DE69824335T2

DE69824335T2 - Kühlturm

Info

Publication number: DE69824335T2
Application number: DE69824335T
Authority: DE
Inventors: Alan Tat Yan Livingston Cheng; Donald Leonard Norwald DeVack
Original assignee: Praxair Technology Inc
Current assignee: Praxair Technology Inc
Priority date: 1997-03-27
Filing date: 1998-03-25
Publication date: 2005-06-16
Anticipated expiration: 2018-03-26
Also published as: EP0867677B1; DE69824335D1; US5802858A; EP0867677A3; ES2218725T3; EP0867677A2; BR9800963A

Description

Gebiet der Erfindung
Diese Erfindung bezieht sich auf einen Kühlturm, der die Merkmale des Oberbegriffs von Anspruch 1 aufweist. Ein derartiger Turm ist aus DE-C-40 813 bekannt.
Hintergrund der Erfindung
Es bestehen Verfahrensanwendungen, in denen Wärme rasch von einer viskosen Prozessflüssigkeit (wie z. B. einer Lösung, Emulsion oder Suspension) bei Raum- oder bei verringerten Temperaturen abgeführt werden muss. Für hoch exotherme Reaktionen ist es manchmal erforderlich, die Reaktion bei sehr niedrigen Temperaturen durchzuführen, um eine unkontrollierte Reaktion zu verhindern. Zusätzlich ist auch aus Gründen der Selektivität oft ein niedriger Reaktionstemperaturbereich bevorzugt, da die Selektivität für (die Ausbildungsrate der) unerwünschte Nebenprodukte bei niedrigen Temperaturen oft am geringsten ist. Bei diesen niedrigen Temperaturen ist die Wärmeübertragungsantriebskraft verringert, wodurch die Wärmeabführung erschwert wird. Ebenfalls wird eine Wärmeübertragung von viskosen Flüssigkeiten durch die Viskosität der Flüssigkeit behindert. Das Problem einer raschen Wärmeübertragung von Reaktionsgemischen, die sowohl viskos sind wie bei einer niedrigen Temperatur gehalten werden, wird dadurch verschlimmert.
Bei der Verwendung einer konventionellen Wärmeaustauschvorrichtung zum Abführen der Wärme von einer Prozessflüssigkeit muss das Kühlmittel wesentlich kälter als die Flüssigkeit sein, um einen Temperaturgradient bereitzustellen, der für die Wärmeübertragung ausreichend ist. Jegliche Erhöhung der Viskosität der Prozessflüssigkeit während des Verfahrens (z. B. der Reaktion) wird das Problem des Bereitstellens eines ausreichenden Vermischens für eine Wärmeabführung durch das Kühlmittel weiter verkomplizieren. In bestimmten Reaktionstypen kann die Ausbildung unerwünschter Nebenprodukte oder eine unkontrollierte Reaktion auftreten, wenn die Wärmeübertragung nicht ausreichend ist.
Eine Polymerisationsreaktion ist ein Beispiel für eine Anwendung, während derer sich die Viskosität der Prozessflüssigkeit (oder allgemeiner des Reaktionsgemisches) während der Reaktion anhaltend erhöht, beispielsweise von etwa 0,7 cps (centipoise) auf etwa 100.000 cps. In einem konventionellen Polymerisationsverfahren ist üblicherweise die Verwendung eines großen Volumens an Lösungsmittel als ein Verdünnungsmittel notwendig, um die Viskosität der Verfahrenslösung auf einem akzeptabel geringen Pegel zu halten, damit das Verfahren durchgeführt werden und eine akzeptable Wärmeübertragung auftreten kann. Wird kein großes Volumen an Lösungsmittel verwendet, muss die Polymerisationsrate sehr niedrig gehalten werden, damit das nicht reagierte Monomer als ein Verdünnungsmittel des Produkts fungieren kann.
Eine Anzahl an Polymeren und Elastomeren wird durch eine kationische Polymerisation anstatt durch Verfahren mit freien Radikalen oder Koordinationskomplex-Verfahren erzeugt. Einige Verfahren mit freien Radikalen können auf effektive Weise bei Temperaturen durchgeführt werden, die unter Raumtem peratur liegen. Selbst wenn die freien Radikale erzeugt werden können, ist die Rate ihres Vordringens durch das Reaktionsfluid sehr niedrig.
Andererseits kann eine kationische Polymerisation bei einer niedrigen Temperatur rasch voranschreiten und die Lebensdauer der Ionenspezies ist hoch. Daher ist für eine kationische Polymerisationsreaktion die Verweildauer der Prozessflüssigkeit in dem Reaktor wesentlich kürzer und die Reaktorgröße ist wesentlich kleiner als dies der Fall wäre, wenn z. B. ein Polymerisationsverfahren mit freien Radikalen benutzt werden würde. Ein nicht eingrenzendes Beispiel einer kationischen Polymerisationsreaktion, das die beim Stand der Technik bestehenden Wärmeübertragungsprobleme illustriert, ist die Polymerisation von Butylkautschuk unter Verwendung von Aluminiumtrichlorid als ein Katalysator. Die exotherme Reaktion vollzieht sich unmittelbar, solange das Monomer mit dem Katalysator vermischt ist. Die Reaktion wird normalerweise bei einer Temperatur von –65°C durchgeführt, um unkontrollierte Reaktionen zu vermeiden. Es muss ein großes Volumen an Lösungsmittel oder Monomer verwendet werden, das anschließend und nach der Reaktion wiedergewonnen werden muss.
Dementsprechend wäre die Bereitstellung einer Vorrichtung erwünscht und vorteilhaft, die eine hohe Wärmeübertragungsrate trotz der zunehmenden Viskosität einer Flüssigphase wie z. B. eines Reaktionsgemisches aufrechterhalten könnte, um nicht nur die Wärmeübertragungseffizienz zu erhöhen, sondern auch den Bedarf nach Lösungsmittel oder nicht reagiertem Monomer in den obigen und anderen ähnlichen Verfahren zu verringern.
Eine weitere Art von Situation, in der eine rasche Wärmeübertragung erwünscht wäre, tritt außerhalb des Kontexts exothermer Reaktionen und/oder Reaktionen auf, die zu einer Reaktionsmasse oder einer Prozessflüssigkeit mit hoher Viskosität führen. Zum Beispiel kann die durch das Vermischen unterschiedlicher Komponenten erzeugte Wärme auch Probleme verursachen, die eine schnelle Wärmeübertragung erfordern. Wenn zum Beispiel Schwefelsäure zwecks Einstellung des pH-Wertes mit einem wässrigen Strom vermischt wird, kann der Temperaturanstieg von der Wärme des Vermischens die Lösung zum Aufsieden bringen. Während der Verarbeitung einer wesentlichen Zahl an pharmazeutischen Zwischenprodukten ist dieses Problem besonders akut, da der Temperaturanstieg während des Vermischens von Bestandteilen unerwünschte Nebenprodukte erzeugen kann. Um die Mischzeit vernünftig kurz zu halten, ist es erwünscht, die Verfahrensfluidtemperatur so schnell wie möglich abzusenken. Wenn die Reaktion bei sehr kalten Temperaturen wie z. B. bei unter 0°C durchgeführt wird, ist die Bereitstellung einer sehr hohen Wärmeübertragungsrate schwierig.
Der konventionellste Ansatz, der verwendet wird, um das Wärmeabfuhrproblem von verschiedenen Flüssigkeitstypen anzugehen, beteiligt die Verwendung von mechanischen Kühlapparaten, die mit einem bei einer niedrigen Temperatur gehaltenen Wärmeübertragungsfluid versehen sind, das in Kühlschlangen zirkuliert, welche innerhalb des Reaktors installiert sind. Allerdings weist ein typischer mechanischer Kühlapparat unter Verwendung von Freon eine Temperaturgrenze auf, die selten kälter als –100°C sein kann. Zur Bereitstellung einer ausreichenden Wärmeübertragungantriebskraft für bestimmte Anwendungen wie z. B. die schnellen kationischen Polymerisationsreaktionen mittels dieses Ausrüstungstyps muss die Temperatur des Wärmeübertragungsfluids noch niedriger sein und z. B. zwischen –100° und –150°C liegen. Häufig wird Ethylen in einer Kälteanlage vom Dampfrekompressionstyp verwendet, allerdings ist es bei der Vermischung mit Luft explosiv. Daher begrenzt die erforderliche niedrigere Temperatur die Auswahl des Wärmeübertragungsfluids. Und selbst wenn darüber hinaus das Wärmeübertragungsfluid die erwünschte niedrige Temperatur zu erreichen vermag, kann die Kühlrate durch die Größe und Oberfläche des Kühlmantels und der Kühlschlangen begrenzt sein.
Ein alternativ verwendeter Ansatz besteht im direkten Einperlen oder Injizieren von kryogenem Stickstoff in die Prozessflüssigkeit. Für Prozessflüssigkeiten mit niedriger Viskosität vermeidet dies die durch die Oberfläche der Kühloberflächen dargebotene Begrenzung der Kühlrate, da sich die Wärmeübertragung direkt zwischen dem kryogenen Stickstoff und der Prozessflüssigkeit vollzieht. Dabei besteht keine praktische Begrenzung der Temperatur des Wärmeübertragungsfluids, weil kryogener Stickstoff bis zu –185°C kalt sein kann.
Jedoch geht keiner der beim Stand der Technik bestehenden Ansätze die Probleme an, die mit einer Prozessflüssigkeit von hoher Viskosität in Verbindung stehen. Das erste Problem besteht darin, dass die Effizienz der Wärmeübertragung in einer Flüssigkeit mit hoher Viskosität viel niedriger als in einer Flüssigkeit mit einer niedrigen Viskosität ist. Das zweite Problem liegt darin, dass ein Vermischen in großen Mengen in einer viskosen Flüssigkeit schwierig ist, wobei ein inadäquates Vermischen zu warmen und kalten Stellen führt. Das dritte Problem besteht in der Abnahme der Temperaturleitfähigkeit bei einer Zunahme der Viskosität der Flüssigkeit, wodurch eine schnelle starke Abkühlung nahezu unmöglich gemacht wird.
In Systemen vom Stand der Technik, bei denen flüssiger Stickstoff direkt in eine Prozessflüssigkeit mit hoher Viskosität eingebracht wird, ist die Wärmeübertragungseffizienz bzw. die Kühlmittelverwertung sehr schlecht. Wenn die Viskosität des Verfahrensfluids hoch und z. B. höher als 100 cps ist, übersteigt die Oberflächenspannung und die Viskosität des Fluids die Aufplatzenergie der flüssigen Stickstoffblasen. Dies führt zu einer Koaleszierung der Stickstoffblasen zu großen Blasen, welche Wärme aufgrund ihres niedrigeren Verhältnisses von Oberfläche zu Volumen viel weniger effizient übertragen. Ebenso steigen größere Stickstoffblasen durch das Verfahrensfluid rasch auf und werden durch den oberen Teil des Behälters ausgestoßen, was zu inakzeptabel kurzen Wärmeübertragungszeiträumen führt. Infolgedessen ist nicht nur das Ausmaß an Wärmeübertragung von einem kryogenen Fluid zu einer viskosen Flüssigkeit sehr niedrig, sondern zudem fällt die Kühlmittelverwertung schlecht aus.
Flüssiger Stickstoff siedet bei –185°C. Wenn sich ein Wärmeaustausch zwischen dem verdampfenden flüssigen Stickstoff und der umgebenden Prozessflüssigkeit vollzieht, ist ein adäquates Vermischen in großen Mengen erforderlich, um die Temperatur des unterkühlten kryogenen Fluids unmittelbar ansteigen zu lassen. Dies wird normalerweise durch ein Rührwerk in einem Autoklaven bewerkstelligt. Allerdings ist es bekannt, dass die Stoffübergangszahl mit einer zunehmenden Verfahrensfluidviskosität in demjenigen Behälter, in dem das Vermischen stattfindet, abnimmt. Das Ergebnis besteht in einer ungleichförmigen Temperaturverteilung, d. h. in heißen und kalten Stellen. Weiterhin kann eine Umrührung in bestimmten Fällen keine realisierbare Alternative sein, wenn eine ungleichförmige Temperatur (oder sogar eine Temperaturabweichung von nur wenigen Grad von einem erwünschten Einstellwert) große Mengen an unerwünschten Reaktionsnebenprodukten erzeugen kann (z. B. wenn die sich vollziehenden Reaktionen temperaturempfindlich sind).
Eine schnelle starke Abkühlung stellt unabhängig von der Viskosität der Prozessflüssigkeitsbrühe eine Herausforderung dar. Das Einperlen von flüssigem Stickstoff in eine reaktive Prozessflüssigkeit bewerk stelligt keine schnelle starke Abkühlung. Die maximale Menge an flüssigem Stickstoff, der pro Einheit Zeit in ein Volumen an Verfahrensfluid eingebracht werden kann, ist begrenzt. Da flüssiger Stickstoff verdampft, expandiert sein Volumen um mehr als das 700-fache. Eine übermäßig große Stickstoffverdampfung kann das Verfahrensfluid schließlich fluidisieren und sogar alle Inhalte aus dem Reaktor herausblasen.
Zusätzliche Probleme bestehen, wenn sich die Viskosität der Prozessflüssigkeit von einer Reaktion zur anderen hin oder sogar im Verlauf einer einzigen Reaktion ändert. Beim Stand der Technik bestehende Systeme können zwar auf eine Gruppe von Reaktionsbedingungen hin optimiert werden, aber sie verfügen nicht über die Flexibilität, sich an eine neue Gruppe von Bedingungen anzupassen.
Als letztes können die Preise für flüssigen Stickstoff von Ort zu Ort variieren. Für Herstellungsverfahren in großem Maßstab ist flüssiger Stickstoff häufig nicht ökonomisch. Die mit einer Verwendung von flüssigem Stickstoff assoziierten hauptsächlichen Kostenkomponenten bestehen in den Kosten für die Kompression zur Verflüssigung von Stickstoff und in den Verteilungskosten. Zur Verringerung der Kosten für die Kompression kann flüssiger Stickstoff durch ein kryogenes Kaltgas wie z. B. Stickstoffgas ersetzt werden, das in einem geringeren Ausmaß verdichtet worden ist, d. h. ohne die Verflüssigungstemperatur zu erreichen, aber für die Wärmeübertragung ausreichend kalt ist. Die Kosten für die Kompression können somit in den meisten Fällen wesentlich verringert werden. Die Kosten für kryogenes Kaltgas können weniger als die Hälfte der Kosten für flüssigen Stickstoff ausmachen. Allerdings führt eine derartige Verwendung des ökonomischeren kryogenen Kaltgases in den Systemen vom Stand der Technik zu anderen Nachteilen, da ein kryogenes Kaltgas das mindestens doppelte Volumen im Vergleich zu dem (verdampften) flüssigen Stickstoff aufweist. Dies führt zusammen mit der verringerten Wärmeübertragungskapazität rasch zu einer Fluidisierung der Prozessflüssigkeit. Daher können Systeme vom Stand der Technik keinen ökonomischen Nutzen aus der Verwendung von kryogenem Kaltgas ziehen.
Aufgaben der Erfindung
Daher besteht eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung in der Bereitstellung eines Kühlturms mit einer gesteigerten Wärmeaustauscheffizienz, der einen Wärmeaustausch für Fluide mit unterschiedlichen oder gar variablen Viskositäten, die von niedrig bis hoch reichen, bewerkstelligen kann.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird diese Aufgabe durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Bestimmte Ausführungsformen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen definiert.
Kurze Beschreibung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung ist ein Kühlturm gemäß Anspruch 1, dessen Oberbegriff auf DE-C-40 813 beruht. Im einzelnen bezieht sich die vorliegende Erfindung auf eine Vorrichtung zum Abkühlen von Prozessflüssigkeiten, die, ohne sich darauf zu begrenzen, Prozessflüssigkeiten mit einer hohen Viskosität sowie solche Flüssigkeiten einschließt, deren Viskosität sich während eines Reaktionsverfahrens verändert. Die Erfindung verwendet einen Kühlturm mit einer Mehrzahl von Platten, die übereinander gestapelt und jeweils unter einem einstellbaren Winkel relativ zu der senkrechten Achse nach unten geneigt sind, wobei die Neigung jeder Platte in der entgegengesetzten Richtung zu den unmittelbar benachbarten Platten ausfällt. Die Prozessflüssigkeit wird in den Turm eingeleitet und fällt in Kaskaden nach unten in einem Weg von einer Platte zu der nächsttieferen Platte im wesentlichen durch die Höhe des Turms hinab. Ein kryogenes Kühlmittel, d. h. eine Flüssigkeit oder ein Kaltgas, wird ebenfalls in den Turm eingespeist.
Die Prozessflüssigkeit wird zu dünnen Schichten geschert, die auf den geneigten Platten fließen. Dies erhöht die Kontaktoberfläche, d. h. die Kontaktoberfläche der Prozessflüssigkeit, die für die Wärmeübertragung mit dem kryogenen Fluid oder kryogenen Kaltgas verfügbar ist, und es steigert die Wärmeaustauscheffizienz. Die Gas-Flüssigkeits-Kontaktzeit des Verfahrensfluids für die Wärmeübertragung kann durch ein Einstellen des Neigungswinkels der Platten gesteuert werden. Daher kann die Vorrichtung zur Durchführung eines effizienten Wärmeaustauschs für Flüssigkeiten unterschiedlicher Typen und Viskositäten und sogar für Verfahrensfluide verwendet werden, deren Viskosität sich während eines jeweiligen Verfahrens verändert wie z. B. für ein Reaktionsgemisch.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 ist eine Ansicht des Turms und Kühlsystems in schematischer Form;
2 ist eine Aufsicht auf eine der Platten;
2A ist eine Seitenansicht der Platte aus 2; und
3 ist eine Ansicht einer weiteren Ausführungsform des Kühlturms.
Ausführliche Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform
Wie hier verwendet beziehen sich die Begriffe "Prozessflüssigkeit" oder "zu verarbeitende Flüssigkeit" ohne Einschränkung auf jede flüssige Substanz, Lösung, Suspension, Aufschlämmung, Emulsion oder Brühe oder auf ein anderes Reaktionsgemisch, das eine Flüssigphase aufweist, die/das eine Wärmeübertragung erfordern.
Auf 1 Bezug nehmend ist ein Kühlturm 10 ein Reaktor oder eine andere Flüssigkeiten verarbeitende Kammer mit einer geeigneten Größe je nach Wunsch, der/die einen abgeschlossenen oberen Teil 12 und einen unteren Teil 14 mit generell konischer Form und einem Auslass 16 für das abgeschreckte Fluid aufweist. Vorzugsweise ist ein Fenster 19 vorgesehen, durch welches das Innere des Turms sichtbar ist. Der Turm 10 kann aus jedem geeigneten Werkstoff bestehen, der kompatibel zu den Gehalten der Prozessflüssigkeiten ausfällt, die in dem Wärmeaustauschverfahren beteiligt sind. Auf Wunsch kann die Innenwand des Turms mit einem nicht reaktiven Material ausgekleidet werden. Ebenfalls kann eine geeignete Isolierung um die Außenseite des Turms herum vorgesehen werden.
Die zu verarbeitende Flüssigkeit wird von einer geeigneten Quelle, beispielsweise von einer Pumpe 20, über eine Leitung 22 zu einem Einlass 24 im oberen Teil 12 des Turms zugeführt, durch welchen die zu verarbeitende Flüssigkeit in den Turm eingespeist wird. Dort liegt vorzugsweise ein Sprühverteilerkopf 26 vor, um die zu verarbeitende Flüssigkeit in dem Inneren des Turms gleichmäßiger zu verteilen.
Eine Mehrzahl von Platten 40 ist auf einer Stützstangen- und Führungsbaugruppe 46 montiert und erstreckt sich unter einem relativ zu der senkrechten Achse des Turms nach unten weisenden Winkel. Erwünschterweise sind die Platten 40 im wesentlichen alle von der gleichen Konstruktion und werden übereinander gestapelt, wobei sich der Neigungswinkel in entgegengesetzten Richtungen abwechselt. Mit anderen Worten liegt das Ende jeder nachstehend beschriebenen unteren Platte über dem höheren Ende der nächsttieferen Platte. Jede Platte 40 erstreckt sich nur teilweise in das Innere des Turms hinein und die Platten sind teilweise versetzt angeordnet, sodass der Film der zu verarbeitenden Flüssigkeit, die in den oberen Teil des Turms eingespeist wird, über eine Platte fließen und von ihrem vorderen Ende auf das hintere Ende der nächsttieferen Platte tropfen kann. Die Baugruppe 46 ermöglicht es, dass der Winkel der Platten gruppenweise eingestellt werden kann. Die Platten 40 werden aus einem geeigneten Material wie z. B. Kunststoff oder Metall gemäß den Erfordernissen der Inhalte des Turms hinsichtlich Temperatur und Nichtreaktivität angefertigt.
Die 2 und 2A zeigen die Einzelheiten einer Platte 40, die für einen Turm mit einem kreisförmigen Inneren aufgebaut ist. Jede der Platten weist im wesentlichen die gleiche Konstruktion auf. Die Platte 40 besteht aus einer generell kreisförmigen Form mit einem ausgeschnittenen Sektor 41, der das offene untere Ende bereitstellt, von dem die Prozessflüssigkeit von einer Platte zu der nächsttieferen Platte herunter tropft, wenn sie sich in dem Turm befindet. Die Platte weist ein zentrales Loch 47 auf, durch das eine Leitung für das Kühlgas verläuft, was nachstehend beschrieben werden wird.
Ebenfalls weist die Platte eine Mehrzahl von Löchern 49 auf, deren Anzahl illustrationshalber vier beträgt. Durch diese Löcher verlaufen die Stangen für die Stütz- und Einstellbaugruppe 46. Indem die Stangen der Baugruppe 46 bewegt werden, wird der Neigungswinkel der Platten gruppenweise eingestellt. Um dies zu bewerkstelligen, kann zum Beispiel ein Flügel eines Scharniers an einer Stange der benachbart zu einem Loch 49 angeordneten Baugruppe und der andere Scharnierflügel kann an der unteren Oberfläche der entsprechenden Platte befestigt werden. Es kann jede andere geeignete und zum Beispiel eine solche Anordnung bereitgestellt werden, bei der die Neigung jeder Platte individuell eingestellt werden kann.
Die Oberseite jeder Platte weist einen zentralen Abschnitt aus einer Mehrzahl von parallelen Nuten 42 auf, die durch eine spanende oder ätzende Formgebung ausgebildet sind. Die Nuten 42 erstrecken sich über die Platte hinweg in derjenigen Richtung, in der die Strömung der Flüssigkeit über die Platte und von ihrem unteren Ende 41 hinunter erwünscht ist. Anschließend tropft die Flüssigkeit auf den rückwärtigen Teil der nächsttieferen Platte in dem Turm hinunter. An jeder Seite des zentralen Abschnitts, der die Nuten 42 aufweist, befindet sich ein Abschnitt, der über Nuten 43 verfügt, die im allgemeinen quer zu den Nuten 42 liegen. Die Enden der Quernuten 43 kommunizieren mit den Nuten 42, um Flüssigkeit von den Nuten 43 zu den Nuten 42 des zentralen Abschnitts zu befördern. Diese Konfiguration führt dazu, dass die Flüssigkeit von dem zentralen Abschnitt einer Platte zu der nächsttieferen Platte geführt wird, wobei vermieden wird, dass die Flüssigkeit von der Seite einer Platte hinabfließt. Als eine Alternative zu dem in 2 dargestellten Nutenmuster können die Nuten 43 in einem fächerförmigen Muster ausgeschnitten werden, wobei der "Ursprung" des Fächers an dem Mittelpunkt der Platte liegt. In dem Falle eines (nicht dargestellten) rechteckigen Tanks würden rechteckige Platten verwendet werden und die Nuten 42 würden sich in der Richtung der Plattenneigung erstrecken. Für den Fachmann ergeben sich dabei weitere Anordnungen von Nuten auf der Platte.
Eine vertikal nach oben abstehende Ablenkplatte 48 ist an dem Rand des rückwärtigen Teils der Platte (d. h. an demjenigen Teil, der am nächsten zu der Innenwand des Turms liegt) bereitgestellt, um Flüssigkeit davon abzuhalten, Kanäle an der Seitenwand des Turms auszubilden, wenn die Flüssigkeit von einer Platte zu der nächsttieferen Platte strömt.
Der Zweck jeder Platte 40 und ihrer Nuten 42 und 43 besteht darin, die zu verarbeitende Flüssigkeit (insbesondere wenn die Flüssigkeit viskos ist) in einem Film über die Plattenoberseite zu dispergieren und die Flüssigkeit dispergiert zu halten, wenn sie von einer Platte zu der nächsttieferen Platte strömt. Das heißt, die Nuten richten die Strömung der Flüssigkeit aus. Auf Grund der Oberflächenspannung fließt die Flüssigkeit nicht in einem gleichförmigen Film bzw. einer Schicht an einer unter einem Winkel angeordneten glatten Platte hinunter. Für höher viskose Flüssigkeiten werden die Nuten 42 und 43 vorzugsweise breiter und flacher und für weniger viskose Flüssigkeiten werden sie enger und tiefer gemacht. Die Abmessungen der Nuten sind so ausgewählt, dass der Film der viskosen Flüssigkeit so dünn wie möglich ausfällt. Tiefere Nuten führen zu einem dickeren Film und verringern die Wärmeübertragungseffizienz.
Die Hauptzufuhr von Kühlmittel (zum Beispiel flüssiger Stickstoff) vollzieht sich in der beschriebenen Ausführungsform aus einer konventionellen Quelle 30 mit üblichen Steuerventilen 31 durch eine Leitung 32. Der flüssige Stickstoff strömt durch das Zentralrohr eines doppelwandigen Übertragungsrohrs 34 und wird durch eine Hauptdüse 35 (die von jedem geeigneten konventionellen Typ sein kann) in den unteren Teil des Kühlturms eingebracht. Ein Temperaturüberwachungssensor 39 ist in der aufgesammelten gekühlten Flüssigkeit an dem unteren Teil des Turms angeordnet.
Die Injektionsstelle des flüssigen Stickstoffs ist vorzugsweise unmittelbar unter der Oberfläche 38 der aufgesammelten gekühlten Prozessflüssigkeit vorgesehen. Dies ist erwünscht, da die Wärmekapazität der Prozessflüssigkeit viel höher als die Dampfphase innerhalb des Kühlturms ist, die typischerweise aus organischem Dampf und/oder Wasser und dem verdampften Stickstoffgas bestehen kann. Darüber hinaus hält das turbulente Vermischen des flüssigen Stickstoffs und einer Flüssigkeit mit hoher Wärmekapazität die Injektionsdüse 35 für flüssigen Stickstoff davon ab, sich mit Eis zuzusetzen. Der eingebrachte flüssige Stickstoff strömt durch die gekühlte Prozessflüssigkeit in dem Tankboden nach oben, verdampft und zirkuliert durch das Innere des Turms, worin er mit der Prozessflüssigkeit auf den Platten 40 in Kontakt kommt und diese abkühlt. Die Wärmeaustauscheffizienz wird durch Blasengrößen, die während der Reaktion erzeugt werden, nicht begrenzt. Der Kontaktzeitraum zwischen der zu verarbeitenden Flüssigkeit und dem Kühlmittel hängt von der Menge von kryogenem Fluid oder Kaltgas in dem Turm ab, nicht aber von der Geschwindigkeit von Blasen, die durch eine Flüssigkeit aufsteigen.
Ein Abschirmgas, das in der beschriebenen Ausführungsform ein Stickstoffgas bei Raumtemperatur ist, wird aus einer geeigneten Quelle durch eine Leitung 50 zu dem äußeren Rohr des doppelwandigen Übertragungsrohrs 34 für flüssigen Stickstoff zugeführt. Das Stickstoffabschirmgas hält die Temperatur der Düse 35 über dem Gefrierpunkt der Prozessflüssigkeit.
Aus einer geeigneten Quelle stammendes Hilfstickstoffgas wird über eine Leitung 52 zu dem Zentralrohr des doppelwandigen Übertragungsrohrs 34 geführt, um den Druck innerhalb der Düse 35 aufrechtzuerhalten. Der Druck des aus der Leitung 52 stammenden Hilfstickstoffgases wird so voreingestellt, das er geringer als derjenige der Hauptzufuhr von flüssigem Stickstoff in der Leitung 32 ist. Wenn der flüssige Stickstoff aus der Hauptquelle 30 abgeschaltet oder sein Druck verringert wird, beginnt das aus der Leitung 52 kommende Hilfsgas mit dem niedriger voreingestellten Druckpegel zu fließen. Dies hält die zu verarbeitende Flüssigkeit davon ab, in die Düse 35 einzutreten. Da flüssiger Stickstoff bei –195°C siedet, bleibt die Innenseite der Düse 35 selbst dann äußerst kalt, wenn die Zufuhr 30 für den flüssigen Stickstoff geschlossen wird. Das Hilfsgas verhindert es, dass irgendein Verfahrensfluid in die Düse 35 eintritt und diese sofort einfriert und verstopft.
Wie gezeigt sind Injektionsanschlüsse 60 entlang der Seitenwand des Turms montiert und zu ihnen wird flüssiger Stickstoff aus einer Quelle 62 zugeführt. Die Anschlüsse 60 sind optional. Jeder Anschluss 60 hat vorzugsweise eine Düse mit einer sehr kleinen Öffnung, um eine feine divergierende kegelförmige Besprühung mit flüssigem Stickstoff bereitzustellen. Die Durchflussrate der Düsen der Anschlüsse 60 ist im Vergleich zu derjenigen der Hauptdüse 35 an der Unterseite des Tanks relativ klein, da die verdampfte organische oder wasserhaltige Feuchtigkeit in dem Turm eine viel höhere Tendenz aufweist, an einem frei liegenden Anschluss 60 als an der in der Flüssigkeit untergetauchten Hauptdüse 35 anzufrieren. Somit sind die Seitenanschlüsse 60 optional und werden üblicherweise nicht verwendet, ausgenommen, dass eine sehr hohe Kühlrate erforderlich ist (wie z. B. in bestimmten Anwendungen mit schneller starker Abkühlung).
Im Betrieb des Turms wird die Prozessflüssigkeit von der Quelle 20 zugeführt und in den oberen Teil des Turms durch die Düse 26 auf die nach unten geneigte oberste Platte 40 in dem Turm eingebracht. Die Flüssigkeit fließt über diese Platte zu ihrem vorderen (d. h. unteren) Ende hin, über dieses hinaus und fällt auf die nächsttiefere Platte hinab. Diese nach unten weisende Strömung wird durch die Höhe des Turms von Platte zu Platte fortgeführt. Jede Platte 40 schert die Flüssigkeit, die sie aufnimmt, und breitet sie in einer dünnen Lage bzw. einem dünnen Film aus, um eine große Oberfläche für die Wärmeübertragung mit dem Kühlgas (verdampfter flüssiger Stickstoff) zu erzeugen, das innerhalb des Turms zirkuliert. Die Flüssigkeit tropft von der untersten Platte 40 in den unteren Teil des Turms, nachdem sie während ihres Durchlaufs nach unten von Platte zu Platte abgekühlt worden ist. Die gesammelte abgeschreckte Flüssigkeit wird durch den Auslass 16 abgezogen.
Wie sich verstehen sollte, weist die Prozessflüssigkeit im Vergleich zu einem geraden Durchgang eine lange Verweildauer in dem Turm auf, wenn sie sich von Platte zu Platte bewegt. Ebenfalls wird die Flüssigkeit über den Oberflächen der Platten ausgebreitet, um eine große Oberfläche auszubilden, die mit der Kühlflüssigkeit interagiert. Beide Faktoren erhöhen die Kühleffizienz des Systems.
Der Winkel der Platten kann vor dem Beginn des Verfahrens voreingestellt oder während des Verfahrens angepasst werden. Das heißt, der Neigungswinkel der Platten 40 wird gemäß der Viskosität der zu kühlenden Flüssigkeit und/oder der erwünschten Verweildauer eingestellt (obgleich, wie wohlbekannt ist, die Verweildauer auch durch die Durchflussrate und Anzahl an bereitgestellten Platten 40 gesteuert werden kann). Die geneigten Platten bestimmen jedoch prinzipiell die Verweildauer der Prozessflüssigkeit innerhalb des Turms. Wenn der Neigungswinkel nicht steil genug ausfällt, verbleibt eine viskose Flüssigkeit auf den Platten und blockiert schließlich den Durchfluss des verdampften Stickstoffs. Ist der Winkel hingegen zu steil, verfügt die Prozessflüssigkeit nicht über ausreichend Zeit zur Ausübung der Wärmeübertragung. Die Platten 40 ermöglichen dem System die Kompensierung der nachteiligen Auswirkung einer hohen Viskosität auf die Wärmeübertragung, indem der Winkel der Plattenneigung weniger steil gemacht wird, wodurch die Verweildauer des Flüssigkeitsfilms auf jeder Platte erhöht wird. Ebenso kann in denjenigen Fällen, in denen sich die Viskosität der Flüssigkeit während des Zeitraums, in der die Flüssigkeit in dem Turm ist, erhöht (oder verringert), der Neigungswinkel der Platten 40 progressiv variiert werden, um sich an die verändernde Viskosität anzupassen.
Damit der Turm mit einer hoch viskosen Flüssigkeit geeignet betrieben werden kann, muss das Kühlmittel die Oberfläche der Flüssigkeit überstreichen können, aber darf diese nicht durchperlen. Wenn das Kühlmittel durch das Verfahrensfluid perlt, kann das Aufschäumen für eine viskose Flüssigkeit übermäßig ausfallen. Ein Aufschäumen ist unerwünscht, da es den Turm flutet und das Verfahrensfluid durch das verdampfende Kühlmittel aus dem Turm heraus geblasen werden kann. Daher sollten in Stoffaustauschtürmen verwendete konventionelle Auffang- und Glockenböden nicht benutzt werden, weil eine viskose Flüssigkeit zu lange auf horizontal angeordneten flachen Oberflächen verbleibt. Der kryogene Kühlturm der Erfindung weist keine derartigen flachen Oberflächen oder Durchperlsiebe auf. Somit ist er zum Kühlen viskoser Lösungen und Reaktionsmittelgemische besonders geeignet.
Wenn flüssiger Stickstoff als das Kühlfluid verwendet wird, verdampft er und das Volumen nimmt um mehr als das 700-fache zu. Der Abstand zwischen den Platten 40 wird ausreichend groß gemacht, damit ein großes Gasvolumen zwischen den Platten durchströmen kann. Eine Einstellung des Abstands zwischen den Platten kann ebenfalls eine Anpassung an einen sich verändernden Kühlratenbedarf von einer sehr langsamen zu einer schnellen Abkühlung bewerkstelligen, was zu einer großen Veränderung der volumetrischen Durchflussrate an verdampftem Stickstoff führt (d. h. die Platten dienen auch dazu, den Kühlgasstrom "abzulenken").
Die folgenden Beispiele illustrieren die Effizienz eines kryogenen Kühlturms, der aus rostfreiem Stahl angefertigt wurde und folgende Abmessungen aufweist: Durchmesser 60 cm (2 Fuß), Höhe 3 m (10 Fuß). Der Turm verfügt über 18 Platten 40 aus TEFLON, wobei die Nuten 42 und 43 6,35 mm (1/4 inch) tief sind und flüssiger Stickstoff als Kühlmittel benutzt wird:
Beispiel 1
Beispiel 2
Beispiel 3
Jedes der obigen Beispiele zeigt, dass der kryogene Kühlturm bei der Überführung der Wärme von der Prozessflüssigkeit zu dem flüssigen Stickstoff sehr effektiv ist. Dies wird durch den sehr großen Temperaturabfall für die Prozessflüssigkeit durch die niedrige Verfahrenstemperaturdifferenz gezeigt, d. h. der Temperaturdifferenz zwischen der eintretenden Prozessflüssigkeit und dem ausgestoßenen verdampften Stickstoff. Die Verfahrenstemperaturdifferenz beträgt weniger als 10°C.
Der kryogene Kühlturm ist nicht nur ein Wärmeübertragungssystem, sondern kann weiterhin auch ein Reaktor sein. 3 stellt eine derartige Anordnung dar, in der für die gleichen Komponenten wie in 1 dargestellt die gleichen Bezugszeichen verwendet werden.
In der Vorrichtung von 3 wird eine Schneckenfördereinrichtung 70, die an ihrem unteren Ende eine Rührwerkschaufel 71 aufweist, in der Mitte des Kühlturms installiert und durch die Ausgangswelle 73 eines Motors 72 angetrieben. Die Schneckenfördereinrichtung 70 erstreckt sich durch zentrale Löcher in jeder der Platten 40 und kann hochviskose Flüssigkeiten handhaben. Die die Flüssigkeit zur Reaktion bringende Lösung, die verarbeitet werden soll, wird zu der Unterseite der Schneckenfördereinrichtung geführt. Das Kühlmittel ist hier der Illustration halber flüssiger Stickstoff oder eine andere kryogene Flüssigkeit bzw. ein Gas, das aus einem (nicht dargestellten) Generator durch eine Leitung 74 einer innerhalb des Turms angeordneten Düse 76 zugeführt wird. Die Düse 76 ist über dem oberen Pegel 38 der Oberfläche der gekühlten Flüssigkeit angeordnet, die sich an dem unteren Teil des Turms ansammelt.
Die viskose Prozessflüssigkeit wird nach oben durch die Schneckenfördereinrichtung 70 zu dem oberen Teil des Turms befördert und auf der obersten geneigten Platte 40 abgeschieden. Wie mit Bezug auf das System von 1 beschrieben fließt die Prozessflüssigkeit in dem Turm von Platte zu Platte nach unten, breitet sich auf jeder der Platten 40 in einem dünnen Film aus und wird mit dem Kühlgas in Kontakt gebracht, damit sich die Wärmeübertragung vollziehen kann. Der Auslass 16 an dem unteren Teil des Turms kann verschlossen werden, sodass die abgeschreckte Flüssigkeit, die zu dem unteren Teil des Turms fließt, sich erneut mit der reagierenden Prozessflüssigkeitsbrühe vermischt, um den Zyklus solange fortzuführen, bis die erwünschte Temperatur für die Prozessflüssigkeit bewerkstelligt worden ist.
3 stellt ebenfalls den Umstand dar, dass das kryogene Kaltgas direkt in den Raum zwischen der untersten geneigten Platte 40 und der oberen Oberfläche der Prozessflüssigkeit eingebracht wird. Dies kann erfolgen, da die Wärmeübertragung an dem geneigten Plattenabschnitt wesentlich effizienter als in dem Flüssigkeitspool an dem unteren Teil des Turms ist. Darüber hinaus würde kryogenes Kaltgas weniger Wärmekapazität von der Umgebung erfordern, um das Kühlmittel unmittelbar nach der Injektion aufzusaugen. Das heißt, flüssiger Stickstoff, der bei –193°C eine kryogene Flüssigkeit ist, setzt seine gesamte latente Verdampfungswärme frei, wenn er mit dem Verfahrensfluid in Kontakt kommt. Die latente Verdampfungswärme kann größer als die gesamte sensible Wärme sein. Somit muss eine große Menge an Verfahrensfluid verfügbar sein, um die Kälte zu absorbieren. Andernfalls tritt eine Vereisung auf. Kryogenes Kaltgas kann andererseits nur 5 bis 10 Grad unter der erwünschten Verfahrenstemperatur und über dem Gefrierpunkt des Verfahrensfluids betrieben werden. Somit stellt die Vereisung nicht länger ein Problem dar. Die kryogene Flüssigkeit wird bevorzugt unterhalb der Flüssigkeitsoberfläche eingebracht, wie dies z. B. in 1 dargestellt ist. Es ist bevorzugt, dass kryogenes Kaltgas oberhalb der Flüssigkeitsoberfläche wie z. B. in 3 eingebracht wird, obgleich es sowohl ober- wie unterhalb der Flüssigkeitsoberfläche zugeführt werden kann.
Andere Typen von festen Böden oder Packung können statt der geneigten Platten für ein schnelles Abschrecken einer Lösung verwendet werden. Allerdings sind sie bei der Handhabung von viskoser Flüssigkeit nicht so effizient, da ein fester Boden oder Packung keine Veränderung der Verweildauer ermöglicht, mit der die Flüssigkeit durch den Turm hinunter fließt. Die Flutung ist ein allgemeines Phänomen, das auftritt, wenn eine viskose Flüssigkeit nicht schnell genug durch den Turm fließt. Andererseits fällt die Wärmeübertragung inadäquat aus, wenn die Flüssigkeit zu schnell herunterfließt.
Der Kühlturm der Erfindung kann ein viel höheres Verhältnis von Gas zu Prozessflüssigkeit als die konventionelle Kühlausrüstung handhaben. Die Flüssigkeitsdurchflussrate durch den Turm kann sehr niedrig gemacht werden, während ein größeres Volumen an kryogenem Kaltgas in den Turm eingebracht wird. Höhere Gasvolumina können verwendet werden, indem der Abstand zwischen den geneigten Platten eingestellt (erhöht) wird. Auf Grund dieser Fähigkeit können vor Ort erzeugter kryogener flüssiger Stickstoff oder kryogenes Stickstoffgas (oder eine andere kryogene Flüssigkeit bzw. ein Gas) anstelle von zugeführtem flüssigem Stickstoff verwendet werden. Ohne den Stickstoff vollständig zu einem flüssigen Zustand kondensieren zu müssen, können die Kosten für die Kühlenergie wesentlich verringert werden. Weiterhin kann Energie für die Verdichtung eingespart werden, indem das kryogene Kaltgas bei noch höheren Temperaturen zugeführt wird. Allerdings muss das Volumen an durch das System strömendem Gas dementsprechend erhöht werden, das durch diesen kryogenen Kühlturm bearbeitet werden kann. Somit kann der Kühlturm der Erfindung einen Vorteil aus dem ökonomischeren, vor Ort erzeugten kryogenen Kaltgas für die viskose Flüssigkeit ziehen. Ebenfalls kann der Turm der Erfindung zum Erwärmen eines Reaktionsmittelsgemisches oder einer anderen Prozessflüssigkeit benutzt werden, indem ein Heizgasmedium anstelle eines kryogenen Mediums verwendet wird.

Claims

Kühlturm für einen Wärmeaustausch für eine zu verarbeitende Flüssigkeit, versehen mit: einem Turm (10); einem Einlass (24) zum Einbringen eines Kühlmittels in das Innere des Turms; und einer Mehrzahl von Platten (40) innerhalb des Turms, die in vertikalem Abstand über einander gestapelt sind, die unter einem Winkel mit Bezug auf die vertikale Achse des Turms nach unten alternierend in entgegen gesetzten Richtungen geneigt sind, wobei eine Platte an ihrer Oberseite die zu verarbeitende Flüssigkeit und die zu verarbeitende Flüssigkeit darauf als Film verteilt, wobei die zu verarbeitende Flüssigkeit über eine Platte läuft und von einer Platte zu der Oberseite einer weiter unten liegenden Platte tropft, um auf dieser einen Film zu bilden, wobei das Kühlgas mit den Filmen der zu verarbeitenden Flüssigkeit auf den Platten zwecks Wärmeaustausch in Kontakt tritt und wobei die gekühlte Flüssigkeit sich im unteren Teil des Turms sammelt; dadurch gekennzeichnet, dass die Oberseite einer Platte (40) eine Mehrzahl von Nuten (42, 43) aufweist, um das Ausbreiten des Films der zu verarbeitenden Flüssigkeit über diese zu unterstützen, wobei eine erste Gruppe der Mehrzahl von Nuten (42) in der nach unten weisenden Neigungsrichtung der Platte ausgerichtet sind und sich zu dem vorderen Teil der Platte erstrecken, von welcher die zu verarbeitende Flüssigkeit abströmt, um auf die nächsttiefere Platte zu tropfen, und wobei eine zweite Gruppe der Mehrzahl von Nuten (43) unter einem Winkel zu der ersten Gruppe der Mehrzahl von Nuten verläuft und mit dieser kommuniziert.
Kühlturm nach Anspruch 1, ferner versehen mit einer nach oben abstehenden Ablenkplatte (48) an dem Teil der Platte (40), der jenem gegenüber liegt, von welchem die Flüssigkeit von der Platte heruntertropft.
Kühlturm nach Anspruch 1 oder 2, ferner versehen mit einer Baugruppe (46), an der die Platten (40) montiert sind, um den Neigungswinkel der Platten sowie den Abstand zwischen den Platten einzustellen.
Kühlturm nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem die zu verarbeitende Flüssigkeit in den Turm (10) von einem Einlass (24) im oberen Teil (12) des Turms eingebracht wird.
Kühlturm nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner versehen mit einer Fördereinrichtung (70) in den Turm (10), um die zu verarbeitende Flüssigkeit nach oben zu fördern, um diese auf eine in dem Turm weiter oben liegende Platte zu befördern.
Kühlturm nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem das Kühlmittel flüssiger Stickstoff ist und in die in dem unteren Teil des Turms angesammelte Flüssigkeit eingebracht wird.
Kühlturm nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem das Kühlmittel ein Kühlgas ist, welches in dem Turm (10) an einer Stelle oberhalb der sich in dem unteren Teil des Turms angesammelten Flüssigkeit eingebracht wird.