DE69605338T2

DE69605338T2 - Verfahren und Gerät zum Kühlen einer Prozessflüssigkeit

Info

Publication number: DE69605338T2
Application number: DE69605338T
Authority: DE
Inventors: Stephen Clements; Ron C. Lee
Original assignee: BOC Group Inc
Current assignee: Messer LLC
Priority date: 1995-03-09
Filing date: 1996-02-22
Publication date: 2000-05-25
Anticipated expiration: 2016-02-23
Also published as: JPH08261619A; EP0731326B1; ZA96846B; US5737928A; DE69605338D1; EP0731326A2; EP0731326A3

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Kühlen eines flüssigen Prozeßmediums, in welchem ein Strom des Prozeßmediums abgezogen und zu einer förderbaren Teilchenform gefroren wird, und die förderbare Teilchenform wird zurück in das flüssige Prozeßmedium eingeleitet. Mehr im einzelnen betrifft die vorliegende Erfindung ein solches Verfahren und eine Einrichtung, wo das Prozeßmedium durch direkten Wärmeaustausch mit einem flüssigen kryogenen Kühlmittel gefroren wird.
Es gibt industrielle Kühlanwendungen, die mit Bezug auf Prozeßmedien auftreten, nämlich auf Produkte und Zwischenprodukte von industriellen Prozessen oder chemischen Zwischenreaktionen bei der Herstellung solcher Produkte. Typische Verfahren zum Kühlen solcher Prozeßmedien, während sie in Reaktionsgefäßen enthalten sind, umfassen sowohl indirekte als auch direkte Kühlmaßnahmen. Ein typisches indirektes Verfahren wäre das Ausrüsten des Reaktionsbehälters mit einem externen Mantel, durch welchen ein Kühlmedium zirkuliert werden kann. Dieses Kühlmedium wird wiederum durch einen externen Wärmetauscher zirkuliert, in welchem das Kühlmittel durch indirekten Wärmeaustausch mit einer kryogenen Flüssigkeit abgekühlt wird, beispielsweise mit flüssigem Stickstoff. Ein übliches direktes Verfahren umfaßt die Zugabe eines Kühlmittels in das Prozeßmedium. Dies kann Wassereis sein, das in einer nahe gelegenen Eisanlage erzeugt wird, und das ohne besondere Maßnahmen in den Reaktionsbehälter eingefüllt wird und schmilzt, um das Prozeßmedium zu kühlen. Alternativ dazu kann es ein kryogenes Kühlmittel sein, wie beispielsweise Trockeneis oder flüssiger Stickstoff, der im Prozeßmedium verdampft und Kühlung erzeugt.
Existierende Verfahren auf der oben beschriebenen Basis haben Beschränkungen und Probleme. Die indirekten Verfahren sind komplex und durch die Konstruktionsmaterialien des Reaktionsbehälters und die verfügbare Wärmeübergangsfläche des Reaktionsbehälters beschränkt. Die gegenwärtigen direkten Verfahren im Falle von Wassereis sind schwierig zu steuern, durch die Eistemperatur beschränkt, und sind aufgrund der Verdünnungswirkungen beim Schmelzen des Eises nicht zu bevorzugen. Die direkten Verfahren mit Verdampfung kryogener Flüssigkeiten kann die erforderliche Reaktionsbehältergröße aufgrund der Gashaltung in dem Prozeßmedium vergrößern und kann aufgrund von Problemen mit Schaumbildung des Prozeßmediums oder von dessen Mitreißen im Gasauslaß ausscheiden. Wie noch erörtert wird, löst die vorliegende Erfindung die oben erwähnten Kühlprobleme des Standes der Technik durch ein Verfahren und eine Einrichtung, wo ein Gefrieren des Prozeßmediums selbst stattfindet, und das deshalb durch eine Technologie und eine Einrichtung durchgeführt werden kann, die viel einfacher als bisher verwendete Verfahren und Einrichtungen sind.
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zum Kühlen eines flüssigen Prozeßmediums vorgesehen, welches umfaßt:
Bilden eines flüssigen Prozeßstroms aus dem genannten flüssigen Prozeßmedium,
Gefrieren des Prozeßmediums, das in dem genannten flüssigen Prozeßstrom enthalten ist, in eine förderbare Teilchenform, und
Einleiten der förderbaren Teilchenform zurück in das flüssige Prozeßmedium.
Dieses Verfahren nach der Erfindung kann chargenweise durchgeführt werden, wobei der flüssige Prozeßstrom aus einem eine Charge des flüssigen Prozeßmediums enthaltenden Behälter entnommen wird und die resultierende förderbare Teilchenform des Prozeßmediums dann zurück in den Behälter eingeleitet wird. Des weiteren findet die vorliegende Erfindung auch auf ein strömendes flüssiges Prozeßmedium Anwendung. In einem solchen Fall wird ein flüssiger Prozeßstrom aus einer Leitung oder einem Rohr abgezogen und der flüssige Prozeßstrom wird in eine Teilchenform gefroren. Die Teilchenform wird dann zurück in die Leitung durch Schwerkraft, Überdruck oder möglicher weise einen verengten venturidüsenartigen Abschnitt eines Rohrs zur Erzeugung eines Unterdrucks in der Strömung eingeleitet.
Die Erfindung beinhaltet auch eine Einrichtung zum Kühlen eines flüssigen Prozeßmediums, bestehend aus einem Behälter für das flüssige Prozeßmedium, Leitungsmitteln zum Abziehen eines flüssigen Prozeßstroms aus dem Behälter, Gefriermitteln, die mit dem Behälter über die genannten Leitungsmittel in Verbindung stehen, um den flüssigen Prozeßstrom in eine förderbare Teilchenform zu gefrieren, und den Gefriermitteln zugeordneten Mitteln zum Wiedereinleiten der förderbaren Teilchenform zurück in die Prozeßflüssigkeit innerhalb des Behälters.
Wie noch erörtert werden wird, kann das Gefrieren des Prozeßmediums durch direkten Wärmeaustausch mit einem Kryogen in einer Einrichtung einfacherer Konstruktion als bei kryogenen Kühlkreisläufen nach dem Stand der Technik durchgeführt werden. In der Praxis kann der direkte Wärmeaustausch im Gegenstrom zum Sparen von Kryogen durchgeführt werden. Des weiteren kann die gefrorene Teilchenform auf deutlich unterhalb ihres Gefrierpunkts unterkühlt werden. Dies verringert den Massendurchsatz des erforderlichen flüssigen Prozeßmediums, das bei einem typischen Anwendungsfall der Erfindung aus dem Behälter abgezogen werden muß. Die vorliegende Erfindung ist vorteilhaft, wenn die Temperatur des Prozeßmediums nahe seines Gefrierpunkts erhalten werden soll, weil Eisteilchen oder Schneeteilchen, die nach der vorliegenden Erfindung erzeugt werden, eine solche Temperaturhaltung ohne die Komplikationen ermöglichen, die bei herkömmlichen Verfahren wie beispielsweise indirekten Wärmeaustauschern oder direkter Kryogeneinspritzung auftreten können, wo das Gefrieren größerer Massen auftreten kann. Die vorliegende Erfindung eliminiert auch Aufschäumprobleme, die auftreten können, wenn kryogene Kühlmittel wie beispielsweise Stickstoff direkt in Prozeßmedien eingeleitet werden. Ein noch weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung liegt darin, daß sie ohne Ver dünnung des Prozeßmediums ausgeführt werden kann. Beispielsweise kann das Prozeßmedium Komponenten enthalten, die in der Hauptmenge des Prozeßmediums miteinander reagieren können. Da nur eine gefrorene Teilchenform des Prozeßmediums selbst in die Hauptmenge des Prozeßmediums zurückgeleitet wird, können Veränderungen des pH-Werts des Prozeßmediums vermieden werden.
Der Begriff "Teilchenform", wie er hierin verwendet wird, bedeutet eine gefrorene Form des Prozeßmediums (mit dem Aussehen von Schnee- oder Eispartikeln). Ferner bedeutet der Begriff "Kryogen", wie er hier verwendet wird, ein Flüssiggas wie beispielsweise Stickstoff, Sauerstoff, Argon, Kohlendioxyd.
Die Erfindung wird nunmehr beispielshalber unter Bezugnahme auf die anliegende Zeichnung beschrieben, die eine schematische Darstellung einer Einrichtung zur Ausführung eines Verfahrens nach der Erfindung zeigt.
Gemäß der Zeichnung ist eine Einrichtung 1 nach der vorliegenden Erfindung dargestellt. Die Einrichtung 1 weist einen Behälter 10 zur Aufnahme eines Prozeßmediums 12 auf. Das Prozeßmedium 12 kann ein Medium sein, das einer chemischen Reaktion unterliegt, und daß dadurch Wärme freisetzt. Das Prozeßmedium 12 kann durch Pumpen des Prozeßmediums 12 oder seines Vorläufers mittels einer Pumpe und einer geeigneten, innerhalb des Behälters 10 positionierten Leitung in den Behälter 10 eingeleitet und aus diesem abgezogen werden. Zu diesem Zweck können auch ein separater Einlaß und Auslaß zum Behälter 10 vorgesehen sein.
Ein flüssiger Prozeßstrom wird mittels einer Zirkulationspumpe 16 in einer Leitung 14 geführt. Der flüssige Prozeßstrom wird in eine Gefrierkammer 18 mit einer oberen Entlüftung 20 durch eine oder mehrere Düsen 22 eingeleitet. Die Düse 22 kann eine Zerstäubungsdüse oder eine Sprühdüse sein, die ein Aufbrechen bewirkt und das Prozeßmedium abwärts richtet, so daß das Prozeßmedium in der Gefrierkammer absteigt. Zwei Kühlmitteldüsen 24 und 26 sind unterhalb der Prozeßmediumdüse 22 angeordnet, um flüssiges Kühlmittel in die Gefrierkammer 18 einzuspritzen. Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung können auch mit einer Kühlmitteldüse oder mit 3 oder mehr Kühlmitteldüsen ausgeführt sein. Das verwendete Kühlmittel ist so ausgewählt, daß es das Prozeßmedium in eine förderbare Teilchenform gefriert. Bei der dargestellten Ausführungsform ist das Kühlmittel flüssiger Stickstoff. In einem geeigneten Fall könnte das Prozeßmedium auf die Verwendung eines Kühlmittels mit höherer Temperatur, beispielsweise Wasser, in die förderbare Teilchenform gefroren werden.
Der resultierende direkte Wärmeaustausch bewirkt, daß der flüssige Stickstoff innerhalb der Gefrierkammer 18 verdampft und zur oberen Entlüftung 20 aufsteigt. Dadurch entsteht ein Gegenstrom des Kühlmittels mit Bezug auf das Prozeßmedium, um das Kryogen effizienter auszunutzen. Die Erfindung könnte gewünschtenfalls auch dadurch ausgeführt werden, daß das Prozeßmedium direkt in einen Flüssigkryogenbereich eingespritzt wird. Ein solcher Flüssigkryogenbereich kann in der Gefrierkammer durch eine oder mehrere Düsen oder einen ringförmigen. Verteiler unmittelbar unterhalb der Düse 22 gebildet sein. Des weiteren könnte, obwohl ein direkter Wärmeaustausch aus Gründen der Einfachheit bevorzugt wird, ein mit indirekter Kühlung arbeitender Gefrierer eingesetzt werden, um die förderbare Teilchenform des Prozeßmediums zu stellen.
Die förderbare Teilchenform 28 des Prozeßmediums fällt aufgrund der Schwerkraft und sammelt sich am Boden der Gefrierkammer. Der Boden der Gefrierkammer ist mit einer Öffnung 30 in Verbindung mit dem Behälter 12 versehen. Ein Drehventil 32 mit Flügeln 34 ist in der Bodenöffnung 30 der Gefrierkammer 18 angeordnet. Die Flügel 34 verhindern, daß die förderbare Teilchenform direkt in den Behälter 10 und daher in das Prozeßmedium 12 hineinfällt, und verhindert auch, daß das kalte kryogene Gas aus der Gefrierkammer 18 entweicht. Obwohl nicht dargestellt, ist ein Motor oder ein sonstiges Betätigungsorgan mit dem Drehventil 32 verbunden, um die Flügel 34 zu drehen und dadurch die förderbare Teilchenform zurück in den Behälter 10 und damit in das Prozeßmedium 12 einzuleiten. Vorzugsweise ist die Motordrehzahl steuerbar, so daß die Drehgeschwindigkeit des Drehventils 32 wiederum gesteuert werden kann. Eine solche Steuerung ermöglicht das Ausüben eines gewissen Maßes an Steuerung auf die durch die förderbare Teilchenform 28 erzeugte Kühlung. Wenn beispielsweise die Motordrehzahl erhöht wird, findet eine Steigerung der dem Prozeßmedium 12 zugeführten Kühlung statt. Alternativ dazu könnte das Drehventil 32 durch ein periodisch oder teilweise zu öffnendes Ventil ersetzt werden, das die förderbare Teilchenform 30 in den Behälter 10 eintreten läßt.
Obwohl nicht dargestellt, könnte eine Ausführungsform der Erfindung auch so konstruiert sein, daß die Gefrierkammer 18 unter einem erhöhten Druck gehalten wird. Die obere Entlüftung 20 würde dann mit einem geeigneten Rückdruck-Reguliergerät ausgerüstet, das nicht dargestellt ist. In diesem Fall könnte die förderbare Teilchenform 30 in einen druckbeaufschlagten Empfänger eingeleitet werden, wie beispielsweise in durch eine Leitung strömendes flüchtiges Prozeßmedium. Eine druckbeaufschlagte Gefrierkammer würde auch mehr Flexibilität hinsichtlich der Anordnung der Gefrierkammer zulassen, weil die förderbare Form nicht auf Schwerkraft zum Wiedereinleiten in das Prozeßmedium angewiesen wäre.

Claims

1. Verfahren zum Kühlen eines flüssigen Prozeßmediums (12), welches umfaßt:

Bilden eines flüssigen Prozeßstroms aus dem genannten flüssigen Prozeßmedium,

Gefrieren des Prozeßmediums, das in dem genannten flüssigen Prozeßstrom enthalten ist, in eine förderbare Teilchenform (28), und

Einleiten der förderbaren Teilchenform zurück in das flüssige Prozeßmedium.

2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das flüssige Prozeßmedium durch direkten Wärmeaustausch mit Kühlmittel gefroren wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, wobei das Kühlmittel ein Kryogen ist.

4. Verfahren nach Anspruch 2, wobei das Kühlmittel und der flüssige Prozeßstrom in eine Gefrierkammer (18) eingeleitet werden, so daß das flüssige Prozeßmedium innerhalb der Gefrierkammer durch direkten Wärmeaustausch mit dem Kühlmittel gefriert.

5. Verfahren nach Anspruch 4, wobei das Kühlmittel in die Gefrierkammer eingeleitet wird, die eine Entlüftung (20) aufweist, so daß es innerhalb der Gefrierkammer verdampft, aufsteigt und aus der Entlüftung entlüftet wird.

6. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, wobei das Prozeßmedium in die Gefrierkammer eingesprüht wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 6, wobei das Kühlmittel in die Gefrierkammer stromab der Einleitung des Prozeßmediums in die Gefrierkammer eingesprüht wird, und zwar derart, daß Kühlmittelsprühstrahlen und Prozeßmedium einander berühren.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 7, wobei der Prozeßstrom in die Gefrierkammer oberhalb des Kühlmittels eingeleitet wird, so daß der Prozeßstrom in der Gefrierkammer absteigt, wobei der direkte Wärmeaustausch im Gegenstrom erfolgt und die gefrorene Teilchenform in der Gefrierkammer unter Schwerkrafteinfluß absteigt.

9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei:

das flüssige Prozeßmedium in einem Behälter enthalten ist,

der flüssige Prozeßstrom aus dem Behälter abgezogen wird, und

die förderbare Teilchenform in den Behälter zurückgeleitet wird.

10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, das weiter die Regelung der Einleitungsrate der förderbaren Teilchenform so umfaßt, daß dadurch wiederum die Kühlung des flüssigen Prozeßmediums geregelt wird.

11. Einrichtung zum Kühlen eines flüssigen Prozeßmediums (12), mit:

einem Behälter (10) für das flüssige Prozeßmedium, Leitungsmitteln (24) zum Abziehen eines flüssigen Prozesstroms aus dem Behälter,

Gefriermitteln, die mit dem Behälter über die genannten Leitungsmittel in Verbindung stehen, um den flüssigen Prozesstrom in eine förderbare Teilchenform (28) zu gefrieren, und

den Gefriermitteln zugeordneten Mitteln (32) zum Wiedereinleiten der förderbaren Teilchenform zurück in die Prozeßflüs sigkeit innerhalb des Behälters.

12. Einrichtung nach Anspruch 11, wobei die Gefriermittel umfassen:

eine Gefrierkammer (18) mit einer Entlüftung (20),

mindestens eine unterhalb der Entlüftung angeordnete Prozeßmediumdüse (22) zum Einleiten des Prozeßstroms in die Gefrierkammer, so daß das in dem Prozeßstrom enthaltene Prozeßmedium in der Gefrierkammer absteigt, und

mindestens eine unterhalb der Prozeßmediumdüse angeordnete Kühlmitteldüse (24, 26) zum Einleiten eines Kryogens in die Gefrierkammer derart, daß dieses verdampft, innerhalb der Gefrierkammer aufsteigt und aus der Entlüftung entlüftet wird und dadurch im Gegenstrom Wärme mit dem Prozeßstrom austauscht.

13. Einrichtung nach Anspruch 12, wobei:

die Gefrierkammer (18) oben auf dem Behälter angeordnet ist und eine Bodenöffnung (30) aufweist, die in Verbindung mit dem Behälter steht, und

die genannte Leitung eine Pumpe (16) zum Pumpen des flüssigen Prozeßstroms zu der Gefrierkammer enthält.