DE2026349A1 - Vorrichtung zur Behandlung viskoser Flüssigkeiten - Google Patents

Vorrichtung zur Behandlung viskoser Flüssigkeiten

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DE2026349A1 DE19702026349 DE2026349A DE2026349A1 DE 2026349 A1 DE2026349 A1 DE 2026349A1 DE 19702026349 DE19702026349 DE 19702026349 DE 2026349 A DE2026349 A DE 2026349A DE 2026349 A1 DE2026349 A1 DE 2026349A1
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Description

Vorrichtung zur Behandlung viskoser Flüssigkeiten
Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung, die geeignet ist, viskose Stoffe einem Wärmeaustausch und einer Vermischung auszusetzen,
In der chemischen Industrie sind hierfür Verfahren zu nennen, wie sie zur Herstellung von Polymerisaten in Lösung, Seifen, Fetten und Farben notwendig sind«
Bei solchen Verfahren macht die sehr hohe und anoaali' Viskosität der Reaktionsgemische die Wärmeübertragung und das Vermischen der Fluide schwierig. Die Notwendigkeit, Wärme zu übertragen und die Reaktionsmasse zu homogenisieren ist ganz besonders wichtig bei Polymerisationsverfahren, wo die reaktionswärme schnell abgeführt und die Reaktionsmasse kontinuierlich durchmischt werden muß, insbesondere, wenn die
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roaTscaxcKKOHTo mOwomk im«m · ktpobaxk iittwoax». kto.-nk. as«*·«
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Viskosität der Reaktionseaase sehr hohe W@rt« erreicht.
Typische Polymerisetionsreakfcionera eind die vosa Olefinen und/ oder Diolefine^ erlittenen, wodurch homopolyaorieate od®r Mischpolymerisate sehr hohen Molekulargewichtee ent» pres bend den bekannten Verfahren der Polymerisation in Masts® oder der Polymerisation in Lösung erzeugt
Bei den obengenannten Reaktionen sind gi'eichförailge stetige Arbeitsbedingungen erforderlich, um gleichförmige physikalische und chemische Eigenschaften des Polymerisates zu erhalten.
Es ist daher eine wirksame Ourchnilschung und die Entfernung der erzeugten Wärme notwendig -
Es ist bekannt, daß Polymerisate und ander® viskose Flüssigkeiten dazu neigen, Verschämtsung®» auf den Wärreauetawseharflachen zu bilden und so die V&raeatsetaueclarkoeffiasiesiten auf sehr niedrige Werte zu- reduzieren«
Es sind Verfahren und Vorrichtungen zum Austauschen v&u Wärme im PnIIe viskoser Lösungen und Abkratzesa oder Abstreichen von Wärtaaaaste«®cfearfliehen bekamst„ ο® dsSS sich hohe WärmeaustatascharkaeffIzlenton- dadurch '<erg«h@n9 datt die an den Wandungen haftende Schicht entfernt wird isnd koroiisraierlich neues Fluid ±n Kon&akt mit diesen gebracht wird.
Es sind Vorrichtungen® die dem Wnseausteuecker in@bes@mdor® ' in Form vertikaler, konzeimtriselier asylindriaefeor Käsacaeria bekannt, die den Kaci&t@il kaben8 daß sie keira® austauscherflachen aufweisen'
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Erfindungsgemäü soll nun eine Vorrichtung vorgeschlagen werden, die in der Lage ist, Polymerisationen oder allgemeiner gesagt chemische Reaktionen mit Reaktionsteilnehmern hoher Viskosität durchzuführen, wobei die Vorrichtung hoher Mischgeschvindigkeiten und hohe Wärmeaustauacherwirkungsgrade ohne die obengenannten Nachteile ermöglicht -
Obwohl die Vorrichtung nach der Erfindung brauchbar für chemische Reaktionen beliebiger Art 1st, soll hier nur Bezug auf Reaktionen der Polymerisation in Lösung genommen worden, wobei as sich um die Reaktionen von dem größten Interesse hi.ndelt
D4e Vorrichtung rech der Erfindung zeichnet sich aus durch ein vertikales zylindrisches Oeflitt mit einem Mantel und horizontalen Wärmeaustauscherflächen, die eine Unterteilung des GefäUes in mehrere Zonen ermöglicht, welche nacheinander quer durch das Kcaktionsgemisch durchflossen werden-
Die horizontalen Wärmeaustauscher!lachen und der Mantel werden mittels rotierender Elemente mit Kratzmessern abgekratet, die es dem in Kontakt mit der Wandung stehenden Fluid ermöglichen, entfernt oder ausgewechselt zu werden; auf diese Welse kann die Homogenisierung der Reaktionslöaung in irgendeiner beliebigen Rr>aktionszone durchgeführt werden·
Beispielsweise AusfUhrungsformen der Erfindung sollen nun anhand der beiliegenden Zeichnungen näher erläutert werden, in denen
Fig. 1 ein Längsschnitt durch eine erste AusfUhrungsförm einer erf indungsgetoäücn Vorrichtung zeigt j
BADORlGINAt
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-»- ' 2026341
Pig. 2 ist ein Längsschnitt durch eine weiter.® form der Vorrichtung nach dar Erfindung}
die Fig. 3 bis 5 zeigen einige Aueführungsfοrmen von Kretas messern; die Pfeile deuten die Bewegungsrichtung an»
In Fig. 1 ist mit 1 der Außenmantel bezeichnet, der Einrichtungen für die Zirkulation des Wärmeaustauecheraedlume aufweist; mit 2 sind die trennenden Umlenkbleche bezeichnet, welche Einrichtungen flir die Zirkulation der Wärmeaustauscher· medien aufweisen; 3 bezeichnet die von einem Motor k aus ange° triobene Drehwelle.
UIe Kratzeranordnungen 5 sind an der Welle 3 befestigt; diese Kratzeranordnungen bestehen bei praktischen Verwirklichungen formen aus einer Reihe von Messer tragenden Armen, von denen nur einer in den FIg* dargestellt 1st, wobei diese Kratzeranordnungen mit Messern 6 versehen sind. Die trennenden Umlenkbleche sind mit öffnungen 7 versehen, die nicht auf der gleichen vertikalen Linie liegen, so daß sie «ine längere Fluidströmungsbahn innerhalb des Gefässee aufweisen»
Längs der Vertikalwello wird an den Stellen, wo die Wftlle in Berührung mit den Umlenkblechen komat, die Dichtung über geeignete in den Figuren nicht dargestellte Einrichtungen sichergestellt, die den Fachmann wohl bekannt sind. Mit β und 9 sind Fluideinlaß- und Aualaßuffnungen und »it 10 und 11 seitliche Einlaß- und Auslaßtiffnungen der Vorrichtung bezeichnet; die Bezugezeichen 12 und 13 stehen für öffnungen für das Värmeauatauacherfluid.
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Fig. 2, in der die Bezugszeichen denen nach Fig» I entsprechen, zeigt eine andere Ausführungsform der Vorrichtung nach der Erfindung; diese Vorrichtung umfaßt viele übereinander angeordnete gesonderte Sektoren, wo es mittels seitlicher Öffnungen möglich wird, verschiedene Wärmeniveaus in den verschiedenen die Vorrichtung bildenden Sektoren zu erzeugen und au halten-. Diese verschiedenen Sektoren werden fest zusammen mittels Endplatten i4 und Abstützungsgestängen 15 gehalten»
Die obengenannten AusfÜhrungsforaien sind nur als vereinfachte schema tische Darstellungen anzusehen» die man logisch mit an· deren dem Fachmann bekannten Elementen integriert; es ist tatsächlich möglich, auf den Messerträgerarmen, die in sämtlichen Reaktionszonen angeordnet und an der rotierenden Welle " befestigt sind; andere Elemente zu lagern, die das Mischen und die Strömung der Reaktionslösung in der bevorzugtenäLchtung erleichtern; es ist auch möglich, eine unterschiedliche Mischgeschwindigkeit in den verschiedenen Heaktionseektoran zu erhalten.
Fig. 3a zeigt ein Kratzmesser, das zu» Abkratzen bzw. Abstreichen der Oberseite der Horizontalflächen der Ualenkblecaejbrauchbar ist; das Kratzen wird durch Druck begünstigt, der durch die Flüssigkeit auf die Messer und durch da« Gewicht der Kratzmesser ausgeübt wird.
Fig. 3b zeigt ein Kratzmeseer für die Unterseiten der trennen- ■ den Umlenkbleche;
Das Kratzen wird durch ein Gegengewicht und-durch den voa der Flüssigkeit auf die Messer ausgeübten Druck begünotigt«
.Die Fig. k und 5 zeigen andere Ausführungsf.onaeia von Erataaesaerm, " st diese Kratzwirkung durch gewisse elastische Systeme wie
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Federn begüastigü uisrd, tmlohQ <ß&
stellen»
Die mittels der tfosslehtiasg; wnoh tä®r Erfiai teile sind" sefes? @st ©ntueder. v©a e&eiai seiles @4q^ t@e sehen Geeichtsp^Mrö ©ms, iaslb©iB©2sL©re füs» des Fall v
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einer Reaktionsstmf© in eiasE1 ©iiasigen
Das ζην Jhirchiühmm.g, einer gegslbsnen. Umsetswag a®tweadig® Heaktions¥oluraeia mi~£a beac&tliefe "^©ziBin.d©?"fe „ i-j©aa man üen Eins el stuf enrealxt©r mit ©iasa g@t-?i®i)©a XaQigtmsgu^emögen trachtet.
Im Hinblick auf ü®m ©iasfefljg©» !©©kt©!11 ui^sl <ä©2> verbrauch beim H g
stufigen Ks&ktos? Si© Ρ@1ρϊΐ©2?1ΐ3θ1ζ!2©®ϋ©κ^ΕΌ·δ1©& lia Reaktors fast gl©i©la
entspricht der SoiGsisiaBgsi^a^egamefe "feoia entsprecbeiiiä dos
Beim Reaktor neeia. der Erfiadpjäg; ist di@©© nur in der letsv"3@si, M®©kti®iaii!g@si© •w@x>hand®3a wML nimmt ia
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Volumina eier ^/©ssjsfeied
Es ist sehr interessant zu beobachten, daß dann, wenn die Vorrichtung nach der Erfindung als Polymerisationsreaktor verwendet wird, die Zone, in der eine größere Wärmemenge erzeugt wird, diejenige ist, in der die Polymerisationekonzentration niedriger ist, nämlich die, bei der geringere Leistung zur Mischung notwendig ist und wo der Wärmeaustausch wirksamer vor sich geht.
Die Polymerisationsreaktionen haben tatsächlich eine Reaktionsgeschwindigkeit proportional zur Monomerkonzentration und die PolymerisationslÖsungen haben Wärmeaustauscherkoeffizienten, die mit zunehmender Konzentration des Polymerisats abnehmen, üin anderer vom chemischen Standpunkt aus beachtlicher Vorteil ist die Tatsache, daß die besondere Anordnung der Reaktionszonen, wie sie in der erfindungsgemäßen Vorrichtung gegeben ist, die Möglichkeit eines Beipaß begrenzt und eine Verteilung der Verweil- oder Beharrungszustandezeit ermöglicht, die ganz ähnlich wie die bei Stopfenströraung (engl. plug flow) let, derart, daß eine Rückwärtsveroischung verhindert wird.
Aufgrund des besonderen Betriebe der Vorrichtung nach der Erfindung wird es möglich, durch. Zuführung oder Entnahme an Zwischenpunkten über die Vorrichtung genau· Eingriffe an gut definierten Zwischenpunkten des Gefäßes vorzunehmen, ao daß der Verfahrensablauf im Gefäß selbst beeinflußt wird.
Vom technologischen Standpunkt ist einer der relevanteren Vorteile der Vorrichtung nach der Erfindung in der Konstruktion und Wartung zu sehen. Unter Wiederholung dee Baaieelementes kann die Vorrichtung entsprechend des vorher mit Bezug auf Fig. 2 erläuterten Schema aufgebaut sein.
Weiter wird aufgrund dieser Tatsache eine beachtliche Einsparung in der Konstruktion der Vorrichtung möglich.
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Die Konstruktion von Reaktoren mit einer unterschiedlichen Anzahl von Sektoren und damit unterschiedlichen Reaktionsvolumina macht eine Welle anderer Länge erforderlich, wobei die verbleibenden Sektoren gleiche Gestalt und Größe aufweisen. Ähnliche Vorteile ergeben eich-bei der Wartung im Betrieb. Betrachten wir die Betriebsweise der Vorrichtung nach der Erfindung in Anwendung als Wärmeaustauscher mit bekratzten Oberflächen, bo soll darauf hingewiesen werden, daß das gesamte Volumen ausgenutzt wird, um die Wärmeaustauecherflachen unterzubringen und auf diese Weise, falls notwendig, ein hohes Verhältnis von Wärmeaustauscherflächen zu Volumen zu erhalten.
Ein anderer beachtlicher Vorteil hängt mit der Tatsache zusammen, daß in den verschiedenen Wärmeaustauschersektoren Fluide unterschiedlicher Eigenschaften entweder in Zusammensetzung oder Wärmeniveau für den Wärmeaustausch verwendet werden können. Der Wärmeaustausch kann auch durch die Mischgeschwindigkeit geregelt werden. Sa schließlich die Wärmeaustauscherflächen meistens horizontal verlaufen, wird die Kratzwirkung bezüglich Vorrichtungen mit vertikalen, zu kratzenden Flächen begünstigt.
Vorrichtungen, die verwendet werden, um den Kontakt der Kratzmesser mit den Wärmeaustauscherflachen aichereueteilen, sind einfach in der Herstellung und einige werden nur beispielsweise mit Bezug auf die Fig. 3a bis 5 beschrieben.
Insbesondere basiert das in den Fig. 3a und 3b gezeigte Schema auf der folgenden Betriebsweise.
Auch wenn die Welle unbeweglich ist, hält die Schwerkraft die Kratzelemente in Kontakt. Wenn die Welle eich in Bewegung befindet, so läßt die durch das Fluid ausgeübte Gegenkraft die Nesser besser an der Wandung haften. Da zur Ausnutzung dieses
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Effektes, wenn die Bewegung beginnt, es notwendig wird, daß das gemischte Fluid einen Druck auf die Messer ausübt, liegt der Wert des Winkels Qf* zwischen O0 und 90°.
Eine unterschiedliche Lösung· ist in Fig. 4- wiedergegeben, wo die Messer in Eontakt mit den gekratzten Flächen nicht nur durch den Druckeffekt, sondern auch durch ein elastisches Element Wie eine Außenfeder gehalten werden. Diese Lösungen bedeuten gegenüber der vorhergehenden den Vorteil, daß keinerlei Scharniere oder Verbindungen benutzt werden, die durch klebrige Verschmutzungen blockieren können'.
Ein Charakteristikum des in Fig. 5 gezeigten Schemas ist die Unabhängigkeit der auf die Wandungen drückenden Kraft von dem durch das Fluid auf die Messer ausgeübten Druck.
Diese Lösungen werden nur als nicht-begrenzende Beispiele genannt und haben den Zweck, klar zu machen, daß die Aufrechterhaltung des Kontaktes zwischen Messern und Wänden herbeigeführt werden kann, wenn man die Wirkung der Schwerkraft des durch das Fluid auf die Messer ausgeübten Druckes und der inneren oder äußeren elastischen Elemente auenutet·
Die folgenden Beispiele erläutern die Erfindung, ohne sie zu begrenzen. Sie werden anhand der Iaopren-Polymerisationsreaktion gegeben.
Beispiel
240 kg/Stunde einer Lösung aus Isopren und Polyisopren in Hexan, die aus einem vorhergehenden Reaktor stammt, werden kontinuierlich einem Reaktor, wie in Fig. 1 gezeigt, mit 190 Liter Fassungsvermögen und 3 m Wärmeaustauscherfläche zugeführt.
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Der Gehalt an Polyisopren in der ©ben beaosia Reaktor eintretenden Lösung liegt bei 10 %*
Eine Isopren-Polymerisationsreaktioo. erfolgt innerhalb dee-Reaktors, so daß die Polyisoprenkonzentrati©» in äer attafcr®- tenden Lösung um 15 % "erhöht wird«,
Hierbei liegt die .Lösungsviskositat bei 80©o0Q0 cP, wean der Geschwindigkeitsgradient 1 see beträgt.
Die Menge an im Beaktor erzeugtem Polyisopren beträgt 12 kg/ Stunde und, da die. Polymerisationewärme pro kg erzeugten Polyisoprene bei 250 kcal liegt, beträgt di© während der Reaktion erzeugte Wärme 3«000 kcal/Stundeο
Die Lösungstemperatur wird auf 2^°G durch. Wärmeaustausch mit Wasser von 17°C am Einlaß «ad ©iaer Temperatur rom 1f®0 am Auslaß gehalten.
Hieraus ergibt sieb eia·-
143 kcal/Stunde & . 0O ©to© Eiabezi®Iraag d.©r witemd des Mi· schens erzeugten

Claims (6)

Patentansprüche
1. Vorrichtung zur Durchführung von Vorgängen, bei denen viskose stoffe einem Wärmeaustausch ausgesetzt und gemischt werden, gekennzeichnet durch ein vertikales Gefäß mit einem Mantel ('·) und Wärmeaustauscherflächen oder horizontale Umlenkbleche (2), die da3 Gefäß in mehr als eine Zone unterteilen, wobei diese Oberflächen im wesentlichen rein mittels Kratzmessern (6) gehalten werden, die auf Trägerarmen getragen sind, welche an einer sich drehenden, in Längsachse der Vorrichtung verlaufenden Welle (3) befestigt sind.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß g die die Messer tragenden Arme mit die Miechvirkung begünstigenden Elementen versehen sind.
3· Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Umlenkbleche (2) mit nicht auf der gleichen vertikalen Linie liegenden öffnungen versehen sind, derart, daß die viskoseHasse innerhalb der Vorrichtung einer gewundenen Bahn folgt.
4. Vorrichtung nach Anspruch 3» dadurch gekennzeichnet, daß die Unilenkbleche öffnungen aufweisen, die alternativ auf den Umfang und in der Mitte der Vorrichtung sich befinden.
5". Vorrichtung nach Anspruch 31 dadurch gekennzeichnet, daß die Umlenkbleche öffnungen aufweisen, die sich am Umfang abwechselnd 6e6enüberstehen. ·
6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens einige der durch die Umlenkbleche begrenzten Zonen mit Sinrichtungen versehen sind, um Materialien abzuziehen und einsufuhren.
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7· Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmeaustausch in den verschiedenen, durch die Umlenkbleche begrenzten Zonen mittels unterschiedlicher Värmeaustauscherflüssigkeiten und/oder bei unterschiedlicher Temperatur'erhalten werden kann·
6. Vorrichtung nach einen der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die verschiedenen Zonen durch Zusammenbau ähnlicher Sektoren erhalten werden.
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