DE1751728A1

DE1751728A1 - Heat exchanger for the treatment of highly viscous liquids, preferably solutions of viscose

Info

Publication number: DE1751728A1
Application number: DE19681751728
Authority: DE
Inventors: Nordstroem Fritz Erik Bertil; Dipl-Ing Edstroem Per Lennart
Original assignee: Sunds AB
Current assignee: Valmet AB
Priority date: 1967-07-19
Filing date: 1968-07-18
Publication date: 1971-12-30
Also published as: SE329180B; FR1581701A; JPS4923337B1; GB1242452A

Description

Die Erfindung betrifft einen Wärmetauscher für die Behandlung von Flüssigkeiten mit einer hohen oder relativ hohen Viskosität.The invention relates to a heat exchanger for the treatment of liquids with a high or relatively high viscosity.

Bei der Herstellung von Erzeugnissen von Zellwolle, wie Fasern, Folien usw., gemäß dem Viskoseverfahren wird oft eine Lösung von Viskose verwendet, die man durch Auflösen von Zellulosexanthat in wässerigem Alkali erhält. Die Lösung von Viskose, die eine relativ hohe Zähigkeit aufweist, wird durch Düsen zu der gewünschten Form extrudiert, z.B. zu einer Faser oder Folie in einem Koagulierbad, in dem die Lösung koaguliert. Bevor die Lösung in das Koagulierbad extrudiert wird, wird sie einem Reifungsprozeß unterworfen, während dem in der Viskose bestimmte chemische Änderungen vor sich gehen. Der Reifungsprozeß kann eine Zeitdauer umfassen, die von ungefähr 12 bis ungefähr 60 Stunden reicht, und soll dazu gebracht werden, fortzuschreiten, während die Temperatur sorgfältig überwacht wird. Während der sogenannten Lösungsperiode, d.h. während das Xanthat in wässerigem Alkali aufgelöst wird, ist es in der Regel vorteilhaft, die Temperatur niedrig zu halten, weshalb die Viskose gekühlt werden muß, nachdem sie durch die Mühlen oder andere Zersetzungsvorrichtungen hindurchgegangen ist, die wegen eines großen Energieverbrauches Wärme an die Viskose abgeben. Während späterer Stadien des Reifungsprozesses erweisen sich starke Anstiege in der Temperatur als notwendig, insbesondere für den Zweck, um bestimmte Zusätze zum Reagieren mit der Viskose zu bringen. Schnelles Erhitzen der Viskose bis hinauf zu z.B. 40 bis 50°C trifft jedoch in der Praxis auf bestimmte Schwierigkeiten. So ist es wegen ihrer hohen Zähigkeit schwierig, der Lösung der Viskose von heißen Rohren oder anderen wärmeübertragenden Oberflächen Wärme zuzuführen, ohne dann ein ungleichmäßiges Beheizen und Koagulierungen in der Lösung zu verursachen. Wenn eine Lösung von Viskose in einem herkömmlichen Rohr- oder Plattenwärmetauscher längs einer Oberfläche geführt wird, die eine beträchtlich höhere Temperatur als die Lösung selbst hat, wird die Lösungsschicht, die sich in direktem Kontakt mit der wärmeübertragenden Oberfläche befindet, koaguliert. Eine Lösung von Viskose, welche koagulierte Bestandteile enthält, ist zum Spinnen nicht geeignet. Darüber hinaus ist es eine Tatsache, daß die Verteilung von Wärme während des Erhitzens nicht zufriedenstellend ist, weshalb die chemischen Prozesse, die auf das Erhitzen folgen, einen ungünstigen Verlauf nehmen.In the manufacture of staple viscose products such as fibers, films, etc., a solution of viscose is often used, which is obtained by dissolving cellulose xanthate in aqueous alkali. The solution of viscose, which has a relatively high viscosity, is extruded through nozzles into the desired shape, e.g. into a fiber or film in a coagulating bath, in which the solution coagulates. Before the solution is extruded into the coagulating bath, it is subjected to a ripening process during which certain chemical changes take place in the viscose. The ripening process can comprise a period of time ranging from about 12 to about 60 hours and is intended to be caused to proceed during the temperature is carefully monitored. During the so-called dissolution period, ie while the xanthate is dissolved in aqueous alkali, it is usually advantageous to keep the temperature low, which is why the viscose must be cooled after it has passed through the mills or other decomposition devices that are due to a large Dissipate energy-consuming heat to the viscose. During later stages of the ripening process, sharp increases in temperature prove necessary, especially for the purpose of making certain additives react with the viscose. Rapid heating of the viscose up to e.g. 40 to 50 ° C, however, encounters certain difficulties in practice. Because of its high viscosity, it is difficult to add heat to the solution of the viscose from hot pipes or other heat-transferring surfaces without then causing uneven heating and coagulation in the solution. When a solution of viscose in a conventional tube or plate heat exchanger is passed along a surface which has a considerably higher temperature than the solution itself, the solution layer which is in direct contact with the heat transferring surface is coagulated. A solution of viscose which contains coagulated components is not suitable for spinning. Moreover, it is a fact that the distribution of heat during heating is unsatisfactory, and therefore the chemical processes which follow the heating take an unfavorable course.

Aus der Britischen Patentschrift 722 890 ist eine Vorrichtung zur Schaffung einer gleichförmigen Wärmeverteilung und zur Verhinderung einer Koagulierung der Viskoselösung bekannt. Die fragliche Vorrichtung ist mit beweglichen Teilen versehen, welche teilweise in der Viskoselösung rühren und teilweise die Lösung von den heißen Oberflächen abkratzen.From British patent specification 722 890 an apparatus for creating a uniform heat distribution and for preventing coagulation of the viscose solution is known. The device in question is provided with moving parts which partly stir in the viscose solution and partly scrape the solution off the hot surfaces.

Wenn eine Viskoselösung gekühlt wird, besteht selbstverständlich keine Gefahr, daß ein Koagulieren an den wärmeübertragenden Oberflächen auftritt, es bleibt jedoch die Forderung nach einer gleichmäßigen Wärmeverteilung, weshalb in diesem Fall ebenfalls ein bewegliches Rührteil erforderlich ist.When a viscose solution is cooled, there is of course no risk of coagulation occurring on the heat-transferring surfaces, but the requirement for an even distribution of heat remains, which is why a movable stirring member is also required in this case.

Wegen der Neigung der Viskoselösung beim Erhitzen zu koagulieren, sollte der Unterschied in der Temperatur zwischen der der Lösung und der des wärmeübertragenden Mediums vielmehr 15°C nicht überschreiten. Dies resultiert darin, daß Wärmetauscher, die zum Erhitzen von Viskoselösungen geeignet sind, mit einer großen wärmeübertragenden Fläche ausgestattet werden müssen, und, da es oft gleichzeitig als möglich gefordert wird, die Vorrichtung in einen Kettenprozeß einzuschließen, in welchem die kontinuierlich bewegte Viskoselösung einen relativ hohen Druck hat, die Wärmetauscher teuer werden und viel Raum bezüglich ihrer Kapazität erfordern.Rather, because of the tendency of the viscose solution to coagulate when heated, the difference in temperature between that of the solution and that of the heat transfer medium should not exceed 15 ° C. This results in that heat exchangers, which are suitable for heating viscose solutions, have to be equipped with a large heat-transferring surface and, since it is often required at the same time as possible, to include the device in a chain process in which the continuously moving viscose solution has a relative effect has high pressure, the heat exchangers become expensive and require a lot of space in terms of their capacity.

Die vorliegende Erfindung, welche sich auf das Erhitzen oder Kühlen von hochviskosen Flüssigkeiten, z.B. Lösungen von Viskose, wie sie in der Reyon-Industrie verwendet werden, bezieht, betrifft insbesondere einen Wärmetauscher von einer Art, die besonders gut geeignet für ein derartiges Erhitzen oder Kühlen ist, bei welchem insbesondere den Erfordernissen der gedrungenen Bauweise bzw. Dichtigkeit wie auch den Erfordernissen, daß eine gute Eignung für irgendeinen auftretenden Fall im Betrieb gegeben ist, genügt wird.The present invention, which relates to the heating or cooling of highly viscous liquids, e.g. solutions of viscose as used in the rayon industry, relates in particular to a heat exchanger of a type which is particularly well suited for such heating or cooling, in which in particular the requirements of the compact design or tightness as well as the requirements that a good suitability is given for any occurring case in operation is sufficient will.

Im weiten Rahmen umfaßt ein erfindungsgemäßer Wärmetauscher ein vorzugsweise senkrechtes Gehäuse mit einer vorzugsweise zylindrischen Hülle, eine Anzahl von Einsätzen von ringförmigen Querschnitten, die konzentrisch um die Längsachse des Gehäuses angeordnet sind, wobei vorzugsweise rohrförmige Kanäle bzw. Durchführungen in diesen Einsätzen angeordnet sind und zur Aufnahme und Leitung eines wärmeübertragenden Mediums dienen, Zwischenräume zwischen diesen Einsätzen, die als Führungen für die Flüssigkeit dienen sollen, die auf ihrem Weg durch das Gehäuse von dem Einlaß oder Bodenende davon zu dem Auslaß oder oberen Ende davon der beabsichtigten Behandlung (Erhitzen und/oder Kühlen) unterworfen wird, einen vorzugsweise motorangetriebenen Rotor, der mit dem Gehäuse verbunden ist und mit vorzugsweise stabgleichen Teilen versehen ist, die sich in die Zwischenräume zwischen die Einsätze erstrecken und während ihrer Bewegung in den Zwischenräumen dazu bestimmt sind, die erhitzte oder gekühlte Flüssigkeit, die in diese Zwischenräume eingeführt ist, in Bewegung zu setzen.Broadly, a heat exchanger according to the invention comprises a preferably vertical housing with a preferably cylindrical shell, a number of inserts of annular cross-sections, which are arranged concentrically around the longitudinal axis of the housing, preferably tubular channels or bushings are arranged in these inserts and for receiving and conduction of a heat transfer medium, spaces between these inserts which are intended to serve as guides for the liquid which on its way through the housing from the inlet or bottom end thereof to the outlet or top end thereof of the intended treatment (heating and / or cooling ) is subjected, a preferably motor-driven rotor, which is connected to the housing and is provided with preferably rod-like parts which extend into the spaces between the inserts and are intended during their movement in the spaces to the heated or cooled F To set the fluid that is introduced into these spaces in motion.

Anhand der beiliegenden Zeichnung werden beispielsweise Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung veranschaulicht.Embodiments of the present invention are illustrated by way of example with the aid of the accompanying drawings.

Fig. 1 zeigt einen senkrechten Schnitt einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Wärmetauschers.Fig. 1 shows a vertical section of an embodiment of a heat exchanger according to the invention.

Fig. 2 zeigt einen Horizontalschnitt des gleichen Wärmetauschers längs der Linie II-II von Fig. 1, der jedoch auch eine alternative Ausführungsform einer Einzelheit einschließt.Fig. 2 shows a horizontal section of the same heat exchanger along the line II-II of Fig. 1, but which also includes an alternative embodiment of a detail.

Fig. 3 und 4 zeigen einen senkrechten Schnitt bzw. einen horizontalen Schnitt einer alternativen Ausführungsform von Kanälen zum Leiten des wärmeübertragenden Mediums.3 and 4 show a vertical section and a horizontal section, respectively, of an alternative embodiment of channels for conducting the heat-transferring medium.

Fig. 5 ist eine Seitenansicht in kleinerem Maßstab des Wärmetauschers mit damit verbundenen Antriebseinrichtungen.Fig. 5 is a side view, on a smaller scale, of the heat exchanger with associated drive means.

Mit 1 ist eine vorzugsweise im wesentlichen zylindrische und vorzugsweise senkrecht angeordnete Umhüllung bzw. Gehäuse bezeichnet, das mit einem Einlaß 2 für das zu behandelnde Material verbunden ist, das z.B. aus einer Lösung von Viskose bestehen kann. In dem Gehäuse 1 sind konzentrisch eine Anzahl von Doppelmanteleinsätzen 3, 4, 5 von ringförmigem Querschnitt zusammen mit einer äußersten Kammer 7 (Einsatz), die ebenfalls einen ringförmigen Querschnitt hat und von der Hülle des Gehäuses 1 gebildet wird, und eine zusätzliche Hülle 6 vorgesehen, die außerhalb dieser Hülle des Gehäuses vorgesehen ist.With 1 a preferably substantially cylindrical and preferably vertically arranged casing or housing is referred to, which is connected to an inlet 2 for the material to be treated, which may for example consist of a solution of viscose. In the housing 1 a number of double-jacket inserts 3, 4, 5 of annular cross-section are concentrically provided together with an outermost chamber 7 (insert), which also has an annular cross-section and is formed by the shell of the housing 1, and an additional shell 6 which is provided outside this shell of the housing.

In allen Einsätzen gibt es Rohre 8, 9, 10 und 11, die sich schnecken- oder spiralförmig in Längsrichtung des Gehäuses 1 erstrecken, wobei die Rohre für die Aufnahme und Leitung des wärmeübertragenden Mediums geeignet sind. Letzteres wird den Rohren 8, 9, 10 und 11 durch die Rohre 13, 14, 15 und 16, die von einem Hauptkanal 12 abgezweigt werden, zugeführt und nachdem es durch diese Rohre hindurchgeführt ist, wird es durch die Rohre 17, 18, 19 und 20 geführt, die mit einem gemeinsamen Auslaßkanal 21 verbunden sind. In dem Gehäuse ist weiterhin eine Anzahl von Rührteilen 23, 24, 25, 26, 27, 28 vorgesehen, die sich vorzugsweise von einem gemeinsamen Tragteil 22 aus erstrecken, wobei dieser Teil vorzugsweise aus einem Sternrad besteht, die Rührteile sich nach unten in die Zwischenräume vorzugsweise über die ganze Länge davon erstrecken und diese Zwischenräume zwischen den Einsätzen gebildet werden und einen ringförmigen Querschnitt haben. Von dem Kanal 2 soll das zu behandelnde Material in diese Zwischenräume eingeführt werden, die mit 29, 30 und 31 bezeichnet sind, und nachdem es durch diese Zwischenräume geführt ist, soll es durch das Auslaßrohr 32 weggeführt werden. Mittels ihres Tragteiles 22 sind die Rührteile mit der Antriebswelle 33 eines Motors 34 (Fig. 5) verbunden. Die Welle 33, welche in einer Büchse 35 gelagert ist, wird von einem Motor 34, z.B. mittels eines Keilriemenantriebs 36 und eines Zahnradgetriebes 37, angetrieben.In all inserts there are tubes 8, 9, 10 and 11 which extend helically or spirally in the longitudinal direction of the housing 1, the tubes being suitable for receiving and conducting the heat-transferring medium. The latter is fed to the pipes 8, 9, 10 and 11 through the pipes 13, 14, 15 and 16, which are branched off from a main channel 12, and after it has passed through these pipes, it is fed through the pipes 17, 18, 19 and 20, which are connected to a common outlet channel 21. A number of stirring parts 23, 24, 25, 26, 27, 28 are also provided in the housing, which preferably extend from a common support part 22, this part preferably consisting of a star wheel, the stirring parts extending downwards into the spaces preferably extend over the entire length thereof and these spaces are formed between the inserts and have an annular cross-section. The material to be treated is to be introduced from the channel 2 into these interspaces, which are denoted by 29, 30 and 31, and after it has passed through these interspaces, it is to be carried away through the outlet pipe 32. By means of their support part 22, the stirring parts are connected to the drive shaft 33 of a motor 34 (FIG. 5). The shaft 33, which is mounted in a bush 35, is driven by a motor 34, for example by means of a V-belt drive 36 and a gear drive 37.

Bei einer wahlweisen Ausführungsform können die sich spiralförmig erstreckenden Rohre 8, 9, 10 und 11 durch sich spiralförmig ausdehnende Flachdrähte 38 (Fig. 3 und 4) ersetzt werden, in denen das wärmeübertragende Medium in einer Richtung strömt, um in der anderen Richtung durch die Rohrhälften 39, die sich in Achsrichtung des Wärmetauschers erstrecken, zurückgeführt zu werden.In an optional embodiment, the spirally extending tubes 8, 9, 10 and 11 can be replaced by spirally extending flat wires 38 (FIGS. 3 and 4) in which the heat-transferring medium flows in one direction in order to be returned in the other direction through the tube halves 39, which extend in the axial direction of the heat exchanger.

Der rechte Teil der Fig. 2 zeigt eine wahlweise Ausführungsform von Rührteilen 40, welche drehbar auf Zapfen befestigt sind, so daß sie entweder mit einem kleinen Spiel bezüglich der wärmeübertragenden Oberfläche der ringförmigen Schlitze einstellbar sind oder gegen diese Oberflächen gepreßt gehalten werden können.The right part of Fig. 2 shows an optional embodiment of stirring parts 40 which are rotatably mounted on pins so that they are either adjustable with a small play with respect to the heat transferring surface of the annular slots or can be kept pressed against these surfaces.

Die Betriebsweise des Wärmetauschers ist wie folgt.The operation of the heat exchanger is as follows.

Das wärmeübertragende Medium wird zu den zylindrischen Doppelmanteleinsätzen 3, 4, 5 und 7 von dem Kanal 12 durch die Rohre 13, 14, 15 und 16 geführt. Das Medium wird dann dazu gebracht, durch die jeweiligen Rohrspiralen in den Einsatzhüllen hinauf zu dem Oberteil davon zu strömen, um dann rückwärts (nach unten) gleichfalls spiralförmig durch die Kanäle weiterzuströmen, die zwischen den Rohrspiralen und den zylindrischen Einsätzen gebildet werden, und um dann durch die Rohre 17, 18, 19 und 20 auszutreten. Das zu behandelnde Material (die Lösung der Viskose) wird durch den Kanal 2 zugeführt, wird dazu gebracht, durch den Wärmetauscher in den ringförmigen Zwischenräumen 29, 30 und 31, die zwischen den Einsätzen angeordnet sind, zu strömen, wobei die Rührteile 23 bis 28 gleichzeitig in diesenThe heat transfer medium is led to the cylindrical double jacket inserts 3, 4, 5 and 7 from the channel 12 through the tubes 13, 14, 15 and 16. The medium is then made to flow through the respective spiral tubes in the insert shells up to the top thereof, in order then to flow backwards (downwards) likewise spirally through the channels which are formed between the spiral tubes and the cylindrical inserts, and then to exit through pipes 17, 18, 19 and 20. The material to be treated (the solution of the viscose) is fed through the channel 2, is made to flow through the heat exchanger in the annular spaces 29, 30 and 31 arranged between the inserts, the stirring parts 23 to 28 at the same time in these

Zwischenräumen zum Rotieren gebracht werden, wodurch eine gleichförmige Wärmeverteilung bewirkt und eine Koagulierung verhindert wird. Nachdem die Behandlung beendet ist, tritt das behandelte Material durch den Kanal 32 aus.Gaps are made to rotate, whereby a uniform heat distribution is effected and coagulation is prevented. After the treatment is finished, the treated material exits through the channel 32.

Es sind einige Modifizierungen der Einrichtungen zum Leiten des wärmeübertragenden Mediums durch den Wärmetauscher denkbar. Z.B. kann die Anordnung derart sein, daß das Medium an einem Ende des Gehäuses eingeführt wird und spiralförmig zu dem anderen Ende geführt wird, wonach das Medium in einem senkrechten oder im wesentlichen senkrechten Rohr aus dem Einsatz herausgeführt wird, oder das Medium kann auch zuerst in das senkrechte Rohr eingeführt und spiralförmig zurückgeführt werden. Weiterhin kann das wärmeübertragende Medium von einem Ende der Einsätze durch eine spiralförmige Rohrschlange eingeführt werden und der Raum zwischen den Windungen der spiralförmigen Rohrschlange kann als Rückweg für das Medium verwendet werden oder das Medium kann auch in diesen Raum eingeführt werden und durch die Rohrschlange zurückgeführt werden.Some modifications of the devices for conducting the heat-transferring medium through the heat exchanger are conceivable. For example, the arrangement can be such that the medium is introduced at one end of the housing and spirally guided to the other end, after which the medium is led out of the insert in a vertical or substantially vertical tube, or the medium can also be fed first into the vertical tube can be inserted and returned in a spiral. Furthermore, the heat transfer medium can be introduced from one end of the inserts through a spiral tube and the space between the turns of the spiral tube can be used as a return path for the medium or the medium can also be introduced into this space and returned through the tube.

Die Antriebswelle der Rührteile kann natürlich in beiden Richtungen gedreht werden und auch derart bewegt werden, daß die Rührteile, in Umfangsrichtung des Gehäuses 1 gesehen, eine abwechselnde bzw. gegenwirkende Bewegung in den ringförmigen Zwischenräumen zwischen den Einsätzen erhalten. Die Heizoberfläche kann verändert werden, indem die Anzahl der Einsätze erhöht oder verringert wird.The drive shaft of the stirring parts can of course be rotated in both directions and also be moved in such a way that the stirring parts, seen in the circumferential direction of the housing 1, receive an alternating or counteracting movement in the annular spaces between the inserts. The heating surface can be changed by increasing or decreasing the number of inserts.

Claims

1. Heat exchangers for treating liquids, which in particular have a high or relatively high viscosity, characterized by a preferably vertical housing (1) with a preferably cylindrical shell, by a number of inserts (3, 4, 5, 7) of annular cross-section , which are arranged concentrically around the longitudinal axis of the housing, through preferably tubular channels (8, 9, 10, 11) which are provided in these inserts and serve to receive and conduct a heat-transferring medium, through spaces (29, 30, 31) between these inserts, which are intended to serve as passages for the liquid which is subjected to the intended treatment (heating and / or cooling) on its way through the housing from the inlet or bottom end thereof to the outlet or top end thereof, by a preferably motor-driven rotor , which is attached to the housing and preferably provided with rod-like parts (23, 24, 25), which are in the Zwi interstitial spaces extend between the inserts and are intended during their movement in these interspaces for the movement of the heated or cooled liquid introduced into these interspaces.

2. Heat exchanger according to claim 1, characterized in that the channels (8, 9, 10, 11), which are intended for the reception and conduction of the heat-transferring medium, essentially spiral in the housing (1) from one end thereof to extend to the other.

3. Heat exchanger according to claim 1, characterized in that the inserts (3, 4, 5, 7) consist of cylindrical double-walled tubes which are arranged at such a distance from the outlet end or the upper part end of the housing (1) that a substantially free, horizontal slot is formed for the drainage of the treated (heated or cooled) liquid from the housing.

4. Heat exchanger according to claim 1, characterized in that the rotor connected to the housing (1) is arranged at one end of the housing, preferably at the outlet end or upper part end thereof.

5. Heat exchanger according to claim 1, characterized in that the rotor connected to the housing (1) is mounted on one side.

6. Heat exchanger according to claim 1, characterized in that the agitating parts (23, 24, 25) are intended, during their movement of the treated (heated or cooled) liquid, no or only a slight mixing movement in the vertical direction during the passage of the liquid through to distribute the housing (1).

7. Heat exchanger according to claim 1, characterized in that the stirring parts are designed as adjustable scrapers (40) which are suitable for setting with a small play in terms of the heat-transferring surface or for a permanent holding pressed against the surfaces.

8. Heat exchanger according to claim 7, characterized in that the scrapers (40) are suitable during their movement for receiving a force directed against the heat-transferring surface.