DE2026349B2 - Vorrichtung zum waermeaustausch und mischen viskoser fluessigkeiten, insbesondere polymerer produkte - Google Patents
Vorrichtung zum waermeaustausch und mischen viskoser fluessigkeiten, insbesondere polymerer produkteInfo
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Description
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Wärmeaustausch und Mischen viskoser Flüssigkeiten, insbesondere
polymerer Produkte, bestehend aus einem vertikal angeordneten, mit horizontalen, als Wärmeaustauscher
in unterschiedlicher Höhe ausgebildeten Umlenkflächen ausgestatteten Gefäß; mit einer drehbaren in der
Gefäßlängsachse angeordneten Welle und mit an Trägerarmen der Welle befindlichen Kratzeranordnungen
zum Sauberhalten von Wärmeaustauschflächen sowie gegeneinander versetzten öffnungen zwischen
den einzelnen Böden.
Eine solche Vorrichtung ist aus der DT-AS 10 08 000
bekanntgeworden. Hier sind allerdings nur kammartige Rührarme vorgesehen. Eine solche Konstruktion eignet
sich nicht für Wärmeaustauschung und Mischung viskoser Flüssigkeiten. Nach der bekannten Maßnahme
werden körnige Stoffe auf ihrer Unterlage fortlaufend umgewendet, bewegt und gleichzeitig transportiert.
Andererseits neigen Polymerisate und andere viskose Flüssigkeiten dazu, Verschmutzungen auf den Wärmeaustauscherflächen
zu bilden und so die Wärmeaustauschkoeffizienten auf sehr niedrige Werte zu reduzieren.
Die bekannten Kratzer- oder Knetarme sind aber noch nicht einmal in der Lage, die Oberseite der Böden
frei zu halten, da aufgrund ihrer senkrechten Ausbildung und aufgrund sonstiger fehlender Mittel nicht gewährleistet
ist, daß die gesamte Oberfläche, das ist dort eine horizontale Fläche, saubergehalten wird.
Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einmal den Wärmeaustauscher in seiner
Wirkung homogener auszubilden und andererseits dabei gleichzeitig sämtliche Flächen von Verschmutzungen
frei zu halten.
Erreicht wird dies überraschend bei einer Vorrichtung der eingangs genannten Art dadurch, daß auch der
Gefäßmantel als Wärmeaustauscher ausgebildet ist und die Kratzeranordnungen Ober- und Unterseite des
horizontalen Wärmeaustauschers sowie den Mantel erfassen, wobei zur Begünstigung der Kratzerwirkung
Messer durch die Schwerkraft und/oder elastische Einrichtungen beaufschlagt sind.
Dadurch wird erreicht, daß einerseits sowohl die Ober- als auch die Unterseite der horizontal angeordneten
Wärmeaustauscherffächen als auch die Mantelflächen selbst von Verschmutzungen frei gehalten werden
können. Außerdem bietet die Ausbildung des Reaktormantels als Wärmeaustauscher die Möglichkeit, ein
besonders günstiges Verhältnis von Reaktorvolumen zu Wärmeaustauscherfläche einzustellen. Schließlich gewährleistet
die spezielle Anordnung der Messer ein einerseits schonendes, andererseits aber wirksames
Freihalten der Wärmeaustauschflächen.
Dabei soll nicht verkannt werden, daß es an sich bereits bekannt ist, den Mantel als Wärmeaustauscher
auszubilden (DT-PS 1183 888), bei der es sich im
übrigen aber sonst um eine völlig andere Konstruktion, insbesondere wegen der vertikal konzentrischen Anordnungen
sämtlicher Wärmeaustauschflächen handelt, ohne daß für die Beaufschlagung der Kratzmesser die
Schwerkraft und/oder die Federwirkung ausgenutzt würde. An einer Förderschnecke sitzen dort achsparallele
Schabestangen die dann, wenn an einer Stelle der Stagen aus irgendeinem Grunde diese von der
Reaktorwand abgehoben wird, ein Abheben über die gesamte Länge des Schabers in Kauf genommen
werden mi/3.
Die Anwendung der erfindungsgemäßen Maßnahme ist besonders brauchbar bei typischen Polymerisationsreaktionen wie die von Olefinen und/cder die Olefinen,
wodurch Homopolymerisate oder Mischpolymerisate sehr hohen Molekulargewichts entsprechend den
bekannten Verfahren der Polymerisation in Masse oder der Polymerisation in Lösung erzeugt werden. Polymerisationen
bzw. allgemeine chemische Reaktionen mil Reaktionsteilnehmern hoher Viskosität lassen sich ohne
weiteres durchführen, wobei hohe Mischgeschwindigkeiten bei hohen Wärmeaustauscherwirkungsgrader
ohne die genannten Nachteile gewährleistet sind.
Es werden also die horizontalen Wärmeaustauscherflächen sowie der Mantel mittels rotierender Element«
mit Kratzmessern abgekratzt, die es dem in Kontakt mil der Wandung stehenden Fluid ermöglichen, entfern!
oder ausgewechselt zu werden; die Homogenisierung der Reaktionslösung kann in irgendeiner beliebiger
Reaktionszone durchgeführt werden.
Weitere vorteilhafte Weiterbildungen sind in der Unteransprüchen beschrieben.
An der rotierenden Welle bzw. den die Messe: tragenden Armen können auch andere Element«
gelagert werden, die das Mischen und die Strömung dei Reaktionslösung in der bevorzugten Richtung ermögli
chen. Unterschiedliche Mischgeschwindigkeiten können in den verschiedenen Sektoren erhalten werden.
Auch kann mehr als eine Reaktionsstufe in einer einzigen Vorrichtung durchgeführt werden.
Beim einstufigen Reaktor ist die Polymerisatkonzen- s
tration längs des Reaktors fast gleich der an der Auslaßöffnung; daher entspricht der Leistungsverbrauch
beim Mischen derjenigen entsprechend der höchsten Viskosität. Beim Reaktor nach der Erfindung
ist diese höchste Viskosität nur in der letzten Reaktionszone vorhanden und nimmt in der zur
Strömung zur Reaktionsmasse entgegengesetzten Richtung ab.
Die Polymerisationsreaktionen haben eine Reaktionsgeschwindigkeit proportional zur Monomerkon- )·>
zentration, und die Polymerisationslösungen haben Wärmeaustauscherkoeffizienten, die mit zunehmender
Konzentration des Polymerisats abnehmen. Ein 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
Beharrungszustandszeit ermöglicht, die ganz ähnlich wie die bei Pfropfenströmung ist, derart, daß eine 2r>
Rückwärtsvermischung verhindert wird.
Aufgrund des besonderen Betriebs der Vorrichtung nach der Erfindung wird es möglich, durch Zuführung
oder Entnahme an Zwischenpunkten über die Vorrichtung genaue Eingriffe an gut definierten Zwischenpunkten
des Gefäßes vorzunehmen, so daß der Verfahrensablauf im Gefäß selbst beeinflußt wird.
Beispielsweise Ausführungsformen der Erfindung sollen nun mit Bezug auf die Zeichnungen näher
erläutert werden. Diese zeigen in
F i g. 1 einen Längsschnitt durch eine erste Ausführungsform einer Vorrichtung nach der Erfindung,
F i g. 2 ist ein Längsschnitt durch eine weitere Ausführungsform der Vorrichtung nach der Erfindung;
Fig.3 bis 5 zeigen einige Ausführungsformen von
Kratzmessern; die Pfeile deuten die Bewegungsrichtung an.
In Fig. 1 ist mit t der Außenmantel bezeichnet, der
Einrichtungen für die Zirkulation des Wärmeaustauschermediums aufweist; mit 2 sind die trennenden
Umlenkbleche bezeichnet, welche Einrichtungen für die Zirkulation der Wärmeaustauschermedien aufweisen; 3
bezeichnet die von eine.n Motor 4 aus angetriebene Drehwelle.
Die Kratzeranordnungen 5 sind an der Welle 3 befestigt; diese Kratzeranordnungen bestehen bei
praktischen Verwirklichungsformen aus einer Reihe von Messer tragenden Armen, von denen nur einer in
den Figuren dargestellt ist, wobei diese Kratzs-anordnungen mit Messern 6 versehen sind. Die trennenden η
Umlenkbleche sind mit Öffnungen 7 versehen, die nicht auf der gleichen vertikalen Linie liegen, so daß sie eine
längere Fluidströmungsbahn innerhalb des Gefäßes aufweisen.
Längs der Vertikalwelle wird an den Stellen, wo die w>
Welle in Berührung mit den Umlenkblechen kommt, die Dichtung über geeignete, in den Figuren nicht
dargestellte Einrichtungen sichergestellt, die dem Fachmann wohl bekannt sind. Mit 8 und 9 sind
Fluideinlaß- und Auslaßöffnungen und mit 10 und 11 t,·.
seitliche Einlaß- und Auslaßöffnungen der Vorrichtung bezeichnet; die Bezugszeichen 12 und 13 stehen für
öffnungen für das Wärmeaustauscherfluid.
F i g. 2, in der die Bezugszeichen denen nach F i g. 1 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 zu halten. Diese verschiedenen Sektoren werden
fest zusammen mittels Endplatten 14 und Abstützungsgsstängen 15 gehalten.
Fig.3a zeigt ein Kratzmesser, das zum Abkratzen
bzw. Abstreichen der Oberseite der Horizontalflächen der Umlenkbleche brauchbar ist; das Kratzen wird
durch Druck begünstigt, der durch die Flüssigkeit auf die Messer und durch das Gewicht der Kratzmesser
ausgeübt wird.
F i g. 3b zeigt ein Kratzmesser für die Unterseiten der trennenden Umlenkbleche.
Das Kratzen wird durch ein Gegengewicht und durch den von der Flüssigkeit auf die Messer ausgeübten
Druck begünstigt.
Die F i g. 4 und 5 zeigen andere Ausführungsformen von Kratzmessern, wo diese Kratzwirkung durch
gewisse elastische Systeme wie Federn begünstigt wird, welche diese Kratzwirkung sicherstellen.
Vom technologischen Standpunkt ist einer der relevanteren Vorteile der Vorrichtung nach der
Erfindung in der Konstruktion und Wartung zu sehen. Unter Wiederholung des Basiselementes kann die
Vorrichtung entsprechend dem vorher mit Bezug auf F i g. 2 erläuterten Schema aufgebaut sein.
Weiter wird aufgrund dieser Tatsache eine beachtliche Einsparung in der Konstruktion der Vorrichtung
möglich.
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 sich bei der Wartung im
Betrieb. Betrachten wir die Betriebsweise der Vorrichtung nach der Erfindung in Anwendung als Wärmeaustauscher
mit bekratzten Oberflächen, so soll darauf hingewiesen werden, daß das gesamte Volumen
ausgenutzt wird, um die Wärmeaustauscherflächen 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. Da 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 Wärmeaustauscherflächen
sicherzustellen, sind einfach in der Herstellung, und einige werden nur beispielsweise mit Bezug auf die
F i g. 3a bis 5 beschrieben.
Insbesondere basiert das in den Fig.3 und 3b gezeigte Schema auf der folgenden Betriebsweise.
Auch wenn die Welle nicht bewegt wird, hält die Schwerkraft die Kratzelemente in Kontakt. Wenn die
Welle sich in Bewegung befindet, so läßt die durch das
Fluid ausgeübte Gegenkraft die Messer besser an der Wandung haften. Da zur Ausnützung dieses Effektes,
wenn die Bewegung beginnt, es notwendig wird, daß das gemischte Fluid einen Druck auf die Messer ausübt, liegt
der Wert des Winkels <x zwischen 0° und 90°.
Eine unterschiedliche Lösung ist in Fig.4 wiedergegeben,
wo die Messer in Kontakt 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 F i g. 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 lediglich beispielsweise 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 ausnutzt.
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 m2 Wärmeaustauscherfläche zugeführt.
Der Gehalt an Polyisopren in der oben benannten, in den Reaktor eintretenden Lösung liegt bei 10 %.
Eine Isopren-Polymerisationsreaktion erfolgt innerhalb des Reaktors, so daß die Polyisoprenkonzentration
in der austretenden Lösung um 15 % erhöht wird.
Hierbei liegt die Lösungsviskosität bei 800 00OcP, wenn der Geschwindigkeitsgradient 1 see-' beträgt.
Die Menge an im Reaktor erzeugtem Polyisopren beträgt 12 kg/Stunde und, da die Polymeriationswärme
pro kg erzeugten Polyisoprens bei 250 kcal liegt, beträgt die während der Reaktion erzeugte Wärme 3000 kcal/
Stunde Die Lösungstemperatur wird auf 25°C durch Wärmeaustausch mit Wasser von 17°C am Einlaß und
einer Temperatur von 19° C am Auslaß gehalten.
Hieraus ergib1, sich ein Wärmeaustauscherkoeffizient
zu 143 m2°C, m2°C ohne Einbeziehung der während
des Mischens erzeugten Wärme.
Hierzu 3 Blatt Zeichnungen
Claims (5)
1. Vorrichtung zum Wärmeaustausch und Mischen viskoser Flüssigkeiten, insbesondere polymerer r>
Produkte, bestehend aus einem vertikal angeordneten, mit horizontalen, als Wärmeaustauscher in
unterschiedlicher Höhe ausgebildeten Umlenkflächen ausgestatteten Gefäß; mit einer drehbaren, in
der Gefäßlängsachse angeordneten Welle und mit an ι ο Trägerarmen der Welle befindlichen Kratzeranordnungen
zum Sauberhalten von Wärmeaustauschflächen sowie gegeneinander versetzten öffnungen
zwischen den einzelnen Böden, dadurch gekennzeichnet, daß auch der Gefäßmantel (1) i->
als Wärmeaustauscher ausgebildet ist und die Kratzeranordnungen (5) Ober- und Unterseite des
horizontalen Wärmeaustauschers (2) sowie den Manuel (1) erfassen, wobei zur Begünstigung der
Kratzerwirkung Messer (6) durch die Schwerkraft und/oder elastische Einrichtungen (Fig.4; Fig.5)
beaufschlagt sind.
2. Vorrichtung nach Anspruch I1 dadurch gekennzeichnet,
daß die elastischen Einrichtungen als Federn ausgebildet sind.
3. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Messer
(6) unabhängig von dem auf die Wandungen wirkenden Fluiddruck gehalten sind.
4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden jo
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß am Messerträgerarm ein Gegengewicht (Fig.3b) vorgesehen
ist.
5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4. dadurch gekennzeichnet, daß die die Kratzmesser
tragenden Arme gegen die zu kratzende Fläche angestellt sind (F i g. 3a - F i g. 5).
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