ES2256622T3

ES2256622T3 - Mezclador/intercambiador de calor.

Info

Publication number: ES2256622T3
Application number: ES03015959T
Authority: ES
Inventors: Klemens Dr. Kohlgruber; Peter Jahn
Original assignee: Bayer Technology Services GmbH
Current assignee: Bayer AG
Priority date: 2002-07-24
Filing date: 2003-07-14
Publication date: 2006-07-16
Anticipated expiration: 2023-07-14
Also published as: DE10233506A1; US7220048B2; DE50302165D1; ATE315434T1; JP4430347B2; JP2004058058A; EP1384502B1; EP1384502A1; US20040085853A1; DE10233506B4

Abstract

Mezclador estático/intercambiador de calor para el tratamiento de productos viscosos y altamente viscosos, compuesto como mínimo de una carcasa (6) para conducir el producto, al menos dos tubos (1) térmicamente acondicionables, provistos especialmente de un canal (3) para conducir un medio portador de calor, en el que la carcasa rodea los tubos (1) y en el contorno de los tubos (1) está repartida una pluralidad de resaltos (2a, 2b) de intercambiador de calor, caracterizado porque los resaltos (2a, 2b) de intercambiador de calor están orientados a lo largo de los tubos (1) en al menos dos capas paralelas (7, 8) y los resaltos (2a) y (2b) de las capas contiguas (7, 8) están dispuestos respectivamente de manera desplazada angularmente entre sí alrededor del eje del tubo (1), que presenta los resaltos, en un ángulo de 45º a 135º, preferentemente, de 70º a 110º, y porque los resaltos (2a, 2b) se encuentran en un ángulo de ñ10º a ñ80º respecto a la dirección principal (21) del flujo del productoa través de la carcasa (6) y los tubos térmicamente acondicionables con resaltos están dispuestos uno al lado del otro en la carcasa transversalmente a la dirección principal de flujo del producto.

Description

Mezclador/intercambiador de calor.

La invención se refiere a una combinación de mezclador estático e intercambiador de calor para el tratamiento, según la técnica de procesos, de medios viscosos sensibles al calor, compuesta de varios tubos paralelos yuxtapuestos, sobrepuestos o desplazados entre sí que se encuentran transversalmente en una carcasa en un ángulo, preferentemente de 90º, respecto a la dirección del flujo del producto y contra los que se aplica el flujo. Los tubos tienen en el diámetro externo resaltos en relieve, radiales o también curvados, que están dispuestos de manera desplazada en sentido axial al eje del tubo y desplazados entre sí en el eje del tubo. Los contornos en relieve están dispuestos de tal modo que especialmente en caso de sustancias y mezclas de sustancias viscosas y altamente viscosas se logra un buen efecto de mezcla y resulta posible a la vez un acondicionamiento térmico rápido y cuidadoso del producto mediante la superficie externa del tubo básicamente ampliada.

El acondicionamiento térmico rápido, uniforme y cuidadoso de productos viscosos y altamente viscosos, por ejemplo, polímeros fundidos, se realiza sólo de manera insuficiente con los conocidos sistemas de mezcladores estáticos, descritos a continuación. Como superficie directa de calefacción para este tipo de tareas se dispone sólo de la pared externa térmicamente acondicionada de la carcasa o el tubo. Para acondicionar térmicamente un producto, éste se conduce varias veces a través de los conocidos mezcladores estáticos desde el centro de la carcasa y el tubo hacia la pared térmicamente acondicionada de la carcasa, de modo que con la longitud creciente del tramo de calefacción se logra la temperatura deseada del producto. Estas tareas de acondicionamiento térmico exigen sobre la base de la poca conductibilidad térmica de la mayoría de sustancias orgánicas largos tramos de mezcla térmicamente acondicionados que originan tiempos largos de permanencia y altas pérdidas de presión, dañando así las sustancias viscosas (> 1 mPa.s) en caso de una velocidad laminar del flujo, especialmente, aquellas de carácter sensible a la temperatura. Una desventaja adicional de los largos tramos de mezcla son los altos costes de inversión, condicionados por el tipo de construcción, de estos sistemas. Desventajas tales, como la poca estabilidad mecánica y las grandes pérdidas de presión, originan secciones de flujo demasiado grandes que dificultan una vez más un acondicionamiento térmico.

Una mejora insignificante en las tareas de acondicionamiento térmico se logra si los mezcladores estáticos conocidos se insertan a presión o se unen por laminación en las tuberías o en la carcasa. De esta forma, se crea un contacto metálico limitado entre la pared interna calentada de la carcasa y las pequeñas superficies externas de la sección de los mezcladores estáticos metálicos. El mezclador estático, insertado o unido por laminación, sólo puede crear una superficie insuficiente de contacto con la pared térmicamente acondicionada de la carcasa. Las superficies de contacto, según la experiencia, no están configuradas por completo, de modo que se originan siempre hendiduras hacia la pared interna de la carcasa. A través de estas hendiduras estrechas se conduce de manera insignificante, debido a las características de mayor conductibilidad térmica de los resaltos metálicos de mezcla, calor en sentido radial a la zona de flujo del mezclador estático. Este procedimiento posibilita sólo en el caso de diámetros muy pequeños de la carcasa y del tubo una mejora mínima, ya que la conducción del calor hacia el centro del mezclador estático y la carcasa está limitada por las pequeñas superficies de contacto, no configuradas por completo. Además, están esas "zonas muertas" que contribuyen a la formación de manchas, por ejemplo, en polímeros fundidos. Las manchas (impurezas) disminuyen la calidad de los productos de venta (por ejemplo, termoplásticos).

Los mezcladores estáticos conocidos, soldados en la carcasa o las tuberías, tienen propiedades de acondicionamiento térmico algo mejores. La soldadura requiere una carcasa o un tubo configurados de manera precisa y un mezclador estático mecanizado en su diámetro externo para poder lograr una unión soldada buena y completa. Los preparativos mecánicos de los elementos, que se van a soldar, son trabajosos y costosos. Los mezcladores estáticos soldados presentan en caso de una buena soldadura una buena superficie de contacto respecto a la pared interna térmicamente acondicionada de la carcasa. Sin embargo, debido a la construcción geométrica de los mezcladores estáticos, la superficie de contacto respecto a la superficie calentada de la carcasa es muy pequeña, de modo que sólo es posible un rendimiento insignificantemente más alto de acondicionamiento térmico respecto al flujo de producto. La ampliación de la superficie térmicamente acondicionada, en comparación con los mezcladores estáticos unidos por laminación, no es básicamente más alta, no pudiéndose acortar, por tanto, de manera decisiva los tramos de mezcla con mezcladores estáticos soldados. El procedimiento de soldadura sólo es posible en longitudes pequeñas de tubo (por lo general, <2 m) debido al tamaño constructivo limitado de los hornos de soldar y debido al estiraje del tubo al soldarlo.

Mediante la soldadura realizada se originan, además, con frecuencia problemas adicionales de corrosión que se han de tener en cuenta al usarse estos mezcladores para no afectar así, por ejemplo, la pureza y la calidad de un producto debido a las impurezas originadas por la corrosión.

Para la transmisión del calor en caso de sustancias líquidas o gaseosas se conocen, además, tubos con discos externos delgados de chapa, montados o insertados a presión o adheridos mediante la técnica de soldadura. Los discos delgados externos no tienen ningún contacto directo con el tubo real de soporte, de modo que se usan preferentemente para el acondicionamiento térmico del aire en zonas de flujo de alta turbulencia. Estas realizaciones no son estables a la presión y no presentan ninguna característica mezcladora para sustancias viscosas en la zona laminar de flujo. Por eso, este tipo de sistemas tubulares no es adecuado para el acondicionamiento térmico de líquidos viscosos y altamente viscosos. Para mejorar las características de conductibilidad térmica, estos discos externos y el tubo de soporte, por ejemplo, se recubren por completo con una soldadura de baja temperatura para ampliar las zonas, que están en contacto con el producto, y aumentar así la conducción de calor. Las soldaduras usadas (por ejemplo, cinc, estaño) no se pueden usar en procesos químicos con altos requerimientos de corrosión, además, la resistencia mecánica de estas soldaduras es muy pequeña, sobre todo, en caso de una alta carga de temperatura.

Se conoce, además, el reactor mezclador estático térmicamente acondicionable (documento DE2839564A1). Este reactor mezcla el producto en circulación, estando compuestas las piezas montadas de mezcla por tubos doblados en forma de meandro. Este dispositivo dispone de una carcasa térmicamente acondicionable, en la que están sustituidas las piezas montadas de mezcla por un haz de tubos de meandro, conformado de manera especial.

El haz de tuberías está compuesto de varios tubos doblados que discurren en paralelo. Los extremos de los tubos están soldados en una brida, a partir de la que se alimenta el medio calefactor y refrigerante para acondicionar térmicamente el flujo de producto.

Los tubos doblados, que discurren en paralelo, se insertan en la carcasa como piezas montadas térmicamente acondicionadas en sentido paralelo a la dirección del flujo del producto. Los tubos en forma de meandro se encuentran en un ángulo alterno en la dirección del flujo del producto y discurren transversalmente por el diámetro hidráulico de la carcasa. Los tubos en haz, dispuestos en paralelo, se cruzan entre sí en dirección axial de la carcasa, según el conocido principio de los mezcladores estáticos. Los tubos mezcladores presentan en esta construcción una sección de flujo redonda hasta elíptica, los tubos están inclinados en un ángulo respecto al flujo del producto, de modo que sólo tiene lugar una pequeña desviación distribuidora o mezcla del flujo de producto que se va a acondicionar térmicamente. Dado que los perfiles redondos, contra los que se aplica el flujo, tienen un efecto pequeño de mezcla, no es suficiente a corto plazo una distribución homogénea de la temperatura en un flujo altamente viscoso de producto.

La longitud del haz conectable de tubos de meandro es siempre un múltiplo del diámetro hidráulico de la carcasa. Los tubos doblados en forma de meandro tienen sobre la base de su longitud efectiva una gran superficie conductora de calor. Mediante la brida de unión se realiza la entrada y salida del portador líquido de calor que emite su energía por el haz de tubos, alrededor del que circula el producto. Especialmente, en el acondicionamiento térmico de sustancias viscosas con características de aislamiento térmico no se puede usar de manera eficiente la gran superficie de calefacción, dado que las piezas montadas no tienen un buen efecto de mezcla.

Los haces conectables de tubos doblados son sensibles a grandes gradientes de presión. En caso de procesos de arranque o atasco del producto debido a productos altamente viscosos se originan altos gradientes de presión, de modo que los tubos calefactores/refrigerantes, doblados en forma de meandro, se cargan por tracción o presión y se extienden en la dirección del flujo del producto. Las piezas montadas internas, transmisoras de calor, del aparato tienden entonces a la deformación y ya no es posible un acondicionamiento térmico ulterior del producto por la entonces deficiente desviación del producto. La extensión involuntaria del haz de tubos es irreparable y puede provocar la parada del equipo con altos costes por avería.

El haz de tubos, doblado en forma de meandro y térmicamente acondicionable, presenta debido a la longitud efectiva ideal del tubo aislado y de la sección de flujo una alta pérdida de presión y un tiempo largo de permanencia en el lado de acondicionamiento térmico. Tanto la pérdida de presión como el tiempo de permanencia, por ejemplo, del medio de acondicionamiento térmico en los serpentines de meandro, provocan grandes diferencias entre la temperatura de entrada y de salida y reducen decisivamente la diferencia media de temperatura, importante para la transmisión de calor. Por este motivo, es bajo el rendimiento de estos haces de tubos en forma de meandro. En la práctica se conectan frecuentemente varios haces de tubos uno detrás de otro. Esto aumenta una vez más los costes de inversión, la pérdida de presión, el tiempo de permanencia de la sustancia, que se va a acondicionar térmicamente, y aumenta el coste de montaje.

Un acondicionamiento térmico uniforme y cuidadoso de flujos de productos altamente viscosos, monofásicos o polifásicos, al existir simultáneamente un tiempo corto de permanencia, no se puede realizar con los sistemas conocidos, por ejemplo, mezcladores estáticos con carcasas calentables o los haces de tubos térmicamente acondicionables en forma de meandro.

El documento EP-A-1067352 describe otro reactor mezclador estático térmicamente acondicionable. Este reactor se compone de un canal, en el que circula el flujo altamente viscoso de sustancia en el espacio revestido de un haz de tubos, dispuesto de forma especial, y en el que están situados mezcladores estáticos en el haz de tubos. El mezclador estático se compone de placas con resaltos, cruzadas entre sí, cuya anchura, longitud y separación entre sí son proporcionales al diámetro del tubo y que se encuentran en un ángulo de 42º a 48º respecto al eje del tubo. La mezcla con este sistema tampoco es suficiente para lograr el deseado acondicionamiento térmico uniforme y cuidadoso.

De aquí se deriva la necesidad de desarrollar un mezclador estático térmicamente acondicionable que presente canales de calefacción en el flujo de producto y buenas características de mezcla. Los nuevos mezcladores estáticos térmicamente acondicionables deben tener una pequeña pérdida de presión en el lado del portador de calor, de modo que se puede contar con grandes diferencias de temperatura respecto al flujo térmicamente acondicionable de producto. Además, el nuevo concepto de aparato se debe poder aplicar en grandes diámetros hidráulicos de carcasa. Sería ventajosa una mejora adicional respecto a una alta robustez contra efectos mecánicos, contra altos gradientes de presión y la posibilidad de usar diversos materiales conductores de calor y resistentes a la corrosión para responder a los diferentes requerimientos del producto.

Existen otros requerimientos en relación con una buena adaptación a diferentes tareas técnicas del procedimiento respecto a una baja pérdida de presión en el lado, que está en contacto con el producto y térmicamente acondicionado, a una alta capacidad de mezcla, en relación con un pequeño espectro de tiempo de permanencia en el lado del producto, grandes superficies de acondicionamiento térmico y una alta capacidad de transmisión del calor. La invención debe mostrar ventajas esenciales para el uso de sustancias viscosas a altamente viscosas (viscosidad de 0,001 a
20000 Pa.s).

Se debe aumentar la estabilidad mecánica en procesos de arranque y en montajes, de modo que se logre también una mayor seguridad de funcionamiento.

El nuevo aparato debe ser un intercambiador de calor compacto que se pueda montar con un pequeño esfuerzo de instalación y pequeños gastos de fabricación en plantas de producción.

Resumiendo, el objetivo de la invención es crear un mezclador estático/intercambiador de calor que evite las desventajas de las construcciones conocidas del estado actual de la técnica, posibilite un acondicionamiento térmico básicamente mejorada en caso de un volumen menor del aparato, reduzca los costes de fabricación del aparato y presente una robustez, seguridad de funcionamiento y duración mayores como intercambiadores térmicos conocidos.

El objetivo se consigue, según la invención, mediante un mezclador/intercambiador de calor conforme al preámbulo de la reivindicación 1 con las características de la reivindicación 1.

Es objeto de la invención un mezclador estático/intercambiador de calor para el tratamiento de productos viscosos y altamente viscosos, compuesto, como mínimo, al menos de una carcasa dado el caso térmicamente acondicionable para conducir el producto, en la que están dispuestos, en especial transversalmente a la dirección principal del flujo del producto, al menos dos tubos térmicamente acondicionables, dispuestos preferentemente uno detrás de otro, que se pueden acondicionar térmicamente, en particular, mediante la conducción de un medio portador de calor, estando repartida en el contorno de los tubos una pluralidad de resaltos de intercambiador de calor, caracterizado porque los resaltos de intercambiador de calor están orientados a lo largo de cada tubo en al menos dos capas paralelas y los resaltos de las distintas capas están dispuestos de manera desplazada angularmente entre sí alrededor del eje del tubo en un ángulo \alpha de 45º a 135º, preferentemente, de 70º a 100º, muy preferentemente, de 85º a 95º y porque los resaltos de las distintas capas se encuentran en un ángulo \beta de \pm10º a \pm80º respecto a la dirección principal del flujo del producto a través de la carcasa.

Los resaltos de las distintas capas se encuentran en una realización preferida en un ángulo \beta de \pm30º a \pm60º y muy preferentemente en un ángulo \beta de \pm40º a \pm50º respecto a la dirección principal del flujo del producto a través de la carcasa.

Se prefiere un mezclador/intercambiador de calor caracterizado porque para cada resalto de una capa está dispuesto un resalto, opuesto a este resalto en el tubo. En el caso más simple, los dos resaltos se encuentran frente a frente en el tubo exactamente en un ángulo de 180º.

Se prefiere también un mezclador/intercambiador de calor, caracterizado porque los resaltos de las distintas capas de resaltos, vistos a lo largo del tubo, están dispuestos de manera alterna. Con esto se sigue mejorando el efecto de mezcla.

En una forma preferida de realización, los resaltos están configurados de modo que los resaltos de las distintas capas de resaltos están dispuestos desplazados entre sí a lo largo de los tubos.

Para el procesamiento de productos altamente viscosos, las distancias de los resaltos de las distintas capas están dispuestas desplazadas entre sí a lo largo del tubo en una forma alternativa de construcción del mezclador/intercambiador de calor para reducir la pérdida de presión.

Para el procesamiento de productos altamente viscosos, las distancias de los resaltos de las distintas capas a lo largo del tubo están seleccionadas de modo que el espacio entre los resaltos contiguos en sentido axial al tubo es mayor que la anchura respectiva del resalto.

Los espacios amplían la sección de flujo del producto y reducen la pérdida de presión. Si los espacios son más pequeños que la respectiva anchura axial del resalto, aumenta la pérdida de presión y a la vez la superficie conductora de calor de los tubos.

En una forma preferida de realización, la relación anchura de resalto/espacio entre dos resaltos de dos capas contiguas de resaltos es menor que 1, preferentemente, menor que 0,7, muy preferentemente menor que 0,5 para reducir la pérdida de presión.

Se prefiere, asimismo, un mezclador/intercambiador de calor, caracterizado porque varios tubos con resaltos están dispuestos uno al lado del otro en la carcasa transversalmente a la dirección principal del flujo.

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Por dirección principal del flujo del producto se entiende la dirección paralela a la extensión longitudinal de la carcasa, que sigue al producto. En el caso de la carcasa de forma tubular es la dirección paralela al eje central de la carcasa.

En una forma preferida del mezclador/intercambiador de calor, los tubos presentan canales de acondicionamiento térmico para conducir un portador líquido de calor, estando instalada en la zona de salida de cada canal una tobera con un diámetro hidráulico, reducido respecto al canal, para limitar el caudal del medio de acondicionamiento térmico.

Se prefiere que el diámetro de la tobera sea sólo la mitad de grande que el diámetro hidráulico del canal del respectivo tubo.

La tobera preferida integrada en el extremo del canal de acondicionamiento térmico, en la zona de salida de los tubos, reduce el caudal del medio líquido de acondicionamiento térmico en caso de estar lleno por completo el canal. De esta forma aumenta el flujo uniforme a través de muchos tubos con resaltos, dispuestos en paralelo, del mezclador/intercambiador de calor.

En una forma especialmente preferida del mezclador/intercambiador de calor, la carcasa del mezclador/intercam-
biador de calor presenta una zona de carcasa de alimentación por separado y una zona de carcasa de evacuación por separado para el medio portador de calor para abastecer las zonas de entrada y salida de los canales de acondicionamiento térmico.

El mezclador/intercambiador de calor térmicamente acondicionable puede tener una sección circular (hidráulica) o rectangular, de modo que la forma de la sección del módulo se puede ajustar a la necesidad técnica del procedimiento. El mezclador tiene una altura de construcción de longitud respecto a diámetro L/D<10, en caso de diámetros más grandes, la relación L/D es preferentemente <5 y la relación L/D es muy preferentemente <1.

Una variante preferida del mezclador/intercambiador de calor se caracteriza porque en la carcasa están dispuestos tubos con resaltos en varios planos uno detrás de otro (en la dirección principal del flujo), especialmente, tubos provistos de distintas variantes de formas o realizaciones de resaltos. Esta realización múltiple permite, por una parte, una mezcla local más intensiva del material y, por la otra parte, es posible mediante la superficie diferente de calefacción de los tubos, situados uno detrás de otro en la dirección de flujo del producto, un gradiente de temperatura a lo largo del tramo de mezcla.

Mediante la selección de las distancias "a" (véase la figura 13) de los tubos horizontales, los resaltos externos pueden crear hendiduras definidas entre sí. Mediante la variación de las distancias verticales "h" de los tubos se pueden crear hendiduras entre los distintos planos de mezcla, de modo que se produce una reducción de la pérdida de presión y es posible una buena unión mediante la técnica de soldadura de los elementos de mezcla, configurados en segmentos, con la carcasa.

Para seguir intensificando el efecto de mezcla y el acondicionamiento térmico se ha configurado un mezclador/intercambiador de calor preferido de tal modo que se cruza la extensión radial de los resaltos del intercambiador de calor contiguos en cada caso y dispuestos en tubos contiguos.

La variación de las distancias de los tubos en dirección transversal a la dirección de flujo del producto o la variación de las distancias en la dirección de flujo del producto posibilita una mejora de los procesos de mezcla y acondicionamiento térmico al existir simultáneamente un volumen pequeño del aparato (hold-up). Durante el flujo a través del mezclador/intercambiador de calor tiene lugar, en caso de una disposición estrecha, un engranaje de los resaltos de acondicionamiento térmico de los tubos, dispuestos uno al lado del otro o uno detrás del otro. Esto aumenta la velocidad de flujo y, por tanto, el rendimiento de acondicionamiento térmico y de mezcla.

Se prefiere, además, un mezclador/intercambiador de calor caracterizado porque la extensión radial de los resaltos es al menos 0,5 veces hasta 30 veces, preferentemente, al menos 5 veces hasta 15 veces el diámetro interno del tubo unido aquí.

Se prefiere, además, un mezclador/intercambiador de calor caracterizado porque los resaltos radiales en los tubos son huecos y la zona hueca del resalto tiene una unión directa con la zona interna del tubo.

En realizaciones especiales, las superficies guía de los resaltos están estructuradas en relieve, de modo que se sigue ampliando la superficie intercambiadora de calor y se originan efectos adicionales de mezcla y flujo especialmente al circular sustancias de poca viscosidad.

La extensión radial de los resaltos y la superficie de intercambio de calor, ampliada de esta forma, en caso de reducirse simultáneamente la pérdida local de presión no se pueden seleccionar con un tamaño cualquiera debido a las características de conductibilidad térmica del material de tubo usado y a los coeficientes de transmisión térmica, específicos del material, del producto que se va a acondicionar térmicamente. Una gran extensión radial de los resaltos se puede realizar si los resaltos están configurados de forma hueca y si la zona hueca de los resaltos tiene una unión directa con el canal del tubo. Si por la parte del proceso se exige una alta capacidad de dispersión, se puede seleccionar una extensión radial grande de los resaltos, de modo que los resaltos se cruzan en distintos planos o los resaltos de tubos contiguos se engranan entre sí. Los tubos con resaltos huecos se pueden fabricar en forma de una sola pieza mediante la técnica de fundición. Sobre la base de los procedimientos modernos de soldadura (soldadura por láser) resulta también económica una construcción soldada.

Asimismo, se prefiere una variante del mezclador/intercambiador de calor caracterizada porque la pared interna de los tubos presenta un contorno para ampliar su superficie, especialmente en forma de nervios longitudinales. En analogía al espacio interno del tubo de acondicionamiento térmico, las superficies internas de los tubos de acondicionamiento térmico y especialmente los resaltos están provistos de contornos para ampliar la superficie conductora de calor por el lado del producto.

Como alternativa se ha configurado preferentemente el mezclador/intercambiador de calor de modo que los tubos están provistos de una calefacción por resistencia eléctrica.

Si se usa el mezclador/intercambiador de calor como calentador con cartuchos calentadores eléctricos, insertados en los tubos, se suprimen los conductos de alimentación y evacuación, configurados por separado, para los medios de acondicionamiento térmico, de modo que los tubos, unidos de manera directa con la carcasa envolvente, se pueden equipar unilateralmente con los cartuchos calentadores.

En caso de usarse medios líquidos de acondicionamiento térmico, la gama de temperatura del mezclador/inter-
cambiador de calor es de -50ºC a +300ºC. Por encima de 300ºC se puede operar el mezclador/intercambiador de calor con cartuchos calentadores eléctricos hasta 500ºC.

Para la realización de procesos catalizados es ventajosa otra forma preferida de construcción del mezclador/inter-
cambiador de calor que se caracteriza porque los tubos y/o los resaltos están revestidos con un catalizador en su superficie que está en contacto con el material.

Los tubos con resaltos del mezclador/intercambiador de calor están configurados preferentemente en forma de una sola pieza, por ejemplo, los tubos con resaltos están fabricados mediante el proceso de fundición o como pieza forjada.

La fabricación de los tubos con resaltos o los tubos con resaltos mediante la técnica de fundición o conformado tiene ventajas económicas. Especialmente, se garantiza mediante la estructura homogénea del material una buena conducción del calor de los medios circulantes de acondicionamiento térmico hacia la superficie externa, que está en contacto con el producto, y se evitan puentes de enfriamiento. Por este motivo, se prefieren especialmente materiales metálicos aleados de cromo-níquel, compuestos de cobre, aluminio, titanio, acero al níquel de alta aleación o metales nobles como materiales.

El efecto de mezcla y el funcionamiento del intercambiador de calor son especialmente eficientes en un mezclador/intercambiador de calor preferido, en el que los tubos con resaltos están dispuestos en la carcasa transversalmente respecto a la dirección principal del flujo del producto en un ángulo \gamma de +/-15º como máximo.

En tareas especiales de mezcla es ventajoso un mezclador/intercambiador de calor preferido, en el que en la carcasa están dispuestos tubos con resaltos en varios planos uno detrás de otro en la dirección del flujo, y los tubos de los planos presentan resaltos de dimensiones diferentes en comparación con los resaltos de los tubos de planos contiguos.

Se prefiere un mezclador/intercambiador de calor, caracterizado porque dos grupos paralelos de tubos con resaltos, dispuestos al menos uno detrás de otro, tienen formas diferentes de resalto.

Se ha configurado de manera especialmente preferida un mezclador/intercambiador de calor que se caracteriza porque al menos un tubo con resaltos en un plano con una prolongación de tubo unilateral está guiado a través de la zona de acondicionamiento térmico, que realiza la alimentación o evacuación, hacia fuera de la carcasa y porque el canal del tubo con resaltos está cerrado por un lado y porque al menos dos orificios radiales crean una unión del canal del tubo con resaltos respecto a la zona, en la que se realiza el flujo, del producto del mezclador/intercambiador de calor para conducir un componente líquido o gaseoso adicional al flujo principal del material y mezclarlo de inmediato.

La alimentación directa de una sustancia adicional mediante un tubo, alargado hacia fuera, con resaltos posibilita el uso del mezclador/intercambiador de calor como reactor. Por una parte, se puede adicionar de manera dosificada un colorante o un aditivo o un agente de arrastre para teñir, por ejemplo, productos viscosos, realizar mezclas o conducir medios de limpieza para una etapa de limpieza conectada posteriormente. Otro uso de la técnica del procedimiento resulta posible si, por ejemplo, se adiciona de manera dosificada un componente de reacción mediante la sección de flujo del mezclador/intercambiador de calor al flujo principal y se provoca o inicia así una reacción química. Se puede evacuar de inmediato un calor de reacción, originado dado el caso, mediante el inicio de una reacción exotérmica para mantener isotérmico el proceso.

Otra realización preferida de la invención con unidades conectables de acondicionamiento térmico es posible si la carcasa del canal de flujo, situado en el lado del producto, tiene en la dirección del flujo orificios laterales, a través de los que se puede insertar la unidad de acondicionamiento térmico en sentido transversal a la dirección del flujo, de modo que la sección de flujo, situada en el lado del producto, se llena completamente con la unidad térmicamente acondicionable del mezclador estático. Varias unidades conectables de acondicionamiento térmico, desplazadas en cada caso en la dirección principal del flujo en 90 grados, se pueden instalar en el canal de la carcasa que guía el producto. De esta forma se simplifica básicamente el desmontaje y montaje del dispositivo para fines de limpieza debido, por ejemplo, a un cambio de producto. Las unidades de acondicionamiento térmico, conectables de manera unilateral, están abastecidas unilateralmente en esta realización de medios de calefacción, de modo que mediante un capilar alargado, que entra en el canal de acondicionamiento térmico, de la unidad de acondicionamiento térmico se igualan las relaciones de flujo del medio del intercambiador de calor y se suprime un estrechamiento ulterior del canal de acondicionamiento térmico.

En realizaciones especiales del mezclador/intercambiador de calor se disponen tubos con resaltos externos o superficies conductoras de manera superpuesta en una carcasa en U y se sueldan ambas mitades de la carcasa en U para crear una carcasa compacta, de modo que se origina una sección rectangular de flujo para el producto que se va a acondicionar térmicamente (figura 2, 2a).

Otra realización, fácil de manejar, del mezclador/intercambiador de calor consiste en que extremos de tubos con resaltos, que se acondicionan térmicamente, se montan y se sueldan en cada caso en cavidades separadas de calefacción y se dotan unilateralmente de una brida para ser insertados como unidades conectables de acondicionamiento térmico en una carcasa adaptada.

Los tubos con resaltos, posicionados uno sobre otro, con las cavidades unilaterales de distribución se pueden desplazar como unidades conectables hacia las carcasas térmicamente acondicionadas. En este tipo de disposición se dispone en un pequeño espacio de mucha superficie de calefacción, de modo que se realiza un acondicionamiento térmico cuidadoso del producto en un corto tiempo de permanencia. Una ventaja especial para el usuario es la posibilidad de limpieza de la unidad térmicamente acondicionable del mezclador.

Preferentemente se pueden disponer varios mezcladores/intercambiadores de calor uno detrás de otro, dado el caso, en combinación con mezcladores estáticos conocidos. Los mezcladores/intercambiadores de calor pueden estar dispuestos aquí de manera desplazada angularmente entre sí en un ángulo \delta de 45 a 135º, por ejemplo, de 90º alrededor del eje central de la carcasa.

Mediante la conexión en serie de varios mezcladores/intercambiadores de calor se puede homogeneizar de manera suficiente y mantener isotérmica una reacción química en un reactor de mezcla estática.

El mezclador/intercambiador de calor es un aparato eficiente de acondicionamiento térmico que posibilita en caso de una velocidad laminar de flujo una alta capacidad de transmisión térmica. Por este motivo, los mezcladores/intercambiadores de calor, según la invención, son adecuados preferentemente para la construcción de reactores de flujo de remezclado pobre y para la realización de procesos exotérmicos y endotérmicos. Según el tipo de tarea se puede diferenciar entre zonas, con procesos intensos, del reactor, en las que se inicia una reacción y se desea un intercambio rápido de calor, y zonas de tiempo de permanencia, que actúan menos como reguladoras de temperatura y donde sólo se exige una mezcla. Las zonas de tiempo de permanencia de reactores de flujo pueden ser, por ejemplo, tubos térmicamente acondicionados con mezcladores estáticos conocidos instalados.

La invención se aplica principalmente en el campo del acondicionamiento térmico cuidadoso y rápido de sistemas de sustancias viscosas a altamente viscosas. En estas aplicaciones es necesaria siempre, además de un acondicionamiento térmico eficiente, una mezcla buena y eficiente a la vez para obtener una constancia de temperatura en la sección de flujo.

Mediante la posibilidad de introducir y distribuir otra sustancia directamente en el flujo principal a través de la entrada adicional preferida de sustancia, se pueden entremezclar aditivos y colorantes, de modo que se pueden suprimir en una instalación, según la técnica del procedimiento, tramos adicionales de mezcla. Especialmente, en el procedimiento para desmonomerizar polímeros fundidos se pueden adicionar de manera dosificada los llamados agentes de arrastre directamente a la masa fundida y a la vez tiene lugar mediante el acondicionamiento térmico eficiente un calentamiento cuidadoso de corta duración del polímero a un nivel más alto de temperatura sin iniciarse un daño térmico del producto, de modo que es posible llevar a cabo un paso posterior de evaporación como paso de limpieza, por ejemplo, de un componente ligero en ebullición no deseado.

Varios mezcladores/intercambiadores de calor, conectados en serie, se pueden usar para concebir reactores de tubo de remezclado pobre. Se puede distribuir, por ejemplo, un componente de reacción mediante la entrada adicional de sustancia de un mezclador/intercambiador de calor preferido de manera uniforme en la zona de reacción (zona del producto). En el caso de reacciones endotérmicas se puede suministrar directamente a la corriente la energía necesaria para la reacción. Si se origina calor durante la reacción, se puede evacuar inmediatamente el calor de reacción mediante la conexión adicional de un medio refrigerante.

Con la invención mencionada se pueden crear intercambiadores de calor pequeños y compactos de alto rendimiento para sustancias de baja viscosidad y de alta viscosidad, líquidas y gaseosas. Los aparatos presentan una realización muy estable, se pueden usar sobre la base de la realización estable en el caso de altos gradientes de temperatura, tienen una gran superficie conductora de calor y funcionan con un remezclado pobre. Al usarse especialmente para acondicionar térmicamente sistemas de sustancias viscosas y altamente viscosas monofásicas o polifásicas se observan especialmente las ventajas sobre la base de los tiempos cortos de permanencia.

El comportamiento del flujo de sistemas de sustancias altamente viscosas implica una pérdida muy grande de presión, por lo que sólo son posibles desde el punto de vista económico pequeñas velocidades de flujo. El técnico habla de flujos lentos. En este sentido es especialmente malo el intercambio de calor entre el portador de calor y el producto. En esta aplicación se necesita a la vez, además de una gran superficie intercambiadora de calor, un proceso intensivo de mezcla para obtener un calentamiento cuidadoso y uniforme del producto. El acondicionamiento térmico del producto se realiza en una disposición correspondiente de los tubos con resaltos en un tiempo muy corto de permanencia y en un espectro pequeño de permanencia, de modo que se puede acondicionar térmicamente sustancias especialmente sensibles a la temperatura con el mezclador/intercambiador de calor, según la invención.

Con la invención se puede renunciar en casos aislados a una carcasa térmicamente acondicionada por completo, reduciéndose así, entre otros, los costes de inversión.

Sobre la base de la alta flexibilidad conceptual de los mezcladores/intercambiadores de calor, según la invención, mediante la combinación de las distancias "a" y "h" de los tubos con diferentes zonas de resalto, la variación de la cantidad de tubos con resaltos, dispuestos uno al lado del otro, uno debajo del otro o desplazados entre sí, así como la variación de las distancias de los tubos en sentido transversal o con la dirección principal del flujo del producto, resulta posible responder a todos los requerimientos técnicos del procedimiento y específicos del producto.

El aparato trabaja siempre con pequeñas diferencias de temperatura entre la entrada y salida del portador de calor y del medio refrigerante, de modo que es posible una alta transferencia de potencia durante el acondicionamiento térmico y un muy buen aprovechamiento de las energías secundarias.

La invención posibilita aparatos de transmisión térmica y reactores de remezclado pobre compactos, resistentes a la presión y económicos. La forma de las unidades conectables de mezclador/intercambiador de calor en carcasas, térmicamente acondicionadas en correspondencia, da como resultado aparatos especialmente fáciles de usar que permiten una fácil limpieza.

Especialmente, la aplicación como reactores de tubo de remezclado pobre con una unidad integrada para la alimentación uniforme de un componente de reacción mediante la sección hidráulica de flujo de un flujo principal primario del producto permite otras posibilidades técnicas de uso que hasta la fecha no eran posibles con grupos según el estado actual de la técnica.

La invención se explica en detalle a continuación con ayuda de las figuras mediante los ejemplos que no representan ninguna limitación de la invención. Muestran:

Fig. 1 un corte longitudinal a través de la carcasa 6 de un mezclador/intercambiador de calor, según la invención, conforme a la línea A-A de la figura 1a y el desplazamiento angular de los resaltos entre sí, así como la disposición angular de los resaltos respecto a la dirección principal del flujo,

Fig. 1a corte transversal parcial y vista lateral del tubo 1 con resaltos 2a y 2b según la figura 1,

Fig. 2 un mezclador/intercambiador de calor con dos tubos 1, dispuestos en paralelo en un plano con resaltos 2a y 2a' en la zona de flujo del producto, así como la zona angular a de los resaltos 2a y 2b y la zona angular d de los resaltos respecto a la dirección principal del flujo,

Fig. 2a el mezclador/intercambiador de calor, según la línea B-B de la figura 2, con una cámara 4 de alimentación del portador de calor y una cámara 5 de evacuación del portador de calor y la zona angular g para la posición inclinada de los tubos con resaltos en la zona de flujo del producto,

Fig. 3, 3a una variante de un par 2a de resaltos de la figura 1 en corte transversal,

Fig. 4, 4a otra variante de un par 2a de resaltos de la figura 1,

Fig. 5, 5a otra variante de un par 2a de resaltos, con un flujo optimizado, de la figura 1,

Fig. 6, 6a una variante de un par 2a de resaltos de la figura 1 con sólo un resalto 62' y una canal excéntrico 3 de calefacción,

Fig. 7, 7a una variante de un par 2a de resaltos de la figura 1,

Fig. 8, 8a otra variante de un par 2a de resaltos de la figura 1,

Fig. 9, 9a otra variante de un par 2a de resaltos de la figura 1,

Fig. 10 un corte longitudinal, según la línea D-D de la figura 12, a través de una unidad rectangular de mezclador/intercambiador de calor con tres tubos 1, 1', 1'', situados uno al lado del otro, en un plano y con una cámara 4 de alimentación del portador de calor prolongada,

Fig. 11 un corte transversal a través de una unidad de mezclador/intercambiador de calor, según la línea C-C de la figura 10 y la tobera integrada u obturador 3' en la zona de salida del canal 3 de calefacción,

Fig. 12 una vista superior en planta de una unidad de mezclador/intercambiador, según la figura 10, con conexiones para el conducto 4 de alimentación y el conducto 5 de evacuación del portador de calor,

Fig. 13 un corte longitudinal a través de una unidad de mezclador/intercambiador de calor con tres filas, dispuestas una detrás de otra en la dirección principal del flujo del producto, de tubos, dispuestos uno al lado del otro, con resaltos de dimensiones diferentes y con distancias centrales diferentes "a" y "h" de los tubos, así como hendiduras definidas hacia la pared de la carcasa y entre los distintos planos de tubo para la reducción de zonas muertas,

Fig. 14 un corte transversal de una unidad de mezclador/intercambiador de calor con zona 4 de alimentación de calor y zona 5 de evacuación de calor concéntricas independientes, además, a través de la zona 4 de alimentación de calor se muestra un capilar 13 de alimentación como prolongación unilateral del canal de acondicionamiento térmico para poder suministrar de manera repartida una sustancia adicional a través de taladros 14 de distribución al flujo principal del producto,

Fig. 14a una representación en corte a lo largo de la línea A-A de la figura 14, los taladros 14 de distribución sirven para la distribución uniforme de una sustancia suministrada al flujo principal del producto,

Fig. 15 un reactor modular de mezclador/intercambiador de calor con una entrada de sustancia mediante capilar 13 y la distribución a través de taladros 14 para la alimentación de un componente de reacción, presentando la disposición cuatro unidades (9, 9a, 9b, 9c), conectadas en serie, de mezclador/intercambiador de calor con diferentes relaciones de L/D y estando dispuestas las unidades de mezclador/intercambiador de calor de manera desplazada angularmente entre sí en 90 grados,

Ejemplos Ejemplo 1

La figura 1 muestra un tubo 1 de una sola pieza en una carcasa 6, a través de la que circula un producto, que tiene en el contorno externo una zona con resaltos y presenta dos resaltos radiales 2a, 2a' de mezcla en un ángulo \beta = 45 y -135º respecto a la dirección principal del flujo (flecha) en una zona trasera con resaltos, representada en corte, con otros dos resaltos 2b, 2b'. La anchura de la zona con resaltos se ha seleccionado aquí de modo que en la carcasa 6 están dispuestas de manera alterna y radialmente desplazadas entre sí dos capas de resaltos con dos resaltos 2a, 2a' y 2b, 2b' en cada caso a lo largo del eje del tubo y que en su extensión axial se unen sin dejar espacios (véase figura 1a).

La forma o configuración de los resaltos y la estructura superficial de los resaltos pueden ser diferentes. La superficie de los resaltos y del tubo puede estar estructurada, por ejemplo, mediante motas en relieve, protuberancias y estrías o ranuras para ampliar la superficie transmisora de calor y producir efectos adicionales de flujo. Básicamente se orienta según la tarea o el requerimiento de la técnica del procedimiento. En las figuras 3 a 9 aparecen ejemplos al respecto. Los resaltos pueden estar dispuestos en el contorno externo del tubo 1 de forma radialmente simétrica (como en la figura 3-5) o también asimétrica (figura 7-9) y presentar ángulos diferentes entre sí, siendo posible también combinar diferentes formas de resalto entre sí y hacer corresponder las figuras 7-9 entre sí. La forma de los resaltos puede diferir de la forma simple radial partiendo del hecho de que presentan adicionalmente una forma curvada como álabes. Esto es especialmente ventajoso si las zonas concéntricas se solapan y se originan a la fuerza flujos secundarios.

Las figuras 3, 3a muestran un corte transversal y corte longitudinal a través de un tubo 1 de forma similar a la figura 1 con dos resaltos 32a, 32a' que presentan un diámetro constante y tienen en sus extremos un aplanamiento 31 en sentido transversal a la dirección principal 21 del flujo.

En la variante, según las figuras 4, 4a, los resaltos 42a, 42a' en el corte transversal están configurados de manera achaflanada en el extremo. Los resaltos 52a, 52a', según la variante de la figura 5, 5a, son similares a los de la figura 4, pero realizados con una base ampliada en correspondencia con el diámetro del tubo 1.

La figura 6 muestra una variante de un tubo 1 con resalto similar a la de la figura 5, pero sólo con un resalto 62' en una capa de resaltos. La forma de construcción, según la figura 7, combina aquí formas de resalto de la figura 4 y 5 con una extensión radial diferente de los resaltos 72, 72'. En la realización, según la figura 8, similar a la figura 7, los dos resaltos 82, 82' están dispuestos de manera desplazada angularmente entre sí en el corte transversal y en un ángulo de 170ºC alrededor del eje del tubo.

En la variante, según la figura 9, el desplazamiento angular es de 90ºC entre los resaltos 92, 92' en comparación con la disposición de la figura 7.

Mediante la forma y la disposición de los resaltos se puede favorecer la superficie transmisora de calor del lado, que está en contacto con el producto, y también el flujo alrededor del tubo y, por tanto, también el proceso importante de mezcla. Sobre todo, en procesos de acondicionamiento térmico de medios altamente viscosos con una viscosidad mayor que 1 Pa.s resulta conveniente una disposición definida de los resaltos en el contorno externo del tubo para lograr, además de la transmisión de calor, un efecto eficiente de mezcla. Para aumentar el rendimiento térmico, el contorno interno de los tubos 1 con resaltos, que se encuentran en contacto con los medios de acondicionamiento térmico, puede estar provisto, asimismo, de nervios. De esta forma aumenta básicamente la superficie de calefacción en el lado del portador de calor o frío.

La forma del tubo con una cantidad cualquiera o una disposición definida de zonas de resalto en el diámetro externo del tubo se puede fabricar de manera económica mediante el procedimiento de fundición o mediante un procedimiento de forja, garantizándose siempre así un contorno metálico completo entre el tubo y el contorno externo en relieve. En casos especiales, los resaltos radiales pueden estar configurados de forma hueca, de modo que la zona hueca de los resaltos tiene una unión directa con la zona de acondicionamiento térmico y existen espesores constantes de pared en todas partes. Los requerimientos respecto a las resistencias mecánicas y a la resistencia necesaria a la presión se cumplen mediante la selección correspondiente de los espesores de pared.

Los tubos se pueden fabricar a partir de diferentes materiales para garantizar así una resistencia suficientemente alta a la corrosión.

El procedimiento de fundición permite una fabricación económica de sólo una determinada longitud de tubo. Las longitudes más grandes de tubo se tienen que fabricar mediante la unión de varias unidades de tubo con un procedimiento adecuado de soldadura.

Ejemplo 2

La figura 2 muestra otro mezclador/intercambiador de calor en corte longitudinal. En este caso, seis tubos 1 tienen dos capas paralelas de resaltos 2a y 2b con dos resaltos 2a, 2a' desplazados radialmente en el contorno externo de los tubos en cada caso. Los tubos 1 comienzan con un extremo en una cámara 4 de alimentación del portador de calor y finalizan en una cámara 5 de evacuación del portador de calor (figura 2a). Los tubos 1 están soldados con la cámara 4 de alimentación y la cámara 5 de evacuación. Los tubos 1 se encuentran en un ángulo \gamma de aproximadamente 5 grados transversalmente a la dirección principal 21 del flujo del producto. Los tubos 1 con los resaltos están posicionados de modo que los resaltos están posicionados en un ángulo \beta de 45 grados respecto al flujo 21 del producto. Los resaltos 2a se encuentran en un ángulo a de 90 grados respecto a los resaltos desplazados 2b.

La cámara 4 de alimentación y la cámara 5 de evacuación del medio de acondicionamiento térmico están compuestas de una cavidad soldada en la carcasa 6 o un semitubo (no dibujado).

Ejemplo 3

En la figura 10 está representada una unidad de mezclador/intercambiador de calor con una carcasa rectangular 6 y tres tubos 1, 1', 1'' con resaltos. Los resaltos 12a, 12b se corresponden en su forma constructiva a la de los tipos mostrados en la figura 3 y están dispuestos en capas alternas a lo largo de los tubos 1, 1', 1''.

En el corte transversal de la figura 11, según la línea C-C de la figura 10, se observa que mediante un revestimiento externo 15 se crean dos cámaras 4, 5, unidas con un conducto 16 de alimentación y un conducto 17 de evacuación para un portador líquido de calor (véase figura 12). Según muestra la figura 11, a través de los tubos 1, 1', 1'' circula durante el funcionamiento el portador 18 de calor. En uno de sus extremos, los tubos 1, 1', 1'' presentan un estrechamiento 3' en el canal 3.

El mezclador/intercambiador de calor (véase la imagen en corte de la figura 12) tiene una zona rectangular de flujo del producto creada mediante la carcasa 6. La otra carcasa 15, que rodea la carcasa 6 y está subdividida en resaltos separadores, forma las cámaras 4, 5 para el portador 18 de calor. Varias unidades, conformadas según la figura 10, de mezclador/intercambiador de calor están dispuestas una detrás de otra en la dirección del flujo y conectadas a ras con un conducto del producto. El producto circula desde arriba a través de las unidades en correspondencia con la figura 10 (dirección 21 del flujo).

Otra posibilidad de alimentación y evacuación del líquido de acondicionamiento térmico consiste en que alrededor de la carcasa del intercambiador de calor con tubos internos de resaltos se embuta y suelde un anillo o tubo de revestimiento que tiene a su vez dos resaltos separadores para garantizar una separación entre el avance y el retroceso del portador de calor (véase figura 14). En caso de una cámara redonda para el portador de calor, los tubos 1 térmicamente acondicionables con sus resaltos en el plano de flujo del producto tienen una longitud diferente.

La forma y la dirección de los resaltos pueden crear junto con las distancias horizontales "a" de tubo o las distancias verticales "h" de tubo entre sí una geometría óptima térmicamente acondicionable del mezclador/intercambiador de calor con una gran superficie transmisora de calor y un gran efecto de mezcla. Los tubos con los resaltos externos pueden presentar distancias diferentes de tubo. Ésta se pueden seleccionar de manera tan estrecha que las zonas concéntricas de resaltos se solapan y los resaltos externos de mezcla se cruzan entre sí (véase figura 13). De esta forma puede variar la superficie transmisora de calor por unidad de volumen y acortarse el tiempo de permanencia del producto. Los tubos en un plano pueden presentar formas y disposiciones diferentes de resaltos.

Ejemplo 4

La figura 13 muestra una disposición de mezclador/intercambiador de calor similar a la forma representada en la figura 10, pero con otras dos filas de tubos 131, 132 con resaltos que están dispuestos uno detrás de otro en la dirección 21 del flujo del producto.

La primera fila de tubos 1, 1', 1'' con resaltos 12a, 12b corresponde a la forma mostrada en la figura 10.

En las otras filas, los tubos 131, 132 con los resaltos externos están dispuestos de modo que los resaltos terminales en cada caso presentan una hendidura definida hacia la carcasa 6 para posibilitar una circulación completa en lo posible de los tubos con resaltos, especialmente respecto a la pared 6 de la carcasa (figura 13, plano 2 y 3). Esta hendidura impide la creación de zonas muertas en la dirección del flujo, en las que se pueden depositar productos, provocando así una reducción de la calidad del producto debido a una carga larga de temperatura. Al mismo tiempo tiene lugar un acondicionamiento térmico adicional mediante la guía adecuada del producto hacia la carcasa térmicamente acondicionada.

Ejemplo 5

Los mezcladores/intercambiadores de calor térmicamente acondicionables se pueden usar, según la variante de la figura 14, para distribuir uniformemente en el producto un componente que se va a mezclar. En esta aplicación se realizan en el tubo central 13, en la zona de los resaltos 2a, 2b, orificios 14 de entrada que posibilitan la alimentación de un componente, que se va a mezclar, mediante una prolongación (13) de tubo a través de la zona del medio de calefacción y su distribución uniforme mediante los orificios 14 realizados en toda la sección de flujo del producto (figura 14, 14a).

Una combinación de varios mezcladores/intercambiadores de calor 9, 9a, 9b, 9c con un reactor de flujo está representada a modo de bosquejo en la figura 15 en corte. La unidad 9a tiene aquí una relación L/D de 1,5, mientras que las demás unidades del reactor tienen una relación L/D de 0,75. Las unidades están dispuestas desplazadas entre sí en 90 grados. Las cámaras 4 de alimentación del portador de calor y las cámaras 5 de evacuación del portador de calor de las unidades de mezclador/intercambiador de calor están unidas todas en paralelo con el conducto de alimentación del portador de calor. Los tubos 1 de acondicionamiento térmico con resaltos están indicados en las unidades 9, 9b mediante líneas discontinuas y en las unidades 9a, 9c, mediante puntos en cruz de las líneas discontinuas. Se observa que las unidades tienen en el plano horizontal y en el plano vertical o en la dirección principal 21 del flujo muchos tubos diferentes con resaltos para el acondicionamiento térmico para provocar en el respectivo módulo un rendimiento diferenciado de acondicionamiento térmico y dispersión. En la unidad 9, el tubo central está abierto sólo por un lado (similar a la realización de la figura 14a) y alargado unilateralmente mediante un capilar 13 a través de la cámara 4 de acondicionamiento térmico hasta fuera de la unidad 9 de mezclador/intercambiador de calor. Fuera de la unidad 9 se puede conectar una bomba dosificadora, no representada en la figura 15, para dosificar y distribuir, por ejemplo, otra sustancia (aditivo, agente de arrastre, sustancias de reacción) en toda la sección de flujo del módulo y la unidad. Los taladros o las toberas 14 a lo largo del tubo en el flujo del producto garantizan una distribución uniforme en la sección de flujo de la unidad.

Según el caudal del medio portador de calor (por ejemplo, agua caliente, aceite, refrigerante) es necesario prever en la zona de salida de los tubos con resaltos un estrechamiento de la sección transversal o una tobera (obturador) para que se abastezcan de una densidad igual de energía los tubos con resaltos y con un flujo paralelo. En la realización más simple, el diámetro interno 3 del tubo se reduce en la zona de salida hacia la cámara de evacuación del portador de calor, por ejemplo, en el diámetro interno 3', de forma similar a la representación de la figura 11. Si se usa vapor como portador de energía, no es necesario este estrechamiento del diámetro interno 3 del tubo 1.

Ejemplo 6 Intercambiador compacto de calor

Los intercambiadores compactos de calor tienen la función de calentar en un tiempo corto un medio en circulación a una temperatura alta en lo posible, es decir, cercana a la temperatura media de calefacción, de modo que sobre la base de una carga de temperatura de corta duración no se dañe térmicamente el producto. Los intercambiadores compactos de calor deben tener dimensiones más pequeñas de aparato como los conocidos intercambiadores de calor con igual rendimiento para que en una instalación, según la técnica del procedimiento, sólo exista una pequeña demanda de espacio y se originen, por tanto, costes mínimos de montaje e inversión. Una característica esencial en comparación con los distintos tipos de intercambiadores de calor es la capacidad de transmisión térmica, la superficie necesaria de intercambio de calor y el volumen del aparato en el lado del producto. El mezclador/intercambiador de calor, según la invención, se comparó con un equipo del estado actual de la técnica (publicación para información de solicitud de patente DE-2839564A1). El mezclador/intercambiador de calor investigado, según la invención, correspondió básicamente a la realización, mostrada en las figuras 2 y 2a, pero, en vez de con dos, con cuatro tubos dispuestos uno al lado del otro en sentido transversal a la dirección principal del producto y, en vez de con tres, con nueve paquetes en total de tubos dispuestos uno detrás de otro, visto en la dirección 21 de flujo (véase figura 2a).

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Para el ensayo se seleccionó como producto una sustancia altamente viscosa (aceite de silicona) con una viscosidad de 10 Pa.s y se bombeó con una bomba de ruedas dentadas a través del intercambiador de calor, de modo que en la zona de salida del aparato respectivo se pudo calcular gravimétricamente el flujo másico. Los intercambiadores de calor se conectaron para el ensayo a un termostato calentado y regulado por electricidad (potencia calorífica 3 kW). Como medio portador de calor se seleccionó el agua, de modo que el regulador del termostato se reguló a 90ºC para la temperatura de salida en el termostato. La temperatura de entrada y salida del portador de calor y del lado del producto se midieron con un elemento térmico del tipo Pt-100 y se registraron y almacenaron en un equipo de registro de valores de medición. Sensores de presión registraron adicionalmente las presiones originadas en la zona de entrada y salida del lado de acondicionamiento térmico y del producto como resultado de las pérdidas de flujo. Los datos característicos de los intercambiadores de calor están resumidos en la tabla 1.

TABLA 1

Datos del aparato	Estado de la técnica	Mezclador/
		intercambiador de calor
Material	1.4571*	1.4571*
Sección hidráulica	38 x 38	40 x 43
Longitud del aparato	310 mm	158 mm
Ancho de resalto	Tubo 4 x 1 mm	5 mm
Zona con resaltos por tubo/resaltos	8 tubos paralelos	8/2
por zona
Diámetro de tubo/diámetro interno	Tubo 4 x 1 mm	7 mm/5mm
Diámetro de tobera en la zona	- - - - - - - - - - - - - - - - - - - -	2,5 mm
de salida
Superficie de acondicionamiento	0,09 m^{2}	0,068 m^{2}
térmico de las piezas montadas
Superficie de acondicionamiento	0,00 m^{2}	0,012 m^{2}
térmico de la zona de alimentación
y evacuación (parte de la carcasa)
* Acero fino al cromo-níquel

Los datos del aparato muestran diferencias condicionadas por la construcción. A partir de la tabla 1 se deduce que el mezclador/intercambiador de calor tiene una forma más corta de construcción y, por consiguiente, un volumen menor en el lado del producto (hold-up). El mezclador/intercambiador de calor tiene adicionalmente una superficie activa de transmisión térmica menor en 0,01 m^{2}. En el mezclador/intercambiador de calor siempre está térmicamente acondicionada una zona parcial de la carcasa debido al tipo de construcción. Para la evaluación del ensayo se usó toda la superficie activa de acondicionamiento térmico. A partir de los ensayos realizados, las temperaturas y presiones medidas se determinaron los datos característicos y se compararon en la tabla 2 para ambos intercambiadores de calor. Se calculó la potencia térmica transmitida, el coeficiente medio de transferencia térmica y la pérdida de presión a partir de los valores de medición registrados.

En la tabla 2 están representados los datos calculados de potencia de los intercambiadores de calor para un caudal constante (aceite de silicona) de aproximadamente 30 l/h.

TABLA 2

	Estado de la técnica	Mezclador/
		intercambiador de calor
Potencia de transmisión térmica	400 W	520 W
Temperatura de entrada del producto	22,6ºC	22,5ºC
Temperatura de salida del producto	55,2ºC	67,3ºC
Coeficiente medio de transferencia térmica	98 W/m^{2}/K	160 W/m^{2}/K
Pérdida de presión (en el lado del producto)	1,5 bar	1 bar

El resultado de los ensayos confirma la mayor capacidad del mezclador/intercambiador compacto, según la invención. Se transmitió aproximadamente 120 vatios más en el caso de un caudal constante y un tiempo menor de permanencia en la zona calentada, aunque la superficie transmisora de calor, que está en contacto con el producto, es menor que en el conocido intercambiador de calor. Sobre la base de la forma compacta de construcción del mezclador/intercambiador de calor se pudo reducir a la mitad el tiempo de permanencia.

El resultado del ensayo confirma una mejora esencial de la potencia de transmisión térmica en caso de un tiempo menor de permanencia mediante el mezclador/intercambiador de calor según la invención.

Claims

1. Mezclador estático/intercambiador de calor para el tratamiento de productos viscosos y altamente viscosos, compuesto como mínimo de una carcasa (6) para conducir el producto, al menos dos tubos (1) térmicamente acondicionables, provistos especialmente de un canal (3) para conducir un medio portador de calor, en el que la carcasa rodea los tubos (1) y en el contorno de los tubos (1) está repartida una pluralidad de resaltos (2a, 2b) de intercambiador de calor, caracterizado porque los resaltos (2a, 2b) de intercambiador de calor están orientados a lo largo de los tubos (1) en al menos dos capas paralelas (7, 8) y los resaltos (2a) y (2b) de las capas contiguas (7, 8) están dispuestos respectivamente de manera desplazada angularmente entre sí alrededor del eje del tubo (1), que presenta los resaltos, en un ángulo \alpha de 45º a 135º, preferentemente, de 70º a 110º, y porque los resaltos (2a, 2b) se encuentran en un ángulo \beta de \pm10º a \pm80º respecto a la dirección principal (21) del flujo del producto a través de la carcasa (6) y los tubos térmicamente acondicionables con resaltos están dispuestos uno al lado del otro en la carcasa transversalmente a la dirección principal de flujo del producto.

2. Mezclador/intercambiador de calor según la reivindicación 1, caracterizado porque para cada resalto (2a) y (2b) de una capa (7) y (8) está dispuesto un resalto (2a') y (2b'), opuesto a este resalto en el tubo (1).

3. Mezclador/intercambiador de calor según la reivindicación 1 ó 2, caracterizado porque los resaltos (2a) o (2b) de las distintas capas (7) u (8) están dispuestos de manera alterna visto a lo largo del tubo (1).

4. Mezclador/intercambiador de calor según una de las reivindicaciones 1 a 3, caracterizado porque el ángulo \alpha entre los resaltos de las distintas capas (7, 8) es de 85 a 95º.

5. Mezclador/intercambiador de calor según una de las reivindicaciones 1 a 4, caracterizado porque la carcasa (6) presenta conductos (4) de alimentación y conductos (5) de evacuación para el medio portador de calor que están unidos con la entrada y salida de los canales (3, 3') respectivamente.

6. Mezclador/intercambiador de calor según una de las reivindicaciones 1 a 5, caracterizado porque en la carcasa (6) están dispuestos uno detrás de otro en varios planos tubos (1, 1'), provistos de resaltos (2a, 2b).

7. Mezclador/intercambiador de calor según una de las reivindicaciones 1 a 6, caracterizado porque se solapa la extensión radial de los resaltos (2a, 2b) respectivamente contiguos dispuestos en tubos contiguos (132, 132').

8. Mezclador/intercambiador de calor según una de las reivindicaciones 1 a 7, caracterizado porque los resaltos (2a, 2b) de las distintas capas (7, 8) están dispuestos de manera desplazada entre sí a lo largo de los tubos (1, 1', 1'').

9. Mezclador/intercambiador de calor según una de las reivindicaciones 1 a 8, caracterizado porque la extensión radial de los resaltos (2a, 2b) es al menos 0,5 veces el diámetro interno del tubo (1) unido a ellos.

10. Mezclador/intercambiador de calor según una de las reivindicaciones 1 a 9, caracterizado porque la pared interna de los tubos (1, 1', 1'') presenta un contorno para ampliar su superficie, especialmente en forma de nervios longitudinales.

11. Mezclador/intercambiador de calor según una de las reivindicaciones 1 a 10, caracterizado porque resaltos seleccionados (2, 2a', 2b, 2b') de los tubos (1) están realizados de forma hueca en el interior y la zona hueca está unida con el canal (3) del tubo (1).

12. Mezclador/intercambiador de calor según una de las reivindicaciones 1 a 11, caracterizado porque los tubos (1, 1', 1'') están provistos de una calefacción por resistencia o de un elemento refrigerante eléctrico.

13. Mezclador/intercambiador de calor según una de las reivindicaciones 1 a 12, caracterizado porque los tubos (1, 1', 1'') y/o los resaltos (2a, 2b) están revestidos con un catalizador.

14. Mezclador/intercambiador de calor según una de las reivindicaciones 1 a 13, caracterizado porque los tubos (1, 1', 1'') están dispuestos en la carcasa (6) en sentido transversal a la dirección principal del flujo del producto en un ángulo \gamma de +/-15º como máximo.

15. Mezclador/intercambiador de calor según una de las reivindicaciones 1 a 14, caracterizado porque en la carcasa (6) están dispuestos en varios planos uno detrás de otro tubos (1, 1a), provistos de resaltos (2a, 2b) y porque los tubos (1) de los planos presentan resaltos (2a, 2b) con dimensiones diferentes en comparación con los resaltos de los tubos (1a) del plano contiguo.

16. Mezclador/intercambiador de calor según una de las reivindicaciones 1 a 15, caracterizado porque el mezclador/intercambiador de calor presenta al menos un tubo de entrada de la sustancia, dispuesto en paralelo a los tubos (1), que está provisto de resaltos (2a, 2b) del mismo tipo y que presenta varios orificios (14) hacia el interior de la carcasa (6).

17. Mezclador/intercambiador de calor según una de las reivindicaciones 1 a 16, caracterizado porque los tubos (1) presentan canales (3), en cuya zona de salida del flujo está dispuesta una tobera (3') de diámetro reducido respecto a los canales (3).

18. Uso de los mezcladores/intercambiadores de calor según una de las reivindicaciones 1 a 17 para acondicionar térmicamente sistemas de sustancias viscosas con una viscosidad de 0,001 a 20000 Pa.s.