DD234233A1

DD234233A1 - Vorrichtung zum erwaermen und kuehlen eines reaktionsbehaelters

Info

Publication number: DD234233A1
Application number: DD27289285A
Authority: DD
Inventors: Hans-Juergen Maass; Michael Maercz; Hans Frommann; Helmut Storch; Frank Peukert; Christian Kecke; Lothar Blume
Original assignee: Dresden Komplette Chemieanlag
Priority date: 1985-01-31
Filing date: 1985-01-31
Publication date: 1986-03-26

Abstract

Die Erfindung beinhaltet eine Vorrichtung zum Erwaermen und Kuehlen von Reaktionsbehaeltern, Autoklaven u. dgl. Diese Vorrichtung soll so ausgebildet sein, dass mit ihr ein Reaktionsbehaelter sowohl mit einem fluessigen als auch mit einem gasfoermigen Waermetraeger erwaermt und gekuehlt werden kann. Dies wird erreicht, in dem der an dem Reaktionsbehaelter befindliche Doppelmantel einerseits mit einer Heiz- und einer Kuehleinrichtung ausgestattet und andererseits ueber eine Dampf- und eine Fluessigkeitsleitung mit dem Ausdehnungsgefaess verbunden ist. Dabei ist in dem Ausdehnungsgefaess eine zweite Kuehleinrichtung angeordnet. Bei der Fahrweise mit fluessigem Waermetraeger erfolgt die Waermeuebertragung mit Hilfe der Waermetraegerfluessigkeit. Bei der Fahrweise mit dampffoermigem Waermetraeger erfolgt der Waermeuebergang bei gleichzeitiger Kondensation bzw. Verdampfung des Waermetraegers an der Wandung des Reaktionsbehaelters. Das Hauptanwendungsgebiet der Erfindung liegt in der chemischen und artverwandten Industrie. Figur

Description

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung wird zum Erwärmen und Kühlen von Reaktionsbehältern angewendet. Solche Reaktionsbehälter sind in der Regel Rührkessel, Autoklaven oder anderweitige Gefäße, in denen bei Stoffumwandlungsprozessen oder bei der Veränderung des Aggregatzustandes von Stoffen diese erwärmt oder abgekühlt werden. Das Hauptanwendungsgebiet der Erfindung liegt in der chemischen und artverwandten Industrie.

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Um das in einem Reaktionsbehälter befindliche Produkt zu erwärmen oder abzukühlen, ist dieser häufig mit einem Doppelmantel versehen, in den der Wärmeträger bzw. das Kühlmittel gefördert wird. Als Wärmeträger dient dabei zumeist Wasser, Wasserdampf oder eine organische Flüssigkeit. Die Kühlflüssigkeit fließt dem Mantelraum in der Regel unten zu, während Dampf stets oben eintritt. Der Doppelmantel ist an dem Reaktionsbehälter in der Regel angeflanscht oder angeschweißt. Andere Ausführungsformen zum Erwärmen und Kühlen eines Reaktionsbehälters bestehen in der Anordnung von Rohrschlangen, von aufgeschweißten Halbrohren oder angeschweißten Winkelprofilen am äußeren Umfang des Reaktionsbehälters. Diese Erwärmungs- bzw. Kühlvorrichtungen sind in dem Buch von W. R. A. Vauck und H. A. Müller, Grundoperationen chemischer Verfahrenstechnik, Verlag von Theodor Steinkopff, Dresden und Leipzig, 1962, auf der Seite 270 beschrieben und dargestellt. In dem Prospekt „Kunstharzanlagen" der Firma Gebrüder Hagemann GmbH, Bochum, Bundesrepublik Deutschland, werden dampfbeheizte Anlagen zur Kunstharzherstellung beschrieben, die mit getrennten Heiz-Kühlsystemen ausgestattet sind. Die Beheizung erfolgt über auf der Reaktorwand aufgebrachte Halbrohrschlangen, die Kühlung über einen über diese '

Halbrohrschlangen angebrachten Doppel mantel, wodurch eine Vermischung von Kondensat und Kühlwasser verhindert wird. Bei diesen Erwärmungs- und Kühlvorrichtungen wird zum Erwärmen des Reaktionsbehälters und des darin befindlichen Produkts als Wärmeträger entweder ein Gas (bzw. Dampf) oder eine Flüssigkeit benutzt. Zum Kühlen wird stets eine Flüssigkeit benutzt, die die Wärme des abzukühlenden Produktes aufnimmt und danach entweder verworfen oder abgekühlt und nachfolgend wieder als Wärmeträger verwendet wird.

In dem Prospekt D22-654/13522 „Diphyl — ein Wärmeübertragungsmittel" der Farbenfabriken Bayer AG, Bundesrepublik Deutschland, wird die Verwendung von Diphyl und Diphyl dampf zur Wärmeübertragung beschrieben. Der Diphyldampf wird entweder innerhalb oder außerhalb des zum Reaktionsbehälter gehörenden Doppelmantels erzeugt. Der bei der Wärmeübertragung kondensierte Diphyldampf wird zur Verdampfung zurückgeführt und erneut verdampft. Die Kühlung erfolgt jeweils mit flüssigem Diphyl.

Ziel der Erfindung

Ziel der Erfindung ist es. Reaktionsbehälter und das darin befindliche Produkt schnell und mit geringem energetischen Aufwand zu erwärmen und zu kühlen.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zu entwickeln, mit der ein Reaktionsbehälter sowohl mit einem flüssigen als auch mit einem gasförmigen Wärmeträger erwärmt und gekühlt werden kann.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der in dem Reaktionsbehälter befindliche Doppelmantel mit einem Ausdehnungsgefäß für den Wärmeträger über eine Dampfleitung verbunden ist, in dem Ausdehnungsgefäß eine zweite Kühleinrichtung vorgesehen und in dem oberen Teil des Doppelmantels ein Kondensatverteilerring angeordnet ist. Der Doppelmantel steht darüber hinaus mit dem Ausdehnungsgefäß und einem Wärmeträgerbehälter jeweils über eine Flüssigkeitsleitung in Verbindung. In seinem unteren Teil weist der Doppelmantel eine Heizeinrichtung zum Erwärmen des Wärmeträgers auf.

Soll das in dem Reaktionsbehälter befindliche Produkt auf Temperaturen bis zu etwa 200°C erwärmt werden, so benutzt man hierzu zweckmäßigerweise einen flüssigen Wärmeträger. In diesem Fall wird der Doppelmantel des Reaktionsbehälters vollständig mit dem Wärmeträger gefüllt, ,velcher dann mit Hilfe der Heizeinrichtung erwärmt wird. Der Wärmeträger überträgt die Wärme auf die Wand des Reaktionsbehälters, wodurch das darin befindliche Reaktionsprodukt erwärmt wird. Die Abkühlung des Reaktionsproduktes erfolgt auf umgekehrte Weise. Hierzu ist in dem Doppelmantel eine Kühleinrichtung angeordnet, beispielsweise eine Rohrschlange, durch die ein Kühlmittel, beispielsweise Kühlwasser, strömt und den Wärmeträger und damit das zu kühlende Reaktionsprodukt abkühlt.

Soll dagegen das in dem Reaktionsbehälter befindliche Produkt auf Temperaturen oberhalb von 200°C erwärmt werden, so ist es zweckmäßig, einen gasförmigen Wärmeträger zu benutzen. Hierbei wird der Doppelmantel des Reaktionsbehälters soweit mit einem flüssigen Wärmeträger gefüllt, bis die Heizeinrichtung auch dann vollständig mit dem Wärmeträger bedeckt ist, wenn ein Teil des Wärmeträgers verdampft ist. Der Wärmeträger wird mit Hilfe der Heizeinrichtung erwärmt und teilweise verdampft. Der Wärmeträgerdampf erwärmt die Wandung des Reaktionsbehälters und damit das darin befindliche Produkt. Das hierbei entstehende Wärmeträgerkondensat tropft zurück und wird erneut verdampft. Beim Kühlen des Reaktionsbehälters wird die in dem Ausdehnungsgefäß befindliche zweite Kühleinrichtung in Betrieb gesetzt, wodurch die Wärmeträgerdämpfe kondensieren. Das Wärmeträgerkondensat fließt zurück in den Doppelmantelraum, wird dort mit Hilfe des Kondensatverteilerringes auf die

Wandung des Reaktionsbehälters verteilt und läuft gleichmäßig an dieser Wandung herab, wobei es wieder verdampft. Die dazu erforderliche Verdampfungswärme wird dem in dem Reaktionsbehälter befindlichen Produkt entzogen, wodurch es sich abkühlt.

Da bei diesem Kühlprozeß der Druck im Doppelmantelraum und im Ausdehnungsgefäß absinkt, erfolgt die Verdampfung des Wärmeträgers bei ständig sinkender Temperatur.

Auf diese Weise kann das in dem Reaktionsbehälter befindliche Produkt bis etwa 150⁰C abgekühlt werden. Ist eine Abkühlung des Produktes auf niedrigere Temperaturen erforderlich, so benutzt man hierzu zweckmäßigerweise flüssigen Wärmeträgerund kühlt diesen mit der im Doppelmantel angeordneten Kühleinrichtung.

Als Wärmeträger wird zweckmäßigerweise Diphyl eingesetzt. Dies ist ein Gemisch von Diphenyl und Diphenyloxid; es weist einen Siedepunkt von 256°Cauf. Weitere Wärmeträger sind in dem Buch von S.S. Kagan und A.W.Tschetschetkin, Organische Wärmeträger für hohe Temperaturen und ihre Verwendung in der Industrie, VEB Verlag Technik Berlin, 1953, Seite 11 ff., ausgeführt.

Die Erfindung bringt den Vorteil mit sich, daß bei der Anwendung eines dampfförmigen Wärmeträgers zum Erwärmen des Reaktionsproduktes die bei der Kondensation des Wärmeträgers freiwerdende Wärme auf das Reaktionsprodukt übertragen werden kann. Umgekehrt wird beim Abkühlen des Reaktionsproduktes diesem die zur Verdampfung des Wärmeträgers erforderliche Verdampfungswärme entzogen. Auf diese Weise erfolgt eine effektive Wärmeübertragung auf das Reaktionsprodukt bzw. ein effektiver Wärmeentzug von dem Reaktionsprodukt.

Ausführungsbeispiel

Die Erfindung wird nachstehend an 2 Ausführungsbeispielen näher erläutert. In der zugehörigen Zeichnung ist ein Schnitt durch einen Reaktionsbehälter dargestellt, der sowohl mit einem flüssigen als auch mit einem dampfförmigen Wärmeträger beheizt und gekühlt werden kann.

Beispie! 1

In dem Reaktionsbehälter 1 soll ein Phenolharz hergestellt werden. Die Reaktionsproduktesollen auf 17O⁰C erwärmt, mehrere Stunden bei dieserTemperatur gehalten und danach abgekühlt werden.

Der Reaktionsbehälter 1 ist in seinem Inneren mit einem Rührer versehen, welcher das Reaktionsprodukt durchmischt. Der Reaktionsbehälter 1 ist weiterhin mit dem Doppelmantel 2 versehen, in dem sich der Wärmeträger Diphyl befindet. In dem unteren Teil des Doppelmantels 2 ist die Heizeinrichtung 3 angeordnet. Diese besteht aus einer elektrischen Widerstandsheizung, welche mit einem Temperaturregelsystem in Verbindung steht und von diesem gesteuert wird. Darüber hinaus ist in dem Doppelmantel 2 die Kühleinrichtung 4 vorgesehen. Diese ist als Kühlschlange ausgebildet.

Der Doppelmantel 2 ist über die Wärmeträgerleitung 5 mit dem Vorratsbehälter 5 für den Wärmeträger verbunden. Weiterhin steht der Doppelmantel 2 an seinem oberen Teil über die Kondensatleitung 7 und die Dampfleitung 8 mit dem Ausdehnungsgefäß 9 in Verbindung. Dieses ist mit der zweiten Kühleinrichtung 10 versehen, welche im einfachsten Fall als Rohrschlange ausgebildet ist, ansonsten aber auch als Plattenwärmeübertrager ausgebildet sein kann. Um das Ausdehnungsgefäß 9 und den Doppelmantel 2 evakuieren zu können, ist es über eine Vakuumleitung mit der Vakuumpumpe 11 verbunden.

Zum Erwärmen des Reaktionsproduktes wird der Doppelmantel 2 vollständig mit dem flüssigen Wärmeträger Diphyl aus dem Vorratsbehälter 6 gefüllt. Mit Hilfe der Heizeinrichtung 3 wird der Wärmeträger auf etwa 190⁰C erwärmt, wobei der Wärmeträger den Reaktionsbehälter 1 und das darin befindliche Reaktionsprodukt erwärmt. Der Heizvorgang wird solange fortgesetzt, bis das Reaktionsprodukt die Temperatur von 170⁰C erreicht hat. Danach wird die Heizleistung der Heizeinrichtung 3 vermindert, so daß kein weiterer Temperaturanstieg erfolgt, aber das Reaktionsprodukt über die erforderliche Zeit auf der Temperatur von 17O⁰C gehalten wird. Zum Abkühlen des Reaktionsproduktes wird die Heizeinrichtung 3 abgestellt und die Kühleinrichtung 4 mit Kühlwasser beaufschlagt, wodurch der Wärmeträger und damit das Reaktionsprodukt auf die gewünschte Temperatur abkühlt.

Beispiel 2

In dem Reaktionsbehälter 1 soll ein Polyesterlack hergestellt werden. Hierbei sollen die Reaktionsprodukte auf 250"C erwärmt, mehrere Stunden bei dieser Temperatur gehalten und danach abgekühlt werden.

Zu diesem Zweck wird der Doppelmantel 2 soweit mit dem Wärmeträger Diphyl aus dem Vorratsbehälter 6 gefüllt, bis die Heizeinrichtung 3 auch im Siedezustand bedeckt ist. Mit Hilfe der Heizeinrichtung 3 wird der Wärmeträger erwärmt. Bei einem Druck von 0,1 MPa siedet das Diphyl bei einer Temperatur von 256°C und verdampft. Da das Entlüftungsventil 12 geschlossen ist, steigt durch die Verdampfung des Diphyls der Druck im Doppelmantel 2 und im Ausdehnungsgefäß 9. Bei einem Druck von 0,142MPa beträgt die Siedetemperatur des Diphyldampfes 270⁰C; ein Druck von 0,173MPa entspricht der Diphyldampftemperaturvon 280⁰C. Während des Aufheizvorganges kondensiert der Diphyldampf an der Wandung des Reaktionsbehälters 1 und überträgt dabei die in ihm enthaltene Kondensationswärme auf die Wandung des Reaktionsbehälters 1 und damit auf das darin befindliche Reaktionsprodukt. Das sich hierbei bildende Diphylkondensat rinnt an der Wandung des Reaktionsbehälters 1 herab und tropft dann in die siedende Diphylflüssigkeit, wo sie erneut verdampft. Mit Hilfe eines Temperaturregelsystems wird die Heizleistung der Heizeinrichtung 3 so vermindert, wie notwendig ist, um das Reaktionsprodukt über den gewünschten Zeitraum auf der Temperatur von 250⁰C zu halten.

Beim Abkühlen des Reaktionsproduktes wird die Heizeinrichtung 3 außer Betrieb gesetzt und die zweite Kühleinrichtung 10 in dem Ausdehnungsgefäß 9 mit Kühlwasser beaufschlagt. Dabei sinkt der Druck in dem Doppelmantel 2 und in dem Ausdehnungsgefäß 9. Dersinkende Druckführt zu einer weiteren Verdampfung des Diphyls im Doppelmantel 2. Der entstehende Diphyldampf kondensiert aber nicht mehr an der Wandung des Reaktionsbehälters 1, sondern steigt durch die Dampfleitung 8 auf und tritt in das Ausdehnungsgefäß 9. Dort wird er an der zweiten Kühleinrichtung 10 kondensiert. Das Diphylkondensat strömt durch die Kondensatleitung 7 zurück in den oberen Teil des Doppelmantels 2 und wird mit Hilfe des dort angeordneten Verteilerringes 13 an der Wandung des Reaktionsbehälters 1 gleichmäßig verteilt. Es rinnt an derWandung des heißen Reaktionsbehälters herab, wird dabei erwärmt und verdampft schließlich wieder. Die zur Erwärmung und Verdampfung des Diphylkondensates erforderliche Wärme wird dem Reaktionsprodukt entzogen, wodurch sich dieses abkühlt. Der aufsteigende Diphyldampf wird in dem Ausdehnungsgefäß 9 durch die zweite Kühleinrichtung 10 wieder kondensiert, strömt zurück an die Wandung des Reaktionsbehälters 1 und wird dort erneut verdampft. Dieser Vorgang setzt sich fort, wobei der Druck in dem Doppelmantel 2 und dem Ausdehnungsgefäß 9 sinkt. Bei einer Temperatur des siedenden Diphyls von 256°C beträgt der Druck in dem Doppelmantel 2 und dem Ausdehnungsgefäß 9 0,1 MPa, bei 220°C45,3kPa, bei 180°C 14,8kPa und bei 15O⁰C 5,5kPa.

In dem Fall, daß in den Doppelmantel 2 oder das Ausdehnungsgefäß 9 Umgebungsluft eindringt, wird mit Hilfe der Vakuumpumpe 11 das erforderliche Vakuum wieder hergestellt. Andererseits kann durch Verminderung des Druckes mit Hilfe der Vakuumpumpe 11 das Temperaturniveau bei der Verdampfung des Wärmeträgers herabgesetzt werden, wodurch diese Fahrweise zum Erwärmen und Kühlen eines Reaktionsbehälters auch dann anwendbar ist, wenn das Reaktionsprodukt nur auf Temperaturen von 150 bis 200°C erwärmt werden braucht. Um das Abziehen von Wärmeträgerdämpfen in die Vakuumpumpe 11 sicher zu vermeiden, wird zwischen dem Ausdehnungsgefäß 9 und der Vakuumpumpe 11 noch ein Kondensator angeordnet.

Die Kühlung mitdampfförmigem Wärmeträger wird angewendet, um das Reaktionsprodukt bis auf etwa 15O⁰C zu kühlen, wobei durch Anlegen eines Vakuums noch niedrigere Temperaturen erreicht werden können. Beabsichtigt man, das Reaktionsprodukt noch weiter abzukühlen, so füllt man den Doppelmantel 2 vollständig mit flüssigem Wärmeträger aus dem Vorratsbehälter 6 und beaufschlagt die Kühleinrichtung 4 mit Kühlwasser.

Claims

Patentanspruch:

Vorrichtung zum Erwärmen und Kühlen eines Reaktionsbehälters mit Hilfe eines Wärmeträgers, bestehend aus einem Wärmeträgerbehälter und einem Ausdehnungsgefäß für den Wärmeträger, wobei der Reaktionsbehälter mit einem Doppelmantel versehen ist, der über eine Flüssigkeitsleitung jeweils mit dem Wärmeträgerbehälter und dem Ausdehnungsgefäß in Verbindung steht und in dem eine Heizeinrichtung zum Erwärmen und eine Kühleinrichtung zum Kühlen des Wärmeträgers angeordnet ist, gekennzeichnet dadurch, daß der Doppelmantel (2) mit dem Ausdehnungsgefäß (9) über eine Dampfleitung (8) verbunden ist, in dem Ausdehnungsgefäß (9) eine zweite Kühleinrichtung (10) vorgesehen und in dem oberen Teil des Doppelmantels ein Kondensatverteilerring (13) angeordnet ist.

Hierzu 1 Seite Zeichnung