载热流体的流动蛇形管、制造它的方法以及包括它的反应器 【技术领域】
本发明涉及载热流体的流动蛇形管和制造这种蛇形管的方法。本发明还涉及处理粘性介质或实现在粘性介质中的化学反应如聚合作用的反应器，这种反应器包括这种蛇形管。本发明最后涉及这种反应器的使用。
背景技术
已经知道用连续或不连续的方式实现聚酰胺的聚合作用。在所谓的不连续方法中，使用高压釜类型的反应器进行批量生产。在这种情况下，已经知道通过提供外部热量蒸发两个单体的一种水溶液的水和它们的聚合作用产生的水。
这种提供的热量应该足以在一个与工业界通用的生产率指标相容的时间间隔内发生聚合反应。提供的热量不应该太大，以便尽可能避免引起其中一个单体带有汽相。如果使一定量的单体带有汽相，这个量应该是恒定地，以便使得到的聚酰胺的特征是可以重复产生的。另外，提供的热量可以在它能够操纵水的蒸发的范围内控制聚合反应。
为了把热带到反应介质中，在小容量的高压釜中，即体积小于3m3的高压釜中使用了蛇形管，载热流体在蛇形管中流动。
对于容量更大的反应器，特别是5-6m3的反应器，可以考虑使用一个蛇形管和一个搅拌器，搅拌器的目的是提高反应介质的均匀度，并提高热传导系数。
但是，这种方法不能转换到大容量的反应器，特别是容量大于8m3的反应器，因为不能以足够的方式增加蛇形管壁构成的热交换面积。实际上，如果增加蛇形管的总直径，则反应器的槽中不能再装入一个有效的搅拌器。如果减小构成蛇形管的管子的直径，则与这些管子中的载热流体的流动有关的负荷损失将明显增加。如果产生一个形状非常复杂的蛇形管，则束缚了反应介质的轴向循环，因此在搅拌器的中心消除了所谓的“泵送”作用。最后，一个带有小直径管子的复杂形状的蛇形管不能满足使其可以耐受长时间使用和/或小的制造事故的机械强度指标。
【发明内容】
正是由于这些需要克服的缺点，本发明提出一种新的蛇形管，这种蛇形管可以给一个大体积的反应介质提供有效的热量，同时又与一个带有搅拌器的反应器槽的尺寸相容。
在这种精神下，本发明涉及一种一个载热流体流动的蛇形管，这种蛇形管至少包括一个沿一个螺旋母线绕成的管段，其特征在于，这种蛇形管至少包括一个沿一个螺旋母线绕成的第二管段，第二管段与第一管段平行地延伸在一个分配器与一个集流管之间，第一第二管段在同一个几何轴上对中，成为具有基本相同半径的弧形，并叠套在一起，使它们一起形成一个整体形状为柱形的管束。
由于使用了两个叠套的螺旋形管段，可以使这些管段的每一个的长度比较短，因此它们产生的负荷损失比较小，因此甚至使用的管子截面也小。另外，螺旋管段的长度比较小导致它们的斜率可能比较大，即比一个延伸在蛇形管整个高度上的一个单一圆形管段情况下的斜率大。因此，在载热流体以汽相状态提供的情况下，即可能在管中产生凝结的情况下，凝结流体在这些管段中的流动可以更快，因此冷凝液聚集的危险较小并且液态体积较小。这些管段形成一个柱形管束，避免它们明显干扰反应介质在反应器中心部分的流动或循环。
根据本发明第一个有利的但不是必须的方面，蛇形管包括一个由至少一个沿一个螺旋母线绕成的管段构成的第二管束，该管段延伸在分配器和集流管之间，并且在第一螺旋管段的轴上对中，第二管束的整体形状为柱形，其半径小于第一管束的半径。在这种情况下，第二管束最好由最少两个平行延伸在分配器和集流管之间的叠套螺旋形管段形成。
根据本发明的其他有利的但不是必须的方面，蛇形管包括以下特征中的一个或几个：
—第一管束由三个叠套的螺旋管段形成。
—螺旋管段的长度基本相同，并且/或者在分配器和集流管之间产生基本相同的载热流体流动的负荷损失。
—在第一和第二管束之间设有一个沿一个与第一管束的轴平行的方向延伸的管子，这个管子或者与分配器连接，或者与集流管连接。
—分配器和/或集流管的形状为环形，并且在第一管束的轴上对中。在这种情况下，可以将分配器和/或集流管设置为弧形，其半径基本等于第一管束的半径，使它们基本上在第一管束的或第二管束的延长线内。
本发明还涉及一种制造一个上述蛇形管的方法，特别是一种包括一个使两个沿螺旋母线绕成并成为具有基本相同的半径的两个管段叠套的阶段，以便形成一个整体为柱形的管束。
通过一个围绕一个这些管段共同的轴“旋拧”的运动使管段叠套在一起。
本发明还涉及一种反应器，这种反应器用于处理一种粘性介质或实现在粘性介质中的化学反应，如一种聚合作用，这种反应器另外包括一个上面描述的蛇形管。
根据本发明的第一个优势方面，这个反应器可以包括一个位于蛇形管周围或蛇形管内的搅拌器。搅拌器可以悬挂在反应器的顶部，并形成一个围绕蛇形管的笼体，向反应器提供载热流体或从蛇形管排出载热流体穿过反应器的底部进行。根据本发明的另一个实施例，搅拌器可以由一个在蛇形管的一个内管束或单一管束的轴上对中的蜗杆形成。
根据本发明的另一个优势方面，蛇形管的内束或单一束形成一个半径在槽的半径的20-70％之间的中心井，这样可以使反应介质在槽中有良好的循环。在一个双管束蛇形管的情况下，内管束形成的中心井的半径最好在槽的半径的20-40％之间。
本发明最后涉及一个上面描述的反应器的使用，反应器的体积大于8m3，用处理一种粘性介质，或者制备聚合物，如聚酰胺，特别是聚酰胺6-6或聚酯。这种使用可以以不连续的方式进行，例如批量制造大体积的聚合物，或者是连续的。
【附图说明】
通过下面对一个符合本发明的蛇形管和反应器的一个实施例以及它们的制造和使用的描述，可以更好地了解本发明，并且它的其它优点也更加清楚，该描述仅仅作为例子给出，并参照附图进行，附图如下：
—图1是一个符合本发明的反应器原理的纵剖面，反应器带有一个符合本发明的蛇形管；
—图2是图1所示蛇形管的半剖面；
—图3是图2蛇形管一个制造阶段的原理示意图；
—图4是一个与图3类似的图，表示蛇形管的另一个制造阶段；
—图5是图2蛇形管的俯视图；
—图6是图2蛇形管的底视图；
—图7图2-6蛇形管的透视图。
【具体实施方式】
图1所示的反应器1用于聚酰胺的聚合作用。它的体积V约为11m3。这个反应器1包括一个整体为柱形的槽2，并带有一个整体为锥形的底21。设有一个图中未示的盖子，用于安装在槽2上，以便构成槽2的顶部并以密封的方式使反应器1的内体积V与周围环境隔离。
一个搅拌器4设在体积V中。搅拌器4被一个排列在反应器的中心轴X-X’上并穿过盖子的轴41带动。搅拌器4包括一些整体为螺旋状的叶片，这些叶片安装在一个围绕一个蛇形管5的笼体上。为了使图清楚，搅拌器4只在图1中用点划线钩出轮廓。
可以考虑其它形式的搅拌器，只要它们能够与体积V中具备的地方相容。
槽2具有两个外套，以便可以使一种载热流体流动，这样可以加热体积V。
一个蛇形管5安装在槽2内，并从一个蒸发器6提供载热流体，蒸发器6可以是已知类型的。两个分隔穿管59使蛇形管5与管子61和62连接，管子61和62可以分别给蛇形管5提供载热流体以及把比较不热的载热流体向蒸发器6的方向排放。
在特殊情况下，载热流体是一种温度在300-350℃之间的汽相油。汽相油的表现像一个单纯物体，并且在潜热下工作，因此尽管反应介质在蛇形管的长度上承受大体均匀的附加热量，汽相油仍保持它的温度。
箭头E1、E2表示油在分隔穿管59中的流动。
如图2-7更特别地表示的，蛇形管5由两个管束组成。更确切地说，第一管束51由一些半径R1基本恒定的弧形管构成。第二管束52由一些半径R2小于R1的弧形管形成。管束51和52基本为柱形，并且在蛇形管5的一个中心轴X5上对中，当蛇形管5安装在反应器1中时，这个轴与轴X-X’重合。
管束51由三个管段511、512、513组成，每个管段沿一个螺旋母线绕成，并互相叠套，即一起形成管束51。
同样，管束52由两个管段521和522组成，每个管段沿一个螺旋母线绕成，并且互相叠套。
如图3所示，管束51由管段511、512、513绕轴X5旋拧形成，轴X5是它们共同的轴。箭头F1表示管段512叠套到管段511中，这种叠套表现为管段512与轴X5平行地推进，如箭头F2所示。同样，管段513可以叠套在管段511和512之间。
如图4所示，通过箭头F1和F2所示的一个旋拧运动使管段522叠套到管段521中，形成管束52。
当两个管束51和52中的每一个形成一个整体为柱形并且具有预先确定的半径R1或R2之时，可以把管段511-513以及521和522与一个形成分配器的供应补给器53和一个输出集流管54连接，这个补给器和集流管中每一个的整体形状为环形，并且在轴X5上对中。
零件53和54的直径大于管段511-513以及521和522的直径，使它们可以有效地给这些管段提供载热流体，并有效地收集来自这些管段的流体，如图5、6的流动箭头E所示。
选择补给器53形成的环形的直径R3等于半径R2，输出集流管54的半径R4也是一样。因此，零件53和54大体与管束52对齐，因此它们不干扰蛇形管5的中心部分的流动，在图1中，这种流动用箭头E’表示。
补给器53设有两个提耳531和532，当蛇形管5在槽2中就位或取出时，这两个提耳可以承受蛇形管5。也可以考虑在补给器53或蛇形管5的其它部分上设置其它提起装置。
一个大体与轴X5平行的管子56位于管束51和52之间，这个管子可以从与蒸发器6的管子61连接的分隔穿管59给补给器53提供载热流体。这个管子56内截面与补给器53的内截面基本相等。
如图5更清楚地表示的，三个管段511、512、513通过基本沿补给器53的径向的方向延伸的穿孔511a、512a、513a与补给器53连接。另外，管子521、522通过在补给器53下面，即沿一个基本与轴X5平行方向的穿孔521a和522a与补给器53连接，而穿孔511a、512a、513a与这个轴基本垂直。
同样，如图6所示，管子511-513通过基本为径向的穿孔511b、512b、513b与集流管54连接，而管子521、522通过基本为轴向的穿孔521b和522b与集流管54连接。
可以选择蛇形管5的直径R1和R2、高度h5和零件53和54的位置，使管段511-513以及521和522长度基本相同。这些管段具有相同的内截面。因此它们产生的载热流体负荷损失基本相同。
由于上面所述，人们了解到，管段511、512、513、521、522互相平行地安装在零件53和54之间，这样可以得到比较少的负荷损失，因为三个管子511、512、513的总负荷损失小于形成一个与管束51同样密的管束的单一螺旋管产生的负荷损失。
另外，如图1至3所示，通过一个管子与轴5的一个法线Y5之间的角度α1定义的管子511-513中每个管子的单一斜率基本上比一个自己形成管束51的单一螺旋管的斜率大。这就大大减少了冷凝液聚集在管段511-513内的危险，并且把液体在这些管子下部的滞留减到最小。
上面的观察也适用于第二管束52的管子521和522。
因为管子56沿一个与槽2的轴X-X’基本平行的方向延伸，因此它基本不干扰反应介质的流动E’。
在实际应用中，选择内管束52的半径R2的值在槽2半径R的20-40％之间。在这些条件下，管束52在反应器1的体积V中形成的中心井P足够大，使搅拌器4产生的反应介质的循环有效。
还需要指出的是，蛇形管5的结构使它的几何形状与槽2底部21的几何形状相适应，使得反应器1的死体积，即很少产生循环的部分，得到最大限制。
用一个蛇形管5表示的本发明包括一个外管束51和一个内管束52。但是本发明也可以包括一个由至少两个叠套的螺旋形管段组成的单一管束的蛇形管。
在一个包括一个单一管束蛇形管的情况下，这个管束的半径可以选择为反应器槽半径的20-70％之间。
已经用包括三个管段511、512、513的外管束51表示了本发明。但是本发明也可用于包括两个管段，或者相反包括三个以上管段的管束。
已经用一个位于蛇形管5周围的搅拌器4表示了本发明。但是本发明也可带有一个深入到蛇形管5的中心井内的搅拌器。在这种情况下，可以增加蛇形管5的半径R1和R2，搅拌器的形状可以是一个蜗杆。
本发明与蒸发器6和使用的载热流体的确切类型无关。
图3、4、7中，使用不同的线条仅仅是为了从视觉上区分蛇形管5的不同部分。