DE2066004A1 - Vorrichtung zum behandeln viskoser fluessigkeiten - Google Patents

Description

Vorrichtung zur Behandlung viskoser Flüssigkeiten

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung, die geeig net ist, viskose Stoffe einem Wärmeaue tausch und einer Vermischung auszusetzen,

I_n der chemischen Industrie sind hierfür Verfahren au nennen wie sie zur Herstellung von Polymerisaten in Lösung, Seifen, Fetten und Farben notwendig sind.

solchen Verfahren macht die sehr hohe und anomale' Viskosität der Reaktionsgemische die Wärmeübertragung und deβ Vermischen der Fluide schwierig.. Die Notwendigkeit, Wärme zu Übertragen und die Reaktionen»see zu homogenisieren 1st ganz besonders wichtig bei Polymerisationsverfahren, wo die reaktionswärme schnell abgeführt und die Reaktionsojasae kontinuierlich durchmischt werden nuß, insbesondere, wenn die

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Viskosität der Reaktionsaasse sehr hohe Werte erreicht.

Typische Polymerieationsreaktionen sind die von Olefinen und/ oder Diolefinen erlittenen* wodurch Ho«nopolymer!eate oder Mischpolymerisate sehr hohen Molekulargewichtes entsprechend den bekannten Verfahren der Polymerisatlon in Masse oder der Polymerisation in Lösung erzeugt werden-

Bei den obengenannten Reaktionen sind gleichförmig· stetige Arbeitsbedingungen erforderlich, um gleichförmige physikalische und chemische Eigenschaften des Polymerisates in erhai-

Ee ist daher eine wirksame Durchmischung und die Entfernung dex' erzeugten Wärme notwendig .,

Es let bekannt« da 13 Polymerisate und andere viskose Flüssigkeiten dazu neigen, Verschmutzungen auf den Wärceaustauscherflachen zu bilden und so die Wärmeaustausclarkoef f izienten auf sehr niedrige Werte zu reduzieren*

Ea sind Verfahren und Vorrichtungen zum Austauschen von Wärme im Falle viskoser Lösungen und Abkratzen oder Abstreichen von Wärmeauetauscherflächen bekannt, mo daU sich hohe tfärmeauetauscherkoeffizienten dadurch ergeben, dal) die an den Wandungen haftende Schicht entfernt wird und kontinuierlich neues Fluid in Kontakt nit diesen gebracht wird.

Es sind Vorrichtungen, die den Wärmeaustauscher insbesondere in Fοi'm vertikaler, konzentrischer zylindrischer Kameiern bekannt, die den Nachteil haben, daß sie keine großen Wärmeaustauscherflachen aufweisen'·

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Erfiadungagemäü soll nun ein« forrtcUtuns ν ore« β chiefs«» werden„ die In der Lage ist, Polymerisationen oder allgemeiner geaalt chemische Reaktionen mit Reakt ions teilnehmers» hoher fiskositttt durchzuführen, wobei die Vorrichtung hohr MiachgeachwindielMifcan und hohe Wärmeauatauvcherwirkun^sgrad« otaa® die obengenannten Nachteile ermöglicht.,

Obwohl die Vorrichtung »ach der Erfindung brauchbar für chemische Reaktionen beliebiger Art ist, aoll hier nur Bezug auf Reaktionen der Polymerisation in LSssag eenoanen werden, wobei es sich um die Reaktionen, von den grüßten Interesse handelt *

D?-e Vorrichtung im ch der Erfindung zeichnet aich aue durch ein vertikales ssylindrischeo Q©fHü mit ein®« Mantel und horizontalen Wärneaustauaciierflachen» Ulm mlno Unterteilung dea Gefäßes in mehrere Zonen ermöglicht ₉ welche swclh«inand«r quer durch das Reaktionsgetnisch durehfloseeia wenden.

Di®, horizontalen Väraeauetauscherf lachen uad der Masitel werden suit tele rotierender Blenente mit Kratseiiiesaerii abgekratüt. die es dem in Kontakt ait dor Wandung etehes&den Fluid erntSeiiehen, entfernt oder auegewechselt xu werdeni auf dl··© Υ«»!«® Iwnn die Homogenisierung der HeaktionsIISeung In irgendeiner beliebigen H_eaktions«one durchgeführt werden.

Beispieisweis· AuaführungaforMea d«r Erfindung ·ο!1·η raum anhand der beiliegenden Za-lchnungeim nlher erläutert werden, in denen

Fig. 1 ein Längsschnitt durch «ine ®r»t· AusfUhrungefonii einer «rfindungsgsaiMilen Vorrichtung sseigt;

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Fig,. 2 ist ein Längsschnitt durch eine weitern Ausführung» form der Vorrichtimg nach der Erfindung:

die Fig 3 »is 5 Köigen einige Ausführungeforman von Kratzmessern; die Pfeile deuten die Bewegungsrichtung an»

Xn Fig. 1 ist mit 1 der Außenmantel bezeichnet, der Einrich-•U«vigen für die Zirkulation d-s.e. Väriaeauatauschermödiusa auf» v/eist; mit 2 sind die trennenden Um lenkbleche bezeichnet, welche Einri. iitungen für die Zirkulation der Wärmeauetausi her snedien aufweisen; 3 bezeichnet die von einem Motor k aus ange triebene Drehwelle -

Die Kratzeranordnungen 5 sind an der W^lie 3 befestigt; diese Kratzeranordnungen bestehen bei praktischen Verwirklichungeformen aus einer R₆ine von Messer tragenden Armen, von denen nur einer in den Fi^. dargestellt 1st.., wobei diese Kratzer« anordnungen mit Messern 6 versehen sind- Die trennenden Umlenkblech*} sind mit Öffnungen 7 versehen, die nicht auf der gleichen vertikalen Linie liegen, so daß sie eine längere Fluidetrömungsbahn innerhalb des Gefässes aufweisen»

Länge der Vertikalwelle wird an den Stellen, wo die W«lle 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 FluideinlaQ- und Auelaßöffnungen und mit 10 und 11 seitliche Einlaß- und Auelaßöffnungen der Vorrichtung be» zeichnet; die Bezugszeichen 12 und 13 stehen für öffnungen für das VÜrmeaustauscherfluid»

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Pig;» 2,- In. der die Bezugsaeicfaen denen nach Fig* 1 entsprechen, ,ieig-ύ eine andere Ausführungsfon» der Vorrichtung nach der Srfindungs diese Vorrichtung umfaßt viel© übereinander enge- :j^v'dnete gesonderte Sektoren, wo es mittels seitlicher Öffnungen ...·.«■ J.i\;ii wird; verschiedene y irmenivaaus in den verschiedenen dls Vorrichtung bildenden Sektoren au erseugen und asu halten-, .üiase verschiedenen Sektoren werden, fest zusamme!! mittels lind platt ein ih und Abstütsusigsgestängen 15 gehalten»

Die obengenannten Ausführuugsformen sind aar al» vereinfachte schema tische Darstellungen aasueeheüiti die. man logisch mit anderen detB Fachmann bekannten Elementen integriert! β« iet tatsächlich möglich, auf den Messerträgerarmen« die ia »MmtliCiieri Meaktionszonen angeordnet und an der rotierendan Meile befestigt aind* andere Elemente su lagern.; die das Mfeciieia und die Strömung der Reaktionaslösune in dar bovoi-augten.2i®ia-. tung erlei· Mtern; es iet auch mögliQhe ein© unterschiedliche ^..schgeschwindigkeit in den verschiedenett Ueaktioneeektoresi zu erhalten,

Fig. 3a zeigt eia Kratzmessar, daa »Uta Abltratsr-ea isssw» Afest reiche». der Oberseite der HorizontalJTl&chen des* Ualenkblecheprattchbar ist? dae Kratsseift wird durcb Druck begünstigt ₃ der durcn die Flüssigkeit eur die Messer und durch dae Gewicht der Kreis-* messer ausgeübt wird.-

FIg. 3b zeigt ein Kratzraeseer für die Unterseiten der treiweiii'-den Uitilenkbleche;

Das Kratzen wird durch eic Gegengewicht und durch den von der Flüssigkeit auf die Messer ausgeübten Druck begünstigt.

Öle Figo % und 5 zeigen andere Ausführungsformen von Kratnaessern, wo diese Kratzvirkune durch smwtamm einstische Systeee wi©

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Federn begünstigt wird, welcke diese Kratzwirkung sicherstellen.

Die mittels der Vorrichtung nach der Erfindung erhaltenen Vorteile sind sehr gut entweder vom chemischen oder technologischen Gesichtspunkt aus, insbesondere für den Fall von Polymerisat : -u.jreaktionen. Vom chemischen Standpunkt aus stehen diü mittels der Vorrichtung nach der Erfindung erhaltenen Vorteile, wenn die Erfindung bei einem chemischen Heaktor angewendet wii'd, in Verbindung mit der Realisierung von mehr als einer Reaktionsstufe in einer einzigen Vorrichtung.

Das zur Durchführung einer gegebenen Umsetzung notwendige Reaktionsvolumen wird beachtlich vermindert, wenn man den Einzelstufenreaktor mit einem gewissen Leistung«vermögen betrachtet.

Im Hinblick auf den einstufigen Heaktor wird der leistungsverbrauch beim Mischen beachtlich reduziert, da beim einstufigen Reaktor die Polymerisatkonzentration länge d·· Reaktors fast gleich der an der Auslaßöffnung ist und daher entspricht der Leiatungsverbrauch beim Mischen derjenigen entsprechend der höchsten Viskosität.

Beim Reaktor nach dar Erfindung iat diese höchste Viskosität nur in der letzten Reaktionseone vorhanden und nimmt in Sichtung entgegengesetzt zur Strömung der Reaktionamaaae ab·

Schließlich soll darauf hingewiesen werden, daß dar Leistunesverbrauch für das korrekte Nischen, von mehr als einer partiallen Zone kleiner als dar Leiβ tungaverbrauch ist, um sin einziges Volumen zu homogenisieren, welches aus dar fluss» Aar Volumina dar verschiedenen Zonen resultiert.

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Es ist sehr interessant su beobachten, daß dann, wenn die Vorrichtung nach der Erfindung als Polymerisatlonsreaktor verwendet wird, die Zone, in der eine größere Wärmemenge erzeugt wird, diejenige ist, in der die Polymerisationskonzentration niedriger ist, nämlich die, bei der geringere Leistung zur Mischung notwendig ist und wo der Wärmeaustausch wirksamer vor sich geht.

Die Polymorisationsreaktionen haben tatsächlich eine Reaktionsgeschwindigkeit proportional zur Monomerkonzentration und die Polymerisationslösungen haben Wärmeaustauscherkoeffizienten, die mit zunehmender Konzentration des Polymerisats abnehmen» iSin anderer vom chemiechen Standpunkt aus beachtlicher Vorteil ist die Tatsache, daß die besondere Anordnung der Eeaktionszonen, 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 Stopfanströmung (engl. plug flow) ist, derart, daß eine Sückwärtsvermischung verhindert wird»

Aufgrund des besonderen Betriebs der ¥orrichtung nach der Erfindung wird es möglich, durch Zuführung oder Entnahme an Zwischenpunkten über die Vorrichtung genaue Eingriffe an gut definierten Zwiechenpunkten des Gefäßes vorzunehmen, so 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 aehen» Hinter Wiederholung des Basiselementes kann die Vorrichtung entsprechend dem vorher mit Besrag 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 Reaktionavolumina 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 iü Anwendung als Wärmeaustauscher mit bekratzten Oberflächen, so LiOlI darauf hingewiesen werden, daß das gesamte ^oJ-uiaen ausg·. atzt wird, um die Wärmeaustauscherflachen unterzubringen und auf diese Weise, falls notwendig, ein hohes 7i;j-i,äitniß von Wärmeaustauscherflächen au Volumen zu erhalten. JH

JSin 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 Wärmea.atauscherflächen 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 Fig. 3a bis 5 beschrieben.

Insbesondere basiert das in den JPig. 3a und 3b gezeigte Schema auf der folgenden Betriebsweise.

Auch wenn die Welle unbeweglich ist, hält die Schwerkraft di· Kratzelemente in Kontakt. Wenn die Wall· «ich in Bewegung befindet, so läßt die durch das fluid ausgeübte Gegenkraft die Koöser besser an der Wandung haften. Da zur Ausnützung dieses

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Effektes, wenn die Beilegung beginnt, es notwendig wird, daß dar. gemischte I'luid einen Druck auf die Messer ausübt, liegt der Wert des Winkels C^ zwischen 0° und 90°·

Eine unterschiedliche Lösung ist in Fig. 4- wiedergegeben, wo die Hesser 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 tiharakteristikum des in Pig. 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 Hessern 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.

Die folgenden Beispiele erläutern die Erfindung, ohne sie zu begrenzen. Sie werden anhand der Isopren-Poljmerisationsreaktion 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 G-etialt an Polyisopren in der oben benannten, in den Reaktor eintretenden Lösung liegt bei 10 %.

Eine Isopren-Polymerisationsreaktion erfolgt innerhalb des Reaktors j so daß die Polyisoprenkonzentration in der austretenden Lösung um 15 % erhöht wird.

Hierbei liegt die Lösungsviskositat bei 800.000 cP, wenn der Ge3chwindigkeitsgraßLent 1 sec beträgt.

Menge an im Reaktor erzeugtem Polyisopren beträgt 12 kg/ Stunde una , da die Polymerisationswäi-iüe pro kg erzeugten Polyisoprens bei 250 kcal liegt, beträgt die während der Reaktion erzeugte Wärme 3.000 kcal/Stunde.

Die Lösungstemperatür wird auf 25°0 durch Wärmeaustausch mit V/ssßer von )7°C am Einlaß und einer Temperatur von 19°0 am Auslaß gehalten.

Hieraus ergibt sich ein Wärmeaustauscherkoeffizient zu 143 kcal/Stunde m ⁰O ohne Einbeziehung der während des Mischens erzeugten Wärme.

Patentansprüche t

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41 _m Leerseite

Claims (3)

PATEITTANSPRÜCHE

1. Vorrichtung für Wärmeaustausch und Mischung viskoser Flüssigkeiten, insbesondere polymerer Produkte, bestehend aus einem vertikal angeordneten, mit horizontalen als Wärmeaustauscher in unterschiedlicher Höhe ausgebildeten Unlenkflachen ausgestatteten Gefäß; mit einer drehbaren in der G-efäßlängsachse angeordneten Welle, gekennzeichnet durch mehrere einzelne zylindrische Sektoren zur Erzeugung verschiedener Wärmeniveaus, die aufeinander angeordnet und miteinander verbunden sind.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch Öffnungen in den Umlenkblechen am Umfang, die jedoch abwechselnd diametral entgegengesetzt angeordnet sind.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß für den Wärmeaustausch die durch die Umlenkbleche begrenzten Zonen mittels unterschiedlicher Viärmeaustauscherflüssigkeiten und/oder mit unterschiedlicher Temperatur beaufschlagbar sind.

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