DE7020074U - Vorrichtung fuer mischung und waermeaustausch viskoser stoffe - Google Patents

Description

DIFIi. ING. DIETRICH LEWALD D-8OOO MÜNCHEN 40 FAKNTINWUT BIBNAtTBH 8TBA88B β

TBLBVON BO 60 14

DIP!. IHO. DIITIICII LlWALD · HBHADBH ITB. β · 8000 HÜHCBIK 40

G 70 20 074.7 10. Juli 1978

SNAMPROGETTI S.p.A.
Case 296

BESCHREIBUNG

Vorrichtung für Mischung und Wärmeaustausch viskoser Stoffe

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Durchführung von Vorgängen, bei denen viskose Stoffe einem Wärmeaustausch ausgesetzt und gemischt werden., unter Verwendung eines vertikalen Gefässes mit einem Mantel und horizontale Wärmeaustauscherflächen bildenden Umlenkblechen oder Böden.

In der chemischen Industrie sind hierfür Verfahren 2U nennen, wie sie zur Herstellung von Polymerisate⁷,! in Lösung, Seifen, Fetten und Farben notwendig sind.

Bei solchen Verfahren macht die sehr hohe und anomale Viskosität der Reaktionsgemische die Wärmeübertragung und das Vermischen der Fluide schwierig. Die Notwendigkeit, Wärme zu übertragen und die Reaktionsmasse zu homogenisieren ist ganz besonders wichtig bei Polymerisationsverfahren, wo die Reaktionswärme schnell abgeführt und die Reaktionsmasse kontinuierlich durchmischt werden muß, insbesondere, wenn die Viskosität der Reaktionsmasse sehr hohe Werte erreicht.

POSTSCHECKKONTO MÜNCHEN 190020-800 · BAYEHISCHB HYPOTHEKEN-UND WECHSEL-BANK MÜNCHEN 821OOOOSSO

7020074 30.1178

Typische Polymerisationsreaktionen sind die von Olefinen
und/ oder Diolefinen erlittenen, wodurch Homopolymerisate
oder Mischpolymerisate sehr hohen Molekulargewichtes entsprechend den bekanntcn Verfahren oder Polymerisation in
Masse oder der Polymerisation in Lösung erzeugt werden.

Bei den obengenannten Reaktionen sind gleichförmige stetige
Arbeitsbedingungen erforderlich, um gleichförmige physikalische und chemische Eigenschaften des Polymerisates zu
erhalten.

Es ist daher eine wirksame Durchmischung und die Entfernung
der erzeugten Wärme notwendig.

Es ist bekannt, daß Polymerisate und andere viskose Flüssigkeiten dazu neigen, Verschmutzungen auf den Wärmeaustauscher-

flächen zu bilden und so die Wärmeaustauscherkoeffizienten auf i

\ sehr niedrige Werte zu reduzieren. I

Es sind Verfahren und Vorrichtungen zum Austauschen von S

Wärme im Falle viskoser Lösungen und Abkratzen oder Ab- '

streichen von Wärmeaustauscherflächen bekannt, so daß sich
hohe Wärmeaustauscherkoeffizienten dadurch ergeben, daß die
an den Wandungen haftende Schicht entfernt wird und kontinuierlich neues Fluid in Kontakt mit diesen gebracht wird.

Auch sind Vorrichtungen, die den Wärmeaustausch insbesondere

in Form vertikaler, konzentrischer zylindrischer Kammern be- ₍

günstigen, bekannt, die den Nachteil haben, daß sie keine I

großen Wärmeaustauscherflächen aufweisen. |

Erfindungsgemäß soll nun eine Vorrichtung vorgeschlagen werden,
die in der Lage ist, Polymerisationen oc sr allgemeiner gesagt
chemische Reaktionen mit Reaktionsteilnehmern hoher Viskosität

I 7020074 30.1178 j

] durchzuführen, wobei die Vorrichtung hoher Mischgeschwindigkeiten und hohe Wärmeaustauscherwirkungsgrade ohne die obengenannten Nachteile ermöglicht.

\ Obwohl die Vorrichtung nach der Erfindung brauchbar für

chemische Reaktionen beliebiger Art ist, soll hier nur Bezug auf Reaktionen der Polymerisation in Lösung genommen werden, wobei es sich um die Reaktionen von dem größten Interesse handelt.

Die Vorrichtung nach der Erfindung zeichnet sich aus durch

Ϊ Kratzmesser, die sämtliche Oberflächen der Vorrichtung abkratzen und an Trägerarmen gelagert sind, wobei letzeres an einer sich drehenden in Längsachse der Vorrichtung verlaufenden Welle befestigt sind.

Es ist so möglich, die Homogenisierung der Reaktionslösung in jeder beliebigen Reaktionszone durchzuführen.

Beispielsweise Ausführungsformen der Erfindung sollen nun anhand der beiliegenden Zeichnungen näher erläutert werden. Diese zeigen in

Fig. 1 einen Längsschnitt durch eine erste Ausführungsform; Fig. 2 einen Längsschnitt durch eine weitere Ausführungsform;

und in

den Figuren 3 bis 5 Ausführungsformen von Kratzmessern, wobei die Pfeile die Bewegungsrichtung andeuten.

In Fig. 1 ist mit 1 der Außenmantel bezeichnet, der Einrichtungen für die Zirkulation des Wärmeaustauschermediums aufweist; mit 2 sind die trennenden Umlenkbleche oder Böden bezeichnet, welche Einrichtungen für die Zirkulation der Wärmeaustauschermedien aufweisen; 3 bezeichnet die von einem Motor 4 aus angetriebene Drehwelle.

7020074 30.1178

Die Kratzeranordnungen 5 sind an der Welle 3 befestigt; diese Kratzeranordnungen bestehen bei praktischen Verwirklichungsformen aus einer Reihe von Messer tragenden Armen, von denen nur einer in den Fig. dargestellt ist, wobei diese Kratzeranordnungen mit Messern 6 versehen sind. Die trennenden Umlenkbleche sind mit öffnungen 7 versehen, die nicht auf der gleichen vertikalen Linie liegen, so daß sie eine längere Fluidströmungsbahn innerhalb des Gefässes aufweisen.

Längs der Vertikalwelle wird an den Stellen, wo die Welle in Berührung mit den Umlenkblechen kommt, die Dichtung über geeignete in den Figuren nicht dargestellte Einrichtungen sichergestellt, die dem Fachmann wohl bekannt sind. Mit 8 und 9 sind Fluideinlaß- und Auslaßöffnungen und mit 10 und 11 seitliche Einlaß- und Auslaßöffnungen der Vorrichtung bezeichnet; die Bezugszeichen 12 und 13 stehen für öffnungen für das Wärmeaustauscherfluid.

Fig. 2, in der die Bezugszeichen denen nach Fig. 1 entsprechen, zeigt eine andere Ausführungsform der Vorrichtung nach der Erfindung; diese Vorrichtung umfasst viele übereinander angeordnete gesonderte Sektoren, wo es mittels seitlicher Öffnungen möglich wird, verschiedene Wärmeniveaus in den verschiedenen die Vorrichtung bildenden Sektoren zu erzeugen und zu halten. Diese verschiedenen Sektoren werden fest zusammen mittels Endplatten 14 und Abstützungsgestängen 15 gehalten.

Die obengenannten Ausführungsformen sind nur als vereinfachte schematische Darstellungen anzusehen, dieman logisch mit anderen dem Fachmann bekannten Elementen integriert; es ist tatsächlich möglich, auf den Messerträgerarmen, die in sämtlichen Reaktionszonen angeordnet und an der rotierenden Welle befestigt sind, andere Elemente zu lagern, die das

7020074 30.1178

-S-

Mischen und die Strömung der Resi, < ionslösung in der bevorzugten Richtung erleichtern; es ist ouch möglich, eine unterschiedliche Mischgeschwindigkeit in den verschiedenen Reaktioi sektoreh zu erhalten.

Fig. 3a zeigt ein Kratzmesser, das zum Abkratzen bzw. Abstreichen der Oberseite der Horizontalflächen der Umlenkbleche brauchbar ist; das Kratzen wird durch Druck begünstigt, der durch die Flüssigkeit auf die Messer und durch das Gewicht der Kratzmesser ausgeübt wird.

Fig= 3b zeigt ein Kratzmesser für die Unterseiten der trennenden Umlenkbleche;

Das Kratzen wird durch ein Gegengewicht und durch den von der Flüssigkeit auf die Messer ausgeübten Druck begünstigt.

Die Fig. 4 und 5 zeigen andere Ausführungsformen von Kratzmessern, wo diese Kratzwirkung durch gewisse elastische Systeme wie Federn begünstigt wird, welche diese Kratzwirkung sicherstellen.

Die mittels der Vorrichtung nach der Erfindung erhaltenen Vorteile sind sehr gut entweder vom chemischen oder technologischen Gesichtspunkt aus, insbesondere für den Fall von Polymerisationsreaktionen. Vom chemischen Standpunkt aus stehen die mittels der Vorrichtung nach der Erfindung erhaltenen Vorteile, wenn die Erfindung bei einem chemischen Reaktor angewendet wird, in Verbindung mit der Realisierung von mehr als einer Reaktioiisstufe in einer einzigen Vorrichtung.

Das zur Durchführung einer gegebenen Umsetzung notwendige Reaktionsvolumen wird beachtlich vermindert, wenn man den Einzelstufenreaktor mit einem gewissen Leistungsvermögen betrachtet.

7020074 30.1178

Im Hinblick auf den einstufigen Reaktor wird der Leistungsverbrauch beim Mischen beachtlich reduziert, da beim einstufigen Reaktor die Polymerisatkonzentration längs des Reaktors fast gleich der an der Auslaßöffnung ist und daher entspricht der Leistungsverbrauch beim Mischen derjenigen entsprechend der höchsten Viskosität.

Beim Reaktor nach der Erfindung ist diese höchste Viskosität nur in der letzten Reaktionszone vorhanden und nimmt in Richtung entgegengesetzt zur Strömung der Reaktionsmasse ab.

Schließlich soll darauf hingewiesen werden, daß der Leistungsverbrauch für das korrekte Mischen von mehr als einer partiellen Zone kleiner als der Leistungsverbrauch ist, um ein einziges Volumen zu homogenisieren, welches aus der Summe der Volumina der verschiedenen Zonen resultiert.

Es ist sehr interessant zu beobachten, daß dann, wenn die Vorrichtung nach der Erfindung als Polymerisationsreaktor verwendet wird, die Zone, in der eine größere Wärmemenge erzeugt wird, diejenige ist, in der die Polymerisationskonzentration niedriger ist, nämlich die, bei der geringere Leistung zur Mischung notwendig ist und wo der Wärmeaustausch wirksamer vor sich geht.

Die Polymerisationsreaktionen haben eine Reaktionsgeschwindigkeit proportional zur Monomerkonzentration und die Polymerisationslösungen haben Wärmeaustauscherkoeffizienten, die mit \ zunehmender Konzentration des Polymerisats abnehmen. Ein \ anderer vom chemischen Standpunkt aus beachtlicher Vorteil f ist die Tatsache, daß die besondere Anordnung der Reaktions- { zonen, wie sie in der erfindungsgemäßen Vorrichtung gegeben \ ist, die Möglichkeit eines Beipaß begrenzt und eine Verteilung I der Verweil- oder Beharrungszustandszeit ermöglicht, die ganz | ähnlich wie die bei Stopfenströmung ist, derart, daß eine \ Rückwärtsvermischung verhindert wird.

7020074 30.1178

Au-... :-. des besonderen Betriebs der Vorrichtung nach der Erf- iung wird es möglich, durch Zuführung oder Entnahme an Lv.ischenpunkten über die Vorrichtung genaue Eingriffe an gut definierten Zwischenpunkten des Gefäßes vorzunehmen, so daß der Verfahrensablauf im Gefäß selbst beeinflußt wird.

Vom technischen Standpr^kr. ist einer der relevanteren Vorteile der Vorrichtung nach der Erfindung in der Konstruktion und Wartung zu sehen. Unter Wiederholung des Basiselementes kann die Vorrichtung entsprechend dem vorher mit Bezug auf Fig. 2 erläuterten Schema aufgebaut sein.

Weiter wird aufgrund dieser Tatsache eine beachtliche Einsparung in der Konstruktion der Vorrichtung möglich.

Die Konstruktion von Reaktoren mit einer unterschiedlichen Anzahl von Sektoren und damit unterschiedlichen Reaktionsvolumina macht eine Welle anderer Länge erforderlich, wobei die verbleibenden Sektoren gleiche Gestalt und Größe aufweisen. Ähnliche Vorteile ergeben sich bei der Wartung im Betrieb. Betrachten wir die Betriebsweise der Vorrichtung nach der Erfindung in Anwendung als Wärmeaustauscher mit bekratzten Oberflächen, so soll darauf hingewiesen werden, daß das gesamte Volumen ausgenutzt wird, um die Wärmeaustauscherflächen unterzubringen und auf diese Weise, falls notwendig, ein hohes Verhältnis von Wärmeaustauscherlfächen zu Volumen zu erhalten-

Ein anderer beachtlicher Vorteil hängt mit der Tatsache zusammen, daß in den verschiedenen Wärmeaustauschersektoren Fluide unterschiedlicher Eigenschaften entweder in Zusammensetzung oder Wärmeniveau für den Wärmeaustausch verwendet werden können. Der Wärmeaustausch kann auch durch die Mischgeschwindigkeit geregelt werden. Da schließlich die Wärmeaustauscherflächen meistens horizontal verlaufen, wird die Kratzwirkung bezüglich Vorrichtungen mit vertikalen, zu kratzenden Flächen begünstigt.

7020074 30.1178

Vorrichtungen, die verwendet werden, um den Kontakt der Kratz-Kiesser mit den Wärnieaustauscherf lachen sicherzustellen, sind einfach in der Herstellung und einige werden nur beispielsweise mit Bezug auf die Fig. 3a bis 5 beschrieben.

Insbesondere basiert das in den Fig. 3a und 3b gezeigte Schema auf der folgenden Betriebsweise.

Auch wenn die Welle unbeweglich ist, hält die Schwerkraft die Kratzelemente in Kontakt. Wenn die Welle sich in Bewegung befindet,so lässt sich die durch das Fluid ausgeübte Gegenkraft die Messer besser an der Wandung haften. Da zur Ausnützung dieses Effektes, wenn die Bewegung beginnt, es notwendig wird, daß das gemischte Fluid einen Druck auf die Messer ausübt, liegt der Wert des Winkels CL zwischen 0° and 90°.

Eine unterschiedliche Lösung ist in Fig. 4 wiedergegeben, wo die Messer in Kontakt mit den gekratzten Flächen nicht nur durch den Druckeffekt, sondern auch durch ein elastisches Elemente wie eine Außenfeder gehalten werden. Diese Lösungen bedeuten gegenüber der vorhergehenden den Vorteil, daß keinerlei Scharnier*, oder Verbindungen benutzt werden, die durch klebrige Verschmutzungen blockieren können.

Ein Charakterisitkum des in Fig. 5 gezeigten Schemas ist die Unabhängigkeit der auf die Wandungen drückenden Kraft von dem durch das Fluid auf die Messe ausgeübten Druck.

Diese Lösungen werden nur als nicht-begrenzende Beispiele genannt und haben den Zweck, klar zu machen, daß die Aufrechterhaltung des Kontaktes zwischen Messern und Wänden herbeigeführt werden kann, wenn man die Wirkung der Schwerkraft des durch das Fluid auf die Messer ausgeübten Druckes und der inneren oder äußeren elastischen Elemente ausnutzt.

7020074 30.1178

Die folgenden Beispiele erläutern die Erfindung die Erfindung, ohne sie zu begrenzen. Sie werden anhand der Isopren-Polymerisationsreaktion gegeben.

Beispiel

240 kg/Stunde einer Lösung aus Isopren und Polyisopren in Hexan, die aus einem vorhergehenden Reaktor stammt, werden kontinuierlich einem Reaktor, wie in Fig. 1 gezeigt, mit 190 Liter Fi
geführt.

2
Liter Fassungsvermögen und 3 m Wärmeaustauscherfläche zu-

Der Gehalt an Polyisopren in der oben benannten, in den Reaktor eintretenden Lösung liegt bei 10 %.

Eine Isopren-Polymerisationsreaktion erfolgt innerhalb des Reaktors, so daß die Polyisoprenkonzentration in der austretenden Lösung um 15 % erhöht wird.

Hierbei liegt die Lösungsviskosität bei 800.000 cP, wenn der Geschwindigkeitsgradient 1 see beträgt.

Die Menge an im Reaktor erzeugtem Polyisopren beträgt 12 kg/ Stunde und, da die Polymerisationswärme pro kg erzeugten Polyisoprens bei 250 kcal liegt, beträgt die während der Reaktion erzeugte Wärme 3.000 kcal/Stunde.

Die Lösungstemperatur wird auf 25°C durch Wärmeaustausch mit Wasser von 17⁰C i
Auslaß gehalten.

Wasser von 17⁰C am Einlaß und einer Temperatur von 19°C am

Hieraus ergibt sich ein Wärmeaustauscherkoeffizient zu 143 kcal/Stunde m ⁰C ohne Einbeziehung der während des Mischens erzeugten Wärme.

7020074 30.11.78

Claims (9)

SNAMPROGETTI S.p.A. Mailand, Italien Vorrichtung für Mischung und Wärmeaustausch viskoser Stoffe SCHUTZANSPRÜCHE

1. Vorrichtung zum Mischen viskoser Stoffe untei Wärmeaustausch mit einem vertikalen Gefäß mit Mantel und horizontalen Wärmeaustauscherflächen, die das Gefäß in mehr als einer Zone unterteilen, gekennzeichnet durch diese Oberflächen beaufschlagende Kratzmesser (6), die auf Trägerarmen getragen sind, die an einer sich drehenden, in Längsachse der Vorrichtung verlaufenden Welle (3) befestigt sind.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß auch der vertikale Mantel (1) als Wärme austauscher ausgebildet ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die die Messer (6) tragenden Arme mit die Mischwirkung begünstigenden Elementen versehen sind.

7020074 30.1178

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3,

gekennzeichnet durch nicht vertikal übereinander

angeordnete Öffnungen (7) in den Umlenkblechen oder Böden (2).

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch g e k e η η ζ e i c h ne t , daß die Öffnungen (7) abwechselnd auf dem Umfang und in der Mitte der Vorrichtung vorgesehen sind.

6. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet , daß sich die Öffnungen am Umfang abwechselnd gegenüberstehen.

7. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , daß wenigstens eine durch die Umlenkbleche (2) gebildeten Zonen mit Ein- und Auslaßöffnungen für Materialien ausgestattet sind.

8. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , daß über die seitlichen Öffnungen die Wärmeaustauscherböden oder Umlen^bleche (2) und damit die durch sie begrenzten Zonen mit unterschiedlichen Wärmeaustauscherflüssigkeiten beaufschlagbar sind.

9. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch Übereinanderanordnung ähnlicher Sektoren für die Böden unter Wiederholung des Basiselementes.

7020074 311178