DE2301636C2

DE2301636C2 - Horizontal angeordneter, rohrförmiger Kontaktapparat

Info

Publication number: DE2301636C2
Application number: DE2301636A
Authority: DE
Inventors: John H. Lindau; David H. Putney; Charles L. Shawnee Mission Kan. West
Original assignee: STRATFORD ENGINEERING CORP KANSAS-CITY MADISON MO US
Current assignee: STRATFORD ENGINEERING CORP KANSAS-CITY MADISON MO US
Priority date: 1972-03-15
Filing date: 1973-01-13
Publication date: 1984-09-27
Also published as: DE2301636A1; US3759318A; JPS523615B2; JPS492776A; CA972348A; IT963820B; GB1356512A

Description

Die Erfindung betrifft Kontaktoren, d. h. ununterbrochene Mischer, die eine interne Zirkulation mit einem Antrieb, einer Zirkulationsröhre und gegebenenfalls einem Röhrenbündel für indirekten Wärmeaustausch verwenden.

Die Grundidee eines Kontaktors ist es, die größtmögliche Zirkulation und Turbulenz in den internen Fluiden zu erhalten. Neu hinzukommende Fluide werden unmittelbar vor dem Antrieb oberstrommäßig innerhalb der Zirkulationsröhre ausgegeben. Diese Fluide ireffen das Auge des Antriebs und werden in die zirkulierende Reaktionsmischung abgegeben. Daher ist ein Kontakior ein hochvolumiges Gefäß mit einer hohen Geschwindigkeit der inneren Zirkulation.

Vom Standpunkt des Vcrfahens aus gesehen ist der Koniiaktor eine Einrichtung zur Durchführung von chemischen Reaktionen unter Bedingungen, die einen innigen Kontakt zwischen den Rcaktionsstoffcn liefern, sei es nun eine Phase oder seien es mehrere Phasen. Ein Mischzirkulationsantrieb liefert eine sehr hohe Schcrung und Turbulenz, um die Reaktionsstoffe in innigen Kontakt miteinander zu bringen, so daß die kc.iktion mit einer maximalen Geschwindigkeit ablaufen kann. Im allgemeinen umfassen die Anforderungen für eint· wirkungsvolle Reaktion

1. eine Temperatursteuerung mit gleichzeitiger Entfernung oder Zuführung von Reaktionshitze, Z innigen Kontakt zwischen den Reaktionsstoffen, und 3. Steuerung der Reaktionszeit

Wenn mehr als eine Phase betroffen ist, ergeben sich zusätzliche Anforderungen bezüglich der Phasendispersion und der Homogenität der Reaktionsmisc'iung.

ίο Durch geeignete Ausgestaltung eines Kontaktors können diese verschiedenen Anforderungen für die jeweils betroffene Reaktion optimal gestaltet werden.

Daher kann diese Art von Reaktor leicht mit Wärmeaustauscher-Einrichtungen versehen werden, um Reak- tienswärme zu- oder abzuführen und dabei im wesentlichen isolhermische Bedingungen innerhalb der gesamten Reaktionszone aufrechtzuerhalten. Eine hohe innere Zirkulation wird aufrechterhalten, so daß irgendwelche Wärme, die von der Reaktion erzeugt oder benötigt wird, von dem Austauscher kompensiert werden kann, und damit kann die Reaktion unter isothermen Bedingungen durchgeführt werden.

In mehreren US-Patentschriften, wie insbesondere in der US-PS 32 84 537 und der US-PS 28 00 307 sind hori zontal angeordnete, rohrförmige Kontaktapparate be schrieben, deren äußerer Mantel unter Bildung eines Ringraumes eine konürjitrische innere Zirkulationsröhre umschließt und der mit mindestens einer Zuleitung für die zu behandelnden Komponenten und mindestens einer Ableitung für die behandelten Produkte versehen ist und bei denen Zirkulationsröhre und Mantel mit gegenüber den übrigen Teilen relativ großen inneren Durchmesser und relativ großer Länge bestehen, während sich über ein kegelstumpfartiges Übergangsteil ein zylindrisches Endstück mit verringertem inneren Durchmesser mit einem Propeller-Organ anschließt.

Bei den horizontalen Kontaktoren, wie sie in den oben genannten Patenten beschrieben sind, werden im wesentlichen herkömmliche Aufbauten in handelsübli chcn Maßstäben verwendet. Es ist bei diesen Anordnun gen notwendig, die zirkulierenden Flüssigkeiten in dem Propeller nach oben zu heben, oder Fluide von dem unteren Teil der Wärmeaustauscher-Einheit oder des Röhrcnbündels (wenn die Zirkulation abwärts entlang dem Röhrcnbündel zu dem Propeller verläuft) oder sie müssen nach oben in den äußeren Ring gehoben werden (wenn die Zirkulation in dem Gefäß in anderer Richtung erfolgt).

Es ist offensichtlich, daß beim Betrieb von großen

Kontaktorreaktoren trotz der verhältnismäßig hohen Zirkulationsgeschwindigkeiten, die über dem Reaktor aufrechterhalten werden (typischerweise ungefähr 7 bis 8 m pro Sekunde durch den hydraulischen Kopf und I bis 2 m pro Sekunde in dem ringförmigen Raum zwi sehen der Schale und der Zirkulationsröhre und 2 bis 3 m pro Sekunde um die Röhren des Röhrenbündels), in gewissem Ausmaß eine Trennung der Elemente bei einer typischen Emulsion für ein Alkylierungsverfahren auftritt. (Die Emulsion enthält 1. schweflige Säure, 2.

bo Alkylat und 3. Isobutan.) Mit Zirkulationsraten in mäßig großen Einheiten bis zu ca. 200 m^J pro Minute ist es nicht praktisch, diese Rate weiter zu steigern, um die Geschwindigkeit zu erhöhen. Weiterhin gibt es Beweise dafür, daß die Geschwindigkeiten um den oberen Teil

b5 des Röhrcnbündels herum größer sind als im Bereich des unteren Teils des Röhrenbündcls.

Bei einem herkömmlichen horizontalen Kontaktor treten die Olefin-Zufiihrung, die Isobutan- und die Sau-

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re-Umlaufzuführungen in den Kontaktor unmittelbar vor dem Propeller durch geeignete Düsen. Nach Mischen in dem Propeller fließt die Emulsion danach durch den Ringraum außerhalb der Zirkulationsröhre und dann abwärts an den Kühlröhren vorbei, die am gegenüberliegenden Ende der Zirkulationsröhre von dem Propeller eingeführt werden. Die Abnahme der Mischung, die zu dem Säurcabsetzer läuft, kann durch einen Düsenabzug von dem oberen Ringraum otfer von dem Bodenringraum erfolgen. Proben, die von einer Düse an der Oberseite entnommen wurden, zeigen einen höheren Kohlenwasserstoffgehalt als Proben, die von einer Bodenseitendüse entnommen wurden. Weiterhin zeigt eine Untersuchung der einzelnen Röhren des Röhrenbündels und Erfahrungen mit Führungsrohr is ren, daß die größte Erosions-Korrision der Röhren in ihrem oberen Teil auftritt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die durch die Notwendigkeit des »Anhebcns> der umlaufenden Füllung in den Bereich des Propellerorgans auftretenden Schwierigkeiten zu beheben, die darin liefen können, daß die Geschwindigkeiten im oberen Teil des Zirkulationsrohres größer sind als im unteren Teil und sich an der schrägen Ebene des Übergangsteiles Stauungen und Wirbel ausbilden, die zu Inhomogenitäten der Füllung und Strömung und auch zu erhöhter Korrosion der Wärmeaustauscherröhre rühren können.

Der Kontaktapparat nach der vorliegenden Erfindung ist nun dadurch gekennzeichnet, daß die Längsachse des Endstückes gegen die Achse des ersten zylin- jo drischen Teiles nach unten versetzt ist und das Übergangsteil lediglich in seinem oberen Teil konisch ausgebildet ist, während die zum Übergangsteil gehörende Wandung der Zirkulationsröhrc mit der entsprechenden Wandung des ersten Teils und des Endabschnittes in y, der gleichen Ebene liegt. Dabei können die im Übergangsteil liegenden Wandungen der Abschnitte des äußeren Mantels und der Wandung der Zirkulationsröhrc parallel zueinander verlaufen oder es kann nach einer anderen Ausführungsform die im Übergangsteil liegende untere Wandung des äußeren Mantels mit der entsprechenden Wandung der Zirkulaiionsrönrc einen kleinen Winkel bilden, so daß sich der durch diese Wandung gebildete Ringraum nach dem ersten zylindrischen Teil hin erweitert.

Bei der verbesserten Konstruktion sind die Kegel sowohl der äußeren Schale als auch der Zirkulationsröhrc nach unten hin abgesetzt, so daß die Fluide, während sie zu dem Propeller innerhalb der Zirkulationsröhrc sich bewegen, einen geraden Weg zu der unteren Seite des Propellers nder des Abzugs direkt in diesen aufweisen. Daher ist es nicht notwendig, irgendwelche Zirkulationsemulsionen in den Antrieb oder Propeller anzuheben. Diese Beschreibung'trifft selbst dann zu, wenn eine umgekehrte Zirkulation auftritt, da weniger Anhebung in dem Ring nach oben zu dem Propeller auftritt. Dies führt zu einem Anstieg der Geschwindigkeit der Zirkulationsmischung, während sie von dem Rönrenbündel zu dem Antrieb in dem unteren Teil des Röhrcnbündels sich bewegt, was wiederum die Geschwindigkeit durch ω deren oberen Teil vermindert. Damit ist zu erkennen, daß die Geschwindigkeit der Zirkulation über die gesamte Einheit dazu neigt, sich anzugleichen.

Der Kontaktapparal gemäß der Erfindung wird unhand der F i g. 1 bis 8 im einzelnen erläutert. Es zeigt b'>

F i g. 1 eine Schnitte™ ?bi des Kontaktapparates;

Fig.2 eine Seitenschnittansicht der Vorrichtung der Fig.l;

F i g. 3 eine Ansicht entlang der Linie 3-3 der F i g. 2 in Richtung der Pfeile;

F i g. 4 eine Ansicht entlang der Linie 4-4 der F i g. 2 in Richtung der Pfeile;

F i g. 5 eine Schnittansicht einer Abwandlung des verbesserten Kontaktapparates:

F i g. b eine Seitenansicht des Apparates der F i g. 5;

F i g. 7 eine Ansicht entlang der Linie 7-7 der F i g. b in Richtung der Pfeile; und

F i g. 8 eine Ansicht entlang der Linie 8-8 der F i g. 6 in Richtung der Pfeile.

Mit Bezug auf die Figuren wird zunächst die Struktur des Kontaktors allgemein mit Bezug auf die Teile beschrieben, die allen horizontalen Kontaktor-Reaktoren dieser Klasse gemeinsam sind, und danach die besonderen Verbesserungen der vorliegenden Erfindung.

Der in den Figuren gezeigte horizontale Kontaktor-Reaktor umfaßt eine äußere Schale, die allgemein mit 10 bezeichnet üi, die an einem Ende mittels eines Rohrbleches 11 und am anderen Ende durch eii-an hydraulischen Pumpkopf 12 verschlossen ist. Innerhalt der äußeren Schale 10 ist eine Zirkulationsröhre 13 angeordnet, die an beiden Enden offen ist für eine freie Verbindung mit dem Raum innerhalb der äußeren Schale.

Ein P(;;Tipenpropeller 17 ist am offenen Ende der Zirkulationsröhre gegenüberliegend zu dem Ende, das das Röhrcnbündel 14 aufnimmt, angeordnet. Der Propeller oder Antrieb 17 ist auf einer Welle 18 montiert, die in einer Lagerung 19 im Pumpenkopf 12 rotiert und durch geeignete Packungen abgedichtet ist. Der Propeller 17 wird mittels geeigneter primärer Antriebsmittel 20 angetrieben, wie z. B. einem Antriebsmotor, einer Turbine oder Maschine, wie diagrammartig dargestellt.

Horizontale Düsen 21 und 22 sind als Zuführkomponenten für die Mischung in dem Kontaktor-Reaktor vorgesehen. Die Düsen 21 und 22 erstrecken sich beide durch die äußere Schale und durch die innere Zirkulalionsröhre, um so die Reaktionsmischkomponenten unmittelbar vor (typischerweise auf der Oberstromseite) des Propellers 17 anzugeben. Der Propeller 17 ist also so angeordnet, daß er von der Zirkulationsröhre 13 saugt und in den hydraulischen Kopf 12 abgibt. Innerhalb des letziercn wird der Fluß des Fluidums umgekehrt und in den Ringraum zwischen der äußeren «Schale und der Zirkulationsröhrc gerichtet. Düse 23 ist auf der äußeren Schale vorgesehen, um die Komponenten der beendeten Mischung abzuziehen. Eine getrennte Abzugsdüse 24 ist an der unteren Seite der äußeren Schale vorgesehen, um dazu zu dienen, die Schale oder die Maschine zu entleeren.

Der Grundpegel ist mit 27 bezeichnet, geeignete Stützteile für die Schale iO sind bei 28 und 29 vorgesehen (l· ig. 2). Ausrichtflügel zur Steuerung der Richtung des Fluidumflusses können mit der Zirkulationsröhre vorgesehen werden, wie bei 30 um die Eingangsdüsen 21 und 22 und 31 angrenzend zum Propeller. Die Ausrichtflügel können zusätzlich innerhalb des Ringraumes zwischen der Schale u::d der Zirkulationsröhre in dem Hydraulikkopf vorgesehen sein, wie bei 32, oder in dem Ringteil mit gleichförmigem Durchmesser, wie danach bei 33, in dem exzentrischen Kegeltei! (noch zu beschreiben), wie bei 34, und in dem zylindrischen Ringteil darauffolgend, wie bei 35.

Bei dieser Gcrätt.6auart nimmt der Propeller die durch die Düsen eingeführten Komponenten auf und veranlagt sie, als Mischung durch den Ringraum zwischen der äußeren Schale und der Zirkulationsröhre zu zirkulieren. An dem Röhrenblechende des Gefäßes wird

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der Bewegungsweg des fließenden Stromes umgekehrt und die Mischung veranlaßt, durch das Innere der Zirkulationsröhre hindurchzulaufen, wobei sie gegebenenfalls gleichzeitig mit Wärmcaustauscherclcmenien in Berührung gebracht wird.

An den Düsen 21 und 22 sind geeignete Verbindungen sowie Ventile vorgesehen, um die Menge der in das Gefäß eingeführten Zuführelementc zu steuern. Geeignete Versorgungsquellen sind ebenfalls vorgesehen, sowie geeignete Röhrenverbindungen dazu.

Jede der äußeren Schalen 10 in der Zirkulationsröhrc 13 weist auf drei Teile. Zuerst gibt es den Teil mit größcrem innerem Durchmesser. 10a bzw. 13a. Diese Teile sind zylindrisch und kreisförmig im Querschnitt und umfassen den größeren Teil des Volumens des gesamten Gefäßes. Ein zweiter Teil der äußeren Schale 10 und der Zirkulationsröhrc 13 ist mit 1Ol- bzw. 13c bezeichnet. Dies sind konzentrische Teile, die einen relativ geringeren inneren Durchmesser aufweisen und ebenfalls zylindrisch und kreisförmig im Querschnitt sind.

Die zuletzt beschriebenen Teile der Zirkulationsröhre 13, nämlich 13a und 13c, besitzen voneinander einen Abstand und sind miteinander durch einen exzentrischen kegelstumpfartigcn Teil 136 verbunden. Das gleiche gilt für die Teile 10a und 106 der äußeren Schale, sie besitzen nämlich auch voneinander einen Abstand und sind miteinander mittels eines versetzten kegelstumpfartigen Abschnitts 106 dazwischen verbunden. Die exzentrischen kegelstumpfartigcn Teile 106 und 136 der äußeren Schale bzw. der Zirkulationsröhre sind zueinander konzentrisch. (Ansonsten sind dies Stümpfe von exzentrischen Kegeln.)

Das Resultat der obigen Struktur bei dem gezeigten horizontalen Kontaktgefäß ist das. daß der Ring zwischen der Zirkulationsröhrc und der Schale in den unteren oder Seitenteilen einen geraden Lauf über die gcSaFmc i^ügc uüf oCnäic Unu der LiFKÜtütiunsrünFc aufweist. Andererseits wickelt sich der Ring zwischen der Schale und der Zirkulationsröhrc in dem oberen oder darübcrliegcndcn Teil nach oben ab, während er sich zu einem größeren inneren Durchmesser in der Passage von dem Teil mit geringerem Durchmesser der Schale und der Zirkulationsröhre (lOc und 13c) zu den Teilen mit dem größeren Durchmesser (13a und 10a) erweitert.

Ansonsten sind die unteren Teile der Zirkulationsröhre und der äußeren Schale in der gesamten Lauflänge im wesentlichen geradlinig und zylindrisch, wobei der Ring zwischen ihnen im wesentlichen eine gleichförmige Querschnittsfläche mit einem geradlinigen Durchfluß aufweist. Andererseits winkeln sich die Oberkopf oder oberen Teile der Zirkulationsröhre und der äußeren Schale in den Teilen 136 bzw. 106 nach außen und oben ab und erweitern sich von einem geringeren inneren Durchmesser zu einem größeren inneren Durchmesser, wobei sie von dem den Propeller enthaltenden Teil der Zirkulationsröhre und Schale (10c und 13c) zu ihren Teilen mit größerem innerem Durchmesser (10a und 13a) laufen.

Allgemein gesagt ist die Richtung der in dem gezeigten horizontalen Kontaktgefäß der Mischung dem Wärmeaustausch unterworfenen Fluide vorzugsweise durch die Pfeile innerhalb der Zirkulationsröhre und dem außerhalb liegenden Ring gezeigt. Dies bedeutet, daß die Fluide an der Innenseite der Zirkulationsröhrc in das Auge des Propellers 17 hinein nach unten fließen. Daher ist es vorzuziehen, Eingangs-Zuführungslcitungen 2t und 22 für das Fluid so vorzusehen, daß sie in das Auge des Propellers genau an oder unmittelbar vor dem Mischpunkt oder Zone von geringcrem Durchmesser innerhalb des Zirkulutions-Röhrcnteils 136 sich ergießen. Dies führt zu einer optimalen Kontaktierung und Mischung der Fluide oder Flüssigkeit, die in die zirkulierenden Inhalte des Reaktionsgefäßes eingegeben werden.

Fs ist zu bemerken, daß alle die in F i g. 1— 4 benutzten Bezugszeichen genau wieder angewendet werden bei den gleichen Strukturen der F i g. 5— 8, aber mit einem Strich versehen. Zwischen den Ausführungsformen in Fig. I bis 4 bzw. 5 bis 8 gibt es keine deutlichen Konstruktionsuntcrschicdc, mit der Ausnahme, daß bei der Ausführungsform nach I-ig. 5— 8 im vertikalen Schnitt die Unterseite 106'der äußeren Schale 10 etwas nach unten geneigt ist, laufend von der rechten Seite der Figur zur linken Seite, wenn man sich weg von dem Propeller 17' bewegt. Das heißt, beim Vergleich der Kopsiruktion der Fig.b mit dem der Fig.2. daß in Fig. 2 die Bodenwand der äußeren Schale 10 perfekt flach, gerade oder horizontal ist.

Dies ist nicht der Fall in Fig.6. Andererseits sollte bemerkt werden, daß die Unterseite der Zirkulationsröhrc 13. wie auch die der Röhre 13', in beiden Fällen gerade oder horizontal sind, jedoch ist bei dem abwärts geneigten unteren Teil der Schale 10' zu bemerken, daß diese Abwinkclung oder Neigung in der Zone 106'wesentlich geringer ist in der unteren Zone des Gefäßes als in der oberen Zone des Gefäßes. Der Grund dafür liegt

jo darin, die Phase der Trennung in dem Ring 35' zu minimieren.

In allen Fällen ist die Ausführungsform der F i g. 1 bis 4 vorzuziehen, während die Ausführungsform der F i g. 5 bis 8 weniger günstig im Betrieb und zur Errei-

n chung der Ziele der Erfindung ist. Jedoch können in den meisten Fällen die Hauptziele der Erfindung, wie vorhergehend beschrieben, in einem Gefäß gemäß <ict F i g. 5 bis 8 erreicht werden.
Der erfindungsgemäße Kontaktapparat kann in an

4« sich bekannter Weise zur Verminderung von Temperaturschwankungen der zu behandelnden Fluide oder Fluidgcmischc im ersten Teil der Zirkulationsröhre mit Wärmcausiauscheinrichtungcn ausgestattet sein. Zu diesem Zwecke sind Heiz- oder Kühlelemente 14 in der Form von U-Biegungen, hergestellt aus Rohrmaterial, an dem Rohrblcch 11 angewalzt oder auf andere Weise befestigt. Diese Elemente erstrecken sich durch das offene Ende der Zirkulationsröhre 13 nach links (Fig. 1 und 2) und nehmen einen bedeutsamen Teil des von der Zirkulalionsröhre umschlossenen Raumes ein. Ein r*.5hrcnbündcl einer anderen Form, siehe z. B. US-Patent Nr. 28 00.307. kann als eine Alternative verwendet werden.

Ein typischer Wärmeaustauscherkanal oder Abdekkung 15, ausgerüstet mit einer zentralen Teilung oder Blech 16. ist zur Verteilung des Heiz- oder Kühlmediums für die Röhren des Röhrenbündels 14 vorgesehen, das bei 25 und 26 zu- bzw. abgeführt wird.

Andere Formen eines Wärmeaustauschergerätes können verwendet werden, ohne das allgemeine Konzept zu verlassen. Zum Beispiel können Hitzeaustauschclcmcnte in dem Ringraum zwischen der Zirkulationsröhre und der äußeren Schale des Austauschers installiert werden. Die Hitzcaustauschclemcnte können in der Form von Röhrenspulen vorliegen, wodurch das Röh-

bs rcnbicch und Kanaikonstruklion beseitigt werden. Die äußere Schale kann zur Zirkulation von Heiz- oder Kühlmedium /.wischen dem Mantel und der äußeren Schale ummantelt werden, um die gezeigten Röhren

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oder Wendelelemente zu ergänzen oder zu ersetzen. Die Zirkulationsröhre kann in gleicher Weise ummantelt sein, um eine Doppelwandkonstruktion zur Zirkulation von Wärmetransportfluidum dazwischen zu geben, wodurch ein Wärmeaustauschmedium innerhalb des Körpers des Zirkuluiionsstromcs geschaffen wird.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

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Claims

23 Ol 636 Patentansprüche:

1. Horizontal angeordneter, rohrförmigcr Kontaktapparat, dessen äußerer Mantel (10) unter Bildung eines Ringraumes eine konzentrische innere Zirkulationsröhre (13) umschließt und der mit mindestens einer Zuleitung (21; 22) für die zu behandelnden Komponenten und mindestens einer Ableitung (23; 24) für die behandelten Produkte versehen ist und bei dem Zirkulationsröhre und Mantel aus einem ersten zylindrischen Teil (10a; 13a) mit gegenüber den übrigen Teilen relativ großem inneren Durchmesser und relativ großer Länge bestehen, während sich über ein kegelstumpfartiges Obergangsteil ein zylindrisches Endstück mit verringertem inneren Durchmesser (12) mit einem Propeller-Organ (17) anschließt, dadurch gekennzeichnet, daß die Längsachse des Endstückes gegen die Achse des ersten zylindrischen Teils nach unten versetzt ist und das Übergängen (iQbi 13i>) lediglich in seinem oberen Teil konisch ausgebildet ist, während die zum Obergangsteil gehörende Wandung, der Zirkulationsröhre (136) mit der entsprechenden Wandung des ersten Teiles (13a) und des Endabschnittes (13c) in der gleichen Ebene liegt.

2. Kontaktapparat nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die im Übergangsteil liegenden Wandungen der Abschnitte des äußeren Mantels (lOd) und der Wandung der Zirkulationsröhre (13d) parallel zueinander verlaufen.

3. Kontaktapparat nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die im Übergangsteil liegende untere Wandung des äußeren Mantels (1Od^ mit der entsprechenden Wandung der Zirkulationsröhrc (i3d') einen kleinen Winkel bildet und sich der durch diese Wandung gebildete Ringraum nach dem des ersten zylindrischen Teils hin erweitert.