DE69823743T2

DE69823743T2 - Wärmeaustauschersystem für einen Reaktor

Info

Publication number: DE69823743T2
Application number: DE69823743T
Authority: DE
Inventors: Richard Peacock
Original assignee: ConocoPhillips Co
Current assignee: ConocoPhillips Co
Priority date: 1997-07-02
Filing date: 1998-07-01
Publication date: 2005-05-12
Anticipated expiration: 2018-07-02
Also published as: KR100508348B1; EP0888813B1; ATE266467T1; DE69823743D1; SG73525A1; JPH11137991A; CA2239311A1; EP0888813A1; ES2221098T3; US5989500A; CN1204552A; CN1092079C; JP4451504B2; CA2239311C; KR19990013451A

Description

Hintergrund der Erfindung
Diese Erfindung betrifft ein Wärmeaustauschersystem in einem Reaktor wie einem Polymerisationsreaktor.
Einige Polymerisationsreaktionen erzeugen eine beträchtliche Wärmemenge. Wärmeaustauschersysteme müssen im Reaktor angebracht sein, um die Inhaltsstoffe des Reaktors zu kühlen. Ein früheres Wärmeaustauschersystem umfasst obere und untere Verteilerköpfe und eine Vielzahl an Röhren, die sich zwischen den Verteilerköpfen erstrecken und diese miteinander verbinden. Ein axialer oder teilweise axialer Fließrührer mit Flügelrädern erzeugt ein vertikales Fließmuster. Es kann abwärts zum Reaktorboden vorliegen, wo das Fließmuster umkehrt und außerhalb der Flügelräder aufwärts fließt. Etwas Fluss liegt zwischen den Röhren und der Reaktorwand und zwischen den Flügelrädern und den Röhren vor. Fließtote Räume mit geringem oder keinem Fluss werden zwischen den Röhren beobachtet. Dadurch werden die Reaktorinhaltsstoffe in diesen Bereichen übermäßig gekühlt, was zu unerwünscht hohen Viskositäten von Teilen des Endprodukts und folglich einer nachteiligen Wirkung auf die Homogenität des Endprodukts führt. Es führt auch zu schlechter Wärmeübertragung zwischen dem Kühlmittel in den Röhren und der Polymerlösung. Ferner stellen diese fließtoten Räume Bereiche dar, in welchen das Mischen oder Vermengen der Reaktorinhaltsstoffe gehemmt wird, womit kein gründliches Mischen der Reaktanten im Reaktor stattfindet.
Zusammenfassung der Erfindung
Es ist deshalb eine Aufgabe der Erfindung, ein verbessertes Wärmeaustauschersystem für einen Reaktor bereitzustellen, das verbesserte Fließmuster, mehr Wärmeübertragung sowie gleichmäßigere Wärmeübertragung erzielt.
Es ist eine weitere Aufgabe der Erfindung, einen Reaktor mit einem verbesserten Wärmeaustauschersystem bereitzustellen, in welchem das verbesserte Wärmeaustauschersystem eine verbesserte Flüssigkeitsgeschwindigkeit um die Wärmeaustauscherröhren und eine gleichmäßigere Reaktantenverteilung zur Erzeugung von verbessertem Mischen und schnelleren Reaktionen oder schnellerem Vermischen im Reaktor gewährt.
Die vorstehende Aufgabe wird durch ein verbessertes Wärmeaustauschersystem in einem Reaktor des Typs mit einem Gefäß und einem Rührer zum Rühren der Inhaltsstoffe des Gefäßes und einem Wärmeaustauschersystem im Gefäß erzielt, wobei das Wärmeaustauschersystem einen ersten im Wesentlichen ringförmigen Verteilerkopf der eine Leitung umfasst, einen zweiten im Wesentlichen ringförmigen Verteilerkopf, der eine Leitung umfasst und von dem ersten Verteilerkopf entfernt liegt, einen dritten im Wesentlichen ringförmigen Verteilerkopf, der eine Leitung umfasst und von dem ersten Verteilerkopf entfernt und neben dem zweiten Verteilerkopf liegt, einen ersten Röhrensatz, der sich zwischen dem ersten und zweiten Verteilerkopf erstreckt und diese miteinander verbindet, und einen zweiten Röhrensatz, der sich zwischen dem ersten Verteilerkopf und dem dritten Verteilerkopf erstreckt und diese miteinander verbindet, umfasst.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist auch ein vierter Verteilerkopf bereitgestellt, der zwischen dem ersten und dem zweiten Röhrensatz positioniert ist und neben dem zweiten und dritten Verteilerkopf liegt. Ein dritter Röhrensatz erstreckt sich zwischen dem vierten Verteilerkopf und dem ersten Verteilerkopf und verbindet diese miteinander.
Die Erfindung reduziert oder eliminiert das Problem von fließtoten Räumen um die innen liegenden Röhren zwischen den Innen- und Außenröhren. Ein übermäßiges Abkühlen von stagnierenden Bereichen wird vermieden, ein homogenes Produkt erzeugt und eine größere Wärmeentfernung erzielt.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 ist eine Querschnittansicht eines Reaktors mit einem Wärmeaustauschersystem gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung.
2 ist eine entlang der Linie 2-2 betrachtete Querschnittansicht des Reaktors von 1.
3 ist eine entlang der Linie 3-3 betrachtete Ansicht des Reaktors von 1.
4 ist eine Querschnittansicht eines Reaktors mit einem Wärmeaustauschersystem gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung.
5 ist eine entlang der Linie 5-5 betrachtete Querschnittansicht des Reaktors von 4.
6 ist eine entlang der Linie 6-6 betrachtete Querschnittansicht des Reaktors von 4.
Detaillierte Beschreibung der Erfindung
Unter Bezugnahme auf 1 ist ein Reaktor 10 dargestellt, der ein Gefäß 12, einen Rührer 14 und ein Wärmeaustauschersystem 16 umfasst. Es ist offenbart, dass dieser besondere Reaktor zum Polymerisieren von Styrol und Butadien verwendet wird. Jedoch ist die Erfindung auf andere Umsetzungen anwendbar, die das Kühlen oder Erwärmen durch ein Wärmeaustauschersystem erfordern.
Gefäß 12 weist eine Längsachse 18 auf, die vertikal ausgerichtet ist. Gefäß 12 weist ferner an seinem oberen Ende 30 Einlassöffnungen 20, 22, 24, 26 und 28 und an seinem unteren Ende 34 eine Auslassöffnung 32 auf. Lösungsmittel, Kupplungsmittel, Styrol, Initiator und Butadien können in das Gefäß 12 durch die Einlassöffnungen 20, 22, 24, 26 bzw. 28 eingebracht werden. Das Produkt Styrol-Butadien-Copolymer in Lösung wird durch Auslassöffnung 32 aus dem Gefäß 12 entnommen.
Der Rührer 14 umfasst einen Schaft 36, welchem eine Längsachse 18 und drei Flügelräder 38 angepasst sind. Falls gewünscht, könnten weniger oder mehr Flügelräder eingesetzt werden. Der Rührer 14 ist vorzugsweise ein axialer Fließ- oder teilweise axialer Fließrührer, der von einem Motor 40 mit 30 bis 350 UpM, was unter Variieren der Viskosität der Polymerlösung niedriger oder höher sein könnte, angetrieben wird.
Das Wärmeaustauschersystem umfasst einen oberen im Wesentlichen ringförmigen Verteilerkopf 42, der eine Leitung umfasst, einen unteren im Wesentlichen ringförmigen Verteilerkopf 44, der eine Leitung umfasst und von Verteilerkopf 42 entfernt liegt, einen unteren im Wesentlichen ringförmigen Verteilerkopf 46, der eine Leitung umfasst und von Verteilerkopf 42 entfernt und neben Verteilerkopf 44 liegt, ein Zwischenverteilerkopf 48, der eine Leitung umfasst und neben, jedoch vertikal abgezweigt von und über den Verteilerköpfen 44 und 46 liegt, und einen Röhrensatz 50, der sich zwischen Verteilerkopf 42 und Verteilerkopf 44 erstreckt und diese miteinander verbindet, einen zweiten Röhrensatz 52, der sich zwischen Verteilerkopf 42 und Verteilerkopf 46 erstreckt und diese miteinander verbindet, und einen Röhrensatz 54, der sich zwischen Verteilerkopf 42 und Verteilerkopf 48 erstreckt und diese miteinander verbindet. Verteilerkopf 42 umgibt die Längsachse 18 an einer Position nahe dem oberen Ende 30, und die Verteilerköpfe 44, 46 und 48 umgeben die Längsachse 18 an den Positionen nahe dem unteren Ende 34. Die Röhren 50 umfassen zwei Röhrenzeilen, wobei die Röhren jeder Zeile ringförmig angeordnet sind. Gleichermaßen umfassen die Röhren 52 zwei Röhrenzeilen, wobei die Röhren jeder Zeile ringförmig angeordnet sind. Die Röhren 54 umfassen eine Zeile ringförmig angeordneter Röhren. Die Röhren 50, 52 und 54 sind im Wesentlichen vertikal ausgerichtet, so dass sie im Wesentlichen parallel zur Längsachse 18 liegen. Wie aus 1 ersichtlich ist Verteilerkopf 48 zwischen den Röhren 50 und 52 positioniert.
Verteilerkopf 44 weist zwei Einlassöffnungen 56 auf, die um 180° entfernt angeordnet sind, und Verteilerkopf 46 weist gleichermaßen zwei Einlassöffnungen (wobei nur eine teilweise in 1 sichtbar ist) 58 auf, die um 180° entfernt angeordnet sind. Verteilerkopf 48 weist vier Einlassöffnungen (wobei nur zwei davon in 1 sichtbar sind) 60 auf, die um 90° entfernt angeordnet sind. Verteilerkopf 42 weist zwei Auslassöffnungen 62 auf, die um 180° entfernt angeordnet sind. Deshalb fließt das Kühlmittel durch die Röhren 50, 52 und 54 von den Verteilerköpfen 44, 46 und 48 aufwärts zu Verteilerkopf 42. Geeignete Kühlmittel schließen einen Kohlenwasserstoff wie n-Pentan und Wasser ein.
Die Flüssigkeit im Gefäß 12 wird durch Drehen der Flügelräder 38 abwärts getrieben. Die Flüssigkeit fließt zum Boden von Gefäß 12 und kehrt dann um und fließt außerhalb der Flügelräder 38 aufwärts. Die Flüssigkeit fließt zwischen den Verteilerköpfen 44 und 46 und dann in und um Verteilerkopf 48. Dies bewirkt, dass die Flüssigkeit zwischen den Röhren 50 und 52 sowie zwischen den Röhrenzeilen 50 und 52 fließt. Die Flüssigkeit fließt weiter aufwärts zum oberen Teil des Gefäßes 12, wo sie dann als Reaktion auf die Drehung der Flügelräder 38 zurück abwärts fließt. Stagnierte Bereiche werden minimiert und die Flüssigkeitsgeschwindigkeit unter den innen liegenden Röhren maximiert, wodurch ein wie vorstehend erörtertes erwünschtermaßen homogenes Produkt erzeugt wird. Zudem wird die Vermengungszeit durch die Erfindung minimiert.
Unter Bezugnahme auf 2 zeigt diese Ansicht deutlicher die Anordnung der Röhren 40, 52 und 54 und insbesondere die ringförmige Anordnung der Röhren in jeder Röhrenzeile. Die Verteilerköpfe 44, 46 und 48 sind ebenso als in der Gestalt ringförmig ersichtlich.
Unter Bezugnahme auf 3 zeigt diese Ansicht deutlicher die Anordnung der Einlassöffnungen 56, 58 und 60. Andere Anordnungen sind natürlich möglich.
Unter Bezugnahme auf 4 ist die veranschaulichte zweite Ausführungsform in allen Gesichtspunkten der ersten Ausführungsform von 1 ähnlich, außer einem größeren Zwischenverteilerkopf Verteilerkopf 64, und einem zugehörigen Röhrensatz 66, der zwei Röhrenzeilen aufweist, wobei die Röhren jeder Zeile ringförmig angeordnet sind. Dies stellt im Vergleich zur Ausführungsform von 1 einen zusätzlichen Röhrensatz und deshalb in manchen Fällen einen größeren Wärmeaustauscherbereich und effizienteres Kühlen der Flüssigkeit im Gefäß bereit.
Unter Bezugnahme auf die 5 und 6 sind diese Querschnittansichten der Ausführungsform von 4 den 2 und 3 für die Ausführungsform von 1 ähnlich.
Offensichtlich sind angesichts der vorstehenden Lehren viele Modifikationen und Variationen der vorliegenden Erfindung möglich. Zum Beispiel könnte der Zwischenverteilerkopf gemäß breiteren Aspekten der Erfindung weg gelassen werden. Oder der obere Verteilerkopf könnte in mehrere Verteilerköpfe aufgeteilt werden. Schließlich könnte die Kühlmitteleinlassleitung gewechselt werden. Es ist deshalb klar, dass im Umfang der beigefügten Ansprüche die Erfindung anders als spezifisch beschrieben ausgeführt werden kann.

Claims

Reaktor des Typs mit einem Gefäß, einem Rührer zum Rühren der Inhaltsstoffe des Gefäßes und einem Wärmeaustauschersystem im Gefäß, wobei das Wärmeaustauschersystem einen ersten im Wesentlichen ringförmigen Verteilerkopf, der eine Leitung umfasst, einen zweiten im Wesentlichen ringförmigen Verteilerkopf, der eine Leitung umfasst und von dem ersten Verteilerkopf entfernt liegt, einen dritten im Wesentlichen ringförmigen Verteilerkopf, der eine Leitung umfasst und von dem ersten Verteilerkopf entfernt und neben dem zweiten Verteilerkopf liegt, einen ersten Röhrensatz, der sich zwischen dem ersten und zweiten Verteilerkopf erstreckt und diese miteinander verbindet, und einen zweiten Röhrensatz, der sich zwischen dem ersten Verteilerkopf und dem dritten Verteilerkopf erstreckt und diese miteinander verbindet, umfasst.
Reaktor wie in Anspruch 1 ausgeführt, ferner umfassend einen vierten im Wesentlichen ringförmigen Verteilerkopf, der eine Leitung umfasst und zwischen dem ersten Röhrensatz und dem zweiten Röhrensatz positioniert ist und neben dem zweiten und dritten Verteilerkopf liegt, und einen dritten Röhrensatz, der sich zwischen dem ersten Verteilerkopf und dem vierten Verteilerkopf erstreckt und diese miteinander verbindet.
Reaktor gemäß Anspruch 2, wobei das Gefäß eine vertikal ausgerichtete Längsachse, ein oberes Ende und ein unteres Ende aufweist, und wobei der erste Verteilerkopf die Längsachse an einer Position nahe dem oberen Ende umgibt und der zweite, dritte und vierte Verteilerkopf die Längsachse an Positionen nahe dem unteren Ende umgeben, und wobei ferner der erste, zweite und dritte Röhrensatz im Wesentlichen vertikal ausgerichtet sind, so dass sie zur Längsachse im Wesentlichen parallel sind.
Reaktor wie in Anspruch 3 ausgeführt, wobei sich der vierte Verteilerkopf vom und über dem zweiten und dritten Verteilerkopf vertikal abzweigt.
Reaktor wie in Anspruch 4 ausgeführt, wobei der erste Röhrensatz zwei Röhrenzeilen umfasst, wobei die Röhren jeder Zeile ringförmig angeordnet sind, der zweite Röhrensatz zwei Röhrenzeilen umfasst, wobei die Röhren jeder Zeile ringförmig angeordnet sind, und der dritte Röhrensatz eine Zeile von ringförmig angeordneten Röhren umfasst.
Reaktor wie in Anspruch 5 ausgeführt, wobei der dritte Röhrensatz ferner eine zweite Zeile von ringförmig angeordneten Röhren umfasst.
Reaktor wie in Anspruch 6 ausgeführt, wobei der Rührer ein axialer Fließrührer ist.
Reaktor wie in Anspruch 6 ausgeführt, wobei der Rührer ein teilweise axialer Fließrührer ist.
Reaktor wie in Anspruch 7 oder 8 ausgeführt, wobei der Reaktor zur Polymerisation von Styrol und Butadien verwendet wird.
Verwendung eines wie in einem der Ansprüche 1 bis 6 definierten Wärmeaustauschersystems in einem Reaktor des Typs mit einem Gefäß, einem Rührer zum Rühren der Inhaltsstoffe des Gefäßes und dem Wärmeaustauschersystem im Gefäß.