DE3873694T2

DE3873694T2 - Waermeaustauschvorrichtung.

Info

Publication number: DE3873694T2
Application number: DE8888119132T
Authority: DE
Inventors: Cecil Calvin Gentry
Original assignee: Phillips Petroleum Co
Current assignee: Phillips Petroleum Co
Priority date: 1987-11-17
Filing date: 1988-11-17
Publication date: 1992-12-24
Anticipated expiration: 2008-11-18
Also published as: NO885099L; AU603016B2; AU2511988A; HUT52234A; SK280797B6; JP2975024B2; CZ747688A3; HU210593B; CZ286001B6; GR3005917T3; CA1285268C; US4882283A; JPH01193590A; DD283678A5; NO175993C; DE3873694D1; NO885099D0; RU2011944C1; ATE79462T1; EP0316910A1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Wärmeaustauschvorrichtung und die Verwendung der Vorrichtung in einem Fermentationsverfahren gemäß Oberbegriff der Ansprüche 1 und 7. Eine derartig Vorrichtung und ihre Verwendung sind aus EP-A-0 232 850 bekannt.
In vielen Verfahren, die sich eines gerührten Gefäßes bedienen, wird Wärme aus dem Gefäßfluid auf ein sekundäres Fluid, das durch senkrechte, eine Prallwirkung auf das Gefäßfluid ausübende Rohre fließt. Diese senkrechten rohrförmigen Wende-Prallvorricbtungen (pipe coil baffles) dienen sowohl als eine Mischwirkung hervorrufende Prallvorrichtungen, die die Bildung eines Wirbels um ein zum Rühren des Gefäßfluids verwendetes rotierendes Rührwerk verhindern als auch zur Bereitstellung einer Wärmeübertragungsfläche. Es gibt zahlreiche Verfahrensanwendungen für senkrechte rohrförmige Wendel-Prallvorrichtungen.
Ein Hauptnachteil von senkrechten rohrförmigen Wendel-Prallvorrichtungen besteht darin, daß keine Maßnahmen zur Berücksichtigung der Wärmeausdehnung vorgesehen sind, um eine Eignung für Anwendungszwecke mit größeren Temperaturunterschieden zwischen dem Fluid in der Rohrwendel und dem Fluid im Mischgefäß zu erreichen. Wärmeausdehnung und Kontraktion stellen bei Verwendung von langen Rohren, insbesondere wenn sie in einem einzigen Durchgangsrohrbündel angeordnet sind, ein erhebliches Problem dar. In derartigen Rohrbündeln sind die Einlaß- und Auslaß-Verteilerköpfe gegenüber einer Spannungsrißbildung empfindlich. In U-Rohrbündeln sind die Wärmeausdehnungsspannungen geringer, jedoch ist die Bauweise nicht sehr kompakt, was die für ein Rohrbündel von festgelegten äußeren Abmessungen verfügbare Wärmeübertragungsfläche begrenzt. "U"- Rohrbündel besitzen auch einen relativ geringen Wärmeaustauschkoeffizienten und erfordern eine komplexe, verzweigte Anordnung.
Es besteht ein dringendes Bedürfnis nach einem Rohrbündel, mit dem sich Schwierigkeiten mit der Wärmeausdehnung, insbesondere bei gerührten Mischgefäßen, vermeiden lassen. EP-A-0 232 350 beschreibt eine Fermentationsvorrichtung mit einem Fermentergefäß und einer Mehrzahl von darin angeordneten parallelen Rohren für den Wärmeaustausch, wobei das erste Ende und das zweite Ende der parallelen Rohre mit einer Einlaß-Verteilerkopfeinrichtung bzw. einer Auslaß- Verteilerkopfeinrichtung verbunden sind. Die parallelen Rohre sind in einer Mehrzahl von Prallvorrichtungen angeordnet, wobei die einzelnen Prallvorrichtungen in einem Winkel in Bezug zu einer radialen Projektion von der Längsachse des Fermentationsgefäßes angeordnet sind und wobei der Winkel im Bereich von 5º bis 30º liegt. Bei derartigen Anordnungen sind die Einlaß- und Auslaß-Verteilerköpfe gegenüber einer durch eine Wärmeausdehnung hervorgerufenen Spannungsrißbildung empfindlich.
GB-A-422 571 beschreibt einen vielrohrigen Wärmeaustauscher, der einen senkrechten Verteilerkopf umfaßt, der durch eine senkrechte Trennwand in ein vorderes Abteil und ein rückwärtiges Abteil für den Einlaß und Auslaß einer Reihe von Mehrfachrohren, die sich von den jeweiligen Verteilerköpfen nach außen in waagrechter Richtung erstrecken, aufgeteilt ist. Die einzelnen Mehrfachrohre umfassen ein äußeres Rohr von relativ großem Durchmesser und ein inneres konzentrisches Rohr von relativ geringem Durchmesser. Das äußere Rohr ist an seinem äußeren Ende verschlossen und steht an seinem inneren Ende mit dem vorderen Abteil in Verbindung. Das innere Rohr ist an beiden Enden offen und steht mit dem rückwärtigen Abteil in Verbindung. Die Einlaß- und Auslaßverbindungen mit dem Verteilerkopf befinden sich nebeneinander an einem Ende des Verteilerkopfes, wodurch eine Position an der waagrechten Teilvorrichtung geschaffen wird, an der höhere thermische Spannungen auftreten können.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Wärmeaustauschvorrichtung bereitzustellen, in der aufgrund einer thermischen Expansion oder Kontraktion in Bestandteilen der Vorrichtung auftretende Materialspannungen verringert sind.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, eine Wärmeaustauschvorrichtung bereitzustellen, deren Wärmeaustauschelemente einen hohen Austauschwirkungsgrad gewährleisten.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Wärmeaustauschvorrichtung bereitzustellen, die sich gut zur Anwendung in einem Fermentationsverfahren eignet.
Erfindungsgemäß wird eine Vorrichtung für den Wärmeaustausch gemäß der Definition im Anspruch 1 bereitgestellt. Ferner wird erfindungsgemäß die Verwendung der Wärmeaustauschvorrichtung in einem Fermentationsverfahren gemäß der Definition in den Ansprüchen bereitgestellt. Die Vorrichtung umfaßt ein Gefäß, das eine Flüssigkeit aufnehmen kann. Im Gefäß ist ein Rohr befestigt. Eine Trennwand ist im Rohrinneren befestigt und teilt das Rohrinnere in eine erste Kammer und eine zweite Kammer. Ein erstes röhrenförmiges Element ist mit seinem ersten Ende an der Seitenwand des Rohres befestigt. Ein zweites Ende des röhrenförmigen Elements ist mit einem Verschluß versehen. Ein zweites röhrenförmiges Element befindet sich im Inneren des ersten röhrenförmigen Elements. Ein erstes Ende des zweiten röhrenförmigen Elements ist an einer Öffnung der Trennwand befestigt, und ein zweites Ende des zweiten röhrenförmigen Elements ist im Abstand vom Verschluß am ersten röhrenförmigen Element angeordnet. Dadurch wird ein Fließweg von der ersten Kammer, durch das zweite röhrenförmige Element, durch einen Ringraum zwischen dem zweiten röhrenförmigen Element und dem ersten röhrenförmigen Element und in die zweite Kammer gebildet. Eine Fluideinlaßeinrichtung erstreckt sich durch die Seitenwand des Gefäßes und ist mit der ersten Kammer verbunden. Eine Fluidauslaßeinrichtung erstreckt sich zur Seitenwand des Gefäßes und ist mit der zweiten Kammer verbunden. Die Anordnung ist kompakt, einfach und durch einen hohen Wärmeübertragungskoeffizienten charakterisiert. Ferner arbeitet sie frei von thermisch induzierten Spannungen.
Ferner ist erfindungsgemäß die Verwendung der Wärmeaustauschvorrichtung in einem Fermentationsverfahren gemäß der Definition in den Ansprüchen vorgesehen.
Das Wärmeaustauschfluid wird durch eine Einlaßeinrichtung, die sich durch die Gefäßwand erstreckt, in ein Gefäß eingeführt. Das Wärmeaustauschfluid wird von der Einlaßeinrichtung auf eine Mehrzahl von ersten Wärmeaustauschrohren, die jeweils ein erstes Ende und ein zweites Ende aufweisen und über das erste Ende mit der Einlaßeinrichtung verbunden sind, verteilt. Das Wärmeaustauschfluid fließt vom ersten Ende der Mehrzahl von ersten Wärmeaustauschrohren zum zweiten Ende der Mehrzahl von ersten Wärmeaustauschrohren. Am zweiten Ende der Mehrzahl von ersten Wärmeaustauschrohren fließt das Wärmeaustauschfluid in das erste Ende einer Mehrzahl von zweiten Wärmeaustauschrohren, die jeweils konzentrisch um ein erstes Wärmeaustauschrohr angeordnet sind. Sodann fließt das Wärmeaustauschfluid vom ersten Ende der Mehrzahl der zweiten Wärmeaustauschrohre entlang einer Mehrzahl von zwischen den ersten Wärmeaustauschrohren und den zweiten Wärmeaustauschrohren definierten Ringräumen zu einem zweiten Ende der zweiten Wärmeaustauschrohre, wobei an dieser Stelle das Wärmeaustauschfluid aus den zweiten Wärmeaustauschrohren entleert wird und in einer Auslaßeinrichtung, die sich durch die Gefäßwand erstreckt, zur Entnahme aus dem Gefäß gesammelt wird.
Die Erfindung wird unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert:
Fig. 1 ist ein partieller Querschnitt eines erfindungsgemäßen Rohrbündels.
Fig. 2 ist eine schematische Teildarstellung der Vorrichtung von Fig. 1 bei Betrachtung entlang der angegebenen Linien.
Fig. 3 ist eine schematische Teildarstellung der Vorrichtung von Fig. 1 bei Betrachtung entlang der angegebenen Linien.
Fig. 4 ist ein Querschnitt eines Teils der Vorrichtung bei Betrachtung entlang der in Fig. 1 angegebenen Linien.
Fig. 5 ist eine bildliche Darstellung eines Teils der Vorrichtung von Fig. 1.
Fig. 6 ist eine bildliche Darstellung eines Teils der in Fig. 4 gezeigten Vorrichtung.
Fig. 7 ist ein Querschnitt eines Teils der in Fig. 1 gezeigten Vorrichtung bei Betrachtung entlang der angegebenen Linien.
Fig. 8 ist ein teilweise schematischer Querschnitt.
Fig. 9 ist ein Querschnitt der in Fig. 8 gezeigten Vorrichtung in der Ebene der angegebenen Linien.
Unter Bezugnahme auf Fig. 4 umfaßt die Erfindung eine Mehrzahl von Bajonettrohren 2 und Hüllen 4, die zusammen eine allgemein mit dem Bezugszeichen 1 bezeichnete Bajonettrohranordnung bilden. Das Bajonettrohr 2 öffnet sich in eine Einlaßkammer 6 eines Spaltrohrverteilers 8. Die Hülse 4 öffnet sich in eine Auslaßkammer 10 des Spaltrohrverteilers 8. Fluid tritt in die Einlaßverteilerkammer 6 ein und wird im Inneren des Bajonettrohrs 2 verteilt. Die Bajonettrohre 2 sind innerhalb der Hüllrohre 4 mit größerem Durchmesser installiert. Das eintretende Fluid gelangt nach oben durch das Bajonettrohr 2, kehrt seine Fließrichtung in einer angeschweißten Kappe 12 am Ende des Hüllrohres 4 um und fließt nach unten in den Ringraum 28 zwischen den Bajonettrohren 2 und den Hüllrohren 4. Eine etwaige thermische Expansion zwischen dem Hüllrohr 2 und dem Bajonettrohr 4 findet im Bereich der angeschweißten Kappe statt, wobei keine thermischen Spannungen erzeugt werden.
Das Bajonettrohr 2 und die Hülle 4 können in beliebiger gewünschter Richtung angeordnet sein. Vorzugsweise sind das Bajonettrohr und die Hülle senkrecht nach oben oder senkrecht nach unten und insbesondere senkrecht nach oben angeordnet, wohin zweiphasiges Fluid zu transportieren ist. Der Spaltrohrverteiler 8 kann als ein Rohr mit einer darin befestigten Trennwand 14 charakterisiert werden. Vorzugsweise ist die Trennwand 14 diametral zum Rohr befestigt und teilt das Rohr in eine erste Kammer, die als Einlaßkammer 6 dient, und eine zweite Kammer, die als Auslaßkammer 10 dient. Das Hüllrohr 4 kann als ein erstes röhrenförmiges Element mit einem ersten Ende 16, das am Rohr befestigt ist, und einem zweiten Ende 18, das an einem Verschluß, wie der Schweißkappe 12, befestigt ist, beschrieben werden. Das Bajonettrohr 2 kann durch ein zweites röhrenförmiges Element gebildet werden, das ein erstes, an der Trennwand 14 befestigtes Ende 20 und ein zweites Ende 22 aufweist, das sich im Abstand vom Endverschluß des ersten röhrenförmigen Elements befindet. Das erste Ende des zweiten röhrenförmigen Elements ist in einer Öffnung 24 in der Trennwandplatte 14 so befestigt, daß sich ein Fließweg von der ersten Kammer 6 durch das Innere 26 des zweiten röhrenförmigen Elements und sodann durch einen zwischen der Außenseite des zweiten röhrenförmigen Elements und der Innenseite des ersten röhrenförmigen Elements definierten Ringraum 28 und schließlich in die zweite Kammer 10 bildet.
Unter Bezugnahme auf Fig. 1 erstreckt sich eine Fluideinlaßeinrichtung 30 durch eine Seitenwand 32 eines Gefäßes 34 und ist mit der ersten Kammer verbunden. Eine Flüssigkeitsauslaßeinrichtung 36 erstreckt sich durch die Seitenwand 32 des Gefäßes 34 und ist mit der zweiten Kammer verbunden.
Erfindungsgemäß ist das Gefäß 34 dazu in der Lage, ein Fluid, im allgemeinen eine Flüssigkeit oder ein Flüssigkeits-Dampf-Gemisch aufzunehmen, und kann beispielsweise ähnlich wie das in Fig. 8 gezeigte Gefäß gebaut sein. Ein Teil der Seitenwand 32 bildet eine im allgemeinen zylindrisch geformte Innenfläche 38 des Gefäßes 34. Die im allgemeinen zylindrische Innenfläche 38 ist symmetrisch um eine Längsachse 138 des Gefäßes 34 angeordnet (vgl. Fig. 8). Die allgemeinen Abmessungen des Gefäßes 34 werden üblicherweise so gewählt, daß das Verhältnis von Länge zu Durchmesser im allgemeinen im Bereich von 0,1:1 bis zu 10:1 liegt. Wird das Gefäß für ein nachstehend beschriebenes Fermentationsverfahren verwendet, so liegt das Verhältnis von Länge zu Durchmesser vorzugsweise im Bereich von etwa 0,3 bis zu etwa 5:1, wobei das Verhältnis von Länge zu Durchmesser insbesondere in den Bereich von etwa 1 bis zu etwa 4:1 fällt.
Die Fluideinlaßeinrichtung 30 umfaßt ein Einspeisrohr 40, das sich durch die Seitenwand 32 des Gefäßes 34 erstreckt. Das Einspeisrohr 40 ist vorzugsweise mit einem gekrümmten Zufuhrrohr 42 verbunden. Das Zufuhrrohr 42 erstreckt sich im allgemeinen in Umfangsrichtung um die innere Seitenwand des Gefäßes 34 und ist im Abstand davon angeordnet. Das Zufuhrrohr 42 ist vorzugsweise mit der ersten Kammer 6 durch ein Steigeinspeisrohr 44 verbunden. In einem Fermenter wird üblicherweise eine Mehrzahl von Spaltrohrverteilern verwendet, so daß eine Mehrzahl von Steigeinspeisrohren die einzelnen Zufuhrrohre 42 mit der Mehrzahl von
Spaltrohrverteilern 8 verbindet. Die Steigeinspeisleitungen 44 sind mit einem inneren Endbereich der Spaltrohrverteilerköpfe 8 verbunden.
Die Fluidauslaßeinrichtung 36 umfaßt ein erstes Ausströmrohr 11, das sich durch die Seitenwand 32 des Gefäßes 34 erstreckt; vgl. Fig. 1. Das Ausströmrohr 11 ist mit einem gekrümmten Sammelrohr 7 verbunden, das sich im allgemeinen in Umfangsrichtung um die Innenseite des Gefäßes 34 in einem Abstand von der Seitenwand 32 erstreckt, wobei es vorzugsweise zwischen einer oder mehreren Bajonettrohranordnungen 1 und dem im allgemeinen zylindrisch geformten Bereich 33 der Seitenwand 32 angeordnet ist. Ein Steigausströmrohr 46 verbindet die Auslaßkammer 10 des Spaltrohrverteilers 8 mit dem gekrümmten Sammelrohr 7. In einem Fermenter sind im allgemeinen zahlreiche Spaltrohrverteiler vorhanden, und somit wird eine gleiche Anzahl an Steigrohren 46 eingesetzt.
Das Wärmeaustauschfluid ist ein Kühlmittel, vorzugsweise Ammoniak. Unter Bezugnahme auf Fig. 8 ist ein Gaskompressor 202 zur Entnahme von Fluid aus dem Fluidauslaß 11 angeordnet. Ein Kühler 204 ist zur Kühlung eines aus dem Gaskompressor 202 abgegebenen Stroms angeordnet. Eine Leitungseinrichtung 206 verbindet den Gaskompressor 202 mit dem Kühler 204. Eine Leitungseinrichtung 208 verbindet den Kühler 204 mit der Fluideinlaßeinrichtung 40. Vorzugsweise umfaßt die Leitungseinrichtung 208 eine Pumpe 210 zur Bereitstellung eines Flüssigkeitsstroms von einem Auslaß des Kühlers 204 zu den Bajonettrohranordnungen 1. Eine Leitungseinrichtung 212 verbindet vorzugsweise die Fluidauslaßeinrichtung 11 mit dem Kompressor 202.
Erfindungsgemäß wird eine Mehrzahl von Spaltrohrverteilern 8 im Gefäß 34 in einer im allgemeinen radialen Orientierung in Bezug zur Längsachse des Gefäßes 34 befestigt. Vorzugsweise sind die Spaltrohrverteiler 8 in Sätzen von etwa 3 bis etwa 12 die Bündel 52 bildenden Bestandteilen gruppiert und an Sehnen, die das Gefäß in der Nähe eines Gefäßdurchmessers durchlaufen, ausgerichtet. Die Rohranordnungen 1 erstrecken sich von einer Mehrzahl von Spaltrohrverteilern 8 als ein Bündel von im allgemeinen parallelen Rohren, die vorzugsweise im allgemeinen parallel zu der Längsachse des Gefäßes orientiert sind. Die Spaltrohrverteiler 8 sind vorzugsweise in einem unteren Bereich des Gefäßes angeordnet, und die Rohranordnungen 1 erstrecken sich von dort aus nach oben. Die Rohranordnungen 1 in benachbarten Rohrreihen sind so versetzt, daß die Rohre im Rohrbündel in einer Dreiecksanordnung verlegt sind; vgl. Fig. 2 und 3. Die einzelnen Rohranordnungen 1 werden durch die Stäbe eines Paares von Stabpralleinrichtungen (rod baffles), die aus einer ersten Stabpralleinrichtung 48 und einer zweiten Stabpralleinrichtung 50 gebildet sind, getragen. Vorzugsweise enthalten die einzelnen Stabpralleinrichtungen 48 und 50 eine ausreichende Menge an Stäben, so daß die einzelnen Rohranordnungen 1 im Rohrbündel 52 an beiden Seiten durch jeweils 2 Stabpralleinrichtungen 48 oder 50 getragen werden, und das Paar von Stabpralleinrichtungen 48 und 50 zusammen sämtliche vier Seiten einer einzelnen Rohranordnung 1 trägt, wodurch für jedes Rohr 1 des Bündels 52 eine radiale Stütze bereitgestellt wird. Gegebenenfalls können die Stäbe der einzelnen Stabpralleinrichtungen zwischen abwechselnden Rohrreihen, wie es beispielsweise in Fig. 9 gezeigt ist, angeordnet sein, wobei dann vier Stabpralleinrichtungen erforderlich sind, um jedes einzelne Rohrbündel mit einer radialen Stütze zu versorgen. Diese Ausführungsform verursacht einen geringeren Druckabfall für in Längsrichtung strömende Fluide. Es ist wichtig, daß die Stäbe 54 der Stabpralleinrichtungen 48 und 50 so bemessen sind, daß sie die Rohre auf jeder Seite des Streifens, durch die hindurch die Stäbe angeordnet sind, berühren und stützen. Die erforderliche Querschnittabmessung der Stäbe hängt von der Querschnittabmessung der Streifen ab, durch die hindurch die Stäbe angeordnet sind. Die Stäbe können beliebige gewünschte Querschnittsformen aufweisen, beispielsweise rund, elliptisch, quadratisch oder rechteckig. Vorzugsweise sind die Stäbe jedoch rund, um einen Punktkontakt zwischen dem Stab und dem Rohr zu gewährleisten. Ein Punktkontakt zwischen dem Rohr und dem Stab erleichtert die Reinigung des Rohrbündels, was dann einen wichtigen Gesichtspunkt darstellt, wenn das Bündel zur Kühlung eines Fermentationsverfahrens gemäß der nachstehenden Beschreibung verwendet wird.
Die Stabpralleinrichtungen sind so konstruiert, däß Rohrkollisionen und Beschädigungen des Rohrbündels beim Einsatz verhindert werden. Die Stabpralleinrichtungen verhindern auch eine Rohrbewegung, was zu Ermüdungsdeffekten an der Verschweißung von Hülle und Verteiler führen kann. Um eine Beschädigung durch innere Kollisionen zwischen dem Bajonettrohr 2 und der Hülle 4 zu verhindern, ist es wünschenswert, Abstandshalter 256 zwischen den einzelnen Bajonettrohren 2 und den einzelnen Hüllen 4 anzuordnen; vgl. Fig. 6. Vorzugsweise sind die Abstandshalter 256 an der Außenfläche des Bajonettrohrs 2 angeschweißt. Vorzugsweise besitzen die Abstandshalter 256 eine etwas längliche Form und erstrecken sich in Längsrichtung entlang der Außenfläche des Bajonettrohrs 2, um den Strömungswiderstand zu verringern. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform sind die Abstandshalter 256 aus Schweißstäben gebildet, die so bemessen sind, däß das Bajonettrohr 2 die Hülle 4 stützt. Die Abstandshalter 256 sind vorzugsweise außen an der Oberfläche des Bajonettrohrs 2 befestigt, um eine radiale Unterstützung des Rohrs 2 im Inneren der Hülle 4 zu gewährleisten. Somit besteht vorzugsweise mindestens eine Dreipunktauflage der einzelnen Bajonettrohre 2 im Inneren der Hüllen 4 durch die Abstandshalter 256.
Unter Bezugnahme auf Fig. 5 ist es bevorzugt, däß die erste Stabpralleinrichtung 48 aus einem Band 56, das das Rohrbündel umgibt, gebildet ist. Streben 90 erstrecken sich von einzelnen Bändern 56 in im allgemeinen radialer Richtung, vorzugsweise entlang von Sehnen in der Nähe eines Durchmessers des Gefäßes, im allgemeinen parallel zur Richtung der Rohrreihen, und bieten ein Mittel zur Befestigung der Bänder 56 und somit der Pralleinrichtungen und der Rohrbündel an der Gefäßwand. Streben 92 erstrecken sich in im allgemeinen transversaler Richtung von den Bändern 56 in Bezug zur Richtung der Rohrreihen und gewährleisten eine zusätzliche Unterstützung des Rohrbündels, um ihm die Möglichkeit zu geben, den in einem gerührten Gefäß auftretenden Kräften zu widerstehen, wenn die Rohrbündel darin eingesetzt werden. Querstreben 94 verbinden vorzugsweise benachbarte Bänder 56 und erstrecken sich in Korotationsrichtung um einen Bereich des Rohrbündels, um einen besseren Widerstand gegen Verdrehungskräfte zu gewährleisten.
Soll das Rohrbündel 52 in einem Fermenter für die Herstellung von Hefen oder Bakterien verwendet werden, ist es wünschenswert, daß die Bauweise des Bündels ausreichend offen ist, um eine Reinigung zwischen den Ansätzen zu erleichtern. Breite Zwischenräume zwischen den einzelnen Rohren sind somit wünschenswert. Um die weit von einander angeordneten Rohre zu stützen, sind relativ groß bemessene Stützstäbe erforderlich. Es kann auch wünschenswert sein, die Stäbe in stark geneigten Winkeln durch das Rohrbündel anzuordnen, so daß der durch den größeren Abstand zwischen den Rohrreihen erhöhte Stabdurchmesser verkleinert wird. Allgemein ausgedrückt liegt bei einem Abstand zwischen benachbarten Rohren in der gleichen Reihe im Bereich von etwa 1,5 D bis etwa 2,5 D (D ist der Außendurchmesser der Rohre) der Abstand zwischen benachbarten Rohrreihen im Bereich von etwa 2 D bis etwa 4 D und die Stäbe weisen einen Durchmesser im Bereich von etwa 0,5 D bis etwa D auf.
Fig. 8 und 9 erläutern die Verwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung in einem Fermenter bei einem Fermentationsverfahren.
Das Gefäß 34 gemäß der Darstellung in Fig. 8 ist mit einer Bewegungseinrichtung ausgestattet. die eine durch die Antriebseinrichtung 139 angetriebene Welle 130 umfaßt. Die Welle 130 ist mit zwei Rührflügeln 156 und 158 ausgestattet Die Rührflügel 156 und 158 sind aus Scheiben 152 bzw. 154 gebaut, an denen eine Mehrzahl von Blättern 151 bzw. 153 befestigt sind. Eine größere Anzahl von Rührflügeln kann je nach Höhe und Breite des Gefäßes, den Abmessungen der Wärmeaustauscheinrichtung und dergleichen eingesetzt werden. Wie in Fig. 8 gezeigt, ist es bevorzugt, daß der am weitesten unten angeordnete Rührflügel in nächster Nähe zur Sprengvorrichtung 149 angeordnet ist, um die Sauerstoffübertragung im Fermentationsfluid zu erleichtern. Der Ausdruck "nächste Nähe" bedeutet, daß der am weitesten unten angeordnete Rührflügel und die Sprengvorrichtung in einem Abstand von etwa 1/3 bis 1/10 Rührflügeldurchmessern voneinander angeordnet sind.
Weitere Rührflügel können an der Welle 130 in verschiedenen relativen Orientierungen angeordnet werden. Um eine Erleichterung der Befestigung an der Rührwelle 130 zu gewährleisten, können mehrere Rührflügel im gleichen Abstand von einander entlang der Welle angeordnet werden, wobei der oberste Rührflügel vorzugsweise bei etwa 60 % der Gefäßhöhe angeordnet wird, wie in Fig. 8 für den Rührflügel 158 gezeigt ist.
Die allgemeinen Abmessungen des Gefäßes 34 werden so gewählt, daß das Verhältnis von Länge zu Durchmesser im allgemeinen im Bereich von etwa 0,1:1 bis zu 10:1 liegt. Vorzugsweise liegt das Verhältnis von Länge zu Durchmesser des Fermentationsgefäßes im Bereich von etwa 0,3:1 bis 5:1, wobei das Verhältnis von Länge zu Durchmesser vorzugsweise in den Bereich von etwa 1:1 bis 4:1 fällt.
Wärmeaustauschfluid wird den parallelen Rohranordnungen 1 durch eine Einlaßeinrichtung 30 zugeführt, wie in Fig. 8 gezeigt ist. Die Einlaßeinrichtung 30 ist vorzugsweise mit einer Zufuhreinrichtung 208 für Wärmeaustauschfluid, vorzugsweise flüssiges Ammoniak, verbunden. Das Wärmeaustauschfluid durchläuft die Einlaßeinrichtung 30. Anschließend durchläuft das Wärmeaustauschfluid die Rohranordnungen 1 des Bündels, wird gesammelt und durch die Einlaßeinrichtung 36 entleert. Vorzugsweise werden im Gefäß 34 mindestens zwei Pralleinrichtungen in Form von Rohrbündel 52 von parallelen Rohranordnungen 1 verwendet. Wie in Fig. 8 gezeigt, umfaßt jede Pralleinrichtung ein Bündel von parallelen Rohren in parallelen Reihen. Die Rohranordnungen 1 in den einzelnen Pralleinrichtungen weisen typischerweise etwa 25-90 % der Länge des geraden (im allgemeinen zylindrischen) Bereichs des Gefäßes unter Ausschluß der kuppelförmigen Gefäßkopfteile auf.
Es kann eine stark unterschiedliche Anzahl an Rohrbündeln eingesetzt werden, die von der Anzahl der Größe der Rohrbündel, der Anzahl der Rohre pro Bündel und dergleichen abhängt. Es können bis zu 30 Rohrbündel pro Gefäß eingesetzt werden, wobei ein Bereich von etwa 4 bis 24 Pralleinrichtungen pro Gefäß bevorzugt wird.
Die Blätter 151 können an der Scheibe 152 auf verschiedene Weise befestigt werden, z.B. mit Blättern 151, die senkrecht zur Scheibenebene und an einem radialen Vorsprung von der vertikalen Achse der Scheibe befestigt sind; alternativ können die Blätter 151 an der Scheibe 152 unter Orientierung in einem bestimmten Winkel in Bezug zur Scheibenachse befestigt werden. Alternativ können Rührblätterbauweisen, die von der hier dargestellten speziellen Bauweise abweichen, verwendet werden, z.B. Axialfluß-Rührflügel, Vorrichtungen vom Schiffspropellertyp und dergleichen. Der am weitesten unten angeordnete Rührflügel 156 ist mit einer Mehrzahl von Blättern ausgerüstet, die senkrecht zur Scheibenebene orientiert sind, während die weiteren Rührflügel die gleiche Konfiguration aufweisen oder einen anderen Rührflügeltyp gemäß dem Stand der Technik verkörpern können.
Die Obergrenze für den Rührflügeldurchmesser wird durch den Innendurchmesser der Rohrbündel, die die Wärmeaustauscheinrichtung im Gefäß umfassen, d.h. die Innenseite der innersten Rohre, die an den Spaltrohrverteilern befestigt sind, definiert. Ein Rührflügeldurchmesser, der der Obergrenze nahe kommt, bietet die maximale Mischintensität pro Rührflügel. Es ist bevorzugt, daß der Rührflügeldurchmesser nicht unter etwa 10 % des gesamten Innengefäßdurchmessers liegt, und im allgemeinen übersteigt der Rührflügeldurchmesser etwa 40 % des gesamten Innendurchmessers des Gefäßes nicht. Vorzugsweise wird ein Rührflügeldurchmesser von etwa 20 bis etwa 35 % des gesamten Innendurchmessers des Gefäßes angewandt.
Wie in Fig. 8 gezeigt, ist das Fermentationsgefäß 34 ferner mit einem ersten Einlaß 146 und einem zweiten Einlaß 147 sowie mit einem Gaseinläß 145 versehen. Während das Gefäß 34 mit den beiden Einlässen 146 und 147 dargestellt ist, besteht auch die Möglichkeit, die gesamte Zufuhr zum Fermenter auch nur über eine einzige Einlaßeinrichtung oder über eine Mehrzahl von Einlaßeinrichtungen, wobei verschiedene Zufuhrkomponenten getrennt zugeführt werden, vorzunehmen. Beispielsweise ist es bei zahlreichen Fermentationsverfahren erwünscht, die Nährmedien und die Kohlenstoff- und Energiequellen als getrennte Zufuhrströme zuzuführen. Während die Einlässe 146 und 147 jeweils mit einer Abgabeöffnung versehen sind, kann eine stärker dispergierte Zufuhr des Einsatzmaterials erreicht werden, indem man Einlässe mit mehreren Abgabeöffnungen verwendet. Ferner können die Einlaßöffnungen zweckmäßigerweise an verschiedenen Positionen des Fermentationsgefäßes angeordnet werden, wobei die Anordnung häufig aufgrund von ingenieurmäßigen Zweckmaßigkeitsüberlegungen festgelegt wird.
Der Einlaß 145 wird zur Zufuhr von Sauerstoff und gegebenenfalls zur Zufuhr der Stickstoffquelle in das Fermentationsgefäß verwendet. Durch den Einlaß 145 zugeführtes Gas gelangt durch die Sprengvorrichtung 149 in das Fermentationsgefäß. Die Sprengvorrichtung ist vorzugsweise im Fermentationsgefäß symmetrisch in Bezug zur Längsachse des Fermentationsgefäßes angeordnet und weist eine Stirnseite mit einer Mehrzahl von darin angeordneten Löchern auf. Vorzugsweise ist der Durchmesser der Sprengeinrichtung nicht größer als der Durchmesser des am weitesten unten angeordneten Rührflügels, unter dem die Stirnseite der Sprengvorrichtung in enger Nähe angeordnet ist.
Das Verfahren der Gaszufuhr, die Anordnung des Rührflügels 156 in enger Nähe zur Sprengvorrichtung 149 sowie die Stellung der Rohrbündel tragen alle zum extrem hohen Grad an Sauerstoffübertragung, zu der die erfindungsgemäße Fermentationsvorrichtung fähig ist, bei. Das erfindungsgemäße Fermentationsgefäß ist zu Sauerstoffübertragungsgeschwindigkeiten im Bereich von mindestens etwa 300 Millimol Sauerstoff pro Liter pro Stunde (mMol O&sub2;/l/h) in der Lage. Ferner ist die Wärmeentziehungskapazität des erfindungsgemäßen Fermentationsgefäßes ausreichend, um die während der Fermentation gebildeten großen Wärmemengen zu entziehen. Diese großen Wärmemengen werden infolge der hohen Sauerstoffanteile, die der Fermentationsbrühe zur Verfügung gestellt werden, erzeugt. Somit ist ein Wärmeentzug in der Größenordnung von mindestens etwa 36 Kcal/l/h mit der erfindungsgemäß gebauten Fermentationsvorrichtung möglich.
Das Fermentationsgefäß 34 ist auch mit einer Einrichtung zur Entfernung von Fermentationsprodukt, d.h. der Öffnung 148 ausgerüstet. Wird die Fermentation auf kontinuierliche Weise durchgeführt, so kann eine kontinuierliche oder intermittierende Entfernung von Fermentationsprodukt durch die Öffnung 148 erfolgen, während frische Nährstoffe durch die Einlässe 146, 147 und 145 bereitgestellt werden.
Das Fermentationsgefäß 34 ist ferner mit mindestens einer Einrichtung zur Entgasung von Schaum, z.B. einer Schaumbrechvorrichtung, wie der von Hunt in U.S. 4 373 024 (Patentinhaber Phillips Petroleum Company) beschriebenen Schaumbrechvorrichtung oder die Elemente 162, 164 und 166, welche die Entgasungseinrichtung gemäß der Darstellung in Fig. 8 bilden, ausgerüstet. Trichter 162 sind an der durch eine Antriebseinrichtung 166 gedrehten Welle 164 befestigt. Der Aufprall des schäumenden Fermentationsprodukts an den rotierenden Trichtern 162 verursacht ein Aufbrechen des Schaums und bewirkt, daß die Flüssigkeit in den Hauptteil des Fermentationsgefäßes zurückkehrt, während aus dem Schaum freigesetztes Gas den Fermenter durch die Leitung 168 verläßt. Während mindestens eine Schaumbrechvorrichtung am erfindungsgemäßen Fermentationsgefäß verwendet wird, kann ein Schaumbrechvermögen, das zur Handhabung der bei einem bestimmten Fermentationsverfahren zu erwartenden Schaummenge ausreicht, durch eine geeignete Anzahl an Schaumbrechvorrichtungen, die um den Kuppelbereich des Fermentationsgefäßes angeordnet werden, gewährleistet werden.
Wässrige aerobe Fermentationsverfahren benötigen molekularen Sauerstoff, der von einem molekularen Sauerstoff enthaltenden Gas, wie Luft, mit Sauerstoff angereicherte Luft oder auch im wesentlichen reiner molekularer Sauerstoff, bereitgestellt wird, so daß für den Fermenterinhalt ein Sauerstoffpartialdruck aufrechterhalten wird, der die Mikroorganismenspezies im Wachstum oder in der biochemischen Substratumwandlung in günstiger Weise unterstützt. Bei Verwendung eines sauerstoffhaltigen Kohlenwasserstoffsubstrats kann der Gesamtsauerstoffbedarf des Mikroorganismus für das Wachstum oder die Substratumwandlung im Vergleich zu dem Bedarf bei Verwendung von Paraffin verringert werden.
Der für die mikrobielle Fermentationsstufen angewandte Druck kann stark variieren. Typische Drücke liegen im Bereich von etwa 0 bis 150 psig, derzeit vorzugsweise bei etwa 0 bis etwa 60 psig und insbesondere bei 35 bis 40 psig, da dabei ein Gleichgewicht zwischen Ausrüstung- und Betriebskosten einerseits und der Sauerstofflöslichkeit andererseits erzielt wird. Ein überatmosphärischer Druck ist insofern vorteilhaft, als derartige Drücke, die Tendenz zu einer Erhöhung der Konzentration an gelöstem Sauerstoff im wässrigen Fermentatiosmedium aufweisen, was wiederum zu einer Steigerung der Zellwachstumsgeschwindigkeiten beitragen kann. Diesem Vorteil steht aber die Tatsache gegenüber, daß hohe Drücke die Ausrüstungs- und Betriebskosten erhöhen.
Das Kühlmittel befindet sich üblicherweise unter ausreichendem Druck und in einer ausreichenden Strömungsgeschwindigkeit, daß das aus dem Rohrbündel ausströmende Dampf/Flüssigkeits-Produkt eine Temperatur im Bereich von 30-50ºF (0-10ºC) aufweist.

Claims

1. Wärmeaustauschvorrichtung, umfassend:

a) ein Gefäß (34) zur Aufnahme einer Flüssigkeit, wobei das Gefäß eine Seitenwand (32), die eine im allgemeinen zylindrisch geformte Innenfläche (38) definiert, und eine Längsachse (138) aufweist, um die die Seitenwand im allgemeinen symmetrisch angeordnet ist;

b) eine Mehrzahl von röhrenförmigen Elementen (2, 4), die im wesentlichen parallel zur Längsachse befestigt sind, wobei ein Fluidströmungsweg von einer ersten Kammer (6) durch die röhrenförmigen Elemente in eine zweite Kammer (10) gebildet ist;

c) Fluideinlaßeinrichtungen (40, 42), die mit der ersten Kammer in Verbindung stehen, umfassend ein Einspeisrohr (40), das sich durch die Seitenwand des Gefäßes erstreckt, und ein gekrümmtes Zufuhrrohr (42), das sich im allgemeinen in Umfangsrichtung um die Innenseite des Gefäßes in einem Abstand von der Seitenwand des Gefäßes erstreckt, sowie eine Fluidauslaßeinrichtung (7, 11), die mit der zweiten Kammer in Verbindung steht, umfassend ein Ausströmrohr (11), das sich durch die Seitenwand des Gefäßes erstreckt, und ein gekrümmtes Sammelrohr (7), das sich im allgemeinen in Umfangsrichtung um die Innenseite des Gefäßes in einem Abstand von der Seitenwand des Gefäßes erstreckt;

wobei die Vorrichtung dadurch gekennzeichnet ist, daß

d) eine Mehrzahl von Spaltrohren (8) an dem Gefäß in einer im allgemeinen radialen Orientierung in Bezug zu der Längsachse befestigt ist, wobei die Spaltrohre jeweils eine Trennwand (14) aufweisen, die den Innenraum in die erste Kammer (6) und die zweite Kammer (10) teilen;

e) die Mehrzahl von röhrenförmigen Elementen (2, 4), die eine Mehrzahl von ersten röhrenförmigen Elementen (4) und eine Mehrzahl von zweiten röhrenförmigen Elementen (2) umfassen, die an den einzelnen Spaltrohren (8) im wesentlichen parallel zur Längsachse angeordnet sind, wobei das erste Element mit einem ersten Ende an einer Seitenwand des Spaltrohres (8) geschlossen ist und am zweiten Ende (12) befestigt ist, und wobei das zweite Element (2) jeweils im Inneren des ersten Elements (4) angeordnet und an der Trennwand (14) im Spaltrohr befestigt ist, wobei ein Fluidfließweg von der ersten Kammer (6) durch das zweite röhrenförmige Element (4), durch einen Ringraum (28) zwischen dem zweiten röhrenförmigen Element und dem ersten röhrenförmigen Element und sodann in die zweite Kammer (10) gebildet ist:

f) das gekrümmte Zufuhrrohr (42) mit der ersten Kammer (6) an einem inneren Endbereich der Spaltrohre (8) durch eine Mehrzahl von Steigspeisrohren (44) verbunden ist; und

g) das gekrümmte Sammelrohr (7) mit der zweiten Kammer (10) an einem äußeren Endbereich der Spaltrohre (8) durch eine Mehrzahl von Steigausströmrohren (46) verbunden ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, zusätzlich umfassend eine Mehrzahl von Abstandshaltern (256), die im Ringraum (28) zwischen dem ersten röhrenförmigen Element (4) und dem zweiten röhrenförmigen Element (2) angeordnet sind, um das erste röhrenförmige Element und das zweite röhrenförmige Element im Abstand voneinander zu halten.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Gefäß (34) ein oberes Ende und ein unteres Ende aufweist und in im allgemeinen vertikaler Richtung angeordnet ist und einen oberen Bereich und einen unteren Bereich besitzt; wobei die Fluideinlaßeinrichtung (40, 42) und die Fluidauslaßeinrichtung (7, 11) im unteren Bereich des Gefäßes angeordnet sind und das erste röhrenförmige Element (4) und das zweite röhrenförmige Element (2) sich von den Fluideinlaß- und Fluidauslaßeinrichtungen zum oberen Endbereich des Gefäßes erstrecken.

4. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, zusätzlich umfassend eine Rühreinrichtung, umfassend:

a) eine Welle (130), die zentral innerhalb des Gefäßes (34) angeordnet ist und koaxial mit der Längsachse (138) des Gefäßes ausgerichtet ist;

b) eine Antriebseinrichtung (139), die an der Welle (130) befestigt ist, und

c) eine Mehrzahl von Rührflügeln (156, 158) die an der Welle befestigt sind, wobei der Durchmesser der Rührflügel den Durchmesser einer ungestörten Zone, die durch die röhrenförmigen Elemente in nächster Nähe zum inneren Ende der radial angeordneten Spaltrohre (8) definiert ist, nicht übersteigt.

5. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Mehrzahl von röhrenförmigen Elementen (2, 4), die an den Spaltrohren (8) befestigt sind, in Bündeln von 3-12 Spaltrohren gruppiert sind, wobei das Gefäß eine Mehrzahl von Bündeln (52) enthält.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, wobei ein Abstand von mindestens einem Durchmesser eines äußeren zweiten Rohres (2) die äußeren Flächen der zweiten Mehrzahl von Röhrenelementen (4) trennt.

7. Verwendung der Wärmeaustauschvorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche in einem Fermentationsverfahren, umfassend das Zuführen von Nährmedien und einer Kohlenstoffenergiequelle in das Gefäß;

das Zuführen von Gas in das Gefäß;

das Rühren des Inhalts des Gefäßes (34) mit den Rührflügeln (156, 158);

das Entfernen von Fermentationsprodukten aus dem unteren Endbereich des Gefäßes; und das Entgasen von Schaum in einem oberen Bereich des Gefäßes, wobei das Verfahren gekennzeichnet ist durch

a) das Zuführen eines Wärmeaustauschfluids in das Gefäß durch die Einlaßeinrichtung (40, 42), die sich durch die Gefäßwand erstreckt;

b) das Verteilen des Wärmeaustauschfluids von der Einlaßeinrichtung auf die Mehrzahl von ersten röhrenförmigen Elementen (2), die jeweils ein erstes Ende und ein zweites Ende aufweisen und über das erste Ende mit der Einlaßeinrichtung verbunden sind;

c) das Fließen des Wärmeaustauschfluids vom ersten Ende zum zweiten Ende der Mehrzahl der ersten röhrenförmigen Elemente (2);

d) das Emittieren des Wärmeaustauschfluids aus dem zweiten Ende der ersten Mehrzahl von röhrenförmigen Elementen (2) und in das erste Ende der zweiten Mehrzahl von röhrenförmigen Elementen (4), die jeweils konzentrisch um ein Wärmeaustauschrohr der ersten Mehrzahl angeordnet sind, und das Fließen des Wärmeaustauschfluids vom ersten Ende der zweiten Mehrzahl von röhrenförmigen Elementen (4) entlang einer Mehrzahl von zwischen den ersten Rohren und den zweiten Rohren definierten Ringräumen zu einem zweiten Ende der zweiten röhrenförmigen Elemente;

e) das Entleeren des Wärmeaustauschfluids aus dem zweiten Ende der zweiten röhrenförmigen Elemente und das Sammeln des Entleerungsfluids in der Ausläßeinrichtung (7, 11), die sich durch die Gefäßwand erstreckt; und

f) das Entfernen des Wärmeaustauschfluids aus dem Gefäß durch die Auslaßeinrichtung.

8. Verwendung nach Anspruch 7, zusätzlich umfassend:

das Abziehen von Fluid aus der Fluidauslaßeinrichtung (7, 11) in einen Gaskompressor (202);

das Abkühlen des aus dem Gaskompressor austretenden Stroms in einem Kühler (204); und

das Zurückleiten des aus dem Kühler austretenden Stroms in eine Fluideinlaßeinrichtung (40, 42).

9. Verwendung nach Anspruch 7 zusätzlich umfassend die Zufuhr von flüssigem Ammoniak als Wärmeaustauschfluid in die Fluideinlaßeinrichtung.

10. Verwendung nach Anspruch 8 oder 9, wobei das Wärmeaustauschfluid flüssiges Ammoniak umfaßt und das aus dem Gefäß abgezogene Wärmeaustauschfluid ein Gemisch aus flüssigem Ammoniak und dampfförmigem Ammoniak umfaßt.

11. Verwendung nach Anspruch 10, zusätzlich umfassend das Kondensieren des Ammoniakdampfes und das Zuführen dieses kondensierten Ammoniakdampfes in die Einlaßeinrichtung (40, 42).

12. Verwendung nach Anspruch 7 bis 11, zusätzlich umfassend die Kreislaufführung einer Fermentationsbrühe über die äußere Fläche der Rohre der zweiten Mehrzahl von röhrenförmigen Wärmeaustauschelementen (4) hinweg.

13. Verwendung nach Anspruch 10, wobei das Gemisch eine Temperatur zwischen etwa -1ºC (30ºF) und etwa +10ºC (50ºF) aufweist.