TWI404903B - 用於流體媒介物熱交換及混合處理之設備 - Google Patents

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TWI404903B TW096147679A TW96147679A TWI404903B TW I404903 B TWI404903 B TW I404903B TW 096147679 A TW096147679 A TW 096147679A TW 96147679 A TW96147679 A TW 96147679A TW I404903 B TWI404903 B TW I404903B
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Description

用於流體媒介物熱交換及混合處理之設備
本發明係有關於一種用於流體媒介物，特別是低黏性流體以及高黏性流體，熱交換及混合處理的設備。該設備滿足一熱交換功能及一混合功能，其中一第一流體及至少一其它流體流經該設備。熱交換發生在該設備內介於該第一流體，該熱交換器流體與該至少一其它流體之間。該其它的流體的熱交換以及混合是依據申請專利範圍第1項的前言部分在該設備內被實施。該設備可額外地被設計為一反應器，一化學反應可在其內發生。
一種用於低黏性媒介物以及高黏性媒介物的熱交換與混合處理的設備可見於德國專利第DE 2839564號。
本發明的目的是要提供一種關於上述結構的改良藉以提高混合物的均質性(homogeneity)，且該設備特別適合高黏性流體的處理。此外，可發生流體的更佳的混合。
本發明的此目的可由用於流體媒介物的熱交換及混合處理之設備來達成。該設備包括一外殼，其內設置有裝置。裝置包括一第一中空結構及一第二中空結構。一第一流體能夠流經該第一中空結構與該第二中空結構及一第流體能夠流動於該第一中空結構與該第二中空結構周圍。該第 一中空結構與該第二中空結構係相關於該第一中空結構是被交叉安排。中空結構具有一具一第一寬度B1與一第二寬度B2的流動截面，且B1/B2大於1及B1被垂直於一平面定向，該平面包含該外殼的縱長軸或一平行於該縱長軸的直線與中空結構的一軸線的直線。由於使用中空結構來將流體均質化，因而可達到更佳的停駐時間分布(residence－time distribution)。該設備可如一混合器或如一熱交換器或如一結合式熱交換反應器般地作用。依據一較佳的實施例，中空結構包括多個連接件，流入到中空結構的內部中之該第一流體的一強制偏轉可經由該等連接件被實施。依據進一步的實施例，該外殼是由一形成一雙套管(double jacket)之一內壁本體及一外壁本體來形成，一第一流體可流經該雙套管。中空結構延伸在該內壁本體的內部中且以交叉的方式來安排且該第一流體的分流(part flow)被導入其內，使得該第一流體流經這些中空結構。一第二流體流動在中空結構的周圍且一熱交換發生在流經中空結構與流經該雙管壁的兩流體之間。
依據第一實施例，中空結構具有連接件，該第二流體沿著一主要流動方向流經該外殼的一入口截面，該主要流向係沿著該外殼的縱長軸被設置。該第一中空結構包括一第一區段，其平行於該縱長軸延伸且具有多個連接件，流入到該第一中空結構的內部中之該第一流體的一強制偏轉發生於該等連接件內。一第二區段被安排在一第一連接件與一第二連接件之間且該第一流體的中間流動方向至少部 分地以一相關於該第二區段的縱長軸的α角度延伸。該α角度被設定在該主要流動方向與該第一及第二連接件的軸線的共同切線之間。一第二中空結構被安排成與該第一中空結構相鄰且包括由連接件連接的區段，其中該第一流體的中間流動方向至少部分地以一相關於該縱長軸的β角度延伸。該α角度與該β角度在它們的符號及/或在它們的大小上是不相同的。依據一較佳實施例，該第一及第二中空結構被安排成彼此實質對稱，特別是交叉地對稱。依據一較佳實施例，該α角度與該β角度是相等的，但符號相反。該第一及第二連接件具有實質上半圓形的設計。因此，一中空結構的區段具有平行的配置。依據一進一步的實施例，該第一及第二連接件具有V型或U型設計。
依據一較佳的實施例，一中空結構是由一中空本體或多個彼此平行配置的中空本體所構成。裝置是由至少4個中空結構及至多12個中空結構構成的。該第二流體的一徹底的混合沿著該路徑經由該4至12個中空結構發生。
該第一中空結構及/或該第二中空結構被形成為實質平行延伸的一束管子，其中該束管子中的管子能夠相對於彼此稍微偏移及/或一預定的間隙被提供在管子與管子之間。此間隙窄到只有一小部分的第二流體能夠流經它。
中空結構具有一第一表面，該第二流體入射於該第一表面上且形成至少兩個分流(part flow)，一第一分流沿著該第一表面被導引及一第二分流其離開該第一表面並被導引進入一或多個流體體積。該流體體積被作成一稜柱體 其具有六個矩形表面，這六個矩形表面是由該第一及第二中空結構與一第二中空結構的邊緣所形成，使得一底面與一頂面，以及第一與第二側表面都是開放的且其它的側表面是由該第一表面與一第二表面的一部分形成的，使得該第二流體可流經該底面與該頂面，以及該第一與第二側表面。分流的一連續的分離與結合可藉此發生，該第二流體的重新排列與混合即可因此而發生。
選擇上地，一收集元件可被附裝在該外殼的一第二端或兩個中空結構或一中空結構的兩個中空本體可在該外殼的一第二端彼此相連接。
某些中空結構開放至該收集元件中使得該第一流體在流經該等中空結構之後被收集在該收集元件中。某些中空結構可被注入第一流體，從該收集元件開始，使得該收集元件至少部分地具有一分配元件的功能。選擇上地，一收集元件可被附裝在該外殼的一第一端或兩個中空結構或一中空結構的兩個中空本體可在該外殼的一第一端彼此相連接。
該第一及第二流體因而可以逆流或交叉逆流及以平行流或交叉平行流兩種方式被導向彼此。
該第二流體可包括成分，一化學反應在成分之間發生。當成分的重新排列與混合被改善及/或該應用需要一關於該設備體積的熱交換之縮小的表面時，一間距被提供在兩個相鄰的中空結構之間。
一種用於流體媒介物的熱交換及混合處理的方法被實 施於一設備中，該設備包括一外殼，其內設置有裝置且該裝置形成一第一中空結構及一第二中空結構。在第一步驟中，一第一流體流經該第一中空結構及該第二中空結構及一第二流體流動在該第一中空結構及該第二中空結構的周圍，其中該第一中空結構及該第二中空結構被安排成相關於彼此相交叉。該第二流體被中空結構偏轉，因為中空結構具有一流動截面其具有一第一寬度B1及一第二寬度B2，B1/B2大於1且B1被定向為垂直於一平面，該平面包含該外殼的縱長軸或一平行於該縱長軸的直線與中空結構的一軸線的直線，使得當流體流動於中空結構周圍時該流體即被混合。該設備是被用在高黏性流體，特別是聚合物或食品，的熱交換與混合處理上。
圖1顯示依據本發明的第一實施例之一種用於熱交換期間的流體的混合的設備。該設備包括一外殼2，其內設置有裝置4。該外殼2在圖1中被部分地切開用以讓其內部空間可被看到。裝置4包括一第一中空結構5及一第二中空結構105。一第一流體6可流經該第一中空結構5及該第二中空結構105且一第二流體7可根據該設備的結構而在一與主要流動方向76相同或相反的方向上流動於該第一中空結構與該第二中空結構周圍。每一中空結構(5，105)都是由多個中空本體(71，72，73，171，172，173)構成，它們彼此相鄰地被安排，彼此大致平行地延 伸且在它們對於該第二流體7的流動的影響上應被理解為一單一的流動障礙。在圖1中，中空本體(71，72，73，171，172，173)被作成具有圓形截面的管子。中空本體71在第一端74處被夾入到基座60中且延伸進入到該外殼2的內部空間中。中空本體71結束於偏轉元件59內並開口進入到中空本體72中，它被安排成與該中空本體71平行且從該偏轉元件59向上延伸至基座60。因此，中空本體71及72以一迴圈的形式將該第一流體6引導通過該外殼2的內部空間。該中空本體71因而形成一用於該第一流體6之一封閉的通路，該第一流體6在一與中空本體72相反的方向上流經該中空本體71。該偏轉元件59亦可開放至其它中空本體(73，171，172，173或其它)中且亦在垂直於該縱長軸3的方向可具有一較長的長度，如圖2所示。除了一迴圈的配置之外，該等中空本體可如歐洲專利第EP06118609號所揭內容般加以安排。
該基座60可包括艙室，該等中空本體可延伸至該等艙室中或中空本體可開口至該等艙室中且第一流體6可被注入該等艙室中及/或由艙室中被移走。再者，該基座60可包括開口，該第二流體7可經由該等開口流入該外殼或離開該外殼。這些開口未示於圖中。
該第一中空結構5與該第二中空結構105被彼此相交叉地加以安排。該第一中空結構5包括一第一區段8其平行於該縱長軸3延伸及多個連接件(9，11，13，15，17，19)，流入到該第一中空結構5內部中的第一流體6的 一強制偏轉在這些連接件內發生。一第二區段10被安排在一第一連接件9與一第二連接件11之間且該第一流體的該中間流動方向至少部分地以相關於該縱長軸3成α角度61延伸於該第二區段中，該α角度被設定在該縱長軸3與該第二區段10或與第二區段平行地延伸的第三區段12之間。如果該第二區段10不是一直線而是一所想要的彎曲件的話，則相鄰連接件(9，11)的兩個端點在該第一中空結構5的軸線上彼此相連接。被設定在此假想的筆直連接線與該縱長軸3之間的該角度對應於角度61。一第二中空結構105被安排在該外殼2的內部，該第一流體可流經該第二中空結構且該第二流體可流動於該第二中空結構周圍。第二中空結構105包括一第一區段108其平行於該縱長軸3延伸及多個連接件(109，111，113，115，117)，流入到該第二中空結構105內部中的第一流體6的一強制偏轉在這些連接件內發生。一第二區段110被安排在該第一連接件109與一第二連接件111之間且該第一流體的流動方向至少部分地以相關於該縱長軸3成β角度161延伸於該第二區段中，該β角度被設定在該縱長軸3與該第二區段110或與第二區段平行地延伸的第三區段112之間。裳文中有關於第一中空結構的敘述同樣適用於被形成為所想要的彎曲件之區段(110，112)上。上文的描述同樣適用在區段(14，16，18，20，114，116，118上。相鄰的中空結構(5，105)的第二區段(10，110)與第三區段(12，112)在圖1中係彼此相交叉地被安排。這同 樣適用於所示的所有其它區段上。在圖1所示的實施例中，該α角度61與β角度161具有實質相同的大小，但符號相反。在圖1中，連接件(9，11，13，15，17，19，109，111，113，115，117)係以半圓形的形狀被設計或具有一圓的圓弧形狀。中空結構(5，105)在一剖面平面上具有一流動截面，該剖面平面被安排成垂直於一中空結構的截面的軸線，其具有一第一寬度B1及一第二寬度B2，B1/B2大於1且B1被定向為垂直於一平面，該平面包含該外殼的縱長軸或一平行於該縱長軸的直線與中空結構(5，105)的一軸線。在此例子中，寬度B1代表屬於第一中空結構5之所有中空本體(71，72，73)或屬於第二中空結構105之所有中空本體(171，172，173)的寬度。寬度B2為中空結構的一中空本體的截面尺度或該中空結構的最小截面尺度。寬度B1為該中空結構之被安排成垂直於B2之截面尺度。中空結構5及中空結構105的寬度B1在此實施例中是相同的。屬於中空結構5的中空本體(71，72，73)被安排成彼此實質上相鄰，使得一組群的中空本體(例如，71，72，73的組群或171，172，173的組群)代表該第二流體7的流動障礙物。或者，一中空結構的中空本體亦可被安排成彼此稍微偏位。一間隙(未示出)亦可被保持在中空本體之間。只有一小部分的第二流體7可流經此間隙，大部分的第二流體在入射到該等中空本體之前即被偏轉，使得大部分的第二流體流動在中空結構的周圍或順著中空結構流動。同樣的描述亦適用於屬 於中哭結構105的中空本體(171，172，173)。一間距可同樣地被提供在相鄰的中空結構(5，105)之間。
位在緊鄰該外殼2之中空結構(5，105)的連接件被偏位地安排(未示於圖1中)用以更佳地利用可用之混合與熱交換空間。這表示，靠近邊緣之一第一中空結構5的連接件(9，11，13，15，17，19)或一第二中空結構105的連接件(109，111，113，115，117)被設計成管子轉彎處其在圖5所示的例子中被設計成彼此偏位，因為它們必需與外殼2的形狀相符。介於管子轉彎處與外殼之間的間距藉此偏位而被最小化。
圖2顯示依據第二實施例的設備的圖式。在下文中將只描述與圖1所示的實施例不同處之特徵。該第一中空結構5具有寬度B1及寬度B2，其中B1/B2的比值大於1，藉以在具有一實質上卵形的截面的中空本體內部形成一流動通路，相同的描述亦適用於第二中空本體105上。已參照圖1詳細說明的α角度及角度β在它們的符號上及/或在它們的大小上是不相同的。
圖3顯示穿過依據第一實施例的設備的縱長剖面。在此例子中，相鄰的中空本體(371，372，373)從觀看者的視野來看被依序的安排。圖3為一沿著一剖面平面的截面，該剖面平面包含該縱長軸3並平行於包含依據圖1所示的第一中空結構5的平面。該中空結構304被安排成與該縱長軸3成一β角度161。被安排成與該縱長軸3成一α角度61的中空結構405可從中空結構305的後面被部 分地看到。在此特殊的例子中，該α角度61及β角度161在大小上是相同的且都約等於45度。與圖1相反的是，有更多的連接件被提供。依據一變化例，中空結構至少可部分地用沒有內部中空空間的結構或具有第一流體不能流過的內部中空空間的結構來取代。這些變化例在所需要的熱交換表面很小時可被使用。
圖4顯示穿過圖3的設備的另一縱剖面圖，其剖面平面係垂直於圖3的剖面平面。中空結構(5，105，205，305，405，505，605，705)被作成中空本體束，在此例子中，為具有圓形截面的管子束。每一中空結構都具有一第一寬度B1及一第二寬度B2，B1/B2的比值大於1且B1被定向為垂直於一平面，該平面包含該外殼的縱長軸或一平行於該縱長軸的直線與中空結構(5，105)的一軸線。在此例子中，寬度B1為屬於一中空結構之一中空本體束的寬度。在此例子中，中空結構(105，205，305，405，505，605，705)的B1/B2的比值為3。在位於邊緣處的中空結構中，B1/B2的比值為2。從圖4中可進一步看出的是，有多個中空結構(5，105，205，305，405，505，605，705)被提供。已被證實的是如果使用4至12的中空結構的話則混合效果將會很理想。至少一些中空結構可根據圖2的實施例來加以設計。所有中空結構都被安排在該外殼內，但並未示於此圖中。該外殼較佳地具有一圓形截面，特別是當該第二流體7必需於高壓下被輸送通過設備時。為了將可用的混合空間作最佳的利用，中空結構最 好是以具有D1直徑之封包的(enveloped)圓筒方式加以安排。方形或具形的外殼形狀亦可被用來取代圓形的外殼形狀，特別是在內部壓力與環境壓力沒有實質上相差太大時。因此，寬度B1對圖4中之整體中空結構的直徑D1的比值係介於1/12至1/4之間。間距或導引件75並未在此處被加以考量。直徑D1與外殼的內徑之間的差異應儘可能地小用以避免對於混合物的均質性有負面影響的邊際效應出現。為了要避免間際效應，扇形的導引件75可被安裝到設置在邊緣處的中空本體上，用以確保邊際流亦會偵測且被偏轉。
依據圖1，3或4的設備是由管形外殼製成且中空結構是由安排於外殼內之管形迴區所製成。在圖7所示的圖式中中空結構為了簡化的理由而以帶狀形式來顯示。帶子的寬度相當於之前所界定的數值B1。一最佳的均質性係由將於下文中詳細說明之該第二流體7的流動因該等帶子的構成形態所產生的偏轉在上文中描述的封包式圓筒的整個截面上造成的的混合品質及熱交換結果來表示。流經該外殼之該第二流體7可被觀察到一明顯的塞流(plug flow)行為，其在圖6中係以實驗系列(trial series)被顯示。具有該塞流行為之依據本發明的設備特別適合高黏性牛頓流體及非牛頓流體其尤其易於此技藝中習知之通道(channeling)及分配不均的效果及/或具有一對於具有大的熱產生或大的熱消耗的反應的停駐時間(residence time)很關鍵的行為。該混合效果及熱傳遞功率在4一12個中空 結構的配置下是最佳的，特別是對於上文中提到的流體種類而言。
圖5顯示穿過圖3的設備的剖面，其係被安排在垂直該設備的縱長軸的平面上。圖5中特別顯示出來的是，一第一中空結構405之多於兩個區段(424，426，428，430，432，434，436)被此一剖面平面切到。中空結構405的此一部分元件477被該中空結構的區段432及434側向地結合。第二流體流經此部分元件477以及在同一中空結構405中之相鄰的部分元件以及相鄰的中空結構(5，105，205，305，405，505，605，705)中之類似的部分元件(77，177，277，377，477，577，677，777)。部分元件477的圖式相當於圖8中所示的稜柱體的兩個側表面的投影。如果該等側表面相關於該第二流體之主要流動方向76(圖8)傾斜大小相同但符號相反的α角度與β角度的話，則此投影表面該稜柱體的一角線。因此，該第二流體7成比例地流經每一部分元件477。側邊都是由中空結構405的中空本體所形成之部分元件477被安排成與示於圖5中之部分元件377或577相偏移。在此例子中，該中空結構405以及其它中空結構(5，105，205，405，505，605，705)之多於兩個的區段(424，426，428，430，432，434，436)亦在該剖面平面上。位在圖5的最上面與最下面邊緣區域內的邊際元件(77，777)在此實施例中具有比部分元件(177，277，377，477，577，677，777)小的表面。該邊緣區域包含一扇形的導引件75用來 防止該第二流體7的一大部分未能參與混合，而延著該外殼的內壁及沿著其它開放的邊緣區域流動。此一流動行為亦會發生在圖6所示的先前技藝的熱交換反應器中。該混合物的均質性不足且熱交換未達一充分的程度。
圖6顯示由兩種成分組成的第二流體沿著該設備的縱長軸之漸進的混合。該第二流體7亦可由多於兩種成分來組成。依據圖4所示的實施例之設備1的上部被示出。兩列剖面被提供在圖的下方且它們是在該設備之被標示的連接線的位置處所取的剖面。上面一列的剖面顯示由兩種具有不同顏色的成分組成的第二流體7的混合的進程。下面一列的剖面顯示兩種成分在依據先前技藝的設備中的混合。從圖6可以很明顯看出的是，成分在走過約一半的混合路徑之後的混合被呈現出來及該混合物在該後半段混合路徑中發生持續的均質化，使得發生在前半段混合路徑中之繩股形態(strand formation)大部分都消失掉。經過長度約為該設備的直徑D1數值的2.5倍的混合路徑之後，即可獲得一實質均質的混合物。在依據先前技術的設備(即，未包括任何B1/B2的比值大於之中空結構，只包括相對於彼此交叉地安排的管子的設備)中，在同一混合路徑上並沒有兩種成分之實質的混合發生，只有在45至90度之間有特定的重新排列發生。即使是在排放區中，仍然是有一大塊區域是由黑色的成分主導以及有一塊區域是有白色成分在主導。因此，圖6清楚地顯示出依據本發明的設備達成了一令人意外的效果。
圖7顯示用來說明裝置的混合效果的設備的示意圖。第二流體7在中空結構周圍的流動行為是可以與圖7中所示之帶子周圍的流動行為相比擬的。該第二流體沿著一主要流動方向76流經該外殼2的一入口截面，該主要流動方向係大致沿著該外殼2的縱長軸3被設置。如果第二流體7被偏轉到一中空結構(5，105，205，305)上的話，該流動被偏轉且一熱傳遞接著發生，其中該第二流體7不是被加熱就是被冷卻。該第二流體7因而以B1寬度被入射到該中空結構(5，105，205，305)的表面上。在圖7中，只有此中空結構配置的一段被示出；為了簡化圖式及為了提高清晰性起見，至有四個相鄰的中空結構(5，105，205，305)被示出。第一中空結構5包括多個區段(10，12，14，16，18)其被安排成與該縱長軸3成一α角度61及多個連接件(9，11，13，15，17)其被安排在區段(8，10，12，14，16，18)之間。第二中空結構(105，305)包括多個區段(110，112，114，116，118，120)其被安排成與該縱長軸3成一β角度161及多個連接件(109，111，113，115，17，119，121)其被安排在區段(108，110，112，114，116，118，120)之間。中空結構205具有與中空結構5相同的設計及中空結構305具有與中空結構105相同的設計，使得這兩個中空結構將不再加以詳細說明。
圖8顯示圖1，7，11及12的四個中空結構(5，105，205，305)的一區段以及用來說明第二流體7的流動的 流體體積的代表。該第二流體7的主要流動方向76示意地以一箭頭來表示。該中空結構5的區段10及區段12的一部分以及中空結構105的區段112與區段114的一部分被安排成相對於彼此交叉。該中空結構205的區段210及區段212的一部分以及中空結構305的區段312與區段314的一部分被安排成相對於彼此交叉。區段(10，12，112，114，210，212)的交叉點被標記為A，B，C，D，E，F，G，H。如果這些區段以非常薄之扁平的帶子的簡化形式來表示(，即，B2驅向於零)的話，則一由交叉點A，B，C，D，E，F，G，H(其構成一角柱，特別是一具有角落點A，B，C，D，E，F，G，H之平行六面體)所界定出的流體體積被示於圖8的右手邊部分。該流體體積70具有一第一表面68其係由角落點A，D，H，E為界且由第二中空結構105的第二區段112的一部分來形成。該流體體積70具有一第二表面69其係由角落點B，C，G，F為界且由第二中空結構105的區段114的一部分來形成。因此，該中空結構(5，105)具有一第一側表面68，該第二流體7入射於其上且該第一分流66沿著此側表面被導引。一第二分流67離開該側表面68且被引導進入該流體體積70中，進入設置於其底下的流體體積170內或進入設置於其上方的流體體積中。該流體體積70包括一具有角落點E，F，G，H的底表面62及一具有角落點A，B，C，D的頂表面63以及一具有角落點ABEF的第三側表面64及具有角落點C，D，G，H的第四側表面，其 中側表面64與65是開放的且第一側表面68是由區段112形成的且第二側表面69是由區段114形成的。該第二流體7因而可流經底表面62，該頂表面63及第三與第四側表面(64，65)，使得分流的連續分開與結合可發生，第二流體7的重新組合與混合可藉以發生。一與流體體積70相鄰接的流體體積170為了要在圖中被更清楚地看到所以在圖8的右手邊它被畫得偏移其在該設備中之位置。該流體體積170被設置在流體體積70的正下方。流體體積170相類似地被形成為一矩形的稜柱且由角落點E，F，G，H，I，J，K，L來界定邊界。流體體積70與流體體積170具有一共用的底表面或頂表面62其係由角落點E，F，G，H界定的。具有角落點G，H，K，L的側表面165是由中空結構205的區段210形成的。該第二流體7經由具有角落點E，H，I，L之開放的側表面168進入，一第一分流166被該區段210包括之相對於該第二流體7之沿著該縱長軸3延伸的主要流動方向的α角度61偏轉(參見圖7)。另一分流167經由具有角落點E，F，G，H的頂表面62離開及另一分流180經由具有流體體積170的角落點I，J，K，L的底表面162離開。分流(67，167)的進入與離開經由此頂表面或底表面62同時發生，使得該第二流體7的混合得以發生。
用於流體媒介物的熱交換及混合處理的設備的另一實施例被示於圖9中。在圖9所示的例子中，外殼2被切開且裝置的下部被示出且被畫成在垂直方向偏移，使得被形 成為第一與第二中空結構(5，105，205，305)的裝置4至少部分可被看見。裝置的一部分為了簡化的理由被省略掉。連接件(11，13，15，111，211，213，311，313)被作成V型。依據此實施例，流動於中空結構(5，105，205，305)內的第一流體6在某些中空本體(71，72，73)中可被引導於相反方向上。此外，第一流體6進入到中空本體內可發生在外殼的一第一端，而離開則發生在位於外殼的相反端處的另一端，其未示於圖中。α角度61與γ角度91被交替地界定在外殼2的縱長軸3與第一中空結構(5，205)的區段(10，12，14，210，212，214)所形成的V型區段的臂之間。β角度161與δ角度191被交替地界定在外殼2的縱長軸3與第一中空結構(105，305)的區段(110，112，114，310，312，314)所形成的V型區段的臂之間。α角度與γ角度或β角度與δ角度現相關於該縱長軸被同一中空結構的區段明白地交替界定，但示於圖7與8中之第二流體7的流體流動模式將以相同的方式被使用在此實施例與將於下文中說明之圖10所示的變化例中。一進一步的可能性包含提供第一流體6的離開並進入到一收集單元或收集器中。至少該第一流體6的分流被引導收集於此收集單元內且接著再度被分配至該第一與第二中空結構(5，105，205，305)，其未示於圖中。
圖10顯示圖9的實施例的一變化例，其使用到圖2所示的中空結構。示於圖7與8中之混合原理亦由V型設 計的臂來實施，這些V型臂以不同的α角度與γ角度以及β角度與δ角度被安排。
圖11顯示依據第三實施例之用於流體媒介物的熱交換及混合處理的設備，根據此實施例該第一中空結構(5，205，405，605)與第二中空結構(105，305，505)被相對於彼此交叉地設置。參見圖12的左手邊來說明中空結構。外殼2被作成一雙套管，第一流體6流動於其內部。一分離元件78被安排在該雙套管的壁體(79，811)之間且在該雙套管的內部之相反流向的區域可藉此彼此被分開來。在此實施例中壁體(79，81)被作成同心圓柱。多個第一與第二中空結構(405，505)被安裝到該內壁體79上且第二流體7可流動在它們的周圍。該第二流體7的主要流動方向被設置在該縱長軸3的方向上。因為流體7被入射到延伸於壁體79的內部中之中空結構(5，105，205，305，405，505，605)上，所以它被這些裝置4(即，第一與第二中空結構(5，105，205，305，405，505，605)整體)偏轉。第一中空結構(5，205，405，605)與第二中空結構(105，305，505)每一者都可用多個圖1，3，4，5，9中所示的中空本體來組成。該第一中空結構(5，205，405，605)包括一相關於該縱長軸3的α角度61；第二中空結構(105，305，505)包括一相關於該縱長軸3的β角度161。依據一較佳的變化例，該α角度61與β角度161可具有相同的大小，但符號相反。第一流體6在此例子中並沒有如圖1所示般地流入位在一底座60上 的中空結構中，而是流到內壁體79的內壁上。圖8所示的實施例以及參照該圖所作的描述內容亦可被用在此實施例上，因為九相鄰中空結構的交叉配置。
圖12顯示兩個穿過圖11所示的實施例的設備的剖面。圖12的左手邊部分顯示穿過外殼2的徑向剖面。內壁體79與外壁體81是被切開來展示的。用於第一流體的引入與排放的短管(stub)(82，83)在此剖面是看不到的。兩個分開元件78被安排在內壁體79與外壁體81之間。
圖12的右手邊部分顯示穿過外殼2的縱長向剖面並顯示出第一流體6的流動方向。經由該入口短管82進入到介於該內壁體79與外壁體81之間的中間空間的第一流體6流經此中間空間並進入到被交叉地安排的第一與第二中空結構(5，105，205，305，405，505，605)。第一流體可交叉地流經中空結構且分流被引入到該外殼2的下半部由該內壁體79與外壁體81所界定的中間空間內並經由排放短管83排出。該第二流體7在該內壁體79內流動並被中空結構(5，105，205，305，405，505，605)偏轉。一熱交換沿著中空結構以及在內彼體79的表面上同時發生。在此處，一收集元件只有在一大部分的第一流體6形成一旁通路徑並在不流經中空結構(5，105，205，305，405，505，605)下再次流出該設備的情況可避免掉時才是有其意義。該收集元件84被安裝到該外殼2的第二端上。一些中空結構開口至該收集元件84中使得第一 流體6在其流經中空結構之後被收集於該收集元件84中。某些中空結構可被注入第一流體6，從該收集元件開始，使得該收集元件至少部分地具有一分配元件的功能。該收集元件具有一阻擋件85其可防止第一流體6形成一不流經中空結構的旁通路徑。該阻擋元件85可被作成環狀且具有一通道以供第二流體7進入，如此流入的第二流體與被導引於雙套管內的第一流體6係以相反流的方式流動，或與被導引於中空結構中第一流體6係以交叉流的方式流動。
相反地，如果第二流體7經由一安排在該阻擋元件內的路徑離開的話，且如果該流動是在雙套管內的話則第一流體6與第二流體7的流動彼此係以平行流的方式流動，另如果該第一流體6係流動於中空結構內的話，則第一流體6與第二流體7的流動彼此係以交叉流的方式流動。在圖12中B1/B2的比值大於1。第二流體7的混合與熱交換因而獲得意料之外的改善。
1‧‧‧設備
2‧‧‧外殼
5‧‧‧第一中空結構
6‧‧‧第一流體
7‧‧‧第二流體
105‧‧‧第二中空結構
76‧‧‧主要流動方向
71‧‧‧中空本體
72‧‧‧中空本體
73‧‧‧中空本體
171‧‧‧中空本體
172‧‧‧中空本體
173‧‧‧中空本體
74‧‧‧第一端
60‧‧‧底座
59‧‧‧偏轉元件
3‧‧‧縱長軸
8‧‧‧第一區段
9‧‧‧連接件
11‧‧‧連接件
13‧‧‧連接件
15‧‧‧連接件
17‧‧‧連接件
19‧‧‧連接件
10‧‧‧第二區段
61‧‧‧α角度
12‧‧‧第三區段
108‧‧‧第一區段
109‧‧‧連接件
111‧‧‧連接件
113‧‧‧連接件
115‧‧‧連接件
117‧‧‧連接件
14‧‧‧區段
16‧‧‧區段
18‧‧‧區段
20‧‧‧區段
114‧‧‧區段
116‧‧‧區段
118‧‧‧區段
371‧‧‧中空本體
372‧‧‧中空本體
373‧‧‧中空本體
305‧‧‧中空結構
405‧‧‧中空結構
161‧‧‧β角度
505‧‧‧中空結構
605‧‧‧中空結構
705‧‧‧中空結構
75‧‧‧導引件
424‧‧‧區段
426‧‧‧區段
428‧‧‧區段
430‧‧‧區段
432‧‧‧區段
434‧‧‧區段
436‧‧‧區段
477‧‧‧部分元件
77‧‧‧部分元件
177‧‧‧部分元件
277‧‧‧部分元件
377‧‧‧部分元件
577‧‧‧部分元件
677‧‧‧部分元件
777‧‧‧部分元件
120‧‧‧區段
119‧‧‧連接件
121‧‧‧連接件
210‧‧‧區段
212‧‧‧區段
312‧‧‧區段
314‧‧‧區段
A－L‧‧‧交叉(角落)點
70‧‧‧流體體積
171‧‧‧流體體積
62‧‧‧底表面
63‧‧‧頂表面
64‧‧‧第三側表面
65‧‧‧第四側表面
68‧‧‧第一側表面
69‧‧‧第二側表面
164‧‧‧側表面
165‧‧‧側表面
166‧‧‧第一分流
168‧‧‧側表面
67‧‧‧分流
167‧‧‧分流
311‧‧‧連接件
313‧‧‧連接件
214‧‧‧區段
310‧‧‧區段
78‧‧‧分離件
79‧‧‧壁體
81‧‧‧壁體
84‧‧‧收集元件
85‧‧‧阻擋元件
本發明將於下文中參照附圖加以說明。
圖1為依據本發明的第一實施例的設備的視圖；圖2為依據本發明的第二實施例的設備的視圖；圖3為依據本發明的第一實施例的設備的縱剖面圖。
圖4為圖3的設備的另一縱剖面圖，其中圖4的剖面平面係垂直於圖3的剖面平面； 圖5為一穿過圖3的設備的剖面圖，其中圖5的剖面平面垂直於該設備的縱長軸；圖6為由兩種成分組成的第二流體沿著該設備的縱長軸逐漸混合的代表圖；圖7為該設備之用來說明該等裝置的混合效果的示意圖；圖8顯示圖7的細節以及用來說明該流動的流體體積的代表；圖9顯示具有V型偏轉的第一實施例；圖10顯示圖9之具有V型偏轉的第一實施例的變化例；圖11為依據本發明的第三實施例的設備的視圖；及圖12顯示穿過依據第三實施例的設備的兩個剖面。
2‧‧‧外殼
5‧‧‧第一中空結構
6‧‧‧第一流體
7‧‧‧第二流體
105‧‧‧第二中空結構
76‧‧‧主要流動方向
71‧‧‧中空本體
72‧‧‧中空本體
73‧‧‧中空本體
171‧‧‧中空本體
172‧‧‧中空本體
173‧‧‧中空本體
74‧‧‧第一端
60‧‧‧底座
59‧‧‧偏轉元件
3‧‧‧縱長軸
8‧‧‧第一區段
9‧‧‧連接件
11‧‧‧連接件
13‧‧‧連接件
15‧‧‧連接件
17‧‧‧連接件
19‧‧‧連接件
10‧‧‧第二區段
61‧‧‧α角度
12‧‧‧第三區段
108‧‧‧第一區段
109‧‧‧連接件
111‧‧‧連接件
113‧‧‧連接件
115‧‧‧連接件
117‧‧‧連接件
14‧‧‧區段
16‧‧‧區段
18‧‧‧區段
20‧‧‧區段
114‧‧‧區段
116‧‧‧區段
118‧‧‧區段
161‧‧‧β角度

Claims (22)

  1. 一種用來將流體的輸送與熱交換混合的設備，包括一外殼(2)，其內設置有裝置(4)，裝置(4)包括一第一中空結構(5)及一第二中空結構(105)且一第一流體(6)能夠流經該第一中空結構(5)與該第二中空結構(105)及一第二流體(7)能夠流動於該第一中空結構與該第二中空結構周圍，該第一中空結構(5)與該第二中空結構(105)係相關於彼此被交叉地安排，其特徵在於中空結構(5，105)具有一具一第一寬度B1與一第二寬度B2的流動截面，且B1/B2大於1及B1被垂直於一平面定向，該平面包含該外殼的縱長軸(3)或一平行於該縱長軸的直線與中空結構(5，105)的一軸線的直線。
  2. 如申請專利範圍第1項之用來將流體的輸送與熱交換混合的設備，其中該第二流體(7)沿著一主要流動方向(76)流經該外殼(2)的一入口截面，該主要流動方向係實質上沿著該外殼的縱長軸(3)被設置。
  3. 如申請專利範圍第1或2項之用來將流體的輸送與熱交換混合的設備，其中裝置(4)是由至少4個且至多12個中空結構(5，105)構成的。
  4. 如申請專利範圍第1項之用來將流體的輸送與熱交換混合的設備，其中中空結構(5，105)包括多個連接件(9，11，13，15，17，19至51，109，111，113，115，117，119至151)，流入到中空結構(5，105)內部中之該第一流體(6)的一強制轉向係在該等連接件被實施。
  5. 如申請專利範圍第4項之用來將流體的輸送與熱交換混合的設備，其中該第一中空結構(5)包括一第一區段(8)，其平行於該縱長軸(3)延伸且具有多個連接件(9，11，13，15，17，19至51)，流入到該第一中空結構的內部中之該第一流體(6)的一強制偏轉發生於該等連接件內，一第二區段被安排在一第一連接件與一第二連接件之間，在該第二區段中，該第一流體(6)的中間流動方向至少部分地以一相關於該第二區段的縱長軸(3)的α角度(61)延伸。
  6. 如申請專利範圍第5項之用來將流體的輸送與熱交換混合的設備，其中一第二中空結構(105)被安排成與該第一中空結構(5)相鄰且該第二中空結構(105)包括由連接件(109，111，113，115，117，119至151)連接的區段(108，110，112，114，116，118至152)，其中該第一流體的中間流動方向至少部分地以一相關於該縱長軸(3)的β角度(161)延伸。
  7. 如申請專利範圍第5或6項之用來將流體的輸送與熱交換混合的設備，其中該α角度(61)與該β角度(161)其符號及/或其大小是不相同的。
  8. 如申請專利範圍第7項之用來將流體的輸送與熱交換混合的設備，其中該α角度(61)與該β角度(161)是實質相等的，但具有相反的符號。
  9. 如申請專利範圍第5或6項之用來將流體的輸送與熱交換混合的設備，其中至少一些連接件的形狀被作成實 質半圓形。
  10. 如申請專利範圍第5或6項之用來將流體的輸送與熱交換混合的設備，其中至少一些連接件被作成V型或U型。
  11. 如申請專利範圍第1項之用來將流體的輸送與熱交換混合的設備，其中該第一中空結構(5)或多個第一中空本體(71，72，73)且該第二中空結構(5)包括一第二中空本體或多個第二中空本體(171，172，173)。
  12. 如申請專利範圍第11項之用來將流體的輸送與熱交換混合的設備，其中該第一中空本體(71，72，73)及/或該第二中空本體(171，172，173)在每一例子中都被作成實質平行延伸的管子束。
  13. 如申請專利範圍第12項之用來將流體的輸送與熱交換混合的設備，其中一束中空本體(71，72，73)係相關於彼此稍微偏位。
  14. 如申請專利範圍第12或13項之用來將流體的輸送與熱交換混合的設備，其中一既定的間隙被提供在一束中空本體(71，72，73)之間。
  15. 如申請專利範圍第1項之用來將流體的輸送與熱交換混合的設備，其中中空結構(105)具有一第一表面(68)，該第二流體(7)入射於該第一表面上且一第一分流(part flow)(66)沿著該第一表面被導引及一第二分流(67)其離開該第一表面(68)並被導引進入一流體體積(70)，或進入設置於其上或其下的流體體積(170 )，該流體體積(70)被作成一稜柱體其具有6個矩形表面，其是由3個相鄰的中空結構的邊緣所形成且被角落點(A，B，C，D，E，F，G，H)連結起來，使得一底表面(62，E，F，G，H)與一頂表面(63，A，B，C，D)，以及第一與第二側表面(64，A，B，E，F及65，C，D，G，H)都是開放的且其它的側表面是由該第一表面(68)與一第二表面(69)的一部分形成的，該第二流體(7)能夠流經該底表面(62)，該頂表面(63)，以及該第一與第二側表面(64，65)，使得該等分流的一連續的分離與結合可發生，該第二流體(7)的重新排列與混合即可藉此發生。
  16. 如申請專利範圍第1項之用來將流體的輸送與熱交換混合的設備，其中一收集元件(84)被附裝在該外殼(2)的一第二端，至少一些中空結構(5，105)可開口至該第二端中。
  17. 如申請專利範圍第14項之用來將流體的輸送與熱交換混合的設備，其中一些中空結構(5，105)可從該收集元件(84)開始被注入第一流體(6)。
  18. 如申請專利範圍第1項之用來將流體的輸送與熱交換混合的設備，其中該第一及第二流體可相對於彼此以逆流方式或相對於彼此以交叉流方式或相對於彼此以平行流方式或相對於彼此以交叉平行流方式被引導。
  19. 如申請專利範圍第1項之用來將流體的輸送與熱交換混合的設備，其中該第二流體(7)包含成分，一化 學反應在成分之間發生。
  20. 如申請專利範圍第1項之用來將流體的輸送與熱交換混合的設備，其中一間距被提供在兩個相鄰的中空結構(5，105)之間。
  21. 一種用於流體媒介物的熱交換及混合處理的方法，該方法被實施於一設備中，該設備包括一外殼(2)，其內設置有裝置(4)，裝置(4)形成一第一中空結構(5)及一第二中空結構(105)，其中，在一第一步驟中，一第一流體(6)流經該第一中空結構(5)與該第二中空結構(105)及一第二流體(7)流動在該第一中空結構及該第二中空結構的周圍，該第一中空結構(5)及該第二中空結構(105)被相關於彼此相交叉地安排，其特徵在於該第二流體(7)被中空結構偏轉，因為中空結構(5，105)具有一流動截面其具有一第一寬度B1及一第二寬度B2，B1/B2大於1且B1被垂直於一平面定向，該平面包含該外殼的縱長軸(3)或一平行於該縱長軸的直線與中空結構(5，105)的一軸線的直線，使得當該流體(7)流動於中空結構周圍時該流體(7)即被混合。
  22. 一種如上述申請專利範圍任一項所述之設備在高黏性流體，特別是聚合物或食品，的熱交換與混合處理上的用途。
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