DE10160709B4

DE10160709B4 - Vorrichtung zum Mischen einer gasförmigen und einer flüssigen Komponente im überkritischen Bereich

Info

Publication number: DE10160709B4
Application number: DE10160709.1A
Authority: DE
Inventors: Dipl.-Ing. Lütgens Thomas; Heiko Giesbert
Original assignee: Tpi - Tecnimont Planung und Industrieanlagenbau GmbH; Tpi Tecnimont Planung und Industrieanlagenbau GmbH
Current assignee: Tpi - Tecnimont Planung und Industrieanlagenba De
Priority date: 2001-12-11
Filing date: 2001-12-11
Publication date: 2015-12-17
Anticipated expiration: 2021-12-12
Also published as: DE10160709A1

Abstract

Vorrichtung zum Mischen mindestens einer gasförmigen und einer flüssigen Komponente im überkritischen Bereich in einer Düsenvorrichtung mit sich kreuzenden Strömungswegen bestehend aus folgenden Merkmalen: Ein die gasförmige Komponente führendes Zuströmrohr (2) ist mit einem die Mischung führenden Abströmrohr (3) über die Düsenvorrichtung verbunden; in der Düsenvorrichtung ist eine aus Venturidüse (12) mit einem Düseneinlauf (13), einem verengten Querschnitt (14) und anschließendem Diffusor (15) bestehende Mischvorrichtung (1) angeordnet; die Düsenvorrichtung ist als Dichtlinsenstück (10) mit an der Außenseite gewölbten Dichtflächen (11) ausgebildet, die an entsprechend geformten Gegenflächen des Zuströmrohres (2) und Abströmrohres (3) dichtend anliegen; das Dichtlinsenstück (10) nimmt die aus den Elementen Venturidüse (12), Düseneinlauf (13), verengtem Querschnitt (14) und anschließendem Diffusor (15) bestehende Mischvorrichtung (1) auf, wobei die Elemente aus Einsätzen (16, 17) gebildet sind, die koaxial zu dem Zuströmrohr (2) und dem Abströmrohr (3) in das Düsenlinsenstück (10) eingesetzt sind; senkrecht zu der Achse der Venturidüse (12) und des Diffusors (15) ist durch das Dichtlinsenstück (10) eine Zuführungsbohrung (18) hindurchgeführt; an die Zuführungsbohrung (18) ist eine die flüssige Komponente oder bei Verwendung eines Vormischteiles (7) den vorgemischten Zweiphasenstrom führende Zuleitung (5) angeschlossen; und die Zuführungsbohrung (18) endet in einer Ringnut (19), die den den Diffusor (15) begrenzenden Einsatz (17) umgibt und über einen Spalt (20) zwischen dem Einsatz (17) des Diffusors (15) und dem Einsatz (16) des Düseneinlaufs (13) oder über durch die Einsätze (16, 17) geführte Bohrungen mit Düsenbohrungen (21) im engsten Querschnitt (14) der Venturidüse (12) verbunden ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Mischen mindestens einer gasförmigen und einer flüssigen Komponente im überkritischen Bereich in einer Düsenvorrichtung mit sich kreuzenden Strömungswegen.
Die Vorrichtung kann in einen Rohrreaktor zur Herstellung von Polyethylen eingesetzt werden, dem ein Gemisch aus gasförmigem Ethylen und eine flüssige Mischsubstanz aus Peroxid und Isododekan im überkritischen Zustandsbereich bei Drücken bis über 3000 bar zugeführt werden. Dieser unter überkritischen Bedingungen stehende Zweiphasenstrom aus Ethylen, Peroxid und Isododekan muss vor Eintritt in den Rohrreaktor optimal gemischt werden.
In der Literatur sind kaum Vorrichtungen für die Flüssig/Fluid-Verdüsung oder -Vermischung unter hohen Prozessdrücken bekannt. Vor allem ist der Spezialfall der Zweistoffverdüsung unter hohem Druck bisher kaum berücksichtigt worden. Es ist lediglich eine Querstrom-Zweistoffdüse mit einer inneren Mischkammer bekannt. Hierbei tritt das verdichtete Fluid aus einem konzentrischen Ringspalt aus und trifft auf einen zentralen Liquidstrom, wodurch eine Desintegration des Flüssigkeitsfadens bewirkt wird. In der sich anschließenden Mischkammer werden die entstandenen Tropfen in kleinste Tröpfchen zerteilt.
Allen bekannten Mischprozessen gemeinsam ist, dass sie immer einen großen bleibenden Druckverlust erzeugen und damit zu einer erhöhten Energieaufnahme als Antriebsenergie und Kompressionsenergie führen. Zudem sind die Vorrichtungen für die Hochdrucktechnik in den Abmessungen und Einbaulängen limitiert und durch spezielle Formen der Abdichtung konstruktiven Restriktionen unterworfen. Dies beeinflusst den Aufwand für eine bei hohen Drücken zu betreibende Mischvorrichtung. Hinzu kommt, dass die Dichteunterschiede zwischen der Flüssigphase und dem überkritischen Fluid sehr klein sind, während die Viskosität des Fluids in der Größenordnung eines Gases liegt.
Aus der US 3,524,630 A ist ein düsenartiger Gaswäscher zum Herauswaschen von Verunreinigungen aus einem Gasstrom mittels einer Waschflüssigkeit bekannt, wobei der Gaswäscher zwischen zwei Flanschkupplungen einer Rohrleitung einsetzbar und geeignet ist, den Gasstrom durch eine sich verengende Düse zu beschleunigen, in der das Gas durch eine Zuführung von Strömen einer Waschflüssigkeit in die Kehle der Verengung der Düse gewaschen wird. Dabei umfasst die düsenartige Vorrichtung eine einsetzbare spulenartige Einheit, die zwischen sich gegenüberstehenden beabstandeten Rohrflanschen angeordnet ist. Die düsenartige Vorrichtung umfasst einen Eintrittsbereich, einen Kehlbereich und einen Diffusorbereich. Weiter sind Dichtungen vorgesehen, um den ringförmigen Durchgangsweg abzudichten. Darüber hinaus ist eine Vielzahl von radialen, nach innen gerichteten Kanälen angeordnet, um die Zuführung des Stroms der Waschflüssigkeit in die Düsenkehle oder Venturikehle zu führen.
Aus der US 5,893,641 A ist eine Mischvorrichtung nach dem Venturi-Prinzip für Fluide bekannt, wobei das zuzumischende Fluid bei der Anwendung drucklos durch die Saugwirkung des Hauptfluids eingemischt wird. Dabei erfolgt die Einmischung axial und nicht radial, was die Druckverluste bei der Zumischung zwar minimiert, aber nicht so eine wirkungsvolle Vermischung wie bei einer stark druckbehafteten Zumischung zeigt.
Aus der DE 199 07 362 A1 ist eine Vorrichtung zum Mischen zweier Gaskomponenten mittels einer Venturidüse bekannt. Bei dieser Vorrichtung wird unter geringem Überdruck stehender Sauerstoff dem Treibgasanschluss der Venturidüse zugeführt, während über den in den engsten Querschnitt der Venturidüse mündenden Ansaugkanal Luft aus der Umgebung angesaugt wird. Um das Verhältnis der zu mischenden Gaskomponenten zueinander in einem großen Bereich verändern zu können, ist zwischen dem Treibgasanschluss und dem Ansaugkanal eine Bypassleitung mit einem Dosierventil vorgesehen. Über diese Bypassleitung wird ein Teil des Sauerstoffs umgelenkt und mit der Luft in einer Mischkammer vor deren Eintritt in den Ringspalt der Venturidüse umgelenkt. Die DE 199 07 362 A1 enthält keinen Hinweis darauf, wie die im Bereich geringer Überdrücke betriebene Mischvorrichtung auszugestalten ist, damit sie den Anforderungen eines Betriebes im überkritischen Bereich erfüllt.
Aus der GB 1 428 943 A ist ein Verfahren und ein Gerät zum Auflösen von Gasen in Flüssigkeiten bekannt, bei dem die Mischung des Gases mit Dampf und anschließender Kondensation der Mischung im Hauptfluid bewerkstelligt wird. Das bekannte Verfahren und das entsprechende Gerät sind wiederum lediglich für Niederdruck oder im drucklosen Bereich vorgesehen. Weiterhin findet keine Druckrückgewinnung nach der Mischung statt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zum Mischen mindestens einer gasförmigen und einer flüssigen Komponente so zu gestalten, dass sie sicher und mit verringertem konstruktiven Aufwand im überkritischen Bereich betrieben werden kann.
Die zugrundeliegende Aufgabe wird bei einer Vorrichtung nach der Erfindung durch die Merkmale des Anspruches 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Bei der Erfindung nimmt das der Abdichtung dienende Dichtlinsenstück die Venturidüse auf, in der die Vermischung der Komponenten erfolgt. Das bringt den Vorteil mit sich, dass vorhandene Bauteile, wie das als Einbaustück mit Dichtlinsenwirkung zwischen den Rohren eingeklemmte Dichtlinsenstück, für den Druckbereich bis über 3000 bar für die Mischvorrichtung zugrunde gelegt werden können. Damit ist die Problematik des Abdichtens gelöst, ohne dass Dichtungen im Inneren der Mischvorrichtung erforderlich wären. Auch ist die Einbaulänge der Mischvorrichtung durch die Bauteile praktisch vorgegeben. Durch die Verwendung des Dichtlinsenstückes entfällt weiterhin das Risiko sich lösender Teile, was aufgrund der extremen Prozessbedingungen zu schweren Schäden führen könnte. Weitere Vorteile der Erfindung liegen darin, dass die Druck- und Strömungsenergie zum Mischen ausgenutzt werden, wodurch Mischerantriebe entfallen, und die Erfindung in Prozessen eingesetzt werden kann, die starken Strömungsschwankungen und Pulsationen ausgesetzt sind.
Der Druckverlust des Hauptstromes, der im Wesentlichen durch die Umwandlung der Druckenergie in Geschwindigkeitsenergie in der Venturidüse hervorgerufen wird, wird durch den nachgeschalteten Diffusor teilweise wieder in Druckenergie zurückgewonnen. Damit wird der Gesamtdruckverlust sowie die elektrische Energie zur Komprimierung des Hauptstromes minimiert. Besonders vorteilhaft ist die Stromführung in der Venturidüse und dem anschließenden Diffusor, da der Druck auf der Zuströmseite der Gasphase immer größer ist als auf der abströmenden Seite und im Mischungsquerschnitt nach der Venturidüse.
Wird die erfindungsgemäße Vorrichtung für die Vermischung von gasförmigem Ethylen mit einer flüssigen Mischsubstanz aus Peroxid und Isododekan eingesetzt, so wird durch die erreichte optimale Vermischung der Komponenten vor allem die Neigung des Peroxids, sogenannte Hot Spots zu bilden und lokale Zersetzungen zu verursachen, fast eliminiert. Ferner ist anzunehmen, dass die Umsatzrate in dem nachgeschalteten Rohrreaktor zur Erzeugung von Polyethylen erhöht werden kann.
Durch die optionalen, auf der Abströmseite der Mischvorrichtung vorgesehenen Durchflussöffnungen tritt ein kleiner Teil des Flüssigkeitsstromes oder bei einer Vormischung ein kleiner Teil der vorgemischten Zweiphasenstromes in den Mischstrom aus und verstärkt die dort vorhandene stark turbulente Strömung, wodurch ein zusätzlicher Mischeffekt erzielt wird.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im Folgenden näher erläutert. Es zeigen
1 ein Fließschema zur Erzeugung einer Mischung,
2 den Längsschnitt durch eine Mischvorrichtung und
3 den Längsschnitt durch ein Vormischteil.
Einem nicht gezeigten Rohrreaktor zur Erzeugung von Polyethylen unter überkritischen Zustandsbedingungen ist eine Mischvorrichtung 1 vorgeschaltet. In dieser Mischvorrichtung 1 wird Ethylen im überkritischen Zustandsbereich von über 3000 bar als gasförmige Komponente mit einem Gemisch aus Peroxid und Isododekan ebenfalls mit einem Druck von über 3000 bar als flüssige Mischsubstanz miteinander gemischt.
Die Mischvorrichtung 1 liegt zwischen einem Zuströmrohr 2, durch das die gasförmige Komponente strömt, und einem Abströmrohr 3, durch das die entstandene Mischung abgeführt wird. Das Zuströmrohr 2 und das Abströmrohr 3 sind Teile des zuvor erwähnten Rohrreaktors. Der in einem Hochdruckverdichter verdichtete Gasstrom tritt axial in die Mischvorrichtung 1 ein. Eine Hochdruckpumpe 4 fördert über eine Zuleitung 5 den Flüssigkeitsstrom so zu der Mischvorrichtung 1, dass er radial in die Mischvorrichtung 1 eintritt. Die in der Mischvorrichtung 1 hergestellte Mischung wird axial aus der Mischvorrichtung 1 abgeführt und anschließend durch das Abströmrohr 3 dem Reaktionsraum des Rohrreaktors zugeführt.
Wahlweise kann von dem Zuströmrohr 2 eine Bypassleitung 6 abgezweigt und zu einem Vormischteil 7 geführt sein, das in der Zuleitung 5 angeordnet ist. In der Bypassleitung 6 ist ein Ventil 8 zur Regelung des Mengenflusses vorgesehen. Das Ventil 8 ist als Drossel in Form einer Blende oder eines Rohrstückes von definiertem Durchmesser und definierter Länge ausgebildet. Über diese Bypassleitung 6 wird ein geringer Teilstrom des Gasstromes dosiert umgelenkt und vor dem Eintritt in die Mischvorrichtung 1 mit dem Flüssigkeitsstrom vermischt. In diesem Fall wird der Mischvorrichtung 1 ein Zweiphasenstrom zugeführt.
Ebenfalls wahlweise kann von der Zuleitung 5 eine weitere Bypassleitung 9 abgezweigt sein. Diese Bypassleitung 9 ist zu dem Abströmrohr 3 geführt. Ist in der Zuleitung 5 ein Vormischteil 7 vorgesehen, so ist die weitere Bypassleitung 9 stromabwärts von dem Vormischteil 7 abgezweigt.
Wie in 2 gezeigt ist, besteht die Mischvorrichtung im Einzelnen aus einem Dichtlinsenstück 10, das zwischen dem Zuströmrohr 2 und dem Abströmrohr 3 eingeklemmt ist. Das Dichtlinsenstück 10 ist an seiner Außenseite mit gewölbten Dichtflächen 11 versehen, die an entsprechend geformten Gegenflächen des Zuströmrohres 2 und des Abströmrohres 3 dichtend anliegen. Die Dichtlinse ist ein Standardbauteil in der Hochdrucktechnik und zeichnet sich durch die Abdichtung auf einer Linienpressung aus.
Zusätzlich zu den Dichtflächen 11 nimmt das Dichtlinsenstück 10 auch die eigentliche Mischvorrichtung 1 auf. Die Mischvorrichtung 1 besteht aus einer Venturidüse 12 mit einem Düseneinlauf 13, einem verengten Querschnitt 14 und einem anschließenden Diffusor 15. Diese Elemente sind durch Einsätze 16, 17 gebildet, die koaxial zu dem Zuströmrohr 2 und dem Abströmrohr 3 in das Dichtlinsenstück 10 eingesetzt sind. Der Diffusor 15 erweitert sich unter einem Winkel von 7 bis 8° zur Achse der Venturiüse.
Radial durch das Dichtlinsenstück 10 ist eine Zuführungsbohrung 18 geführt, die mit der Zuleitung 5 verbunden ist, die den Flüssigkeitsstrom oder bei Verwendung des Vormischteiles 7 des vorgemischten Zweiphasenstrom führt. Die Zuführungsbohrung 18 endet in einer Ringnut 19, die den den Diffusor 15 begrenzenden Einsatz 17 umgibt. Die Ringnut 19 steht über einen Spalt 20 zwischen dem Einsatz 17 des Diffusors 15 und dem Einsatz 16 des Düseneinlaufes 13 oder über durch die Einsätze 16, 17 geführten Bohrungen mit Düsenbohrungen 21 in Verbindung, die in den verengten Querschnitt 14 der Venturidüse 12 münden.
Radial durch das Dichtlinsenstück 10 ist eine zweite Zuführungsbohrung 22 geführt, die mit der weiteren Bypassleitung 9 verbunden ist. Die zweite Zuführungsbohrung 22 ist über eine Querbohrung 23 mit einer zweiten Ringnut 24 verbunden, die den Einsatz 17 des Diffusors 15 umgibt. Von der zweiten Ringnut 24 gehen axial ausgerichtete Durchflussöffnungen 25 aus, die auf der Abströmseite des Diffusors 15 am Übergang des Diffusors 15 in das Abströmrohr 3 enden.
In der beschriebenen Mischvorrichtung 1 fließt der Hauptanteil des Gasstroms (Ethylen) mit einem Druck von über 3000 bar in die Venturidüse 12, in der der Druck im Gasstrom je nach Wahl des Düsendurchmessers um 20 bis 100 bar fällt. Der Flüssigkeitsstrom (Peroxid und Isododekan) bzw. der Zweiphasenstrom (Peroxid, Isododekan, Ethylen) wird in den verengten Querschnitt 14 der Venturidüse 12 geleitet und mit dem Gasstrom vermischt. Die Geschwindigkeitsenergie des Mischstromes wird teilweise in dem anschließenden Diffusor 15 wieder in Druckenergie zurückverwandelt, wobei ebenfalls je nach Düsendurchmesser bis zu 50 bar zurückgewonnen wird.
Durch die optional angebrachten kleinen Durchflussöffnungen 25 an der Ausströmseite des Diffusors 15 kann ein kleiner Teilstrom des Flüssigkeitsstromes bzw. des Zweiphasenstromes austreten, dabei weitere Verwirbelungen am Diffusoraustritt erzeugen und so für eine noch bessere Durchmischung sorgen. Der Austrittswinkel der Durchflussöffnungen 25 ist so angepasst, dass er unter einem bestimmten Winkel quer zur Strömungsrichtung des Mischstromes ausgerichtet ist.
Das in die Zuleitung 5 eingesetzte Vormischteil 7 ist in der 3 dargestellt. Es besteht ebenfalls aus einem Dichtlinsenstück 26, das zwischen zwei Abschnitte der Zuleitung 5 eingeklemmt ist und mit seinen gewölbten Dichtflächen 11 an entsprechend geformten Gegenflächen der Zuleitung 5 dichtend anliegt. Das Dichtlinsenstück 26 des Vormischteils 7 ist mit einem zentralen Durchgangskanal 27 versehen, der in der Achse der Zuleitung 5 liegt. Der Durchgangskanal 27 bildet ein Mischstück, in das ein dünnes Rohr 28 hineinragt. Das Rohr 28 ist an seinem in das Mischstück hineinragenden Ende mit einer oder mehreren Austrittsbohrungen 29 versehen, die der Strömungsrichtung des Flüssigkeitsstromes entgegen gerichtet sind. Das Rohr 28 ist mit der von dem Zuströmrohr 2 abzweigenden Bypassleitung 6 verbunden. Der Durchmesser des Mischstückes kann dem Durchmesser der Zuleitung 5 entsprechen. Das Mischstück kann auch einen größeren Durchmesser als die Zuleitung 5 aufweisen und über Übergangsstücke mit dieser verbunden sein.

Claims

Vorrichtung zum Mischen mindestens einer gasförmigen und einer flüssigen Komponente im überkritischen Bereich in einer Düsenvorrichtung mit sich kreuzenden Strömungswegen bestehend aus folgenden Merkmalen: Ein die gasförmige Komponente führendes Zuströmrohr (2) ist mit einem die Mischung führenden Abströmrohr (3) über die Düsenvorrichtung verbunden; in der Düsenvorrichtung ist eine aus Venturidüse (12) mit einem Düseneinlauf (13), einem verengten Querschnitt (14) und anschließendem Diffusor (15) bestehende Mischvorrichtung (1) angeordnet; die Düsenvorrichtung ist als Dichtlinsenstück (10) mit an der Außenseite gewölbten Dichtflächen (11) ausgebildet, die an entsprechend geformten Gegenflächen des Zuströmrohres (2) und Abströmrohres (3) dichtend anliegen; das Dichtlinsenstück (10) nimmt die aus den Elementen Venturidüse (12), Düseneinlauf (13), verengtem Querschnitt (14) und anschließendem Diffusor (15) bestehende Mischvorrichtung (1) auf, wobei die Elemente aus Einsätzen (16, 17) gebildet sind, die koaxial zu dem Zuströmrohr (2) und dem Abströmrohr (3) in das Düsenlinsenstück (10) eingesetzt sind; senkrecht zu der Achse der Venturidüse (12) und des Diffusors (15) ist durch das Dichtlinsenstück (10) eine Zuführungsbohrung (18) hindurchgeführt; an die Zuführungsbohrung (18) ist eine die flüssige Komponente oder bei Verwendung eines Vormischteiles (7) den vorgemischten Zweiphasenstrom führende Zuleitung (5) angeschlossen; und die Zuführungsbohrung (18) endet in einer Ringnut (19), die den den Diffusor (15) begrenzenden Einsatz (17) umgibt und über einen Spalt (20) zwischen dem Einsatz (17) des Diffusors (15) und dem Einsatz (16) des Düseneinlaufs (13) oder über durch die Einsätze (16, 17) geführte Bohrungen mit Düsenbohrungen (21) im engsten Querschnitt (14) der Venturidüse (12) verbunden ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass radial durch das Dichtlinsenstück (10) eine zweite Zuführungsbohrung (22) geführt ist, die mit einer zweiten Bypassleitung (9) verbunden ist, dass die zweite Zuführungsbohrung (22) über eine Querbohrung (23) mit einer zweiten Ringnut (24) verbunden ist, die den Einsatz (17) des Diffusors (15) umgibt, dass von der zweiten Ringnut (24) axial ausgerichtete Durchflussöffnungen (25) ausgehen, die auf der Abströmseite des Diffusors (15) am Übergang des Diffusors in das Abströmrohr (3) enden.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass von dem Zuströmrohr (2) eine Bypassleitung (6) abgezweigt ist, in der ein als Drossel ausgebildetes Regelventil (8) angeordnet ist und die in ein Vormischteil (7) einmündet, das in der die flüssige Komponente führenden Zuleitung (5) angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Vormischteil (7) aus einem Dichtlinsenstück (26) mit einem zentralen, ein Mischstück bildenden Durchgangskanal (27) besteht, dass senkrecht zu der Achse des Durchgangskanals (27) durch das Dichtlinsenstück (26) ein dünnes Rohr (28) hindurch geführt ist und dass das Rohr (28) in den Durchgangskanal (27) hineinragt und mit einer oder mehreren Austrittsbohrungen (29) versehen ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass sich der Diffusor (15) unter einem Winkel von 7 bis 8° zur Achse der Venturidüse (12) erweitert.