DE202004021361U1

DE202004021361U1 - Wärmetauscher und Reaktor mit einem derartigen Wärmetauscher

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Publication number: DE202004021361U1
Application number: DE202004021361U
Authority: DE
Original assignee: DSM IP Assets BV
Current assignee: DSM IP Assets BV
Priority date: 2003-07-14
Filing date: 2004-07-05
Publication date: 2007-11-22
Anticipated expiration: 2014-07-06
Also published as: DE112004001184D2; WO2005005040A1; CN1822899A; CH696802A5

Abstract

Wärmetauscher für einen Reaktorbehälter (1), mit einer Zu- (4) und einer Abführleitung (5) für ein Wärmetauschmedium, sowie mit mehreren mit der Zu- (4) und Abführleitung (5) verbundenen Wärmetauschelementen (2), die entlang einer eben umlaufenden, insbesondere kreisförmigen, Bahn angeordnet sind, wobei die einzelnen Wärmetauschelemente (2) so angeordnet sind, daß sie mit der umlaufenden Bahn einen spitzen Winkel (α) im Bereich von 10°–70°, vorzugsweise 20°–60° und insbesondere etwa 45° einschließen, und ihre Längsachsen senkrecht zur Ebene der umlaufenden Bahn verlaufen, dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen Wärmetauschelemente (2) mehrere in Richtung der Längsachse der einzelnen Wärmetauschelemente (2) angeordnete Rohre (20) umfassen, deren einen Enden mit einem ersten gemeinsamen Sammler (21), und deren anderen Enden mit einem zweiten gemeinsamen Sammler (22) verbunden sind, und wobei in den Rohren (20) der Wärmetauschelemente (2) jeweils ein Verdrängungskörper (200) angeordnet ist.

Description

Die Erfindung betrifft einen Wärmetauscher gemäss dem Oberbegriff des unabhängigen Schutzanspruchs sowie einen Reaktor mit einem derartigen Wärmetauscher.
Solche Wärmetauscher werden beispielsweise in Oxidationsreaktorbehältern eingesetzt, wie sie bei der Synthese von Vitamin E in Form von α-Tocopherol bzw. α-Tocopherolacetat zum Einsatz kommen, so z.B. in der Zwischenstufe der Oxidation von Trimethylphenol zu Trimethylchinon. Diese Oxidation kann in einem Lösungsmittel wie Diethylenglykolmonomethylether in Anwesenheit eines geeigneten Katalysators wie z.B. Kupferchlorid erfolgen. Die (exotherme) Oxidation erfolgt beispielsweise bei einer Temperatur von etwa 60–105°C und einem Druck von beispielsweise etwa 1.3 × 10⁵ Pa.
Für einen effizienten und sicheren Prozess sind dabei mehrere Aspekte von Bedeutung. So wird z.B. gefordert, dass der Reaktorbehälter aus Sicherheitsgründen bis zu einem Druck von 40 × 10⁵ Pa druckfest ist. Ferner sollte der Reaktor korrosionsresistent und nach Möglichkeit inert ausgebildet sein. Eine hohe Sauerstoffkonzentration in der Lösung ist wünschenswert, um die Bildung von Nebenprodukten wie beispielsweise Kupferoxalat zu vermeiden. Dazu muss ständig in ausreichender Menge Sauerstoff zugeführt werden können. Um Sauerstoff aus der Sauerstoffatmosphäre im Behälter gut in die Lösung überführen zu können, ist eine grosse Austauschfläche zwischen Lösung und Sauerstoffatmosphäre von Vorteil.
Wegen der starken Exothermie der Reaktion ist eine gute Wärmeabfuhr von besonderer Bedeutung. Zu diesem Zweck werden Wärmetauscher eingesetzt, welche die Reaktionswärme schnell und zuverlässig abführen sollen. Hierzu sind in der Vergangenheit schon verschiedene konstruktive Ansätze vorgeschlagen worden.
So sind beispielsweise Reaktoren vorgeschlagen worden, bei denen der Wärmetauscher eine spiralförmige Halbrohrschlange umfasst, welche aussen auf der Behälterwand angebracht ist. Bei dieser Lösung ist zwar der Behälter gut zu reinigen, allerdings ist eine gute Wärmeabfuhr aufgrund der recht massiven Wandstärke der Reaktorbehälter (z.B. 50 mm), die erforderlich ist, um eine ausreichende Druckresistenz zu gewährleisten, nur ziemlich unzureichend möglich.
Bei einem anderen Vorschlag sind innerhalb des Behälters zwei koaxial in Längsrichtung des Behälters sich erstreckende zylindrische Spiralen (jeweils ähnlich der Gestalt einer Schraubenfeder) als Wärmetauscher vorgeschlagen worden, von denen zumindest die äussere Spirale relativ nahe zur Behälterinnenwand angeordnet ist. Ein guter Wärmeübergang zum Wärmetauscher (hier den Spiralen) ist jedoch nur dann gegeben, wenn auch die Strömungsgeschwindigkeit hoch ist und die Rohre turbulent umströmt werden. Dies ist zumindest bei der äusseren der beiden Spiralen nicht mehr so gut gewährleistet, ausserdem erfolgt in diesem Bereich auch keine gute Durchmischung mehr, weshalb es dort in einem unerwünschten Ausmass zur Ablagerung von Nebenprodukten kommen kann (siehe oben), die sich wiederum negativ auf die Wärmeabfuhr auswirken.
In der EP-A-1,172,138 ist schliesslich ein weiterer konstruktiver Ansatz für einen solchen Reaktor und den dazugehörigen Wärmetauscher vorgeschlagen worden, bei welchem im Innern des Reaktorbehälters entlang einer kreisförmigen Bahn grossflächige Wärmetauschplatten angeordnet sind. Die Platten stehen jeweils in einem Winkel zur Umfangsrichtung der kreisförmigen Bahn, der vorzugsweise zwischen 30° und 55° beträgt. Die Platten dienen dabei nicht nur der Wärmeabfuhr, sondern sie brechen auch die Strömung am Rande des Reaktorbehälters, was die Durchmischung im Behälterinnern begünstigt. Dennoch kann sich im Randbereich, also im Bereich zwischen den Platten und dem Reaktorbehälter, eine nicht so gut durchmischte Schicht bilden, in der es zu vermehrter Ablagerung von Nebenprodukten (siehe oben) kommen kann. Ausserdem sind solche grossflächigen Wärmetauschplatten nur begrenzt mechanisch belastbar und können, insbesondere bei einem Betrieb unter hohem Druck und beim Auftreten von Resonanzschwingungen, Risse bekommen, wodurch die Funktion des Reaktors bzw. des Wärmetauschers erheblich beeinträchtigt sein kann.
Die Aufgabe der nachfolgenden Erfindung ist es daher, einen Wärmetauscher vorzuschlagen, der eine hohe mechanische Beständigkeit, insbesondere eine hohe Druckfestigkeit, aufweist und dessen Wärmeaustauschfläche möglichst gross ist. Ausserdem sollen schlecht durchmischte Zonen im Reaktorbehälter, insbesondere im Randbereich, verhindert werden.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäss durch einen Wärmetauscher gelöst, wie er durch den unabhängigen Schutzanspruch charakterisiert ist. Vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemässen Wärmetauschers ergeben sich aus den Merk malen der abhängigen Patentansprüche.
Insbesondere umfassen die Wärmetauschelemente des erfindungsgemässen Wärmetauschers mehrere, beispielsweise vier, in Richtung der Längsachse des Wärmetauschelements, beispielsweise vertikal, angeordnete Rohre. Die Rohre eines einzelnen Wärmetauschelements sind an ihren einen, beispielsweise den unteren Enden, mit einem ersten Sammler verbunden und an ihren anderen, beispielsweise den oberen Enden, mit einem zweiten Sammler. Ein solcher Wärmetauscher zeichnet sich durch eine hohe mechanische Beständigkeit aus, die Wärmetauschfläche ist gross gestaltet und es wird eine Verwirbelung bis in die Randbereiche des Reaktorbehälters erzeugt, die für eine gute Durchmischung der Reagenzien sorgt.
Der erste Sammler eines Wärmetauschelements kann mit der Zuführleitung und der zweite mit der Abführleitung verbunden sein, sodass die Wärmetauschelemente in Betrieb von einem Wärmetauschmedium durchströmt werden. Das gradlinige Durchströmen der Wärmetauschelemente mit dem Wärmetauschmedium erlaubt dabei hohe Strömungsgeschwindigkeiten und somit einen besseren Austausch von Wärme. Insbesondere ist das vertikale Durchströmen vorzugsweise von unten nach oben insofern vorteilhaft, als auf diese Weise bei Verwendung einer Flüssigkeit als Wärmetauschmedium im Betrieb keine Luft in den Rohren vorhanden sein kann, was einen besseren Austausch von Wärme zur Folge hat.
Sämtliche ersten Sammler der Wärmetauschelemente können dabei mit einer ersten gemeinsamen Sammelleitung und sämtliche zweiten Sammler mit einer zweiten gemeinsamen Sammelleitung verbunden sein. Die Sammelleitungen können dabei ähnlich verlaufen wie die Bahn, entlang welcher die Wärmetauschelemente angeordnet sind, beispielsweise kreisförmig, und sind ihrerseits mit der Zu- bzw. Abführleitung verbunden. Solche Sammelleitungen haben den Vorteil, dass nicht alle Wärmetauschelemente bzw. deren Sammler einzeln an die Zu- bzw. Abführleitung angeschlossen werden müssen, was die Konstruktion des Wärmetauschers vereinfacht, und dass die Strömungsverhältnisse in den Wärmetauschelementen über den ganzen Wärmetauscher konstant sind.
In den Rohren der Wärmetauschelemente ist jeweils ein Verdrängungskörper angeordnet. Er dient einerseits dazu, möglichst viel Kontaktfläche zwischen z.B. einem Kühlmedium als Wärmetauschmedium und einem zu kühlenden Medium pro Volumeneinheit Kühlmedium zu schaffen und damit die Effizienz des Wärmetauschs zu erhöhen. Andererseits dient er dazu, bei gleichbleibendem Leitungsdruck in den Zu- bzw. Abführleitungen die Strömungsgeschwindigkeit in den Wärmetauschelementen zu vergrössern und damit die Kühlleistung des Wärmetauschers zu verbessern, weil das erwärmte Kühlmedium rasch abgeführt wird und sofort wieder neues kaltes Kühlmedium durch die Rohre strömt.
Der erfindungsgemässe Wärmetauscher kann entweder mit einem korrosionsresistenten, insbesondere inert, ausgebildeten Material, beispielsweise Titan, ummantelt sein oder aus einem solchen Material bestehen. Damit wird verhindert, dass der Wärmetauscher durch die Reaktion beschädigt wird, und dass zusätzliche unerwünschte Nebenprodukte entstehen.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft einen Reaktor, insbesondere einen Oxidationsreaktor, mit einem Reaktorbehälter, in welchem ein vorstehend näher spezifizierter Wärmetauscher angeordnet ist. Solche Reaktoren eignen sich insbesondere – wie eingangs erwähnt – für die Synthese von Vitamin E und dort speziell für die Zwischenstufe der Oxidation von Trimethylphenol zu Trimethylchinon.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels der Erfindung mit Hilfe der schematischen Zeichnung. Es zeigen:
1 einen Reaktorbehälter mit einem Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemässen Wärmetauschers,
2 eine Aufsicht auf den geöffneten Reaktorbehälter aus 1,
3 eine Ansicht eines einzelnen Wärmetauschelements des Ausführungsbeispiels des erfindungsgemässen Wärmetauschers aus 1,
4 Eine Ansicht von unten an die erste Sammelleitung des Ausführungsbeispiels des erfindungsgemässen Wärmetauschers aus 1,
und
5 einen Schnitt durch ein einzelnes Rohr eines Wärmetauschelements gemäss 3, in welchem ein Verdrängungskörper angeordnet ist.
In 1 ist ein Ausführungsbeispiel eines Reaktorbehälters 1 mit einem erfindungsgemässen Wärmetauscher darge stellt, wie er beispielsweise bei der exotherm ablaufenden Oxidation von Trimethylphenol zu Trimethylchinon in einer Lösung eingesetzt werden kann. Der Wärmetauscher umfasst mehrere kreisförmig um die Längsachse 10 des Reaktorbehälters 1 angeordnete Wärmetauschelemente 2 (siehe auch 2), zwei die Wärmetauschelemente 2 verbindende Sammelleitungen 30 bzw. 31, mehrere Zuführleitungen 4 und mehrere Abführleitungen 5. Die Wärmetauschelemente 2 sind vertikal im Randbereich des Reaktorbehälters 1 angeordnet. Als Wärmetauschmedium kann Industriekühlwasser verwendet werden, welches durch die Zuführleitungen 4 über eine untere, erste Sammelleitung 30 in die ersten Sammler 21 und von dort in die Rohre 20 der Wärmetauschelemente 2 gefördert wird. Es strömt von unten nach oben vertikal durch die Rohre 20 und nimmt dabei über die Rohrwand 201 (5) Wärme aus der Lösung auf. Das aufgewärmte Industriekühlwasser strömt durch die zweiten Sammler 22 über eine obere, zweite Sammelleitung 31 in die Abführleitungen 5 und wird aus dem Reaktorbehälter 1 abtransportiert.
2 zeigt eine Aufsicht auf den geöffneten Reaktorbehälter 1. Die hier beispielhaft gezeigten dreissig Wärmetauschelemente 2 sind in einem Winkel α von etwa fünfundvierzig Grad zur Umfangrichtung angeordnet. Dadurch übernehmen die Wärmetauschelemente 2 zusätzlich zu ihrer Hauptfunktion, dem Kühlen, eine wichtige Rolle beim Durchmischen der Lösung mit dem in den Reaktor geförderten Sauerstoff, indem die durch einen Rührer erzeugte Strömung im Randbereich des Reaktorbehälters 1 gebrochen wird. Dadurch entstehen zusätzliche Verwirbelungen, was eine gesamthaft verbesserte Durchmischung zur Folge hat. 2 zeigt auch, dass die Wärmetauschelemente 2 hier von insgesamt vier Zuführleitungen 4 mit Kühlwasser gespeist werden und dieses Kühlwasser über vier Abführleitungen 5 wieder aus den Wärmetauschelementen 2 abgeführt wird.
3 zeigt ein einzelnes Wärmetauschelement 2. Es umfasst einen unteren, hier horizontal angeordneten, ersten Sammler 21, der über die erste Sammelleitung 30 mit den Zuführleitungen 4 (1) verbunden ist. Von diesem ersten Sammler 21 gehen vier vertikal ausgerichtete Rohre 20 ab, die durch einen, hier ebenfalls horizontal angeordneten, zweiten Sammler 22 abgeschlossen sind. Dieser zweite Sammler 22 ist über die zweite Sammelleitung 31 mit den Abführleitungen 5 verbunden. Mit einem solchen Wärmetauschelement 2 wird, zusätzlich zu der bei der Beschreibung von 2 erläuterten Strömungsbrechung des gesamten Wärmetauschelements 2, an den Rohren 20 die radiale Strömung der Lösung im Reaktorbehälter 1 weiter verwirbelt. Das führt zu einer nochmals verbesserten Durchmischung im Reaktorbehälter 1, insbesondere in den Zonen nahe des Behälterrandes, wo die Strömung ansonsten weniger verwirbelt und damit die Durchmischung schlechter ist als im Zentrum des Reaktorbehälters 1.
4 zeigt die erste, hier kreisförmige ausgebildete, Sammelleitung 30, wie sie mit den Wärmetauschelementen 2 und den Zuführleitungen 4 (1) verbunden ist. Das Kühlwasser wird über vier Zuführverbindungen 32 in die erste Sammelleitung 30 befördert. Die erste Sammelleitung 30 dient dazu, die vier Zuführleitungen 4 (1) über die Anschlussleitungen 33 mit den dreissig Wärmtauschelementen 2 (3) zu verbinden und gleichmässig mit Kühlwasser zu versorgen. Entsprechend der in 4 gezeigten ersten Sammelleitung 30 kann auch die zweite Sammelleitung 31 zum Abtransportieren des Kühlwassers aus den Wärmetauschelementen 2 (3) angeordnet werden.
In 5 ist ein einzelnes Rohr 20 eines Wärmetauschelements 2 (3) dargestellt. Im Zentrum des Rohres ist ein Verdrängungskörper 200 angeordnet. Durch den Verdrängungskörper wird das durch das Rohr 20 strömende Kühlwasser an der Rohrwand 201 entlang geleitet. Dadurch vergrössert sich die Kontaktfläche zwischen Kühlwasser und Rohrwand 201 pro Volumeneinheit Kühlwasser im Vergleich zu einem Rohr 20 ohne Verdrängungskörper 200. Zusätzlich erhöht der Verdrängungskörper 200 bei gleichbleibendem Leitungsdruck die Strömungsgeschwindigkeit im Rohr 20, was dazu führt, dass sich das Kühlwasser weniger erwärmt. Somit besteht ein höherer Temperaturgradient zwischen Kühlwasser und Lösung und die Kühleffizienz wird erhöht.

Claims

Wärmetauscher für einen Reaktorbehälter (1), mit einer Zu- (4) und einer Abführleitung (5) für ein Wärmetauschmedium, sowie mit mehreren mit der Zu- (4) und Abführleitung (5) verbundenen Wärmetauschelementen (2), die entlang einer eben umlaufenden, insbesondere kreisförmigen, Bahn angeordnet sind, wobei die einzelnen Wärmetauschelemente (2) so angeordnet sind, daß sie mit der umlaufenden Bahn einen spitzen Winkel (α) im Bereich von 10°–70°, vorzugsweise 20°–60° und insbesondere etwa 45° einschließen, und ihre Längsachsen senkrecht zur Ebene der umlaufenden Bahn verlaufen, dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen Wärmetauschelemente (2) mehrere in Richtung der Längsachse der einzelnen Wärmetauschelemente (2) angeordnete Rohre (20) umfassen, deren einen Enden mit einem ersten gemeinsamen Sammler (21), und deren anderen Enden mit einem zweiten gemeinsamen Sammler (22) verbunden sind, und wobei in den Rohren (20) der Wärmetauschelemente (2) jeweils ein Verdrängungskörper (200) angeordnet ist.
Wärmetauscher nach Anspruch 1, bei welchem die Wärmetauschelemente (2) im Betrieb vom Wärmetauschmedium durchströmt werden, und zwar vorzugsweise von unten nach oben, indem die Zuführleitung (4) mit dem ersten gemeinsamen Sammler (21) und die Abführleitung (5) mit dem zweiten gemeinsamen Sammler (22) der Wärmetauschelemente (2) verbunden ist.
Wärmetauscher nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei welchem sämtliche ersten Sammler (21) mit einer ersten Sammelleitung (30) und sämtliche zweiten Sammler (22) mit einer zweiten Sammelleitung (31) verbunden sind, die ihrerseits mit den Zu- (4) bzw. Abführleitungen (5) verbunden sind.
Wärmetauscher nach einem der vorangehenden Ansprüche, welcher korrosionsresistent, insbesondere inert, ausgebildet ist.
Reaktor, insbesondere für Gas-Flüssigkeits-Reaktionen, mit einem Reaktorbehälter (1), in welchem ein Wärmetauscher nach einem der vorangehenden Ansprüche angeordnet ist.