KR20140068143A - 열교환기 파이프 시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 파이프 요소로서 설계된 복수의 개별 열교환기를 포함하고 파이프 시스템을 따라 그리고 파이프의 단면에서 사전 결정된 제어 온도 및/또는 압력 분배를 갖는 점성 유체를 수송하기 위한 열교환기 파이프라인 시스템에 관한 것이다. 본 발명은 파이프 요소의 형태인 열교환기가 파이프 시스템 내에서 규칙적인 거리에 배열되는 것을 특징으로 한다. 규칙적인 거리는 사전 결정된 온도 및/또는 압력 분배가 파이프 시스템을 따라 유지되는 이러한 방식으로 선택되고, 열교환기 파이프 내에 수송된 점성 유체의 템퍼링 수단이 열교환기 내에 배열되고, 파이프 단면에 따라 파이프의 단면에서 사전 결정된 온도 및 압력 분배를 유지하는데 사용되는 선택적인 혼합 요소가 제공되고, 열교환기 파이프 시스템의 길이의 적어도 30%는 열교환기를 구비한다. 본 발명은 또한 열교환기 파이프에 의해 점성 유체를 수송하기 위한 방법에 관한 것이다.

Description

열교환기 파이프 시스템 {HEAT EXCHANGER PIPE SYSTEM}
본 발명은 불안정한 유체를 수송(transporting)할 때 열교환기의 사용에 관한 것이다.
예를 들어 고온 용융 플라스틱("고온 용융물")과 같은 점성 매체를 수송하기 위한 파이프라인이 예를 들어 US 2009/0321975호로부터 공지되어 있다. 점성 폴리머가 압출기로 운송되는(conveyed) 설비가 상기 특허 공개에 제시되어 있다. 폴리머 용융물은 이 경우에 열교환기에 의해 냉각된다.
고도로 점성인 매체 내에서 중합 반응을 연속적으로 수행하기 위한 반응기가 EP 096 201 A1호에 설명되어 있다. 높은 점도에서 혼합 및 열전달 중에 에너지 소비는 너무 커서 화학 반응이 중합 중에 영향을 받게 될 수 있다는 것이 발견되었다. 따라서, 균질화를 위한 제한된 혼합 시간 및 반응열을 소산시키기 위한 수단이 목표이다. 이를 위해, 반응기는 냉각제가 살포되고 정적 혼합 부품이 내부에 제공된다.
정적 혼합 부품은 널리 보급되어 있고 따라서 US 7,841,765호 또는 WO 2009/000642호의 개시 내용을 참조한다.
그러나, 반응열의 소산을 요구하는 것은 중합 반응만은 아닐 수도 있다. 용해 프로세스, 열분해 가능한 폴리머 및 폴리머 용액의 중간 저장도 또한 활발하게 제어된 온도 관리를 필요로 하여, 원하는 제품이 한편으로는 대응 품질을 갖게 하고, 다른 한편으로는 상기 열거된 방법 단계들이 또한 온도에 대해 안전하게 관리되게 할 수 있다. 최근에, 셀룰로오스 파이버와 같은 생물분해성 제품이 산업용 규모로 스피닝 용액(spinning solution)으로부터 제조될 수 있도록 하는 많은 노력이 착수되어 왔다. 스피닝 또는 압출 용액은 음성 폴리머(negative polymer)(예를 들어, 셀룰로오스 및 셀룰로오스 유도체)로부터 그리고 생물기원(biogenic) 원재료(raw material)의 포괄적인 화학 변화에 의해 얻어지는 바이오-기반 플라스틱(bio-based plastic)으로부터 생성될 수 있다. 다른 한편으로, 생물체에 의해 합성되는 폴리머를 의미하는 용어 바이오폴리머(biopolymer)를 고려할 수도 있다. 이들 폴리머는 폴리삭카라이드, 단백질, 핵산의 형태로 존재한다. 이러한 스피닝 용액은 또한 셀룰로오스와 같은 바이오폴리머, 용제, 용해성 성분, 뿐만 아니라 프로세스에 필수적인 첨가제(안정화제, 산, 알칼리) 및 제품 특성을 변화시키는 첨가제의 혼합물로 이루어질 수 있다. 이러한 셀룰로오스/아민 산화물/물 스피닝 용액의 대응적인 표현은 출판물 "NMMO-용액으로부터 재생된 셀룰로오스 재료의 구조 형태(Structure Formation of Regenerated Cellulose Materials from NMMO-Solutions)"[Prog. Polym. Sci. 26 (2001) 1473-1524]로부터 도출될 수 있다.
이러한 폴리머 용액은 일반적으로, 용액 생성, 즉 폴리머의 용해로부터 시작하여, 운송, 분배, 여과, 열교환, 첨가제의 첨가 및 성형과 같은 작업 중에 필요한 중간 단계들을 통한, 모든 프로세스 단계들에 매우 정밀한 주의가 기울어져야 하는 명백한 온도 - 및 점성 - 민감성 거동을 갖는다. 출판물 "농축된 N-메틸모폴린-N-산화물 셀룰로오스 용액의 유동학(Rheology of Concentrated N-Methylmorpholine-N-Oxide Cellulose Solutions)"(Polymer Science, Ser. A Vol. 39, No. 9 1997, pp 1033-1040)은 특히 이러한 폴리머 화합물의 유동학을 다루고 있다.
US 2009/304890 A1호는 온도 조절을 위한 열전달 매체 재킷으로 둘러싸인 복수의 열교환기로 구성된 파이프라인 시스템을 설명하고 있다. 내부에서, 파이프라인은 난류를 증가시키기 위해 박판(lamellae)을 구비한다. 배플 플레이트(baffle plate)가 또한 제공될 수 있다.
US 2009/165994 A1호는 열 전달 및 완전한 혼합의 모두를 위해 제공된 내부 열전달 매체 운송 구조체를 갖는 열교환기에 관한 것이다.
아크릴아미드의 중합을 위한 파이프 시스템이 US 4,110,521 A호에 설명되어 있고, 이 시스템은 온도-제어 재킷 및 내부 정적 혼합기를 갖는 열교환기를 포함한다.
US 5,046,548 A호는 열전달 매체를 운반하는 내부 이중 나선부(spiral)를 갖는 열교환기를 개시하고 있다. 적절하면, 내부 직선형 복귀 파이프라인이 또한 제공될 수 있다.
WO 2009/122143 A2호는 관통-펌핑된(through-pumped) 유체 재료의 진동 이동을 실행하는, 피팅(fitting)을 갖는 "펄스 유동 반응기"(PFR)에 관한 것이다. 예를 들어, 고온 워터 재킷과 같은 재료를 가열하기 위한 수단이 또한 이 문헌에 설명되어 있다.
WO 2005/119154 A1호는 낮은 내부 열전달을 갖는 층류 유동을 향한 경향을 갖는 높은 밀도를 갖는 현탁액을 가열하기 위한 시스템을 설명하고 있다. 시스템은 복수의 개별 열교환기 유닛을 갖고, 여기서 각각의 열교환기는 복수의 내부 파이프를 갖는다.
특허 공개 US 2009/117218 A1호, DE 10 2009 043788 A1호, DE 102 41 276 A1호, FR 1,383,810 A호 및 EP 1 350 560 A1호는 다른 열교환기를 설명하고 있다.
전술된 공개 문헌들에는 온도 및 점도 영향이 성형 프로세스에 고려되어야 한다는 것이 확립되어 있다. 대응 연구는 스테이플 파이버, 필라먼트, 필름, 몰딩 및 부직포 재료와 같은 성형된 제품을 형성하기 위해 성형에 매우 정밀한 주의가 기울어져야 한다는 것을 입증한다. 폴리머 용액은 성형 프로세스에서 최고 부하에 노출되기 때문에, 고품질 성형된 제품을 제조하기 위한 최고의 요구는 폴리머 용액의 품질에 부여된다.
온도 및 점도 균일성과 같은 폴리머 용융물의 요구된 품질에 추가하여, 한편으로는 폴리머 용액이 열적으로 균질하게 운반되고 폴리머(셀룰로오스) 및 또한 용제(아민 산화물)의 어떠한 열적으로 유도된 분해도 성형된 제품을 제조하기 위한 NMMO(N-메틸모폴린 N-산화물) 프로세스에서 발생되지 않도록 주의가 또한 기울여져야 한다. 자발적으로 발생할 수도 있는 자가촉매 분해 반응이 전술된 셀룰로오스 폴리머 용액의 경우에 특정 조건하에서 발생할 수도 있다는 것이 공지되어 있다. 이 유형의 반응의 경우에, 또한 가능한 한 제어된 방식으로 최종 반응열을 소산하는 것이 가능해야 할 필요가 있다.
셀룰로오스/아민 산화물/물 폴리머 용액은 또한 열의 작용 하에서 변색될 가능성이 있는 특성을 갖는다. 이 변색은 너무 강렬해서 폴리머 용액이 수송 경로에 걸쳐 용액 제조의 시작시에 녹황색(honey color)으로부터 더 많이 흑갈색 내지 흑색으로 변화하게 된다. 이 변색은 폴리머 및 용제 상의 열적 부하에 의해 유발된다. 심하게 탈색된 폴리머 용액은 최종 제품이 마찬가지로 흑갈색 컬러를 취하는 프로세싱 위치에서 제조되어 따라서 상업적 판매를 위해 적합하지 않게 한다.
파이프 자체를 통한 고도로 점성인 셀룰로오스 용액의 수송은 파이프의 압력 저항(1 내지 5 bar/m)에 의해 유도되고 폴리머 화합물 내로 도입되는 마찰 열을 유도한다. 대규모로 제조되는 폴리머 용액은 종종 불순물을 갖기 때문에, 이들 불순물, 예를 들어 팽윤체(swelling body)는 여과에 의해 폴리머 용액의 프로세싱 전에 제거된다. 압력 손실이 여과에 의해 필터 매체에 의해 발생되고, 이는 폴리머 화합물 내에 부가적인 마찰열을 유도한다. 제조된 폴리머 용액을 개별 프로세싱 위치로 유도하기 위해, 폴리머 용액은 일반적으로 각형성된 단편(piece), T-단편, Y-단편 및 복수의 분배기를 거쳐서 분배되고, 이러한 분배는 추가의 열 입력을 생성한다.
예를 들어, 기어 펌프, 압출기, 스크류 펌프, 채널 펌프, 원심 펌프와 같은 펌프에 의한 고도로 점성인 폴리머 용액의 변위 또는 운송에 기인하여, 부가적인 마찰열이 유도되고 점도 및 열적 민감성 셀룰로오스 용액의 원인이 된다.
전술된 설비 부품들은 마찰열(즉, 장치의 전력 손실)의 원인이 될 수 있을 뿐만 아니라, 예를 들어, 파이프 혼합기와 같은 정적 혼합기와 같은 내장형 혼합기가 마찬가지로 마찰열을 유도한다.
용액 제조로부터 시작하여, 펌프, 필터, 분배 부품을 경유하여 최종 프로세싱 장치로 폴리머 용액을 수송하기 위한 시스템은 복잡한 설비 시스템을 필요로 하여, 모든 전술된 마찰열의 소스가 기원의 위치에서 폴리머 용액으로부터 제거될 수 있게 되고, 온도 및 점도 균일성이 최고 안전 표준을 유지하면서 폴리머 용액의 성형을 위해 성취되게 된다.
본 발명의 목적은 고도로 점성인 유체, 특히 셀룰로오스 용액과 같은 폴리머 용액의 프로세싱을 위한 수송 시스템으로서, 이 시스템은 요구된 열적 안전성을 가져, 발열 및/또는 흡열 열 조정(heat toning)과의 분해 반응 및 또한 변색이 제어 하에서 유지될 수 있고 온도 및 점도 균일성이 설정될 수 있는 시스템을 달성하는 것이다.
본 발명에 따르면, 열교환기 파이프라인 시스템이 제공되고, 이 시스템은 점성 유체를 수송하기에 적합하고 파이프라인 부품으로서 복수의 개별 열교환기를 갖고, 열교환기 파이프라인 시스템의 길이의 적어도 30%는 열교환기를 구비한다. 시스템은 예를 들어, 유체를 재성층화(restratifying)함으로써, 파이프라인 시스템을 따른 및 또한 파이프라인의 단면 내의 사전 결정된 제어된 온도 및/또는 압력 분배를 허용한다. 파이프라인 시스템을 따른 규칙적인 간격에서, 열교환기는 파이프라인 부품으로서 제공되고, 규칙적인 간격은 파이프라인 시스템을 따른 사전 결정된 온도 및/또는 압력 분배를 유지하기 위한 이러한 방식으로 선택된다. 템퍼링 수단(tempering means)이 열교환기 파이프라인 내에서 수송되는 점성 유체를 사전 결정된 온도로 유지하기 위해 열교환기 내에 제공되고, 또한 선택적으로, 파이프라인 단면에 따라, 파이프라인의 단면 내에 사전 결정된 온도 및/또는 압력 분배를 유지하는 것을 가능하게 하고, 따라서 점도 균질성을 유지하는 것을 또한 가능하게 하기 위해, 혼합 부품이 제공된다.
점성 유체를 수송하기 위한 파이프는 이미 공지되어 있다. 점성 화합물, 즉 셀룰로오스/NMMO 용액을 수송하기 위한 파이프가 WO 94/28213 A1호에 제안되어 있고, 여기서 유체는 거기에 지정된 공식에 따라 파이프 중심에서 및/또는 파이프 세그먼트의 벽에서 냉각될 수 있다. 이를 위해, 냉각제는 파이프를 둘러싸는 냉각 재킷(cooling jacket)을 통해 운송된다. 냉각제는 작동 유체로부터 발생할 수도 있는 임의의 발열 반응으로부터의 열을 제거하고, 유체 유동의 외부 영역을 냉각한다. 그 결과, 격심하게 편향된 온도차가 외부 영역 내의 유체와 파이프 중심 내의 유체 사이에 발생하는데, 이러한 온도차는 유체의 물리적 및 화학적 특성에 악영향을 미친다.
DE 10024540호는 동심 파이프의 형태의 내부 냉각 부품을 갖는, 유체 파이프라인 부품을 설명하고 있다. 여기서도, 층류 유동에 기인하여, 점성 유체는 단면에 온도 구배를 형성할 수 있다.
본 발명에 따르면, 내경에 따라, 혼합 부품, 예를 들어 정적 혼합기가 - 허용 가능한 온도차에 따라 - 단면 내에 온도 분배 및 따라서 파이프라인 내의 폴리머 화합물의 점도 불변성을 유지하기 위해 필요할 수도 있다는 것이 발견되었다. 게다가, 열교환기 단면 내의 온도 구배를 방지하기 위해, 열교환기 파이프라인의 종방향 경로(course) 내에 일정한 온도를 성취하는 것이 또한 목표이다. 따라서, 본 발명에 따른 온도 제어 수단은 본질적으로 전체 열교환기 파이프라인을 따라 제공된다. "본질적으로"라는 것은 온도 제어가 경로의 각각의 모든 섹션에 존재해야 하는 것은 아니고, 유체 품질 및 시스템의 안전성의 실질적인 제한의 걱정 없이 온도 제어 수단이 없이 짧은 섹션을 가교하는 것이 가능하다는 것을 의미하는 것으로서 이해되어야 한다. 점도 곡선 및 온도 곡선의 분석이 온도 제어 수단의 국부화된 사용을 결정하기 위해 사용될 수 있다. 특히, 곡선 또는 필터, 과압 릴리프(relief) 장치, 펌프, 연결편, 유동 분배기, 유동 통합기(flow unifier), 샘플링 부품, 특정 측정 장치, 예를 들어 인라인 점도계, 유량계 또는 압력 용기와 같은 다른 기술적 중간 부품은 본 발명에 따른 온도 제어 수단이 없을 수도 있다. 바람직하게는, 정적 혼합기를 갖는 연결편이 사용된다. 가열이 이들 부품에서 회피되는 한, 특정 냉각 부품들은 내부에 또는 외부에 제공될 수 있다.
본 발명에 따르면, 유체 파이프라인 시스템 내의 열교환기(온도 제어 수단을 가짐)의 임계 비율(critical proportion)은 길이의 적어도 30%, 바람직하게는 적어도 35%, 특히 바람직하게는 적어도 40%, 적어도 45%, 적어도 50%, 적어도 55%, 적어도 60%, 적어도 65%, 적어도 70%, 적어도 75%, 적어도 80%로 결정되었고, 또는 심지어 열교환기 파이프라인 시스템의 길이의 적어도85%, 적어도 90%, 적어도 95%가 열교환기 또는 온도 제어 수단을 구비하고 있다. 열교환기를 갖는 섹션은 예를 들어 열전달 매체 파이프라인과 같은 온도 제어 수단이 제공되는 파이프라인 시스템의 종방향 섹션으로서 지정된다. 따라서, 파이프라인 시스템의 큰 부분은 열교환기이고, 따라서 본 발명의 이 양태는 또한 열교환기 파이프라인 시스템이라 명명된다. 바람직하게는, 열교환기는, 적어도 매 8 m 마다, 매 7 m 마다, 매 6 m 마다, 매 5 m 마다, 매 4 m 마다 또는 매 3 m 마다 섹션으로 열교환기 파이프라인 시스템 내에 제공된다. 8 m, 7 m, 6 m, 5 m, 4 m 또는 3 m의 이들 섹션에서, 길이의 적어도 30%, 바람직하게는 섹션의 길이의 적어도 35%, 특히 바람직하게는 적어도 40%, 적어도 45%, 적어도 50%, 적어도 55%, 적어도 60%, 적어도 65%, 적어도 70%, 적어도 75%, 적어도 80%, 또는 심지어 적어도 85%, 적어도 90%, 적어도 95%가 열교환기 또는 온도 제어 수단을 구비한다. 본 발명에 따른 시스템은 제조로부터(예를 들어, 압력 하에서 및/또는 진공 하에서 폴리머의 용해, 및 수송 온도로의 스피닝 용액의 가열, 임의의 시퀀스에서의 압축) 최종 프로세싱(스피닝 화합물의 경우에 성형)으로 유체의 전체 수송 중에 온도 및 압력 분배를 균질화해야 한다.
안전한 프로세스 관리를 위해, 비열 제거 용량(m 길이당 킬로와트, 내부면의 ㎡당 킬로와트)을 제어하는 것이 유리하다. 이전의 숫자들, 데이터에 추가하여, 대응 설비 부분의 유체 체적의 ㎥당 킬로와트의 유체의 체적 열-유동 밀도가 또한 주요 안전 계수(safety figure)로서 사용된다.
따라서, 열적으로 민감한 유체 및 폴리머의 프로세싱 중에, 대응 설비 부분은, 그 내부에 포함된 열적으로 민감한 유체 또는 폴리머가 안전한 온도 레벨로 유도될 수 있을 뿐만 아니라, 능동적으로 관리되는 열 관리에 의해, 대응 설비 부분들의 단면 및 또한 전체 시스템의 길이에 걸친 안전한 온도 분배로 유도될 수 있는 이러한 방식으로 구성되는 것이 중요하다. 폴리머 용융물 및 폴리머 용액은 일반적으로 높은 점도값에서 구조적으로 점성 특성을 갖고, 따라서 능동적으로 작동되는 열 관리에 추가하여, 동일한 온도 및 점도 프로파일이 설비 또는 설비 부분의 모든 위치에 존재하도록 폴리머 유동의 높은 균질성에 주의가 기울어져야 한다. 상세히 전술된 바와 같이, 셀룰로오스, 물 및 아민 산화물로 이루어진 폴리머 혼합물을 프로세싱할 때, 마찰열이 용액 제조의 시작으로부터 성형까지 복수의 설비 부품을 경유하여 공급되고, 이는 검사되지 않고 조절되지 않은 온도 및 점도 프로파일 및 극단적인 경우에 발열 반응을 유도한다. 따라서, 유체의 온도는 연속적으로 제어되고 유체는 계속 재성층화된다.
셀룰로오스/NMMO/물로 이루어진 열적으로 불안정한 유체는 심지어 120℃ 내지 130℃의 온도로부터 불만족스러운 안정화의 경우에 자가촉매식으로 분해된다. 유체의 안정화는 화학 반응제가 폴리머 화합물의 제조 중에 유체에 미리 첨가되고, 이 화학 반응제는 한편으로는 폴리머를, 다른 한편으로는 용제를 열분해로부터 보호하는 것을 의미하는 것으로서 이해된다. 안정화 시약(reagent)의 추가의 첨가는 또한, 특히 혼합 부품이 또한 위치되어 있는 열교환기 시스템의 영역에서, 열교환기 파이프라인을 경유하여 폴리머 화합물을 운송하는 중에 첨가될 수 있다. 안정화 시약의 첨가에 추가하여, 제품 특성을 변경하는 다른 물질이 또한 열교환기 시스템에 첨가될 수 있는데, 이는 첨가 스테이지 중에 가능한 열 조정을 유도할 수 있다. 본 발명에 따른 열교환기 시스템은 따라서 열교환기 시스템 전체 내에서 발열 또는 흡열 발생 프로세스를 매우 양호하게 보상할 수 있다. 열교환기 시스템에 의해, 유체 물질의 첨가에 추가하여, 기체 물질을 또한 도입할 수 있다는 것이 이해된다. 전체 시스템으로 전파하는 발열 반응을 위한 출력 구역으로서 자체로 명백할 수 있는 과잉-템퍼링된 구역은 본 발명에 따른 열교환기 파이프라인 시스템에 의해 형성되지 않는다.
바람직한 실시예에서, 열교환기의 하나 이상의 온도 제어 수단은 열전달 매체 파이프라인 또는 열전달 매체 재킷이다. 내부 온도 제어 수단에 의해 또는 외부 온도 제어 수단에 의해 개별 열교환기를 냉각하거나 가열하는 것이 가능하다. 온도 제어 재킷은 파이프라인 벽에서 유체를 가열하거나 냉각하기 위해 적어도 소정의 정도로 섹션을 둘러싼다. 어느 온도 제어 옵션이 각각의 시스템에 대해 최선인지는, 온도 제어 수단의 표면비 및 가능하게는 내부 혼합기 및/또는 온도 제어 수단에 기인하는 부가의 마찰열을 고려하여, 당 기술 분야의 숙련자에 의해 용이하게 계산될 수 있다. 셀룰로오스/NMMO/물 유체에 대해, 외부 냉각식 열교환기들은 35 ㎜, 40 ㎜, 60 ㎜ 또는 90 ㎜의 내경까지 최적으로 사용되고, 내부 냉각식 열교환기들은 135 ㎜의 내경으로부터 최적으로 사용되고, 내부 또는 외부 냉각식 열교환기들은 90 ㎜ 내지 135 ㎜에서 사용될 수 있다는 것이 확립되어 있다. 특정 실시예에서, 열교환기 파이프라인 시스템은, 특히 적어도 35 ㎜, 적어도 40 ㎜, 적어도 60 ㎜ 또는 적어도 90 ㎜의 열교환기의 내경에 대해, 열교환기의 내부에 온도 제어 수단을 갖는 열교환기를 갖는다. 독립적으로 또는 부가적으로, 열교환기 파이프라인 시스템은, 바람직하게는 온도 제어 재킷과 같은, 열교환기의 내부에 대해 외부에서 온도 제어 수단을 갖는 열교환기를 포함할 수 있고, 열교환기의 내경은 바람직하게는 최대 130 ㎜이다.
본 발명에 따른 열교환기 파이프라인 시스템은 상이한 치수의 열교환기가 사용되는 복수의 섹션으로 이루어질 수 있다. 특히 분기 부품들의 하류측에서, 유체 유동은 더 작은 내경을 갖는 열교환기가 일반적으로 사용되는 2개 또는 복수의 유동으로 분할될 수 있다. 따라서, 본 발명은 개별 열교환기의 엇갈린(staggered) 내경을 갖는 열교환기 파이프라인 시스템에 관한 것이다. 이 직경은 파이프라인 시스템의 경로에서 감소되는 것이다.
바람직하게는, 열교환기 파이프라인 시스템은 적어도 1개, 2개, 3개, 4개, 5개, 6개 또는 그 초과의 분기 부품을 갖는다.
본 발명에 따른 시스템의 개별 섹션 또는 열교환기의 내경의 엇갈림은 바람직하게는 특정 프레임워크(framework)에 있다. 따라서, 열교환기 파이프라인 시스템의 제 1 섹션의 제 2 섹션에 대한 내경은 최대 5:1, 바람직하게는 적어도 10:9, 특히 바람직하게는 3:1 내지 6:5, 특히 바람직하게는 2:1 내지 4:3일 수 있다. 특히, 이 비율은 특히 분배 부품의 하류측의 연속적인 열교환기 또는 섹션의 경우에 적용된다. 특정 실시예에서, 1개, 2개, 3개, 4개, 5개 또는 6개 이상의 이러한 상이하게 엇갈린 내경이 존재할 수도 있다.
바람직하게는, 충분한 열이 온도 및 열 관리를 조절하기 위해 개별 열교환기에 의해 체적 열 유동 밀도(㎾/㎥)에 따라 소산된다. 선형 열 유동 밀도(㎾/m) 및 표면 열 유동 밀도(㎾/㎡)는 체적 열 유동 밀도로부터 당 기술 분야의 숙련자에 의해 용이하게 계산될 수 있다. 바람직하게는 적어도 250 ㎜의 내경을 갖는 유체 라인 내의 열 유동 밀도는, 펌프 또는 필터와 같은 가열 파이프라인 시스템의 다른 부분들의 열이 소산될 수 있는 한, 적어도 120 ㎾/㎥ 이상, 바람직하게는 263 ㎾/㎥, 특히 바람직하게는 442 ㎾/㎥, 또는 707 ㎾/㎥ 이상이다.
바람직하게는, 적어도 180 ㎜의 내경을 갖는 유체 라인 내의 열 유동 밀도는, 펌프 또는 필터와 같은 가열 파이프라인 시스템의 다른 부분들의 열이 또한 소산될 수 있는 한, 적어도 40 ㎾/㎥ 또는 80 ㎾/㎥ 이상, 바람직하게는 111 ㎾/㎥, 특히 바람직하게는 188 ㎾/㎥ 또는 300 ㎾/㎥ 이상이다.
바람직하게는, 적어도 140 ㎜의 내경을 갖는 유체 라인 내의 열 유동 밀도는, 펌프 또는 필터와 같은 가열 파이프라인 시스템의 다른 부분들의 열이 또한 소산될 수 있는 한, 적어도 30 ㎾/㎥ 이상, 바람직하게는 80 ㎾/㎥, 특히 바람직하게는 103 ㎾/㎥ 또는 164 ㎾/㎥ 이상이다.
바람직하게는, 적어도 110 ㎜의 내경을 갖는 유체 라인 내의 열 유동 밀도는, 펌프 또는 필터와 같은 가열 파이프라인 시스템의 다른 부분들의 열이 또한 소산될 수 있는 한, 적어도 12 ㎾/㎥ 이상, 바람직하게는 22 ㎾/㎥, 특히 바람직하게는 75 ㎾/㎥, 또는 120 ㎾/㎥ 이상이다.
바람직하게는, 적어도 90 ㎜의 내경을 갖는 유체 라인 내의 열 유동 밀도는, 펌프 또는 필터와 같은 가열 파이프라인 시스템의 다른 부분들의 열이 또한 소산될 수 있는 한, 적어도 10 ㎾/㎥ 이상, 바람직하게는 12 ㎾/㎥, 특히 바람직하게는 18 ㎾/㎥, 또는 29 ㎾/㎥ 이상이다.
바람직하게는, 적어도 60 ㎜의 내경을 갖는 유체 라인 내의 열 유동 밀도는, 펌프 또는 필터와 같은 가열 파이프라인 시스템의 다른 부분들의 열이 또한 소산될 수 있는 한, 적어도 10 ㎾/㎥ 이상, 바람직하게는 11 ㎾/㎥, 특히 바람직하게는 17 ㎾/㎥, 또는 28 ㎾/㎥ 이상이다.
바람직한 실시예에서, ㎾/㎥ 단위의 최소 소산된 열 유동 밀도(W1)는 이하의 식으로부터 유도되고,
W1 = 0.0051 × d2 - 1.0468 × d + 63.5,
여기서, d는 ㎜ 단위의 열교환기의 내경이다(도 7, 점선 참조).
바람직하게는, ㎾/㎥ 단위의 최적으로 소산된 열 유동 밀도(W2)는 이하의 식으로부터 유도된다(도 7, 실선 참조).
W2 = 0.0102 × d2 - 2.0935 × d + 127.07
소산된 열은 특정 실시예에서 적어도 W1, 적어도 W2의 절반, 적어도 W1과 W2의 평균 또는 적어도 W2의 3/4이다.
소산된 열은 온도 제어 수단의 선택에 의해 제어될 수 있다. 열전달 매체의 경우에, 열은 매체 및 그 온도의 선택에 의해 소산될 수 있다. 냉수, 온수, 냉각유(cooling oil), 열매체유(thermal oil) 또는 다른 유체가 유체 또는 기체 농도에서 열전달 매체로서 사용될 수 있다.
바람직하게는, 단면에서 및/또는 열교환기 시스템의 종방향에서 사전 결정된 온도차는 최대 5℃이고, 조정된 길이, 직경 및 온도 제어를 갖는 대응 열교환기가 선택되었다. 바람직하게는, 단면에서 및/또는 열교환기 시스템의 종방향에서 사전 결정된 온도차는 최대 4℃, 최대 3℃, 최대 2℃이다.
열교환기 파이프라인 시스템은 요청 및 프로세스 및 디자인 요구에 따라 치수 설정될 수 있다. 바람직하게는, 열교환기 파이프라인 시스템은 적어도 1 m, 바람직하게는 적어도 2 m, 바람직하게는 적어도 4 m, 바람직하게는 적어도 6 m, 바람직하게는 적어도 8 m, 바람직하게는 적어도 10 m, 적어도 12 m, 적어도 14 m, 적어도 16 m 길이이다.
바람직하게는, 열교환기 파이프라인 시스템은 압력 하에서 점성 매체를 운송하기 위한 펌프, 필터, 압력 및 체적 보상 탱크, 과압 조절기, 이들 사이에 연결된 측정 장치 부품 또는 이들의 조합 등에 작동적으로 연결된다. 시스템은 특히 제조로부터 소비까지 유체의 전체 수송 중에 본 명세서에 설명된 바와 같이 처리되고, 재성층화되고, 온도 제어되거나 검사되어야 한다. 이러한 시스템은 펌프, 필터 및/또는 압력 조절기 등을 경유하여 운송될 수 있다.
특히 바람직한 실시예에서, 본 발명에 따른 열교환기 파이프라인 시스템은 적어도 파이프라인 섹션 또는 열교환기의 혼합 부품을 내부에 포함한다. 전술된 바와 같이, 열교환기 내의 작은 내경의 경우에, 내부 혼합 부품 및 외부 냉각이 바람직하게 제공된다. 혼합 부품은 층류 유동을 난류 유동으로 변환하기 위해 및/또는 열교환기 중심으로부터 단면 외부 영역으로 유체 교환을 성취하기 위해 유체 유동을 선회(swirling)시키기 위해 사용된다. 바람직하게는, 길이의 적어도 30%, 바람직하게는 적어도 35%, 특히 바람직하게는 적어도 40%, 적어도 45%, 적어도 50%, 적어도 55%, 적어도 60%, 적어도 65%, 적어도 70%, 적어도 75%, 적어도 80%, 또는 심지어 열교환기 파이프라인 시스템의 적어도 85%, 적어도 90%, 적어도 95%가 혼합기, 특히 정적 혼합 부품을 구비한다. 90 ㎜ 미만, 바람직하게는 130 ㎜ 미만의 내경을 갖는 섹션에서, 바람직하게는 길이의 적어도 20%, 바람직하게는 적어도 30%, 특히 바람직하게는 적어도 40%, 적어도 50%, 적어도 60%, 적어도 70%, 적어도 80%, 또는 심지어 섹션 또는 개별 열교환기의 적어도 90%, 적어도 95%가 혼합기, 특히 정적 혼합 부품을 구비한다.
혼합 부품은 또한 내부 온도 제어를 갖는 섹션 또는 개별 열교환기 내에 제공될 수 있고, 바람직하게는 내부 온도 제어 부품이 동시에 혼합 기능을 갖는다. 이 실시예에 따르면, 본 발명은 예를 들어 열교환기 내부의 열전달 매체 파이프라인의 형태의 온도 제어 수단으로서 혼합 부품을 갖는 열교환기 파이프라인 시스템에 관한 것이다. 이는 예를 들어 열전달 매체 파이프라인의 대응적으로 성형된 굴곡부(winding)에 의해 실현될 수 있다. 바람직하게는, 압력 손실에 기인하는 마찰열을 방지하기 위해, 예를 들어 온도 제어 수단, 특히 열전달 매체 파이프라인에 의해 점유되는 단면 내부 영역의 최대 40%의 패킹 밀도와 같은, 낮은 패킹 밀도(packing density)가 선택된다. 열교환기 시스템의 몇몇 섹션에서, 최대 50%, 65%, 70%, 75%의 자유 단면 영역이 적당할 수도 있다. 바람직하게는, 자유 단면 영역은 5% 내지 80%, 특히 바람직하게는 10% 내지 70%, 15% 내지 60%, 20% 내지 50%, 25% 내지 45% 또는 30% 내지 40%이다.
본 발명은 또한 점성 유체를 수송하기 위한 대응 패킹 밀도를 갖는 개별 열교환기를 제공한다. 본 발명에 따른 열교환기 파이프라인 시스템은 바람직하게는 이하와 같이 설명되는 하나 이상 또는 복수의 열교환기로 이루어진다. 본 발명에 따른 열교환기는 외부 재킷 및 하나 또는 복수의 내부 열전달 매체 파이프라인을 갖는다. 내부 열전달 매체 파이프라인은 재킷의 방향에서 안내 영역 및 굴곡(wound) 영역을 갖고 또는 열전달 매체 파이프라인이 특히 열전달 매체 파이프라인의 낮은 패킹 밀도의 경우에, 적어도 실질적으로 열교환기의 전체 길이를 따라 수용되는 것이 본 발명의 특징이다.
본 발명은 점성 유체를 수송하기 위한 제어된 일정한 조건을 생성하는 열교환기를 제공한다. 따라서, 열교환기의 단면 섹션에 걸친 수송된 유체의 더 균일한 냉각이 본 발명에 따른 굴곡 영역에 의해 성취된다. 열전달 매체 파이프라인이 재킷의 방향으로 안내되는 영역의 부가의 수용에 의해, 또는 낮은 패킹 밀도 및 따라서 더 크고 더 자유로운 단면 영역에 의해, 열교환기를 통한 유체의 유동이 단지 최소로 손상되는 것이 보장된다. 이는 그렇지 않으면 높은 마찰열 및 압력 손실이 발생하기 때문에, 점성 유체의 경우에 특히 중대하다. 예를 들어 셀룰로오스테르트(cellulosetert) 아민 산화물 용액과 같은 열적으로 불안정한 유체의 경우에, 폭발이 이들 원하지 않은 반응에 기인하여 발생할 수도 있다.
굴곡 영역에서, 열전달 매체 파이프라인은 하나 또는 복수의 벤드(bend), 굴곡부 또는 루프를 경유하여 안내된다. 특히, 굴곡 영역은 열전달 매체 라인이 재킷의 에지 영역들 사이에서 변경할 수 있는 것을 보장한다. 바람직하게는, 열전달 매체 파이프라인은 본질적으로 열교환기의 중심 또는 축으로부터 오프셋되는 방식으로 안내되고, 여기서 굴곡 영역은 일 측면 또는 에지 영역으로부터 다른 측면 또는 에지 영역으로 - 반드시 반대측일 필요는 없음 - 변경될 수 있고, 가능하게는 재차 후퇴 안내되고 또는 다른 상이한 측면으로 안내될 수 있다. 한편으로, 이들 굴곡 영역에 기인하여, 균질한 열전달이 실시되고, 유체의 난류 유동을 셋업하는 것이 또한 가능한데, 이는 완전한 혼합을 더 촉진하고 점도 및 온도 구배의 형성을 방지한다. 특정 장점은, 파이프라인에서 충격 압력에 기인하는 마찰열(압력 손실에 기인하는 소산 에너지)의 발생의 위치에서 혼합 부품으로서 열전달 매체 파이프라인의 사용에 의해 직접 이 열을 소산시키는 것이 가능하고 절연된 유체 영역의 가열이 처음부터 방지된다는 것이다. 이들 수단에 의해, 열교환기의 단면에서 수송된 점성 유체의 일정한 온도 프로파일이 성취되고 국부적 가열의 부위["고온 스팟(hot spot)"]가 방지된다. 이는 결과로서 상당한 반대 압력(counter-pressure) 및 마찰열을 발생할 수 있는 고도로 점성인 유체의 경우에 결정적인 장점이다.
본 발명에 따르면, 냉각제는 작동 중에 열전달 매체 파이프라인 내에서 운송된다. 그러나, "열전달 매체 파이프라인"은 이 사용에 제한되는 것으로서 이해되어서는 안되고, 다른 실시예에서 가열 매체 또는 온도 제어 매체를 운송하는 것이 또한 가능하다. 온도 제어 수단은 일반적으로 및 또한 열전달 매체는 온도 제어 수단의 온도가 유체의 온도보다 높은지 또는 낮은지 여부에 따라, 유체의 냉각 및 가열의 모두를 위해 사용될 수 있다. 열교환기 파이프라인 시스템에서, 온도 제어 수단의 온도는 또한 시스템의 특정 섹션들이 냉각 섹션들로서 작용하고 다른 섹션들이 가열 섹션들로서 작용하는 이러한 방식으로 제어될 수 있다.
"영역"은 일반적으로 유체의 운송을 위해 적합한 열교환기의 내부의 영역을 의미하는 것으로서 본 명세서에서 이해된다. 대부분, 이들은 파이프라인 영역이다. "파이프라인 영역"은 열교환기를 따른 특정 길이를 갖는 섹션을 의미하는 것으로서 본 명세서에서 이해된다. "에지 영역"은 외부 재킷의 부근에서 특정 파이프라인 영역에서 열교환기의 제한된 단면 영역이다.
열교환기 또는 열교환기 파이프라인 시스템과 그 주위 사이의 열전달을 가능한 한 낮게 유지하기 위해, 열교환기 또는 시스템이 적어도 단열층에 의해 특정 섹션에서 에워싸여 있는 다른 유리한 구성으로 제공하는 것이 가능하다. 그 결과, 내부 내의 유체의 더 타겟화된 온도 검사가 더 양호하게 실시될 수 있다.
바람직한 실시예에서, 2개 이상의 열전달 매체 파이프라인이 제공된다. 이들 열전달 매체 파이프라인은 반대 방향으로 열전달 매체를 운송하기 위해 설정된다. 2개 이상의 열전달 매체 파이프라인은 예를 들어 적어도 특정 영역에서 평행하게, 열교환기 내의 재킷 내부에서 안내된다. 따라서, 예를 들어 열전달 매체 파이프라인이 열교환기를 따라, 즉 비굴곡 영역으로서 재킷을 따라 안내되는 섹션이 동일한 파이프라인 영역 내에 또는 대안적으로 존재될 수도 있다. 바람직하게는, 2개 이상의 열전달 매체 파이프라인의 굴곡 영역은 경계 파이프라인 섹션에서 함께 존재한다. 하나 또는 복수의 열전달 매체 파이프라인이 이들 제 2 열전달 매체 파이프라인 내에서 열전달 매체를 복귀하기 위해 제 2 열전달 매체 파이프라인에 단부 영역에서 연결될 수 있다. 열전달 매체 파이프라인의 복귀 유동에 의해, 단일 연결 단부들이 공간적 근접도로 공급 및 제거를 위해 가능하게 되는 것이 가능하다. 게다가, 온도 강하가 열교환기를 통한 관통 유동 중에 냉각제의 가열에 기인하여 열교환기를 따라 발생하는 것이 방지된다. 이는 예를 들어 특히 수 미터의 길이를 갖는 기다란 열교환기의 경우에 특히 유리하다.
2개 이상의 열전달 매체 파이프라인의 굴곡 영역은 부가적으로 굴곡 영역이 서로에 대해 엉키도록 경계 파이프라인 섹션에서 함께 존재할 수 있다. 이는 유체의 특히 효율적인 철저한 혼합 및 냉각제와의 균질한 열전달을 실시한다. 열전달 파이프라인을 통한 효율적인 혼합에 의해, 그 본질적인 작업이 종종 상당한 반대 압력을 발생하면서 난류 유동을 실시하는 것인, 정적 혼합 부품을 포함하여, 열교환기를 따른 추가의 혼합 부품을 생략하는 것이 가능하다. 따라서, 열교환기는 열전달 매체 파이프라인을 갖는 섹션에서 부가의 혼합 부품이 본질적으로 없을 수 있다.
구체적으로, 굴곡 영역은 점성 유체를 선회시키기 위해 제공된다. 난류를 증가시키기 위한 냉각제 파이프라인의 특정 형상 또는 굴곡부는 자체로 공지되어 있고, 이 목적으로 사용될 수 있다.
바람직하게는, 본 발명에 따른 열교환기 파이프라인 시스템에서, 적어도 1개, 2개, 3개, 4개, 5개, 6개, 7개, 8개, 9개, 10개, 11개, 12개 또는 그 이상의 개별 열교환기가 본 명세서에 설명된 바와 같이 또는 다른 방식으로 공지된 바와 같이 제공된다. 본 발명에 따른 시스템은 특히 복수의 개별 열교환기의 모듈식 사용에 기인하여 차별화된다.
바람직한 실시예에서, 하나 또는 복수의 과압 릴리프 장치, 바람직하게는 파열 부품에 기초하는 과압 장치가 열교환기 파이프라인 시스템에 제공된다. 과압 릴리프 장치의 사용은 일반적으로 공지되어 있다. 통상의 수단은 예를 들어 정상 작동 압력보다 높지만 파이프 또는 용기 자체를 파괴할 수 있는 압력보다는 낮은 압력의 작용 하에서 파열하는 멤브레인을 갖는 파열 디스크를 포함하고, 그 결과로서 압력 릴리프가 외부 공간으로 가능하게 된다. 파열 디스크는 예를 들어 US 6,241,113호, US 3,845,879호, US 2008/0202595호, EP 1 591 703호 및 US 7,870,865호에 설명되어 있다. 몇몇 파열 디스크는 이들이 복수의 지점에서 또는 사전 결정된 파괴점을 따라 파괴 개방되는 것을 보장하기 위해, 천공부를 가질 수 있다. 파열 디스크는 파열 디스크의 작용을 검사하는 것을 목적으로 하는 대부분의 다양한 장치에서 사용될 수 있다. 따라서, US 4,079,854호는 압력의 작용 후에 오목형 파열 디스크를 인열(tear)시키는 블레이드를 갖는 절단 장치를 갖는 장치를 설명하고 있다. US 3,872,874호는 압력 팽창의 경우에 절단 스파이크(spike)에 대해 가압되는 볼록형 파열 디스크를 갖는 파열 디스크 장치를 설명하고 있다. WO 2005/054731호는 압력 검출기를 갖는 파열 디스크 장치에 관한 것이다. EP 789 822호는 파열 부품이 수송 파이프의 내부로 관통하는, 셀룰로오스 용액과 같은 열적으로 불안정한 점성 화합물을 위한 압력 안전 장치에 관한 것이다. US 5,337,776호는 과압 릴리프 장치를 갖는 파이프에 관한 것으로서, 여기서 파열 디스크는 파이프의 벽의 내부에 동일 높이에 놓여, 파열 디스크의 헹굼이 수송된 액체로 실시되게 된다.
바람직하게는, 과압 릴리프 장치는 개별 열교환기의 영역들 사이의 연결 요소 내에 온도 제어 수단을 구비한다. 본 발명에 따르면, 온도 제어 수단을 갖는 섹션은 예외적으로 효율적인 온도 및 그와 연계하여 운송된 유체의 압력 검사를 실시하여, 어떠한 과압 릴리프 장치도 이들 섹션에서 필요하지 않게 된다. 본 발명에 따른 온도 제어 수단을 구비한 열교환기는 예외적으로 효율적인 온도 및 점도 균질화를 형성함에 따라, 과압 릴리프 장치가 열교환기 시스템 내의 저온 스폿을 생성하고 따라서 열교환기 파이프라인의 열 관리를 심각하게 붕괴시키기 때문에, 과압 릴리프 장치의 설치가 이들 구역 내에서 의도적으로 회피될 수 있다. 따라서, 과압 릴리프 장치는 내부 온도 제어 수단이 운송되지 않는 연결 요소 상에 주로 제공된다. 대안적으로, 혼합 부품들은 과압 릴리프 장치의 영역 내에 제공될 수 있어, 이들 장치가 균질한 유체와 접촉하게 된다. 과압 릴리프 장치의 온도는 또한 온도 제어 수단에 의해 제어될 수 있다.
본 발명에 따른 열교환기 파이프라인 시스템의 디자인에 의해, 특히 기다란 파이프라인이 제공될 수 있고, 이는 전체 길이에 걸친 냉각을 허용한다. 이러한 것은 복수의 미터가 반응기와 압출기 등 사이에 가교될 수 있는 고도로 점성인 스피닝 용액을 수송할 때 특히 관련된다. 예시적인 설비는 대략 20 미터의 파이프라인을 필요로 한다. 바람직하게는, 적어도 1 m, 바람직하게는 적어도 2 m, 적어도 3 m, 적어도 4 m, 적어도 5 m, 적어도 6 m, 적어도 7 m, 적어도 8 m, 적어도 9 m, 적어도 10 m, 적어도 12 m, 적어도 15 m 길이의 기다란 열교환기 파이프라인이 제공된다. 복수의 열교환기, 즉 개별의 경계 온도 제어 수단을 갖는 섹션이 열교환기 파이프라인 시스템을 따라 제공될 수 있다. 개별 열교환기의 열전달 파이프라인은 냉각제가 개별적으로 공급될 수 있다. 바람직하게는, 파이프라인은 1개, 2개, 3개, 4개, 5개, 6개, 7개, 8개, 9개, 10개 또는 그 이상의 열교환기를 포함한다. 개별 열교환기는 본 발명에 따른 열전달 매체 파이프라인을 갖고, 0.2 내지 4 m, 바람직하게는 0.3 내지 3 m, 특히 바람직하게는 0.4 내지 2 m, 특히 바람직하게는 0.5 내지 1 m의 치수를 가질 수 있다. 개별 열교환기의 열교환기 내부는 바람직하게는 양 단부에서 개방되고, 다른 열교환기 또는 다른 부품, 예를 들어 연결편, 유동 분배기, 필터, 펌프, 압력 용기 또는 종단 장치, 예를 들어 압출기 및 스피닝 장치의 연결을 가능하게 한다.
바람직하게는, 열전달 매체 파이프라인은 본 발명에 따른 시스템의 하나 또는 복수의, 특히 모든 열교환기의 길이의 적어도 60%, 특히 바람직하게는 적어도 65%, 적어도 70%, 적어도 75%, 적어도 80%, 적어도 85%, 적어도 90%, 적어도 95% 수용된다.
본 발명에 따른 열교환기 파이프라인 시스템은 바람직하게는 압력 하에서 점성 매체를 운송하기 위한 펌프와 함께 작동적으로 연결된다. 특히 압력 하에서 열교환기를 통해 시스템 내로 가압되는 고도로 점성인 유체를 수송할 때, 본 발명의 장점은 특히 명백하게 두드러진다.
가능한 한 낮은 반대 압력을 생성하기 위해, 점성 유체는 가능한 한 적은 저항으로 열교환기를 통해 수송된다. 이를 위해, 온도 제어 수단의 패킹 밀도는 감소된다. 특히, 바람직한 실시예에서, 열교환기의 단면에서, 단면 내부 영역의 최대 50%, 바람직하게는 최대 45%, 최대 40%, 최대 35%, 최대 30%, 최대 25%, 최대 20%, 최대 15%, 최대 12%, 최대 10%, 최대 8%, 최대 7%, 최대 6%, 최대 5%가 온도 제어 수단에 의해 점유된다. 즉, 자유 단면 섹션은 유체의 관통 유동을 위해 자유로운 나머지 단면 부분이고, 바람직하게는 적어도 50%, 특히 바람직하게는 적어도 55%, 적어도 60%, 적어도 65%, 적어도 70%, 적어도 75%, 적어도 80%, 적어도 85%, 적어도 90%이다.
내부 온도 제어 수단을 갖는 열교환기는 굴곡형 열전달 매체 파이프라인을 갖는 복수의 영역을 가질 수 있다. 열전달 매체 파이프라인의 하류측 굴곡 영역에서, 열전달 매체 파이프라인은 바람직하게는 서로에 대해 비틀리거나 각형성된다. 하류측 굴곡 영역은 예를 들어 복귀 열전달 매체 파이프라인에 의해 또는 열전달 파이프라인에 의해 형성될 수 있고, 여기서 냉각제는 제 1 열전달 매체 파이프라인에 반대 방향으로 운송된다. 열전달 매체 파이프라인 및/또는 열교환기는, 강, 고등급강, 세라믹, 소결된 금속, 알루미늄, 플라스틱, 비철 금속 또는 귀금속과 같은 다양한 재료로부터 제조될 수 있다. 바람직한 재료는 모든 철, 철 합금, 니켈 크롬강, 니켈강[예를 들어, 하스텔로이(Hastelloy) 재료], 티타늄, 탄탈, 실리콘 카바이드, 글래스, 세라믹, 금, 플래티늄 및 또한 플라스틱이다. 특정 재료는 높은 몰리브덴 함량을 갖는 합금 또는 녹 침투(rust penetration) 및 틈 부식(crevice corrosion)에 대한 저항을 위한 니켈, 크롬 및 몰리브덴 합금 또는 높은 인장 강도를 갖는 니켈 구리 합금이다. 재료 예는 하스텔로이 C(부식에 대한 높은 저항), 하스텔로이 B(석출-경화 고온 합금), 인코넬(Inconel)(석유화학 용례에서 응력 부식 균열에 대한 저항), 인콜로이(Incoloy)(고강도 및 또한 고온에 대한 저항 및 산화 및 탄소화에 대한 저항) 및 모넬(Monel)(높은 인장 강도, 부식에 대한 저항)을 포함한다. 그러나, 열전달 매체 파이프라인 및/또는 열교환기는 또한 코팅된 재료로부터 제조될 수 있다.
사용된 구성 재료의 부식 저항을 인지하여, 당 기술 분야의 숙련자는 운송될 유체에 대해, 어느 구성 재료가 사용될 수 있고 어떻게 열교환기 시스템이 설비 유닛에 구조적으로 연결될 수 있는지를 열교환기 시스템에 대해 판정할 수 있다. 셀룰로오스, 아민 산화물 및 물로 이루어지는 폴리머 화합물의 온도 및 점도 균질화를 위해 사용된 열교환기 시스템에서, 철 및 비철 금속의 생략에 주의가 기울어진다.
바람직하게 선택되는 것은 5 내지 100 W/mK, 특히 바람직하게는 10 내지 60 W/mK의 열전도도를 갖는 재료이다.
특정 실시예에서, 열교환이 내부에서 발생하고 어떠한 실질적인 외부 열 운반도 재킷을 경유하여 발생하지 않기 때문에, 열교환기의 재킷은 절연되고 및/또는 이중 파이프로서 제공될 수 있다.
더욱이, 본 발명은 본 발명에 따른 열교환기 파이프라인 시스템 또는 본 발명에 따른 열교환기를 통해 점성 유체를 수송하기 위한 방법에 관한 것이다. 마찬가지로, 본 발명은 점성 유체를 수송하기 위한 열교환기 또는 열교환기 파이프라인 시스템의 사용에 관한 것이다. 바람직하게는, 점성 유체는 열적으로 불안정하다. 열적으로 불안정한 유체는 예를 들어 바이오폴리머 용액, 셀룰로오스 용액, 예를 들어 셀룰로오스/아민 산화물 용액, 특히 3차 아민 산화물 용액의 용액이다. 예는 WO 94/28213 A1호에 설명된 바와 같은 셀룰로오스 NMMO 용액이다. 유체는 수용액일 수 있다. 열적으로 불안정한 유체는 열교환기 및 설비 시스템을 통한 수송 중에 온도 증가의 위험이 존재하는 것들이다. 온도 증가는 예를 들어 발열 반응, 특히 화학 반응에 기인하여, 또는 고도로 점성인 유체의 수송 중에 마찰열에 기인하여 발생할 수 있다. 다른 유체는 특히 기술적 플라스틱, 경화할 수 있는 유체, 특히 "고온 용융물", 예를 들어 폴리머, 폴리카보네이트, 폴리에스터, 폴리아미드, 폴리락틱산, 프로필렌 등이다. 유체는 요변성(thixotropic) 유체, 특히 스피닝 용액일 수 있다. 특정 유체는 적어도 대략 40℃, 적어도 50℃, 적어도 55℃, 적어도 60℃, 적어도 65℃, 적어도 70℃, 적어도 75℃의 용융 온도를 갖지만, 또한 최대 280℃의 용융 온도에 도달할 수 있다. 유체는 적어도 40℃, 적어도 50℃, 적어도 55℃, 적어도 60℃, 적어도 65℃, 적어도 70℃, 적어도 75℃, 적어도 대략 80℃, 적어도 85℃, 적어도 90℃, 적어도 95℃의 예시적인 온도에서 운송될 수 있다. 본 발명은 점성 유체의 마찰/압력 손실에 기인하여 발열 반응 또는 소산 에너지로부터 열을 소산하기 위해 사용될 수 있다.
바람직한 실시예에서, 냉각제는 열전달 매체 파이프라인을 통해(내부에서 또는 외부에서, 예를 들어 재킷 내에서, 열교환기로) 운송되는데, 이는 수송된 점성 유체의 온도로부터 최대 20℃, 바람직하게는 최대 15℃, 최대 12℃, 최대 10℃, 최대 9℃, 최대 8℃, 최대 7℃, 최대 6℃, 최대 5℃, 최대 4℃, 최대 3℃만큼 벗어난다. 본 발명에 따른 열교환기는 작은 온도차가 만족스러운 열 소산으로 가능하도록 효율적인 것으로 입증되었다. 바람직하게는, 냉각제의 온도는 유체의 온도보다 낮다.
특정 실시예에서, 점성 유체는 열교환기 또는 파이프라인 시스템을 통해, 적어도 15 bar, 적어도 20 bar, 적어도 25 bar, 적어도 100 bar, 바람직하게는 적어도 200 bar, 적어도 300 bar, 적어도 400 bar, 적어도 500 bar, 적어도 600 bar, 적어도 700 bar, 적어도 800 bar 출력 압력의 높은 압력에서 수송된다. 다른 실시예에서, 본 발명에 따른 열교환기 파이프라인 시스템 또는 개별 열교환기 또는 과압 장치는 최대 1000 bar, 바람직하게는 최대 60 bar, 최대 80 bar, 최대 120 bar, 최대 250 bar, 최대 350 bar, 최대 450 bar, 최대 550 bar, 최대 650 bar, 최대 750 bar, 최대 900 bar의 높은 압력(트리거링 압력)에서 유체를 수송하기 위해 셋업된다. 바람직하게는 유체의 제로 전단 점도(zero shear viscosity)는 100 내지 15,000 Pas, 특히 500 내지 10,000 Pas의 범위에 있다.
바람직한 실시예에서, 본 발명은 이하와 같이 정의된다.
1. 복수의, 예를 들어 2개, 3개, 4개, 5개, 6개, 7개, 8개 또는 그 이상의 개별 열교환기를 파이프라인 부품으로서 갖고 파이프라인 시스템을 따라 그리고 또한 파이프라인의 단면에서 사전 결정된 제어된 온도 및/또는 압력 분배를 갖는 점성 유체를 수송하기 위한 열교환기 파이프라인 시스템에 있어서,
파이프라인 시스템을 따른 규칙적인 간격에서, 열교환기는 파이프라인 부품으로서 제공되고, 규칙적인 간격은 파이프라인 시스템을 따라 유체를 재성층화함으로써 사전 결정된 온도 및/또는 압력 분배를 유지하기 위해 이러한 방식으로 선택되고, 열교환기 파이프라인 내에서 수송된 점성 유체를 위한 열교환기 내의 온도 제어 수단 및 또한 선택적으로 파이프라인의 단면 내에 사전 결정된 온도 및/또는 압력 분배를 유지하기 위한 혼합 부품이 제공되고, 열교환기 파이프라인 시스템의 길이의 적어도 30%는 열교환기를 구비하는 것을 특징으로 하는 열교환기 파이프라인 시스템.
2. 정의 1에 따른 열교환기 파이프라인 시스템에 있어서, 열교환기의 하나 이상의 온도 제어 수단은 열전달 매체 파이프라인 또는 열전달 매체 재킷인 것을 특징으로 하는 열교환기 파이프라인 시스템.
3. 정의 1 또는 2에 따른 열교환기 파이프라인 시스템에 있어서, 파이프라인 시스템의 경로 내에서 감소되는 개별 열교환기의 엇갈린 내경을 갖는 것을 특징으로 하는 열교환기 파이프라인 시스템.
4. 정의 1 내지 3 중 하나에 따른 열교환기 파이프라인 시스템에 있어서, 하나 이상의 분기 부품을 갖는 것을 특징으로 하는 열교환기 파이프라인 시스템.
5. 정의 1 내지 4 중 하나에 따른 열교환기 파이프라인 시스템에 있어서, 열교환기 파이프라인 시스템의 제 1 섹션의 제 2 섹션에 대한 내경은 최대 5:1, 바람직하게는 적어도 10:9인 것을 특징으로 하는 열교환기 파이프라인 시스템.
6. 정의 1 내지 5 중 하나에 따른 열교환기 파이프라인 시스템에 있어서, 바람직하게는 열교환기의 적어도 90 ㎜의 내경에 대해, 열교환기의 내부에 온도 제어 수단을 갖는 열교환기를 갖는 것을 특징으로 하는 열교환기 파이프라인 시스템.
7. 정의 1 내지 6 중 하나에 따른 열교환기 파이프라인 시스템에 있어서, 열교환기의 내부에 대해 외부에 온도 제어 수단, 바람직하게는 온도 제어 재킷을 갖는 열교환기를 갖고, 열교환기의 내경은 최대 130 ㎜인 것을 특징으로 하는 열교환기 파이프라인 시스템.
8. 정의 1 내지 7 중 하나에 따른 열교환기 파이프라인 시스템에 있어서, 열교환기 시스템의 단면에서 및/또는 종방향에서 사전 결정된 온도차는 최대 5℃인 것을 특징으로 하는 열교환기 파이프라인 시스템.
9. 정의 1 내지 7 중 하나에 따른 열교환기 파이프라인 시스템에 있어서, 하나 이상의 파이프라인 섹션의 내부에 혼합 부품을 포함하는 것을 특징으로 하는 열교환기 파이프라인 시스템.
10. 정의 6 및 9에 따른 열교환기 파이프라인 시스템에 있어서, 혼합 부품 및 온도 제어 수단은 열교환기의 내부의 열전달 매체 파이프라인인 것을 특징으로 하는 열교환기 파이프라인 시스템.
11. 정의 10에 따른 열교환기 파이프라인 시스템에 있어서, 내부 열전달 매체 파이프라인은 재킷의 방향으로 안내 영역을 그리고 굴곡 영역을 갖는 것을 특징으로 하는 열교환기 파이프라인 시스템.
12. 정의 1 내지 11 중 하나에 따른 열교환기 파이프라인 시스템에 있어서, 열교환기 파이프라인 시스템은 적어도 1 m, 바람직하게는 적어도 2 m, 바람직하게는 적어도 4 m, 바람직하게는 적어도 6 m, 바람직하게는 적어도 8 m, 바람직하게는 적어도 10 m 길이인 것을 특징으로 하는 열교환기 파이프라인 시스템.
13. 정의 1 내지 12 중 하나에 따른 열교환기 파이프라인 시스템에 있어서, 온도 제어 수단은 열교환기 파이프라인 시스템의 길이의 적어도 60%를 따라 수용되는 것을 특징으로 하는 열교환기 파이프라인 시스템.
14. 정의 1 내지 13 중 어느 하나에 따른 열교환기 파이프라인 시스템에 있어서, 열교환기 파이프라인 시스템은 압력 하에서 점성 매체를 운송하기 위한 펌프, 필터, 과압 조절기, 스피닝 장치 또는 압출 장치와 같은 폴리머 용액을 프로세싱하기 위한 프로세싱 장치 또는 이들의 조합 등과 함께 작동적으로 연결되는 것을 특징으로 하는 열교환기 파이프라인 시스템.
15. 정의 1 내지 14 중 하나에 따른 열교환기 파이프라인 시스템에 있어서, 열교환기의 내부에 열전달 매체 파이프라인을 갖고, 열교환기의 단면에서, 단면 내부 영역의 최대 40%가 열전달 매체 파이프라인에 의해 점유되는 것을 특징으로 하는 열교환기 파이프라인 시스템.
16. 외부 재킷 및 하나 또는 복수의 내부 열전달 매체 파이프라인, 특히 냉각제 파이프라인을 갖는, 점성 유체를 수송하기 위한 열교환기에 있어서, 내부 열전달 매체 파이프라인은 재킷의 방향에서 안내 영역 및 굴곡 영역을 갖고, 2개의 열전달 매체 파이프라인이 바람직하게 제공되고, 이들 파이프라인은 바람직하게는 반대 방향으로 열전달 매체를 안내하기 위해 셋업되는 것을 특징으로 하는 열교환기.
17. 정의 16에 따른 열교환기에 있어서, 열전달 매체 파이프라인은 제 2 열전달 매체 파이프라인 내에서 열전달 매체를 복귀시키기 위한 제 2 열전달 매체 파이프라인에 단부 영역에서 연결될 수 있는 것을 특징으로 하는 열교환기.
18. 정의 16 또는 17에 따른 열교환기에 있어서, 2개 이상의 열전달 매체 파이프라인의 굴곡 영역은 함께 경계 파이프라인 섹션에 존재하는 것을 특징으로 하는 열교환기.
19. 정의 16 또는 18에 따른 열교환기에 있어서, 2개 이상의 열전달 매체 파이프라인의 굴곡 영역은 경계 파이프라인 섹션에서 함께 존재하고, 서로에 대해 왜곡되는 것을 특징으로 하는 열교환기.
20. 정의 15 내지 19 중 하나에 따른 열교환기 파이프라인 시스템에 있어서, 굴곡 영역은 점성 유체를 선회시키기 위해 셋업되는 것을 특징으로 하는 열교환기 파이프라인 시스템.
21. 정의 15 내지 20 중 하나에 따른 열교환기에 있어서, 열교환기는 적어도 1 m, 바람직하게는 적어도 2 m, 바람직하게는 적어도 4 m, 바람직하게는 적어도 5 m 길이인 것을 특징으로 하는 열교환기.
22. 정의 15 내지 21 중 하나에 따른 열교환기에 있어서, 열전달 매체 파이프라인은 열교환기의 길이의 적어도 50%에 수용되는 것을 특징으로 하는 열교환기.
23. 정의 15 내지 22 중 하나에 따른 열교환기에 있어서, 열교환기는 압력 하에서 점성 매체를 운송하기 위한 펌프와 함께 작동적으로 연결되는 것을 특징으로 하는 열교환기.
24. 정의 15 내지 23 중 하나에 따른 열교환기에 있어서, 낮은 열전달 매체 파이프라인 패킹 밀도를 갖고, 단면 내부 영역의 최대 40%는 열전달 매체 파이프라인에 의해 점유되는 것을 특징으로 하는 열교환기.
25. 정의 15 내지 24 중 하나에 따른 열교환기에 있어서, 열전달 매체 파이프라인의 하류측 굴곡 영역은 단면에서 볼 때 서로에 대해 비틀리거나 각형성되는 것을 특징으로 하는 열교환기.
26. 정의 1 내지 14 중 하나에 따른 열교환기 파이프라인 시스템에 있어서, 시스템의 하나 이상의 섹션은 정의 15 내지 25 중 하나에 따른 열교환기로 이루어지는 열교환기 파이프라인 시스템.
27. 정의 1 내지 26 중 하나에 따른 열교환기 파이프라인 시스템 또는 열교환기를 통해 점성 유체를 수송하기 위한 방법에 있어서, 특히 점성 유체는 열적으로 불안정하고, 바람직하게는 셀룰로오스 용액인 방법.
28. 정의 1 내지 27 중 하나에 따른 열교환기 파이프라인 시스템 또는 열교환기를 통해 점성 유체를 수송하기 위한 방법에 있어서, 특히 점성 유체는 열적으로 불안정하고, 바람직하게는 셀룰로오스와 유기 용제를 포함하거나 이들로 이루어진 셀룰로오스 용액인 방법.
29. 정의 1 내지 28 중 하나에 따른 열교환기 파이프라인 시스템 또는 열교환기를 통해 점성 유체를 수송하기 위한 방법에 있어서, 점성 유체는 셀룰로오스, 아민 산화물 및 물을 포함하거나 이들로 이루어진 셀룰로오스 용액이고, 바람직하게는 아민 산화물은 N-메틸모폴린 N-산화물인 방법.
30. 정의 1 내지 26 중 하나에 따른 열교환기 파이프라인 시스템 또는 열교환기를 통해 점성 유체를 수송하기 위한 방법에 있어서, 점성 유체는 셀룰로오스 용액이고, 용해된 셀룰로오스는 셀룰로오스 유도물의 형태로 용액 내에 존재하는 방법.
31. 정의 1 내지 26 중 하나에 따른 열교환기 파이프라인 시스템 또는 열교환기를 통해 점성 유체를 수송하기 위한 방법에 있어서, 점성 유체는 바이오폴리머 용액이고, 용해된 바이오폴리머는 바이오-기반 플라스틱을 구성하는 방법.
32. 정의 1 내지 26 중 하나에 따른 열교환기 파이프라인 시스템 또는 열교환기를 통해 점성 유체를 수송하기 위한 방법에 있어서, 점성 유체는 바이오폴리머 용액이고, 용해된 바이오폴리머는 폴리삭카라이드, 단백질, 핵산의 형태로 존재하는 방법.
도 1은 외부 재킷(2) 및 내부 영역(3) 및 내부 냉각제 파이프라인(4)을 갖고, 파이프라인은 재킷의 방향에서 안내 영역(5) 및 굴곡 영역(6)을 갖는, 본 발명에 따른 열교환기(1)를 통한 종단면도를 도시하고 있다.
도 2a, 도 2b 및 도 2c는 각각의 경우에 굴곡 영역 내에 2개의 교차된 냉각제 파이프라인을 갖는 2개의 수직 종방향 섹션인 도 2a(섹션 A-A) 및 도 2b(섹션 B-B) 및 단면인 도 2c(섹션 C-C)인, 본 발명에 따른 열교환기를 통한 3개의 섹션을 도시하고 있다.
도 3은 각각의 경우에 굴곡 영역(6)에 4개의 교차된 냉각제 파이프라인(4)을 갖는 열교환기(1)를 통한 단면도를 도시하고 있다.
도 4는 유체 분배기(10)에 의해 분기된 열교환기 파이프라인을 도시하고 있고, 여기서 개별 파이프라인 섹션은 절곡부(11)를 경유하여 연결되어 있다.
도 5는 WO 94/28213 A1호에 설명된 바와 같은, 종래의 유체 파이프라인 시스템 내의 온도 구배와 본 발명에 따른 온도 검사의 비교를 도시하고 있다.
도 6은 다양한 설비 구성에서 셀룰로오스 용액의 온도 곡선을 도시하고 있고, 여기서 3개의 상이한 온도 곡선(C, D, E)이 도시되어 있다.
도 7은 열교환기 직경/표면의 함수로서 소산될 열의 계산을 도시하고 있다.
도 8a 및 도 8b는 유체가 그를 통해 유동하는 열교환기가 없는 파이프에 대한 단면 온도 프로파일을 도시하고 있다.
본 발명이 본 발명의 이들 특정 실시예에 한정되지 않고, 이하의 도면 및 예에 의해 더 예시된다.
도 1은 외부 재킷(2) 및 내부 영역(3) 및 내부 냉각제 파이프라인(4)을 갖고, 파이프라인은 재킷의 방향에서 안내 영역(5) 및 굴곡 영역(6)을 갖는, 본 발명에 따른 열교환기(1)를 통한 종단면도를 도시하고 있다.
도 2a, 도 2b 및 도 2c는 각각의 경우에 굴곡 영역 내에 2개의 교차된 냉각제 파이프라인을 갖는 2개의 수직 종방향 섹션인 도 2b(섹션 A-A) 및 도 2b(섹션 B-B) 및 단면인 도 2c(섹션 C-C)인, 본 발명에 따른 열교환기를 통한 3개의 섹션을 도시하고 있다. 냉각제 파이프라인은 연결 파이프라인(7)에 의해 서로 연결되어, 냉각제가 각각의 제 2 냉각제 파이프라인 내에서 복귀될 수 있게 된다. 냉각제 입구(8) 및 출구(9)가 마찬가지로 도시되어 있다.
도 3은 각각의 경우에 굴곡 영역(6)에 4개의 교차된 냉각제 파이프라인(4)을 갖는 열교환기(1)를 통한 단면도를 도시하고 있다.
도 4는 유체 분배기(10)에 의해 분기된 열교환기 파이프라인을 도시하고 있고, 여기서 개별 파이프라인 섹션은 절곡부(11)를 경유하여 연결되어 있다.
도 5는 WO 94/28213 A1호에 설명된 바와 같은, 종래의 유체 파이프라인 시스템 내의 온도 구배와 본 발명에 따른 온도 검사의 비교를 도시하고 있다. 열교환기는 아닌 수송 파이프의 섹션들 내의 하나의 폴리머(셀룰로오스) 온도 분산이 도시되어 있다. 곡선 (A)의 경로는 용액 제조 후에, 폴리머 화합물이 열교환기를 경유하여 냉각되고, 이후에 파이프 내로 공급되고 프로세싱(압출)을 위해 수송되도록 하는 평균 온도를 설명하고 있다. 대량 수송 및 또한 여과 및 다양한 편향의 결과로서 발생하는 압력 손실은 마찰에 의해 폴리머 화합물 내로 도입되는 열을 유도하고, 그 결과로서 온도 레벨이 전체로서 상승된다. 곡선 B - 파이프 중심 - 및 B' - 파이프 벽 - 는 그에 따라 단지 파이프의 벽만이 냉각되는 WO 94/28213 A1호에 따른 교시의 분석을 표현하고 있다. 온도는 용액 제조로부터 프로세싱까지의 거리에 따라, 따라서 파이프 내에서의 수송에 걸쳐 불균질하게 증가하고, 이는 2개의 곡선 (B) 및 (B')의 스프레드(spread)로 표현될 수 있다는 것을 알 수 있다. WO 94/28213 A1호는 최대 15℃의 온도 스프레드(temperature spread)가 온도 및 열 관리에 대해 자율적인 파이프 시스템에 기인하여 발생할 수 있다는 것을 교시하고 있다. 큰 점도차는 운송된 폴리머 또는 셀룰로오스 용액 내의 허용된 온도 스프레드에 기인하여 설정되고 형성된다는 것이 WO 94/28213호의 교시로부터 명백해진다. 이 온도 및 점도 균질성이 극복되지 않으면, 제조 결함이 성형된 제품을 위한 하류측 프로세싱 위치에서 불가피하게 발생하게 되는데, 이 결함은 압출물이 스피닝 또는 압출 중에 인열되고, 다른 압출물에 고착되고, 그 결과 사용 불가능한 최종 제품이 생성되는 영향을 갖는다.
도 6은 다양한 설비 구성에서 셀룰로오스 용액의 온도 곡선을 도시하고 있고, 여기서 3개의 상이한 온도 곡선(C, D, E)이 도시되어 있다.
(C): 셀룰로오스 폴리머 용액의 용액 제조 후에, 필터로의 화합물의 전달, 필터를 통한 통과 및 또한 성형물(압출물)을 형성하기 위한 프로세싱을 위한 추가의 전달이 수행된다. 곡선 C의 경로의 경우에, 단지 열교환기의 소산열만이 소산된다.
(D): 셀룰로오스 폴리머 용액의 용액 제조 후에, 필터로의 화합물의 전달, 필터를 통한 통과 및 또한 성형물을 형성하기 위한 프로세싱을 위한 추가의 전달이 수행된다. 곡선 D의 경로의 경우에, 여기서 온도 및 점도 균질성에 기여하는 열교환기의 소산열이 소산될 뿐만 아니라, 또한 압축 펌프에 의해 발생되는 열의 소산 및 또한 여과에 의해 발생되는 열이 소산된다.
곡선 (D)로부터 알 수 있는 바와 같이, 온도 및 점도 균질성은 수송 경로에 걸쳐, 전체 열교환기 파이프라인 단면 영역에 걸쳐 또한 열교환기 파이프라인 체적에 걸쳐 성취된다. 게다가, 화합물 온도의 균질화가 전체 열교환기 파이프라인 경로에 걸쳐 성취된다.
(E): 본 발명에 따른 시스템에서, 유체 온도의 제어가 유체의 원하는 온도 증가의 경우에, 압력 손실에 대해 원하는 온도 증가가 마찰열에 의해 열교환기에서 도입되는 이러한 방식으로 열교환기 파이프라인이 치수 설정되는 이러한 방식으로 또한 착수될 수 있다. 간접적으로 안내된 열교환기로서 열교환기 파이프라인의 구조적 디자인에 기인하여, 마찰에 의해 열교환기에 도입된 열에 추가하여, 셀룰로오스 용액의 온도를 증가시키기 위한 열이 또한 열교환기 파이프라인으로 공급된 열교환기 유체에 의해 도입될 수 있다.
도 7은 열교환기 직경/표면의 함수로서 소산될 열의 계산을 도시하고 있다.
게다가, 선택된 영역들은 개별 열교환기의 열 유동 밀도에 관련하여 지정되고, 여기서 상이한 열교환기를 위한 최적의 영역은 이하와 같다.
- 영역 1: 열교환기의 재킷 상의 온도 제어 수단에 의해 외부 온도 제어를 갖는 내부 내의 순수 정적 혼합기
- 영역 2: 내부 온도 제어를 갖는 파이프 정적 혼합기
- 영역 1, 2: 정적 혼합기 또는 대안적으로 파이프 정적 혼합기가 놓여 있는 영역. 선 "최소 열 유동 밀도"는 예를 들어 95℃의 설정 온도에서 셀룰로오스/NMMO/물 유체 혼합물 내의 파이프 및 혼합기에 의해 발생하는 마찰열을 제거하기 위해, 소산될 최소 열을 나타낸다. 실선은 최적으로 소산된 열의 양을 나타내고 있다.
도 8은 유체가 그를 통해 유동하는 열교환기가 없는 파이프에 대한 단면 온도 프로파일을 도시하고 있다. 도 8a: 25 ㎜ 직경을 갖는 파이프, 도 8b: 100 ㎜ 직경을 갖는 파이프. 상부로부터 저부로의 온도 곡선은 1) 입구에서, b) 1 m 후에, c) 3 m 후에 및 d) 출구에서(10 m 후에)의 프로파일을 도시하고 있다.
예:
이들 예에 따르면, 도 2에 도시되어 있는 바와 같은 열교환기 파이프라인이 사용된다. 이 형태에서, 열교환기는 4개의 냉각제 파이프라인을 포함하고, 각각의 경우에 2개의 냉각제 파이프라인이 냉각제를 복귀시키기 위해 단부에 부착되어 있다. 다른 단부에는, 냉각제를 도입하고 배수하기 위한 커넥터가 제공되어 있다. 열교환기 내부는 양 단부에서 개방되어 있고, 다른 열교환기 또는 연결편, 유동 분배기, 필터, 펌프, 압력 용기 또는 압출기 등과 같은 종단 장치와 같은 다른 부품들의 연결을 가능하게 한다. 이 유형의 연결부들이 도 3에 도시되어 있다. 냉각제 파이프라인은 열교환기의 내부에 수용되어 있고, 각각의 경우에 2개의 냉각제 파이프라인은 동일한 섹션에서 교차된 파이프라인 루프를 갖는 굴곡 영역을 갖고 또는 그 결과로서 다른 섹션 내의 재킷의 방향에 안내 영역을 갖는다. 이들 영역들은 대안적으로 변경될 수 있다. 그에 대한 오프셋은 동일한 섹션들 내에 마찬가지로 굴곡 영역 및 비굴곡 영역을 모두 갖는 다른 쌍의 냉각제 파이프라인이고, 여기서 제 1 냉각 파이프라인 쌍을 참조하여, 이들 굴곡 영역 및 비굴곡 영역은 경면 대칭 방식으로 존재한다.
예 1:
셀룰로오스/NMMO/물 용액을 갖는 도 3에 따른 열교환기 파이프라인이 작동 중에 테스트되었다. 12.9% 셀룰로오스, 76.3% 아민 산화물(NMMO) 및 10.8% 물로 구성된 다양한 설파이트 셀룰로오스(제조자 MoDo, Sappi Saiccor)로 이루어지는 스피닝 용액이 97℃ 내지 102℃의 온도에서 용해 장치 내에서 제조되었다.
1200 ㎏/㎥의 밀도에서, 용액은 15,000 Pas의 제로 전단 점도(85℃에서)를 가졌다. 이와 같이 얻어진 스피닝 용액은 가열된 내부 정적 혼합기 부품(모델: Sulzer SMR)을 구비한 열교환기 내에서 제조 후에 95℃의 온도로 조정되었다.
열교환기 출구에서, 전달된 용액의 온도가 결정되었고, 이하의 온도가 측정되었다.
T1 = 95.8℃
T2 = 96.7℃
T3 = 96.1℃
T4 = 95.2℃
T5 = 97.1℃
측정된 온도로부터, 대략 1.9℃의 온도차가 열교환기의 단면에 걸쳐 성취되었다는 것을 알 수 있다.
예 2 - 비어 있는 파이프 실험
계속해서, 열교환기로부터 전달된 셀룰로오스 용액은 108 ㎜의 내경(길이 대략 3 미터)을 갖는 비어 있는 파이프 내로 운송되었다.
추가의 프로세싱을 위해, 스피닝 용액 유동은 80 ㎜의 비어 있는-파이프 내경(길이 대략 2 미터)을 갖는 2개의 개별 유동으로 분할되었다.
비어 있는 파이프는 그 위에 단열부(50 ㎜ 단열부 두께)를 갖는 온도-제어 재킷을 외부에 구비하였다.
온도-제어 재킷은 82℃의 온도로 유지되었다.
비어 있는 파이프(길이 5 미터) 내의 수송 경로 후에, 단면에 걸친 스피닝 용액의 온도 분포는 2개의 출구(65 ㎜) 중 하나에서 결정되었고, 이하의 온도가 측정되었다.
T1 = 97.8℃(파이프 중심에서 측정됨)
T2 = 91.7℃
T3 = 83.5℃
T4 = 89.2℃
T5 = 91.1℃
측정된 온도로부터, 대략 14.3℃의 온도차가 비어 있는 파이프의 단면에 걸쳐 성취되었다는 것을 알 수 있다. 낮은 재킷 온도에도 불구하고, 매우 높은 코어 온도가 측정되었고, 이는 유체의 현저한 전단 가열에 의해 설명될 수 있다는 것이 주목될 수 있다.
예 3 - 가열된 내부 정적 혼합기 부품을 갖는 열교환기
본 발명은 외부로부터 온도 조절 및 전단 열의 진입에도 불구하고, 파이프의 경로에 걸쳐 균일한 레벨에서 스피닝 용액의 온도 및 점도 일관성을 유지하기 위한 것을 목적으로 설정하였다. 이 목적을 성취하기 위해, 전술된 비어 있는 파이프 시스템은 열교환기 시스템으로 교체되었다.
열교환기 시스템은 적어도 서로 연결된 열교환기로 이루어진다. 제 1 열교환기(하우징 내경 108 ㎜, 길이 3 m)는 가열된 내부 정적 혼합기 부품(모델: Sulzer SMR)을 갖는 하우징으로 이루어졌다. 하우징의 온도 제어 재킷은 내부 정적 혼합기 부품에 연결되었고, 여기서 온도 제어 매체의 온도는 92℃로 설정되었다. 내부 정적 혼합기 부품은 2 m의 길이(하우징 길이의 대략 65%)를 가졌다. 제 1 열교환기 부품의 하류측에서, 스피닝 용액은 온도 측정을 받게되었고, 이하의 온도가 열교환기를 통한 통과 후에 설정되었다.
T1 = 94.8℃
T2 = 94.4℃
T3 = 95.1℃
T4 = 95.6℃
T5 = 95.9℃
측정된 온도로부터, 대략 1.1℃의 온도차가 성취되었다는 것을 알 수 있다. 본 발명에 따른 디자인에 의해, 매우 균일한 스피닝 용액이 온도 및 점도 분포에 대해 설정될 수 있고 동시에 열교환기 시스템 내에 유도된 유체의 전단 가열이 소산될 수 있다는 것이 주목할만하다.
예 4 - 내부 정적 혼합기 부품을 갖는 열교환기
스피닝 용액 유동의 분배 후에, 셀룰로오스 용액은 평행하게 연결된 2개의 구조적으로 동일한 열교환기를 경유하여 운송되었다.
양 열교환기(하우징 내경 85 ㎜ - 길이 2 m)는 내부 정적 혼합기 부품(모델: Sulzer SMXL)을 갖는 하우징으로 이루어졌다. 하우징의 온도-제어 재킷은 90℃의 온도로 설정되었다.
내부 정적 혼합기 부품은 1.2 m의 길이(하우징 길이의 대략 60%)를 가졌다. 2개의 열교환기 부품 중 하나의 하류측에서, 스피닝 용액은 온도 측정을 받게되었고, 이하의 온도가 열교환기를 통한 통과 후에 설정되었다.
T1 = 95.3℃
T2 = 96.7℃
T3 = 95.4℃
T4 = 96.1℃
T5 = 95.5℃
측정된 온도로부터, 대략 1.4℃의 온도차가 성취되었다는 것을 알 수 있다. 본 발명에 따른 디자인에 의해, 매우 균일한 스피닝 용액이 온도 및 점도 분포에 대해 설정될 수 있고, 동시에 열교환기 시스템 내의 유체의 전단 가열이 소산될 수 있다는 것이 주목할만하다.
온도 스프레드에 대한 데이터에 기초하여, 유체 운송 시스템 내의 최소 및 최적 열교환기 길이가 계산되었다. 각각의 경우에 175 ㎜, 136 ㎜, 108 ㎜, 85 ㎜ 및 65 ㎜의 엇갈린 내경을 갖는 1 m 길이의 20개의 열교환기로 구성된 시스템에서 95℃에서 셀룰로오스/NMMO/물 유체의 1.5℃ 최대 스프레드에 대해, 제 1 펌프로부터 압출기까지 수송 시스템의 전체 길이의 적어도 34%는 필터 및 추가의 펌프, 열교환기를 경유하여 운송된다. 개별 열교환기 부품 내에서, 열전달 매체 파이프라인을 구비하는 것은 전체 길이가 아니고, 오히려 연결 파이프 및 적절하게는 불완전한 장비를 고려하면, 175 ㎜ 내경을 갖는 열교환기에서, 길이의 56.9%, 최적으로 길이의 73.1%가 열전달 매체를 구비한다. 136 ㎜ 내경을 갖는 열교환기에서, 길이의 69.2%, 최적으로 길이의 85.8%가 열전달 매체를 구비한다. 108 ㎜ 내경을 갖는 열교환기에서, 길이의 61.7%, 최적으로 길이의 86.7%가 열전달 매체를 구비한다. 85 ㎜ 내경을 갖는 열교환기에서, 길이의 63.6%, 최적으로 길이의 84.1%가 열전달 매체를 구비한다. 65 ㎜ 내경을 갖는 열교환기에서, 길이의 50.0%, 최적으로 길이의 75.0%가 열전달 매체를 구비한다.
175 내지 108 ㎜ 내경을 갖는 열교환기는 내부 온도 제어형이고, 85 내지 65 ㎜ 내경을 갖는 열교환기는 내부 정적 혼합기를 갖는 외부 온도 제어형이다.
열교환기 시스템의 전체 길이에 대해, 열교환기의 길이부의 합에 기초하여, 길이의 61.5%, 최적으로 길이의 81.0%가 열전달 매체를 구비한다. 요구된 분배 부품, 필터 및 펌프의 경우에, 길이의 97.1%가 열전달 매체를 구비할 수 있다.
예 5:
폴리머 용액 - 스피닝 용액으로서 사용되고 이하의 조성을 가짐 - 은 스피닝 용액 제조로부터 열교환기 및 파열 부품(분배편으로서)을 갖는 연결편으로 이루어진 열교환기 파이프라인 시스템을 통해 스피닝 기계에서 그 프로세싱까지 전달되었다.
타입 MoDo Crown Dissolving DP 510-550 및 Sappi Saiccor DP 560-580의 셀룰로오스의 혼합물로 이루어진 스피닝 화합물이 이하의 조성, 즉 셀룰로오스 12.9%, 아민 산화물(NMMO) 76.3%, 물 10.8%를 갖고 연속적으로 제조되었다.
용액 제조는 수성 효소 전처리 후에 발생되었고, 97 내지 103℃의 온도에서 연속적으로 관류된 반응 용기 내에서 진공 하에서 과잉의 물을 증발함으로써 현탁액 제조가 발생되었다. 공지의 안정화기가 첨가되어 용제 NMMO/물을 안정화하였다. 셀룰로오스 용액의 안정화는 공지된 바와 같이 프로필 갈레이트를 사용하여 발생하였다. 안전-지각 용액 제조를 위해, 중금속 이온 함량이 검사되고 합 파라미터(금속 이온 및 귀금속 이온으로 구성됨)로서 10 ppm의 값이 초과되지 않는다.
제조된 용액의 밀도는 실온에서 1,200 ㎏/㎥이다. 셀룰로오스 혼합 부품에 의해 설정된 스피닝 화합물의 제로 전단 점도는 75℃에서 측정된 최대 15,000 Pas일 수 있다. 스피닝 프로세스에서 선택된 프로세싱 온도에 따라, 제로 전단 점도는 500 내지 15,000 Pas의 범위에서 시프트할 수 있다. 스피닝 용액의 구조적 점성 거동에 기인하여, 점도는 선택된 프로세싱 온도에 따라 100 Pas 미만의 범위로 스핀 전단율에 대해 저하되었고, 마찬가지로 스피닝 용액 내의 셀룰로오스 농도에 상당히 의존한다.
연결 파이프에서, 폴리머 화합물은 통과 중에 샘플링 개구에서 온도 측정 및 점도 측정을 위해 제거되었고, 여기서 연결편 내에 부착된 파열 디스크는 ㎟당 특정 관통 유동을 위해 치수 설정되었다.
분배편을
경유하는
샘플링 개구		 특정 파열
디스크 치수
㎏ 폴리머 화합물/㎟ 파열
디스크 면적		 온도
℃		 온도 편차
+/- ℃* 		점도
90℃에서
Pas 단위의
η0 		점도 편차
90℃ +/-에서
Pas 단위의
η0
반응기 0.11 101.5 2.4 1270 98
열교환기의
하류측		 0.08 96.5 0.8 2080 85
필터의
하류측		 0.05 97.3 1.3 1550 73
펌프-분배의
하류측		 0.15 95.8 0.9 2200 67
분배-스피닝 기계 0.04 91.5 1.1 3650 54
온도 및 점도에 대한 편차가 10개의 개별 측정을 경유하여 그리고 평균을 형성함으로써 결정되었다.
비교예: 고도로 점성인 유체(셀룰로오스 용액과 같은)의 관통 유동을 위해 파이프 중심으로부터 파이프 벽으로 시뮬레이션된 열전달을 평가하기 위한 내부 열교환기가 없는 WO 94/28213호에서와 같이, 온도 검사를 갖는 내부 열교환기 파이프가 없는 파이프 내의 점성 유체의 시뮬레이션된 열전달.
온도 단면 프로파일이 입구(길이 0 m)에서, 1 m 후에, 3 m 후에 그리고 출구(길이 10 m)에서 측정되었다. 25 ㎜ 및 100 ㎜의 직경을 갖는 파이프가 조사에 기초하여 형성되었다. 고도로 점성인 매체를 위한 전형적인 값에 따른 유체 속도가 선택되었다(직경 25 ㎜에 대해 1.13 m/min 및 직경 100 ㎜에 대해 3.54 m/min). 측정 영역의 입구에서, 속도 분포는 플러그로서 단면에 걸쳐 일정하게 부여된다. 시뮬레이션은 모두 층상 방식으로 수행되었다. 벽 온도는 25 ㎜를 갖는 파이프에 대해 152.7℃였고, 100 ㎜ 직경을 갖는 파이프에 대해 129.9℃였다(WO 94/28213호에 따라). 유체의 밀도는 1200 ㎏/㎥이었고, 열 용량은 2700 J/㎏K이었고, 열전도도는 온도의 선형 함수로서 모델링되었다(0.23 내지 0.24 W/mK).
제 1 계산 패스(pass)에서, 열 입력이 없는(유체 내에 분해 반응이 없음) 파이프의 직경에 의해 유체 온도에 영향을 미치는 가능성이 시뮬레이션되었다.
25 ㎜를 갖는 파이프의 단면 온도 프로파일이 도8a에 도시되어 있다. 상부로부터 저부로의 온도 곡선은 1) 입구에서, b) 1 m 후에, c) 3 m 후에 및 d) 출구에서(10 m 후에) 프로파일을 나타낸다. 재킷에 의해, 파이프는 또한 파이프 중심 내에서 냉각될 수 있다는 것이 명백하다.
100 ㎜를 갖는 파이프의 단면 온도 프로파일이 도 8b에 도시되어 있다. 온도 곡선은 도 8b와 유사하게 도시되어 있고, 여기서 차이는 단지 또한 파이프의 에지 영역에서 보여질 수 있다. 재킷에 의해, 파이프는 파이프 중심에서 냉각될 수 없다는 것이 명백하다. 유체의 코어 온도는 대략 15℃만큼 낮아진 벽 온도에 의해 영향을 받을 수 있다.
따라서, 이 유형의 유체에 대해, 본 발명에 따라 제공된 바와 같이, 대안적인 냉각 및 철저한 혼합이 요구된다.

Claims (16)

  1. 복수의 개별 열교환기를 파이프라인 부품들로서 갖고 파이프라인 시스템을 따라 그리고 또한 파이프라인들의 단면에서 사전 결정된 제어된 온도 및/또는 압력 분배를 갖는 점성 유체들을 수송하기 위한 열교환기 파이프라인 시스템에 있어서,
    상기 파이프라인 시스템을 따른 규칙적인 간격들에서, 열교환기들은 파이프라인 부품들로서 제공되고, 상기 규칙적인 간격들은 파이프라인 시스템을 따라 사전 결정된 온도 및/또는 압력 분배를 유지하기 위한 방식으로 선택되고, 유체들의 온도를 제어하기 위한 열교환기들 내의 온도 제어 수단, 및 또한 선택적으로 상기 파이프라인의 단면에 의존하여, 상기 파이프라인의 단면 내에 사전 결정된 온도 및/또는 압력 분배를 유지하기 위해 혼합 부품들이 제공되고, 상기 열교환기 파이프라인 시스템의 길이의 적어도 30%는 열교환기들을 구비하는 것을 특징으로 하는,
    열교환기 파이프라인 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    열교환기의 하나 이상의 온도 제어 수단은 열전달 매체 파이프라인 또는 열전달 매체 재킷인 것을 특징으로 하는,
    열교환기 파이프라인 시스템.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 파이프라인 시스템의 경로 내에서 감소되는 개별 열교환기들의 엇갈린 내경을 갖는 것을 특징으로 하는,
    열교환기 파이프라인 시스템.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    하나 이상의 분기 부품을 갖는 것을 특징으로 하는,
    열교환기 파이프라인 시스템.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 열교환기 파이프라인 시스템의 제 1 섹션의 제 2 섹션에 대한 내경은 최대 5:1, 바람직하게는 적어도 10:9인 것을 특징으로 하는,
    열교환기 파이프라인 시스템.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    바람직하게는 상기 열교환기의 적어도 90 ㎜의 내경에 대해, 상기 열교환기의 내부에 온도 제어 수단을 갖는 열교환기를 갖는 것을 특징으로 하는,
    열교환기 파이프라인 시스템.
  7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 열교환기의 내부에 대해 외부에 온도 제어 수단, 바람직하게는 온도 제어 재킷을 갖는 열교환기를 갖고, 상기 열교환기의 내경은 최대 130 ㎜인 것을 특징으로 하는,
    열교환기 파이프라인 시스템.
  8. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 열교환기 시스템의 단면에서 및/또는 종방향에서 사전 결정된 온도차는 최대 5℃인 것을 특징으로 하는,
    열교환기 파이프라인 시스템.
  9. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 하나 이상의 파이프라인 섹션의 내부에 혼합 부품을 포함하는 것을 특징으로 하는,
    열교환기 파이프라인 시스템.
  10. 제 6 항 또는 제 9 항에 있어서,
    상기 혼합 부품 및 상기 온도 제어 수단은 상기 열교환기의 내부의 열전달 매체 파이프라인인 것을 특징으로 하는,
    열교환기 파이프라인 시스템.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 내부 열전달 매체 파이프라인은 재킷의 방향으로 안내 영역들을 그리고 굴곡 영역들을 갖는 것을 특징으로 하는,
    열교환기 파이프라인 시스템.
  12. 제 1 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 열교환기 파이프라인 시스템은 적어도 1 m, 바람직하게는 적어도 2 m, 바람직하게는 적어도 4 m, 바람직하게는 적어도 6 m, 바람직하게는 적어도 8 m, 바람직하게는 적어도 10 m 길이인 것을 특징으로 하는,
    열교환기 파이프라인 시스템.
  13. 제 1 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 온도 제어 수단은 상기 열교환기 파이프라인 시스템의 길이의 적어도 60%를 따라 수용되는 것을 특징으로 하는,
    열교환기 파이프라인 시스템.
  14. 제 1 항 내지 제 13 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 열교환기 파이프라인 시스템은 압력 하에서 점성 유체를 운송하기 위한 펌프, 필터, 과압 조절기 또는 이들의 조합들과 함께 작동적으로 연결되는 것을 특징으로 하는,
    열교환기 파이프라인 시스템.
  15. 제 1 항 내지 제 14 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 열교환기의 내부에 열전달 매체 파이프라인을 갖고, 상기 열교환기의 단면에서, 단면 내부 영역의 최대 40%가 상기 열전달 매체 파이프라인에 의해 점유되는 것을 특징으로 하는,
    열교환기 파이프라인 시스템.
  16. 제 1 항 내지 제 15 항 중 어느 한 항에 따른 열교환기 파이프라인 시스템을 통해 점성 유체를 수송하기 위한 방법에 있어서,
    특히 상기 점성 유체는 열적으로 불안정하고, 바람직하게는 셀룰로오스 용액 및/또는 바이오폴리머 용액이고, 바람직하게는 폴리삭카라이드, 단백질, 핵산 또는 이들의 혼합물들로부터 선택되는,
    점성 유체를 수송하기 위한 방법.
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