管道元件。在此，由於黏稠流體的層流也可在橫截面內形成溫度梯度。
    根據本發明發現，取決於內徑可能需要混合元件，例如靜態混合器，以便(根據可容許的溫度差)保持管道內橫截面內的溫度分佈和聚合物料的黏度恒定。
    除了避免換熱器橫截面內的溫度梯度以外，還有一個目的是在換熱器管道的縱向上達到恒定的溫度。因此基本上沿整個換熱器管道設置根據本發明的調溫元件。“基本上”應理解為不必準確地在每一間距上都存在一個調溫元件，短的管道段也可以不用調溫元件跨接，而不必擔心流體品質的實質性限制和系統安全性。黏度分佈和溫度分佈的分析可用於確定局部是否應該使用調溫元件。特別地，彎曲部位和其他技術性中間元件，如篩檢程式、過壓釋放裝置、泵、連接件、分流器、匯流器、提取元件，特別是技術性測量設備，如線上黏度計、流量計或壓力容器，可以沒有根據本發明的調溫元件。較佳選擇使用具有靜態混合器的連接件。倘若在所述元件處應避免發熱，可以在內部或外部設置單獨的冷卻元件。
    根據本發明，換熱器(具有調溫元件)占流體管道系統長度的至少30%，較佳選擇地，換熱器管道系統長度的至少35%，特別較佳選擇至少40%，至少45%，至少50%，至少55%，至少60%，至少65%，至少70%，至少75%，至少80%，或甚至至少85%，至少90%，至少95%，配備換熱器或調溫元件。具有換熱器的管段也被稱為管道系統的長度段，其中設置了調溫元件，例如載熱體管道。因此管道系統的一大部分是換熱器，因此本發明的所述方面也被稱為換熱器管道系統。---較佳選擇地，在換熱器管道系統中，在至少每8米、每7米、每6米、每5米、每4米或每3米的管段內設置一個換熱器。在這些8米、7米、6米、5米、4米或3米的管段內，管段長度的至少30%，較佳選擇至少35%，特別較佳選擇至少40%，至少45%，至少50%，至少55%，至少60%，至少65%，至少70%，至少75%，至少80%，或者甚至至少85%，至少90%，至少95%配備換熱器或調溫元件。
    根據本發明的系統，從製備(例如在壓力及/或真空下溶解聚合物，和加熱紡絲溶液至輸送溫度，以任意順序增壓)到最終加工(對於紡絲料而言為成型)的整個流體輸送過程中，溫度和壓力分佈應均勻。
    從安全工藝過程的意義來講，控制設備構件的單位散熱量(千瓦每米長度，千瓦每平方米內表面)是有利的。除了上述特徵值之外，相應設備構件的流體體積熱流密度(以千瓦每立方米流體體積計)也作為安全技術特徵值。
    因此重要的是，在處理熱敏性流體和聚合物時，這樣設計相應的設備部件，使得其內包含的熱敏性流體或聚合物通過主動進行的熱量管理達到安全的溫度水準，且在相應設備構件的橫截面上以及在整個系統的長度上實現安全的溫度分佈。聚合物熔體和聚合物溶液在高黏度值時通常具有結構黏稠性質，因此除了主動進行熱量管理之外，還應注意聚合物流的高均勻性，從而在設備或設備構件的所有部位上存在相同的溫度和黏度分佈曲線。如上所述，在加工由纖維素、水和氧化胺組成的聚合物混合物時，從溶液製備開始直至成型，通過多個設備部件產生摩擦熱，導致不可控的未調節的溫度和黏度分佈曲線，並在極端情況下造成放熱反應。因此連續地給流體調溫和重組。
    由纖維素/NMMO/水組成的熱不穩定流體在不充分穩定化的情況下從120℃至130℃的溫度起已自動催化分解。流體的穩定化被理解為流體在聚合物料的製備過程中已經添加化學試劑，其一方面防止聚合物，另一方面防止溶劑熱分解。還可以在通過換熱器管道輸送聚合物料的過程中進一步添加穩定化試劑，特別是存在混合元件的換熱器系統區域內。除添加穩定化試劑之外，還可向換熱器系統添加改變產品性能的其他物質，其在添加狀態下可導致可能的放熱。因此，根據本發明的換熱器系統可在整個換熱器系統內極好地平衡放熱或吸熱過程。應理解，除了添加液體物質之外，用換熱器系統也可引入氣態物質。通過根據本發明的換熱器管道系統不形成作為起始區域影響擴展到整個系統的放熱反應的過熱區域。
    在較佳選擇的具體實施方案中，換熱器的至少一個調溫元件是載熱體管道或載熱體外殼。單個換熱器可能通過內置的調溫元件或外部的調溫元件冷卻或加熱。調溫外殼至少部分包圍管段以在管壁上加熱或冷卻流體。通過考慮調溫元件的表面情況和由內置混合器及/或調溫元件導致的可能的額外摩擦熱，本領域技術人員可簡單計算哪種調溫可能性對於相應系統為最佳。對於纖維素/NMMO/水流體，根據本發明已確定，最好使用內徑至多為35毫米、40毫米、60毫米或90毫米的外冷卻換熱器，從135毫米的內徑起最好使用內冷卻換熱器，在90毫米至135毫米之間可使用內冷卻或外冷卻換熱器。在特殊的具體實施方案中，換熱器管道系統包含在換熱器內部(較佳選擇當換熱器的內徑為至少35毫米、至少40毫米、至少60毫米或至少90毫米時)具有調溫元件的換熱器。與此獨立或者除此之外，換熱器管道系統可包含在換熱器內腔外部具有調溫元件，較佳選擇調溫外殼的換熱器，其中換熱器內徑較佳選擇為至多130毫米。
    根據本發明的換熱器管道系統可由多個管段組成，管段中可使用不同尺寸的換熱器。特別是在分支元件之後，流體流可以分成兩股或多股流，其中通常使用具有較小內徑的換熱器，因此本發明涉及一種具有沿管道系統走向減小的階梯式單個換熱器內徑的換熱器管道系統。
    換熱器管道系統較佳選擇具有至少1個、2個、3個、4個、5個、6個或更多個分支元件。
    根據本發明系統的各個管段或換熱器的內徑的梯度較佳選擇在一定範圍之內。因此，換熱器管道系統的第一管段與第二管段的內徑比為至多5：1，較佳選擇至少10：9，特別較佳選擇3：1至6：5，特別較佳選擇2：1至4：3。特別地，所述比存在於相互銜接的換熱器或管段中，特別是分支元件之後。在特別的具體實施方案中，系統中可以存在1個、2個、3個、4個、5個、6個或更多個所述不同的階梯式內徑。
    較佳選擇地，根據以體積計的熱流密度(KW/m3)，通過用於調節溫度管理和熱量管理的各個換熱器排出富餘的熱量。本領域技術人員可通過以體積計的熱流密度簡單地計算出線性熱流密度(KW/m)和以面積計的熱流密度(KW/m2)。
    較佳選擇地，在具有至少250毫米內徑的流體管道的情況下，熱流密度為至少120 KW/m3或更高，較佳選擇263 KW/m3，特別較佳選擇442KW/m3或707 KW/m3，如果還應排出熱管道系統的其他構件(如泵或篩檢程式)的熱量，則熱流密度更高。
    較佳選擇地，在具有至少180毫米內徑的流體管道的情況下，熱流密度為至少40KW/m3，或80KW/m3或更高，較佳選擇111 KW/m3，特別較佳選擇188KW/m3或300 KW/m3，如果還應排出熱管道系統的其他構件(如泵或篩檢程式)的熱量，則熱流密度更高。
    較佳選擇地，在具有至少140毫米內徑的流體管道的情況下，熱流密度為至少30KW/m3或更高，較佳選擇80KW/m3，特別較佳選擇103KW/m3或164 KW/m3，如果還應排出熱管道系統的其他構件(如泵或篩檢程式)的熱量，則熱流密度更高。
    較佳選擇地，在具有至少110毫米內徑的流體管道的情況下，熱流密度為至少12KW/m3或更高，較佳選擇22KW/m3，特別較佳選擇75KW/m3或120 KW/m3，如果還應排出熱管道系統的其他構件(如泵或篩檢程式)的熱量，則熱流密度更高。
    較佳選擇地，在具有至少90毫米內徑的流體管道的情況下，熱流密度為至少10KW/m3或更高，較佳選擇12KW/m3，特別較佳選擇18KW/m3或29KW/m3，如果還應排出熱管道系統的其他構件(如泵或篩檢程式)的熱量，則熱流密度更高。
    較佳選擇地，在具有至少60毫米內徑的流體管道的情況下，熱流密度為至少10KW/m3或更高，較佳選擇11KW/m3，特別較佳選擇17KW/m3或28 KW/m3，如果還應排出熱管道系統的其他構件(如泵或篩檢程式)的熱量，則熱流密度更高。
    在較佳選擇的具體實施方案中，由以下公式得到以KW/m3計的最小排出熱流密度(W1)：W1=0.0051×d2-1.0468×d+63.5
    其中d為以毫米計的換熱器內徑(參見第7圖點劃線)。
    較佳選擇地，以KW/m3計的最佳排出熱流密度(W2)為：W2=0.0102×d2-2.0935×d+127.07(參見第7圖實線)。在特殊的具體實施方案中，排出的熱為至少W1，至少W2的一半，至少W1和W2的平均值，或至少為W2的3/4。
    排出的熱量可以通過選擇調溫元件加以控制。在載熱體介質的情況下，可以通過選擇介質及其溫度排出熱量。可以使用冷水、熱水、冷卻鹽水、熱油或其他液態或氣態一致性的流體作為換熱器管道內的載熱體介質。
    較佳選擇地，換熱器系統的橫截面內及/或縱向上的預定溫差為最大5℃，其中選擇具有匹配的長度、直徑和調溫裝置的相應換熱器。較佳選擇地，換熱器系統的橫截面內及/或縱向上的預定溫差為最大4℃，最大3℃，最大2℃。
    可以根據期望和過程要求及結構要求設計換熱器管道系統的尺寸。換熱器管道系統較佳選擇為至少1米，較佳選擇至少2米，較佳選擇至少4米，較佳選擇至少6米，較佳選擇至少8米，較佳選擇至少10米，至少12米，至少14米，至少16米長。
    換熱器管道系統較佳選擇與用於在壓力下引導黏稠介質的泵、篩檢程式、壓力和容量平衡容器、過壓調節器、中間連接的測量元件或其組合或類似物操作性連接。特別地，在從製備到消耗的流體的整個輸送過程中，所述系統應如本文所述進行相應處理、重組和調溫或控制。這種系統可以通過泵、篩檢程式及/或過壓調節器或類似物鋪設。
    在特別較佳選擇的具體實施方案中，根據本發明的換熱器管道系統在至少一個管段或換熱器的內腔內包含混合元件。如上所述，較佳選擇在小內徑的情況下，換熱器中設置內部混合元件和外部冷卻。混合元件用來使流體流湍流，以便使層流轉變成湍流及/或達到從換熱器中心到橫截面外部區域的流體交換。較佳選擇地，換熱器管道系統長度的至少30%，較佳選擇至少35%，特別較佳選擇至少40%，至少45%，至少50%，至少55%，至少60%，至少65%，至少70%，至少75%，至少80%，或者甚至至少85%，至少90%，至少95%配備混合器，特別是靜態混合元件。在內徑小於90毫米，較佳選擇小於130毫米的管段內，管段或各個換熱器長度的至少20%，較佳選擇至少30%，特別較佳選擇至少40%，至少50%，至少60%，至少70%，至少80%，或者甚至至少90%，至少95%配備混合器，特別是靜態混合元件。
    在具有內部調溫裝置的管段或各個換熱器內也可以設置混合元件，較佳選擇地，內置調溫元件同時具有攪拌功能。根據所述具體實施方案，本發明涉及一種換熱器管道系統，其在換熱器內部具有作為調溫元件的混合元件，例如以載熱體管道形式。這例如可以通超載熱體管道相應形成的盤繞得以實現。較佳選擇地，為了避免由壓力損失引起的摩擦熱，選擇小的裝填密度，例如由調溫元件，特別是載熱體管道佔據的內橫截面積的至多40%的裝填密度。在換熱器系統的某些管段內，追求至多50%，65%，70%，75%的空餘橫截面積。較佳選擇5%和80%之間，特別較佳選擇10%和70%之間，15%和60%之間，20%和50%之間，25%和45%之間，或30%至40%之間的空餘橫截面積。
    本發明還提供一種具有相應裝填密度的用於輸送黏稠流體的單個換熱器。根據本發明的換熱器管道系統較佳選擇至少由一個或多個如下所述的換熱器組成。根據本發明的換熱器具有外殼和一個或多個內置載熱體管道。本發明的特徵在於，內置載熱體管道具有外殼方向上的引導區域和盤繞區域，或者載熱體管道至少基本上佔據換熱器的整個長度，特別是在載熱體管道的裝填密度小的情況下。
    本發明提供一種為輸送黏稠流體創造受控的恒定條件的換熱器。因此通過根據本發明的盤繞區域在換熱器橫截面上實現所輸送流體的均勻冷卻。通過額外佔據載熱體管道沿外殼方向鋪設的區域或者通過小的裝填密度而造成的大的空餘橫截面積，可確保經過換熱器的流體流只受到少量影響。這在黏稠流體的情況下特別關鍵，否則會出現大的摩擦熱和壓力損失。在熱不穩定流體(例如纖維素-氧化叔胺-溶液)的情況下，這些不期望的反應可能造成爆炸。
    在盤繞區域內，載熱體管道經過一個或多個彎曲、盤繞或回環。特別地，實現載熱體管道可在換熱器外殼的邊緣區域之間交替的盤繞區域。較佳選擇地，載熱體管道基本上與換熱器的中心或軸線錯開鋪設，其中盤繞區域可從一側或邊緣區域向另一側或邊緣區域(不必向相對側)交替，也可能重新返回，或者可在另一不同側上鋪設。通過所述盤繞區域一方面實現均勻的熱傳遞；也可以由此形成湍流的流體流，其進一步促進混合並防止形成黏度和溫度梯度。特別優點在於，通過在產生摩擦熱(由於壓力損失造成的耗散能量)之處使用載熱體管道作為混合元件，通過管道上的衝擊壓力可直接排出這些熱量，並預先防止隔離的流體區域升溫。通過這些措施實現在換熱器橫截面內所輸送的黏稠流體恒定的溫度分佈曲線，避免局部的升溫(“熱斑”)，這在可產生巨大背壓和摩擦熱的高黏度流體的情況下是決定性的優點。
    根據本發明在運行期間向載熱體管道內引入冷卻介質。但是“載熱體管道”不應理解為局限於使用冷卻介質，在其他具體實施方案中，也可能引入熱介質或調溫介質。通常地，根據調溫介質的溫度是高於還是低於流體的溫度，調溫介質以及載熱體可用於冷卻和加熱流體。在換熱器管道系統中調溫介質的溫度也可以這樣控制，使得系統一定的管段作為冷卻管段，其他管段作為加熱管段。
    本文中的“區域”通常被理解為換熱器內適於流體流動的區域。其中大多涉及管道區域。本文中的“管道區域”被理解為具有沿換熱器的一定長度的管段。“邊緣區域”是外殼附近一定管道區域處換熱器的受限橫截面區域。
    為了使換熱器或換熱器管道系統與其周圍之間的熱傳遞保持盡可能小，在另一較佳選擇的具體實施方案中設計，換熱器或系統至少逐段由隔熱層包裹。由此特別在內部更好地實現流體的溫度控制。
    在較佳選擇的具體實施方案中設置至少兩個載熱體管道。所述載熱體管道可用於以相反方向引導載熱體介質。所述至少兩個載熱體管道鋪設在換熱器的外殼內部，例如至少部分平行。例如，載熱體管道沿換熱器，即沿外殼的管段鋪設成非盤繞區域，其中存在相同的管道區域或交替存在相同的管道區域。較佳選擇地，至少兩個載熱體管道的盤繞區域共同存在于有限的管段內。一個或多個載熱體管道可在一個末端區域處與第二載熱體管道連接，所述第二載熱體管道用於回流第二載熱體管道內的載熱體介質。通超載熱體管道的回流使得能夠簡單地形成用於輸入和輸出的相鄰的連接端。此外防止冷卻介質在流經換熱器期間由於升溫而導致沿換熱器形成溫度梯度。這在例如數米長的長換熱器的情況下特別有利。
    為此，至少兩個載熱體管道的盤繞區域可相互交錯地共同存在于有限的管段內。這促使流體特別有效地混合以及用冷卻介質均勻地傳熱。較佳選擇地，通過由載熱體管道的有效混合可不使用其他混合元件，包括靜態混合元件，其主要目的是通過產生巨大背壓而沿換熱器形成湍流。因此換熱器在具有載熱體管道的管段內基本上沒有附加的混合元件。
    特別地，設置盤繞區域以使黏稠流體產生湍流。冷卻介質管道用於提高湍流的特殊形式或盤繞是公知的並可用於該目的。
    較佳選擇地，根據本發明的換熱器管道系統設置至少1個、2個、3個、4個、5個、6個、7個、8個、9個、10個、11個、12個或更多個本文所述的或其他已知的單個換熱器。根據本發明系統的特徵特別在於大量單個換熱器的模組化應用。
    在較佳選擇的具體實施方案中，在換熱器管道系統中設置一個或多個過壓釋放裝置，較佳選擇基於爆破元件的過壓釋放裝置。過壓釋放裝置的應用是公知的。常見的方法包括例如具有薄膜的爆破片，其在高於正常工作壓力但低於管子或容器自動破裂的壓力作用下破裂，由此用外腔進行壓力釋放。爆破片例如描述於US 6,241,113，US 3,845,879，US 2008/0202595，EP 1 591 703和US 7,870,865中。某些爆破片可具有孔以保證在多個部位或沿固定破裂部位開裂。爆破片可用於試圖控制爆破片功效的各種裝置中。因此，US 4,079,854描述了一種裝置，其具有帶刀片的切割裝置，所述刀片在壓力作用下割裂凹形爆破片。US 3,872,874描述了一種具有凸形爆破片的爆破片裝置，所述爆破片在壓力膨脹時擠壓剪切刺針。WO 2005/054731涉及一種具有壓力檢測器的爆破片排列。EP 789 822涉及用於熱不穩定黏稠物質，如纖維素NMMO(N-甲基嗎啉-N-氧化物)溶液的壓力安全裝置，其中爆破元件伸入輸送管道內腔內。US 5,337,776涉及一種具有過壓釋放裝置的管道，其中爆破片平整地位於管壁內側，由此實現用所輸送的流體環繞噴淋爆破片。
    過壓釋放裝置較佳選擇放置在具有調溫元件的各個換熱器的區域之間的連接元件內。根據本發明，具有調溫元件的管段促使對流動流體特別有效的溫度控制以及壓力控制，使得在這些管段內不需要過壓釋放裝置。由於根據本發明配備調溫元件的換熱器形成特別有效的溫度和黏度一致性，在這些區域內應有意避免安裝過壓釋放裝置，因為其在換熱器系統內造成低溫部位，因此敏感地干擾換熱器管道的熱量控制。因此，過壓釋放裝置主要設置在其中不設置內部調溫元件的連接元件處。或者可在過壓釋放裝置的區域內設置混合元件，從而使這些裝置與均勻的流體接觸。過壓釋放裝置也可以通過調溫元件調溫。
    通過根據本發明的換熱器管道系統的設計可以提供特別長的管道，其使得整個長度上的冷卻成為可能。這在輸送高黏度紡絲溶液的情況下特別重要，在這種情況下反應器和擠出機等之間可跨越數米。例如，設備需要約20米的管道。較佳選擇地提供至少1米，較佳選擇至少2米，至少3米，至少4米，至少5米，至少6米，至少7米，至少8米，至少9米，至少10米，至少12米，至少15米長度的長的換熱器管道。沿換熱器管道系統可以設置多個換熱器，即具有自身有限的調溫元件的管段。各個換熱器的載熱體管道可用冷卻介質分別操作。管道較佳選擇包含1個、2個、3個、4個、5個、6個、7個、8個、9個、10個或更多個換熱器。單個換熱器具有根據本發明的載熱體管道並可具有0.2至4米，較佳選擇0.3至3米，特別較佳選擇0.4至2米，更較佳選擇0.5至1米的尺寸。各個換熱器的換熱器內部較佳選擇在兩端開口，並可以連接其他換熱器或其他元件，如連接件、分流器、篩檢程式、泵、壓力容器或末端設備，如擠出機、紡絲裝置。
    載熱體管道較佳選擇佔據根據本發明的系統的一個或多個，特別是所有換熱器長度的至少60%，特別較佳選擇至少65%，至少70%，至少75%，至少80%，至少85%，至少90%，至少95%。
    根據本發明的換熱器管道系統較佳選擇與用於在壓力下引導黏稠介質的泵操作性連接。特別地，在輸送高黏度流體(其在壓力作用下通過換熱器壓入系統)的情況下，特別明顯地表現出本發明的優點。
    為了產生盡可能小的背壓，以盡可能小的阻力通過換熱器輸送黏稠流體。為此降低調溫介質的裝填密度。特別地，在較佳選擇的具體實施方案中，在換熱器的橫截面內，至多50%，較佳選擇至多45%，至多40%，至多35%，至多30%，至多25%，至多20%，至多15%，至多12%，至多10%，至多8%，至多7%，至多6%，至多5%的內橫截面積由調溫元件佔據。即，空餘橫截面是空餘的用於流過流體的剩餘橫截面部分並且較佳選擇為至少50%，特別較佳選擇至少55%，至少60%，至少65%，至少70%，至少75%，至少80%，至少85%，至少90%。
    具有內部調溫元件的換熱器可以具有多個具有盤繞的載熱體管道的區域。在載熱體管道之後的盤繞區域內，載熱體管道較佳選擇在橫截面俯視圖內相互盤繞或彎曲。之後的盤繞區域可以例如通過回流的載熱體管道或通過其中冷卻介質以與第一載熱體管道相反的方向流動的載熱體管道形成。
    載熱體管道及/或換熱器可以由不同材料，如鋼、不銹鋼、陶瓷、燒結金屬、鋁、塑膠、有色金屬或貴重金屬製成。較佳選擇的材料是所有鐵、鐵合金、鉻鎳鋼、鎳鋼(例如哈氏合金材料)、鈦、鉭、碳化矽、玻璃、陶瓷、黃金、白金以及塑膠。特殊材料為具有高鉬含量的合金，或抗點狀腐蝕和縫隙腐蝕的鎳、鉻和鉬合金，或具有高抗拉強度的鎳銅合金。示例材料為哈氏合金C(高抗腐蝕性)、哈氏合金B(沉澱硬化的高溫合金)、鉻鎳鐵合金(在石化應用中抗應力腐蝕開裂)、耐熱鉻鎳鐵合金(高強度，耐高溫，抗氧化和抗碳化)、蒙乃爾合金(高抗拉強度，抗腐蝕)。載熱體管道及/或換熱器也可以由塗覆的材料製成。
    本領域技術人員可以根據用於換熱器系統的結構材料針對待輸送流體的抗腐蝕性的知識決定使用哪些結構材料，以及如何將換熱器系統結構性連接成設備單元。在使用換熱器系統使由纖維素、氧化胺和水組成的聚合物料的溫度和黏度一致化的情況下，應注意鐵和有色金屬的游離。
    較佳選擇選擇具有5至100 W/mK，特別較佳選擇10至60 W/mK的導熱係數的材料。
    在特殊的具體實施方案中，換熱器外殼隔熱及/或可被設計為雙層管，因為熱交換在內部進行且基本上不通過外殼產生向外傳熱。
    此外，本發明涉及一種通過根據本發明的換熱器管道系統或根據本發明的換熱器輸送黏稠流體的方法。同時本發明還涉及換熱器管道系統或換熱器用於輸送黏稠流體的用途。黏稠流體較佳選擇為熱不穩定的。熱不穩定的流體例如是生物聚合物溶液，纖維素溶液，如纖維素-氧化胺-溶液，特別是氧化叔胺溶液的溶液。例如如WO 94/28213中所述的纖維素-NMMO-溶液。流體可以是水溶液。熱不穩定的流體是那些在通過換熱器和設備系統輸送期間存在溫度升高的危險的流體。溫度升高可能例如由於放熱反應，特別是化學反應，或由於輸送高黏度流體時出現的摩擦熱引起。其他流體特別是工程塑料，可凝固的流體，特別是“熱熔體”，如聚合物、聚碳酸酯、聚酯、聚醯胺、聚乳酸、聚丙烯等。流體可為觸變性流體，特別是紡織溶液。特別的流體具有至少約40℃、至少50℃、至少55℃、至少60℃、至少65℃、至少70℃、至少75℃的熔融溫度，也可達到至多280℃的熔融溫度。流體可例如在至少約40℃、至少50℃、至少55℃、至少60℃、至少65℃、至少70℃、至少75℃、至少約80℃、至少85℃、至少90℃、至少95℃的溫度下流動。本發明可以用來排出放熱反應的熱量或由於黏稠流體的摩擦/壓力損失而產生的耗散能量。
    在較佳選擇的具體實施方案中，冷卻介質通超載熱體管道(在換熱器的內部或外部，例如外殼內)流動，其與所輸送的黏稠流體的溫度相差至多20℃，較佳選擇至多15℃，至多12℃，至多10℃，至多9℃，至多8℃，至多7℃，至多6℃，至多5℃，至多4℃，至多3℃。根據本發明的換熱器被證實有效，即在充分散熱的情況下溫度差可以很小。較佳選擇地，冷卻介質的溫度小於流體溫度。在特殊的具體實施方案中，黏稠流體在至少15巴，至少20巴，至少25巴，至少100巴，較佳選擇至少200巴，至少300巴，至少400巴，至少500巴，至少600巴，至少700巴，至少800巴的初始壓力下通過換熱器或管道系統輸送。在另一具體實施方案中，換熱器管道系統或根據本發明的各個換熱器或過壓裝置為輸送流體而設置最大至多1000巴，較佳選擇至多60巴，至多80巴，至多120巴，至多250巴，至多350巴，至多450巴，至多550巴，至多650巴，至多750巴，至多900巴的高壓。流體的零剪切黏度較佳選擇為100至15000帕秒，特別是500至10000帕秒的範圍。。
    在較佳選擇的具體實施方案中，本發明定義如下：
    1、一種用來輸送黏稠流體的換熱器管道系統，其具有大量，例如2個，3個，4個，5個，6個，7個，8個或更多個作為管道元件的單個換熱器，且沿管道系統或在管道橫截面內具有預定控制的溫度及/或壓力分佈，其特徵在於：按管道系統的規則間距設置作為管道元件的換熱器，其中選擇所述規則間距，以便沿管道系統通過流體的重組而保持預定的溫度及/或壓力分佈，其中在換熱器內設置用於在換熱器管道內輸送的黏稠流體的調溫元件，以及任選的混合元件，以便根據管道橫截面在管道橫截面內保持預定的溫度及/或壓力分佈，並且其中換熱器管道系統長度的至少30%配備換熱器。
    2、根據定義1所述的換熱器管道系統，其特徵在於，換熱器的至少一個調溫元件是載熱體管道或載熱體外殼。
    3、根據定義1或2所述的換熱器管道系統，具有沿管道系統走向減小的階梯式單個換熱器內徑。
    4、根據定義1至3任一項所述的換熱器管道系統，具有至少一個分支元件。
    5、根據定義1至4任一項所述的換熱器管道系統，其中換熱器管道系統的第一管段的內徑與第二管段的內徑之比至多為5：1，較佳選擇至少10：9。
    6、根據定義1至5任一項所述的換熱器管道系統，具有在換熱器內部帶有調溫元件的換熱器，較佳選擇當換熱器內徑至少為90毫米時。
    7、根據定義1至6任一項所述的換熱器管道系統，具有在換熱器內腔之外帶有調溫元件，較佳選擇調溫外殼的換熱器，其中換熱器的內徑較佳選擇至多為130毫米。
    8、根據定義1至7任一項所述的換熱器管道系統，其特徵在於，在換熱器系統的橫截面內及/或在縱向上預定的溫度差至多為5℃。
    9、根據定義1至7任一項所述的換熱器管道系統，在至少一個管段內腔內包含混合元件。
    10、根據定義6和9所述的換熱器管道系統，其中混合元件和調溫元件是在換熱器內部的載熱體管道。
    11、根據定義10所述的換熱器管道系統，其特徵在於，內置的載熱體管道具有外殼方向上的引導區域和盤繞區域。
    12、根據定義1至11任一項所述換熱器管道系統，其特徵在於，換熱器管道系統為至少1米，較佳選擇至少2米，較佳選擇至少4米，較佳選擇至少6米，較佳選擇至少8米，較佳選擇至少10米長。
    13、根據定義1至12任一項所述的換熱器管道系統，其特徵在於，調溫元件佔據換熱器管道系統長度的至少60%。
    14、根據定義1至13任一項所述的換熱器管道系統，其特徵在於，其與用來在壓力下輸送黏稠介質的泵、篩檢程式、過壓調節器、用於加工聚合物溶液的加工裝置，如紡絲裝置或拉伸裝置，或其組合等操作性連接。
    15、根據定義1至14任一項所述的換熱器管道系統，在換熱器內部具有載熱體管道，其中在換熱器橫截面內，載熱體管道佔據內橫截面積的至多40%。
    16、用於輸送黏稠流體的換熱器，具有外殼和一個或多個內置的載熱體管道，特別是冷卻介質管道，其特徵在於，內置的載熱體管道具有沿外殼方向的引導區域和盤繞區域，其中較佳選擇設置兩個載熱體管道，其較佳選擇以相反方向引導載熱體介質。
    17、根據定義16所述的換熱器，其特徵在於，載熱體管道在一個末端區域處與第二載熱體管道連接，所述第二載熱體管道用於回流第二載熱體管道內的載熱體介質。
    18、根據定義16或17所述的換熱器，其特徵在於，至少兩個載熱體管道的盤繞區域共同存在于有限的管段內。
    19、根據定義16至18任一項所述的換熱器，其特徵在於，至少兩個載熱體管道的盤繞區域相互交錯地共同存在于有限的管段內。
    20、根據定義15至19任一項所述的換熱器，其特徵在於，設置盤繞區域以使黏稠流體產生湍流。
    21、根據定義15至20任一項所述的換熱器，其特徵在於，換熱器為至少1米，較佳選擇至少2米，較佳選擇至少4米，較佳選擇至少5米長。
    22、根據定義15至21任一項所述的換熱器，其特徵在於，載熱體管道佔據換熱器長度的至少50%。
    23、根據定義15至22任一項所述的換熱器，其特徵在於，其與用於在壓力下輸送黏稠介質的泵操作性連接。
    24、根據定義15至23任一項所述的換熱器，具有更低的載熱體管道裝填密度，其中在換熱器的橫截面內，載熱體管道佔據內橫截面積的至多40%。
    25、根據定義15至24任一項所述的換熱器，其特徵在於，載熱體管道之後的盤繞區域在橫截面俯視圖內相互盤繞或彎曲。
    26、根據定義1至14任一項所述的換熱器管道系統，其中系統的至少一個管段由根據定義15至25任一項所述的換熱器組成。
    27、一種通過根據定義1至26任一項所述的換熱器管道系統或換熱器輸送黏稠流體的方法，特別是其中黏稠流體為熱不穩定的，較佳選擇為纖維素溶液。
    28、一種通過根據定義1至27任一項所述的換熱器管道系統或換熱器輸送黏稠流體的方法，其中黏稠流體為熱不穩定的，較佳選擇為包含纖維素和有機溶劑或由其組成的纖維素溶液。
    29、一種通過根據定義1至28任一項所述的換熱器管道系統或換熱器輸送黏稠流體的方法，其中黏稠流體為包含纖維素、氧化胺和水或由其組成的纖維素溶液，其中氧化胺較佳選擇為N-甲基嗎啉-N-氧化物。
    30、一種通過根據定義1至26任一項所述的換熱器管道系統或換熱器輸送黏稠流體的方法，其中黏稠流體為纖維素溶液，且溶解的纖維素以纖維素衍生物的形式存在於溶液中。
    31、一種通過根據定義1至26任一項所述的換熱器管道系統或換熱器輸送黏稠流體的方法，其中黏稠流體為生物聚合物溶液，且溶解的生物聚合物表現為生物基塑膠。
    32、一種通過根據定義1至26任一項所述的換熱器管道系統或換熱器輸送黏稠流體的方法，其中黏稠流體為生物聚合物溶液，且溶解的生物聚合物以多糖、蛋白質、核酸的形式存在。
    將進一步通過如下附圖和實施例說明本發明，而不將本發明限制於這些特別的具體實施方案。
    為讓本發明之上述及其他目的、特徵及優點能更明顯易懂，下文特舉本發明之較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下：
    實施例：
    在這些實施例中使用如第2圖所示的換熱器管道。在所述形式中，換熱器包含四條冷卻介質管道，其中每兩條冷卻介質管道一端連接以回流冷卻介質。另一端設置用於輸入和輸出冷卻介質的接頭。換熱器內部在兩端開口，使得可以連接其他換熱器或其他元件，如連接件、分流器、篩檢程式、泵、壓力容器或終端設備，如擠出機等。在第3圖中描繪了這些連接。在換熱器內部安裝冷卻介質管道，其中每兩條管道在同一管段內具有帶交叉管道環路的盤繞區域，且之後在另一管段具有沿外殼方向的引導區域。這些區域輪流交替設置。另一對冷卻介質管道與其交錯設置，其也在同一管段內具有盤繞區域和非盤繞區域，其中相對於第一對冷卻管道，所述盤繞和非盤繞區域交錯存在。
    實施例1：
    操作中用纖維素-NMMO-水溶液試驗根據第3圖的換熱器管道。在97℃和102℃之間的溫度下在溶解設備中製備由12.9%纖維素、76.3%氧化胺(NMMO)和10.8%水組成的不同亞硫酸鹽漿料(製備商MoDo，Sappi Saiccor)的紡絲溶液。
    所述溶液在為1200kg/m3的密度下具有15000帕秒的零剪切黏度(在85℃下)。
    如此得到的紡絲溶液在製備之後在配備內置加熱的靜態混合元件的換熱器(型號：Sulzer SMR)中調整至95℃的溫度。
    在換熱器出口確定輸出溶液的溫度，其中測量如下溫度：
    T1=95.8℃
    T2=96.7℃
    T3=96.1℃
    T4=95.2℃
    T5=97.1℃
    由測量的溫度可見，在換熱器橫截面上達到約1.9℃的溫度差。
    實施例2-空管試驗
    隨後，將從換熱器中輸出的纖維素溶液引入具有108毫米內徑(長約3米)的空管內。
    為了後續加工，用內徑80毫米(長約2米)的空管將紡絲溶液流分成兩股支流。
    空管外部配備調溫外殼，且在調溫外殼上配備隔熱層(50毫米的隔熱層厚度)。
    調溫外殼保持82℃的溫度。
    在空管(長5米)內的輸送路徑之後，在兩個出口(65毫米)之一處確定橫截面上的紡絲溶液的溫度分佈，其中測量如下溫度：
    T1=97.8℃(在管中心測量)
    T2=91.7℃
    T3=83.5℃
    T4=89.2℃
    T5=91.1℃
    由測量的溫度可見，在空管橫截面上達到約14.3℃的溫度差。值得注意的是，在低的外殼溫度的情況下仍然測得極高的中心溫度，這可以通過流體極大的剪切熱得以解釋。
    實施例3-具有內置加熱的靜態混合元件的換熱器
    本發明的目的是，在外部恒溫和引入剪切熱的情況下，在整個管道走向上必須將紡絲溶液的溫度和黏度常量保持在恒定水準。為了達到這一目的，上述空管系統由換熱器系統替代。
    換熱器系統由三個相互連接的換熱器組成。
    第一個換熱器(殼體內徑108毫米-長3米)由具有內置加熱的靜態混合元件(型號：Sulzer SMR)的殼體組成。殼體的調溫外殼與內置的靜態混合元件連接，其中調溫介質的溫度調節至92℃。
    內置的靜態混合元件具有2米的長度(殼體長度的約65%)。
    在第一個換熱器元件之後測量紡絲溶液的溫度，其中在流過換熱器之後確定以下溫度：
    T1=94.8℃
    T2=94.4℃
    T3=95.1℃
    T4=95.6℃
    T5=95.9℃
    由測量的溫度可以看出，達到約1.1℃的溫度差。
    值得注意的是，通過根據本發明的結構可以得到在溫度和黏度分佈方面非常一致的紡絲溶液，同時可以排出換熱器系統內產生的流體剪切熱。
    實施例4-具有內置的靜態混合元件的換熱器
    紡絲溶液流分支之後，纖維素溶液通過兩個並聯的結構相同的換熱器輸送。
    兩個換熱器(殼體內徑85毫米-長2米)由具有內置的靜態混合元件(型號：Sulzer SMXL)的殼體組成。殼體的調溫外殼調節至90℃的溫度。
    內置的靜態混合元件具有1.2米的長度(殼體長度的約60%)。
    在兩個換熱器元件之一之後測量紡絲溶液的溫度，其中在流過換熱器之後確定以下溫度：
    T1=95.3℃
    T2=96.7℃
    T3=95.4℃
    T4=96.1℃
    T5=95.5℃
    由測量的溫度可以看出，達到約1.4℃的溫度差。值得注意的是，通過根據本發明的結構可以得到在溫度和黏度分佈方面非常一致的紡絲溶液，同時可以排出換熱器系統內流體的剪切熱。
    根據溫度差的資料計算在流體引導系統內最小和最佳的換熱器長度。在95℃下，在纖維素/NMMO/水流體的1.5℃的最大差值情況下，在由20個分別1米長且具有175毫米、136毫米、108毫米、85毫米和65毫米階梯式內徑的單個換熱器組成的系統中，從第一個泵至擠出機的輸送系統的總長度的至少34%通過篩檢程式和另一泵和換熱器鋪設。在各個換熱器元件內部並非整個長度都配備載熱體管道，而要考慮連接件和不完全裝備，在具有175毫米內徑的換熱器的情況下，長度的56.9%，較佳選擇長度的73.1%配備載熱體元件。在具有136毫米內徑的換熱器的情況下，長度的69.2%，較佳選擇長度的85.8%配備載熱體元件。在具有108毫米內徑的換熱器的情況下，長度的67.1%，較佳選擇長度的86.7%配備載熱體元件。在具有85毫米內徑的換熱器的情況下，長度的63.6%，較佳選擇長度的84.1%配備載熱體元件。在具有65毫米內徑的換熱器的情況下，長度的50.0%，較佳選擇長度的75.0%配備載熱體元件。
    具有175至108毫米內徑的換熱器為內部調溫，具有85至65毫米內徑的換熱器為外部調溫，具有內置的靜態混合器。
    對於換熱器系統的總長度，基於換熱器長度部分的總和，長度的61.5%，較佳選擇長度的81.0%配備載熱體元件。當需要分流元件、篩檢程式和泵時，至多長度的97.1%配備載熱體元件。
    實施例5：
    通過由換熱器和具有爆破元件的連接件(作為分配件)組成的換熱器管道系統將具有如下組成的用作紡絲溶液的聚合物溶液從紡絲溶液製備輸送至在紡絲機上加工。
    以如下組成連續製備由MoDo Crown Dissolving-DP 510-550和Sappi Saiccor DP 560-580型纖維素的混合物組成的紡絲料：纖維素12.9%；氧化胺(NMMO-N-甲基-嗎啉-N-氧化物)76.3%；水10.8%。
    進行水酶預處理和懸浮液製備之後，在真空下在連續流動的反應容器中在97至103℃的溫度下通過蒸發多餘的水進行溶液製備。為了穩定化溶劑NMMO/水，添加已知的穩定劑。用五倍子酸丙酯如已知地進行纖維素溶液的穩定化。為了安全製備溶液，控制重金屬離子含量並且不超過總參數(包含金屬離子和有色金屬離子)的10ppm的值。
    所製備的溶液的密度在室溫下為1200kg/m3。通過纖維素混合組分調節的紡絲料的零剪切黏度在75℃測量時可至多為15000帕秒。根據紡絲過程中選擇的加工溫度，零剪切黏度可在500至15000帕秒的範圍內變動。由於紡絲溶液的結構黏性，紡絲剪切速率下的黏度根據所選擇的加工溫度而降低至低於100帕秒的範圍並同樣高度取決於紡絲溶液中的纖維素濃度。
    在連接件處，在聚合物料流過期間在取樣孔取樣以進行溫度測量和黏度測量，其中根據每mm2破裂面積的單位流量設計裝在連接件內的爆破片的尺寸。
    溫度和黏度偏差通過10次單獨測量取平均值確定。
    對比實施例：黏稠流體在不具有內部換熱器的管道中的模擬傳熱
    針對高黏性流體(如纖維素溶液)的流動，模擬具有如WO 94/28213中所述的溫度控制裝置而不具有內部換熱器的管道，從而評估管中心至管壁的傳熱。
    在入口處(長度0米)、1米後、3米後和出口處(長度10米)測量溫度橫截面分佈。基於直徑為25毫米和100毫米的管進行該試驗。對於高黏性介質，流速選擇典型的值(對於25毫米的直徑為1.13米/分鐘，對於100毫米的直徑為3.54米/分鐘)。
    在測量區域的入口處，速度分佈在橫截面上以活塞的形式保持恒定。模擬均以層流進行。對於直徑為25毫米的管，壁溫為152.7℃，對於直徑為100毫米的管，壁溫為129.9℃(與WO 94/28213相符)。流體的密度為1200kg/m3，熱容量2700J/kgK，以溫度的線性函數類比導熱係數(0.23至0.24 W/mK)。
    在第一個計算過程中，在沒有熱量輸入(流體中沒有分解反應)的情況下類比流體溫度在直徑上的敏感性。
    第8a圖中描繪了25毫米管的橫截面溫度分佈。溫度曲線由上至下顯示了分佈1)入口處，b)1米後，c)3米後和d)出口處(10米後)。顯示出通過夾套也可以冷卻管的管中心。
    第8b圖中描繪了100毫米管的橫截面溫度分佈。溫度曲線以與第8b圖相似的方式顯示，其中僅可在管的邊緣區域處看到區別。顯示出通過夾套不可以冷卻管的管中心。流體的芯部溫度可以受到約低15℃的壁溫的影響。
    結論是，對於這種流體需要如本發明所提供的交替冷卻和混合。
    雖然本發明已利用上述較佳實施例揭示，然其並非用以限定本發明，任何熟習此技藝者在不脫離本發明之精神和範圍之內，相對上述實施例進行各種更動與修改仍屬本發明所保護之技術範疇，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。
    1‧‧‧換熱器
    2‧‧‧外殼
    3‧‧‧內部區域
    4‧‧‧冷卻介質管道
    5‧‧‧引導區域
    6‧‧‧盤繞區域
    7‧‧‧連接管道
    8‧‧‧冷卻介質入口
    9‧‧‧冷卻介質出口
    10‧‧‧分流器
    11‧‧‧彎頭
    A‧‧‧曲線
    B,B’‧‧‧曲線
    C,D,E‧‧‧溫度走勢
    第1圖：表示根據本發明的換熱器1的縱剖面，其具有外殼2和內部區域3和內置的冷卻介質管道4，所述冷卻介質管道具有沿外殼方向的引導區域5和盤繞區域6。
    第2a、2b及2c圖：表示根據本發明換熱器的三個剖面，兩個正常縱剖面第2a圖(沿A-A線的剖面圖)和第2b圖(沿B-B線的剖面圖)和一個橫剖面第2c圖(沿C-C線的剖面圖)，在盤繞區域內分別具有兩個交叉的冷卻介質管道。冷卻介質管道通過連接管道7相互連接，使得冷卻介質可在兩個冷卻管道之一內回流。同時還顯示冷卻介質入口8和出口9。
    第3圖：表示換熱器1的橫剖面，其在盤繞區域6內分別具有四個交叉的冷卻介質管道4。
    第4圖：表示通過分流器10分支的換熱器管道，其中各個管段通過彎頭11連接。
    第5圖：表示如WO 94/28213 A1所述的傳統流體管道系統中和根據本發明的溫度控制裝置中溫度梯度的比較。其中顯示在沒有換熱器的情況下，輸送管段內的聚合物(纖維素)溫度控制。所示曲線A描述溶液製備之後通過換熱器冷卻聚合物料，隨後引入管道並輸送至加工(擠出機)的過程中所確定的溫度走勢。由於物質輸送、過濾和各種轉向產生的壓力損失導致通過摩擦向聚合物料傳入熱量，從而在總體上提高溫度水準。曲線B(管道中心)和B’(管壁)表示根據WO 94/28213 A1的教導的分析，其中僅管壁得以冷卻。可以看出，隨著從溶液製備到加工的距離，以及在管道內的輸送過程中，溫度不一致性越來越大，這可通過兩條曲線B和B’的偏離得以印證。WO 94/28213 A1指出，專門用於溫度和熱量管理的管道系統中可產生至多15℃的溫度差。通過WO 94/28213的教導清楚看到，通過允許的溫度差在輸送的聚合物或纖維素溶液內形成和建立大的黏度差。如果不消除這種溫度和黏度不一致性，則不可避免地在下游加工工位元處導致形成產品不希望的產品缺陷，所述缺陷導致在紡絲或拉伸期間擠出物斷裂，與其他擠出物黏接，並由此產生不可使用的最終產品。
    第6圖：表示纖維素溶液在不同設備構型中的溫度走勢，其中描繪三種不同的溫度走勢C、D、E。
    C：在纖維素聚合物溶液的溶液製備之後，將物料輸送至篩檢程式，流過篩檢程式並進一步輸送以加工成成型體(擠出)。在曲線走勢C的情況下，僅排出換熱器的耗散熱。
    D：在纖維素聚合物溶液的溶液製備之後，將物料輸送至篩檢程式，流過篩檢程式並進一步輸送以加工成成型體。在曲線走勢D的情況下，不僅排出換熱器的耗散熱(這有助於溫度和黏度的一致性)，還排出由升壓泵、以及由篩檢程式引起的熱量。
    如由曲線D可見，在輸送路徑上，在整個換熱器管道橫截面積上，以及在換熱器管道體積上達到溫度和黏度的一致性。此外還在整個換熱器管道走向上實現物料溫度的一致性。
    E：用根據本發明的系統還可如下進行流體溫度的控制，在希望流體溫度提高的情況下，在壓力損失方面如下設計換熱器管道的尺寸，使得通過換熱器上的摩擦熱引起所希望的溫度升高。通過將換熱器管道的結構設計成間接引導換熱器，使得能夠除了通過換熱器上的摩擦傳入熱量之外，還通過引入換熱器管道的換熱器流體附加地引入熱量，從而提高纖維素溶液的溫度。
    第7圖：表示排出的熱量與換熱器直徑/表面積的關係。此外提供關於單個換熱器的熱流密度的選擇區域，其中存在不同換熱器的最佳區域。
    - 在區域1內：內部僅有靜態混合器，並通過換熱器外殼上的調溫元件進行外部調溫。
    - 在區域2內：內部調溫的管道靜態混合器。
    - 在區域1,2內：所述區域內任選存在靜態混合器或內部調溫的管道靜態混合器。直線“最小熱流密度”表示例如為使產生的摩擦熱通過管道和混合器傳入目標溫度為95℃的流體混合物纖維素/NMMO/水中而排出的最小熱量。實線表示最佳的排出熱量。
    第8a及8b圖：顯示了不具有換熱器的流過流體的管的橫截面溫度分佈。第8a圖：直徑為25毫米的管；第8b圖：直徑為100毫米的管。溫度曲線由上至下顯示了分佈1)入口處，b)1米後，c)3米後和d)出口處(10米後)。
    1‧‧‧換熱器
    2‧‧‧外殼
    3‧‧‧內部區域
    4‧‧‧冷卻介質管道
    5‧‧‧引導區域
    6‧‧‧盤繞區域
    8‧‧‧冷卻介質入口
    9‧‧‧冷卻介質出口
    权利要求:
    Claims (16)
    [1] 一種換熱器管道系統，其用來輸送黏稠流體，其具有大量作為管道元件的單個換熱器，且沿管道系統或在管道橫截面內具有預定控制的溫度及/或壓力分佈，其特徵在於，按管道系統的規則間距設置作為管道元件的換熱器，其中選擇所述規則間距，以便沿管道系統保持預定的溫度及/或壓力分佈，其中在換熱器內設置調溫元件以調節流體的溫度，以及任選的混合元件，以便根據管道橫截面在管道橫截面內保持預定的溫度及/或壓力分佈，並且其中換熱器管道系統長度的至少30%配備換熱器。
    [2] 如申請專利範圍第1項所述的換熱器管道系統，其特徵在於，換熱器的至少一個調溫元件是載熱體管道或載熱體外殼。
    [3] 如申請專利範圍第1或2項所述的換熱器管道系統，其特徵在於，具有沿管道系統走向減小的階梯式單個換熱器內徑。
    [4] 如申請專利範圍第1至3任一項所述的換熱器管道系統，其特徵在於，具有至少一個分支元件。
    [5] 如申請專利範圍第1至4任一項所述的換熱器管道系統，其特徵在於，換熱器管道系統的第一管段的內徑與第二管段的內徑之比至多為5：1，較佳選擇至少為10：9。
    [6] 如申請專利範圍第1至5任一項所述的換熱器管道系統，其特徵在於，其具有在換熱器內部帶有調溫元件的換熱器，較佳選擇當換熱器內徑至少為90毫米時。
    [7] 如申請專利範圍第1至6任一項所述的換熱器管道系統，其特徵在於，其具有在換熱器內腔之外帶有調溫元件的換熱器，所述調溫元件較佳選擇為調溫外殼，其中換熱器的內徑較佳選擇至多為130毫米。
    [8] 如申請專利範圍第1至7任一項所述的換熱器管道系統，其特徵在於，在換熱器系統的橫截面內及/或在縱向上預定的溫度差至多為5℃。
    [9] 如申請專利範圍第1至7任一項所述的換熱器管道系統，其特徵在於，在至少一個管段內腔內包含混合元件。
    [10] 如申請專利範圍第6及9項所述的換熱器管道系統，其特徵在於，混合元件和調溫元件是換熱器內部的載熱體管道。
    [11] 如申請專利範圍第10項所述的換熱器管道系統，其特徵在於，內置的載熱體管道具有外殼方向上的引導區域和盤繞區域。
    [12] 如申請專利範圍第1至11任一項所述的換熱器管道系統，其特徵在於，換熱器管道系統為至少1米長，較佳選擇至少2米長，較佳選擇至少4米長，較佳選擇至少6米長，較佳選擇至少8米長，較佳選擇至少10米長。
    [13] 如申請專利範圍第1至12任一項所述的換熱器管道系統，其特徵在於，調溫元件佔據換熱器管道系統長度的至少60%。
    [14] 如申請專利範圍第1至13任一項所述的換熱器管道系統，其特徵在於，其與用來在壓力下輸送黏稠介質的泵、篩檢程式、過壓調節器或其組合操作性連接。
    [15] 如申請專利範圍第1至14任一項所述的換熱器管道系統，其特徵在於，在換熱器內部具有載熱體管道，其中在換熱器橫截面內，載熱體管道佔據內橫截面積的至多40%。
    [16] 一種通過如申請專利範圍第1至15任一項所述的換熱器管道系統輸送黏稠流體的方法，特別是其中黏稠流體是熱不穩定的，較佳選擇纖維素溶液及/或生物聚合物溶液，較佳選擇選自多糖、蛋白質、核酸或其混合物。
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    法律状态:
    优先权:
    申请号 | 申请日 | 专利标题
    EP20110179852|EP2565572A1|2011-09-02|2011-09-02|Wärmetauscherleitungsystem|
    CN201220002237XU|CN202757508U|2011-09-02|2012-01-05|换热器管道系统|
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