DE2026349C3 - Vorrichtung zum Wärmeaustausch und Mischen viskoser Flüssigkeiten, insbesondere polymerer Produkte - Google Patents

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

T) 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 Wärmeaustauscherflächen 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 (DTPS 11 83 888), 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 muß.

Die Anwendung der erfindungsgemäßen Maßnahme ist besonders brauchbar bei typischen Polymerisationsreaktionen wie die von Olefinen und/oder 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 mit Reaktionsteilnehmern hoher Viskosität lassen sich ohne weiteres durchführen, wobei hohe Mischgeschwindigkeiten bei hohen Wärmeaustauscherwirkungsgraden ohne die genannten Nachteile gewährleistet sind.

Es werden also die horizontalen Wärmeaustauscherflächen sowie der Mantel mittels rotierender Elemente mit Kratzmessern abgekratzt, die es dem in Kontakt mit der Wandung stehenden Fluid ermöglichen, entfernt oder ausgewechselt zu werden; die Homogenisierung der Reaktionslösung kann in irgendeiner beliebigen Reaktionszone durchgeführt werden.

Weitere vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen beschrieben.

An der rotierenden Welle bzw. den die Messer tragenden Armen können auch andere Elemente gelagert werden, die das Mischen und die Strömung der 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 Polymerisatkonzentration 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 Monomerkonzentration, 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 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 Ausführu.igsformen von Kratzmessern; die Pfeile deuten die Bewegungsrichtung an.

In F i g. 1 ist mit 1 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 einem 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 Kratzeranordnungen mit Messern 6 versehen sind. Die trennenden Umle.nkbleche 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 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 seitliche Einlaß- und Auslaßöffnungen der Vorrichtung bezeichnet; die Bezugszeichen 12 und 13 stehen für öffnuneen für das Wärmeausiauscherfluid.

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 Abstützungsgestängen 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 F i g. 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 Beweeune 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 λ 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 n> 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 ι^r, 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 _>n 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.

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 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 sec^-1 beträgt.

Die Menge an im Reaktor erzeugtem Polyisopren beträgt 12 kg/Stunde und, da die Potymeriationswärme 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 ergibt sich ein Wärmeaustauscherkoeffizient zu 143 m²⁰C, m²°C ohne Einbeziehung der während des Mischens erzeugten Wärme.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (5)

Patentansprüche:

1. 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 m Trägerarmen der Welle befindlichen Kratzeranordnungen zum Sauberhalten von Wärmeaustauschflächen sowie gegeneinander versetzten öffnungen zwischen den einzelnen Böden, dadurch gekennzeichnet, daß auch der Gefäßmantel (1) als Wärmeaustauscher ausgebildet ist und die Kratzeranordnungen (5) Ober- und Unterseite des horizontalen Wärmeaustauschers (2) sowie den Mantel (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 1, 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).