EP1282735B1

EP1282735B1 - Modulares Fluidleitungsstück mit Innentemperierung

Info

Publication number: EP1282735B1
Application number: EP01947227A
Authority: EP
Inventors: Stefan Zikeli; Friedrich Ecker
Original assignee: ZiAG Plant Engineering GmbH
Current assignee: LL Plant Engineering AG
Priority date: 2000-05-18
Filing date: 2001-04-17
Publication date: 2006-06-14
Anticipated expiration: 2021-04-17
Also published as: KR100488292B1; NO321179B1; MY131221A; TWM247759U; EA200201200A1; US6997249B2; NO20025484D0; KR20030004412A; WO2001088232A1; US20040108103A1; CN1429286A; AU6897201A; CN1289724C; EA003975B1; ZA200208676B; DE10024540A1; CA2407162A1; BR0111160A; ATE330047T1; EP1282735A1

Description

Die Erfindung betrifft ein modulares Fluidleitungssystem zur Durchleitung eines kristallisierenden, wärmesensitiven Arbeitsfluids wie eines synthetischen Polymers oder einer Polymerlösung, eines Cellulosederivats, einer Lösung aus Cellulose, Wasser und Aminoxid, sowie Mischungen davon, mit wenigstens zwei in Reihe schaltbaren Fluidleitungsstücken, die jeweils einen im Betrieb vom Arbeitsfluid durchströmten Arbeitsfluidleitungsbereich aufweisen.
Derartige Fluidleitungsstücke sind als einfache Rohrleitungen bekannt und werden herkömmlicherweise bei Spinnanlagen, bei denen das Arbeitsfluid als Formmasse zu Formkörpern versponnen wird, eingesetzt. Durch das Fluidleitungsstück wird das Arbeitsfluid von einem Reaktionsbehälter, in dem es zusammengemischt wird, im Regelfall zu einer Spinndüse transportiert, an der es versponnen wird.
Die dabei verwendeten Arbeitsfluide sind wärmesensitiv und neigen zu einer spontanen exothermen Reaktion, wenn im Fluidleitungsstück eine bestimmte Höchsttemperatur überschritten wird, oder wenn das Arbeitsfluid unterhalb dieser Höchsttemperatur zu lange gelagert wird.
Die bei der vorliegenden Erfindung in Betracht kommenden Arbeitsfluide weisen ingesamt eine sehr hohe, temperaturabhängige Viskosität auf. Die Viskosität sinkt mit steigender Temperatur und erhöhter Scherrate.
Als ein besonders zum Verspinnen geeignetes Arbeitsfluid dient eine Formmasse, die aus einer Spinnlösung, enthaltend Cellulose, Wasser und ein tertiäres Aminoxid, beispielsweise N-Methylmorpholin N-Oxid (NMMO) sowie Stabilisatoren zur thermischen Stabilisierung der Cellulose und des Lösungsmittels sowie gegebenenfalls weitere Additive wie z.B. Titandioxid, Bariumasulfat, Graphit, Carboxymethylcellulosen, Polyethylenglycote, Chitin, Chitosan, Alginsäure, Polysaccharide, Farbstoffe, antibakteriell wirkende Chemikalien, Flammschutzmittel enthaltend Phosphor, Halogene oder Stickstoff, Aktivkohle, Russe oder elektrisch leitfähige Russe, Kieselsäure, organische Lösungsmittel als Verdünnungsmittel, etc. enthält.
Für den Transport des Arbeitsfluids muss das Fluidleitungsstück einerseits beheizbar sein, damit die Viskosität des Arbeitsfluids sinkt und das Arbeitsfluid mit geringen Verlusten durch das Fluidleitungsstück gefördert werden kann. Andererseits darf die Temperatur nicht zu hoch sein, um eine Zersetzung und eine spontane exotherme Reaktion des Arbeitsfluids zu vermeiden. Schließlich soll sich über den vom Arbeitsfluid durchströmten Strömungsquerschnitt des Fluidleitungsstückes ein möglichst gleichmäßiges Geschwindigkeitsprofil ausbilden, um eine gleichmäßige Durchströmung des Fluidleitungsstückes sicherzustellen.
In der EP 0 668 941 B1 wird zur Lösung dieser Probleme vorgeschlagen, die Temperatur in der Rohrmitte und/oder an der Innenwand eines Fluidleitungsstückes gemäß den dort angegebenen Formeln zu steuern. Dazu wird ein Kühlmedium durch einen den Arbeitsfluidleitungsbereich umgebenden Kühlmantel geleitet. Das Kühlmedium leitet die Wärme von eventuell auftretenden exothermen Reaktionen aus dem Arbeitsfluid ab und kühlt den Außenbereich der Fluidströmung.
Aus der DE 35 32 979 A1 ist eine innenliegende Begleitheizung für Rohrleitungen bekannt. Dabei wird in einer im Wesentlichen rohrförmigen Transport- und/oder Förderleitung, insbesondere aus Glas, ein umströmter schlauchförmiger Hohlkörper angeordnet. Der schlauchförmige Hohlkörper ist flexibel und weist eine dünne Wand auf, so dass er eventuell auftretenden Turbulenzen durch schwingende Bewegungen nachgibt. Die Vorrichtung der DE 35 32 979 A1 ist beispielsweise für Anlage zur Sulfochlorierung geeignet, wo die durch die Transport- und/oder Förderleitung geförderten Substanzen beobachtet werden sollen.
In "Ullmanns Enzyklopädie der technischen Chemie", 4. Auflage, Band 2 (1972), Verlag Chemie, Seiten 458 und 459 sind im Abschnitt 3.2.1.3. die Gleichungen für den Wärmeübergang bei indirekten Wärmeaustauschern angegeben. Hierbei ist bezüglich der Randbedingungen dieser Gleichungen angeführt, dass der Wärmeübergang nur am Innenrohr, nur am Außenrohr oder an beiden Rohren stattfinden kann.
Das Fluidleitungssystem, wie es in der EP 0 668 941 B1 vorgeschlagen wird, hat den Nachteil, dass nach wie vor ein schlechter Wirkungsgrad bei der Durchströmung durch das Arbeitsfluid erreicht wird, und dass nur ungenau auf die temperaturabhängigen Eigenschaften des Arbeitsfluids Einfluss genommen werden kann.
Der Erfindung liegt demzufolge die Aufgabe zugrunde, ein Fluidleitungsstück zu schaffen, das einen verbesserten Wirkungsgrad bei der Durchströmung des Arbeitsfluids aufweist und das eine direktere Einflussnahme auf die temperaturabhängigen Eigenschaften des Arbeitsfluids ermöglicht.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe für ein modulares Fluidleitungssystem der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass der Arbeitsfluidleitungsbereich einen im Wesentlichen ringförmigen Strömungsquerschnitt aufweist und dass in der Mitte des Fluidleitungsstücks an Stelle der Kernströmung des Arbeitsfluids eine innere Temperierungsvorrichtung, die zur Steuerung der Temperatur des Arbeitsfluids innerhalb des Arbeitsfluidleitungsbereichs angeordnet und im Betrieb von einem Temperierungsfluid durchströmt ist, und ein zwischen den wenigstens zwei Fluidleitungsstücken anordenbares Speisemodul vorgesehen ist, durch das im Betrieb Temperierungsfluid von außerhalb der Temperierungsvorrichtung zuführbar ist.
Bei dieser Lösung gibt es somit keine Kemströmung mehr. Die Temperatur des Außenfluids kann somit sehr gut über den gesamten Strömungsquerschnitt beeinflusst werden. Die Temperiervorrichtung nimmt die Lage der Kemströmung ein und ermöglicht eine Steuerung der Temperatur des Arbeitsfluids vom Inneren der Strömung aus. Als Folge lassen sich das Arbeitsfluid und damit die temperaturabhängigen Eigenschaften des Arbeitsfluids genauer kontrollieren, die Strömungsverluste lassen sich senken. Es entfällt auch die Notwendigkeit, die Temperatur der Kemströmung zu messen, was nur sehr ungenau und indirekt und mit großem Aufwand möglich ist.
Im Gegensatz zu der in der EP 0 668 941 B1 verfolgten Lösung, bei der nur indirekt über die Kühlung der Außentemperatur eine Beeinflussung der Kerntemperatur stattfinden kann, ist durch die vom Arbeitsfluid umströmte, erfindungsgemäße Temperierungsvorrichtung der innere Bereich des Arbeitsfluids somit direkt in seiner Temperatur beeinflussbar.
Durch die Anordnung der Temperiervorrichtung an Stelle der Kernströmung des Arbeitsfluids und den dadurch bedingten ringförmigen Arbeitsfluidleitungsbereich wird auch die Dicke des zu temperierenden Strömungsquerschnitts verringert: Bei dem Verfahren der EP 0 668 941 A1 entspricht die Dicke der zu temperierenden Schicht , die dem dem Innendurchmesser des Arbeitsfluidleitungsbereichs. Erfindungsgemäß entspricht die zu temperierende Schichtdicke des Arbeitsfluids nur noch der Wanddicke des ringförmigen Strömungsquerschnitts. Durch die verringerte Schichtdicke verringern sich die Zeitkonstanten für den Wärmeübergang.
Die Temperiervorrichtung kann sowohl zum Kühlen als auch zum Beheizen des Arbeitsfluids dienen, je nachdem, ob die Temperatur der Temperiervorrichtung höher oder niedriger als die Temperatur des Arbeitsfluids ist. Im Fluidleitungsstück kann die Temperatur der Temperiervorrichtung auch so gesteuert sein, dass bestimmte Abschnitte der Temperiervorrichtung als Kühlabschnitte und andere Abschnitte als Heizabschnitte wirken. Als Referenztemperatur des Arbeitsfluids dient dabei die über den Strömungsquerschnitt des Arbeitsfluidleitungsbereichs gemittelte Temperatur des Arbeitsfluids.
Gemäß einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung ist die Temperierungsvorrichtung als ein koaxial zum Arbeitsfluidleitungsbereich angeordnetes Innenrohr ausgebildet, das von einem Temperierungsfluid durchströmt ist. Durch ein Temperierungsfluid kann beispielsweise gegenüber einer elektrischen Beheizung ein gleichmäßigerer Wärmeübergang ohne große örtliche Temperaturunterschiede erreicht werden.
Die Kühlung oder Beheizung des Arbeitsfluids durch das die Temperierungsvorrichtung durchströmende Temperierungsfluid kann im Gegenstrom oder Gleichstrom erfolgen. Im Gleichstrom sind die Strömungsrichtungen von Arbeitsfluid und Temperierungsfluid im Wesentlichen gleichgerichtet. Im Gegenstrom sind die Strömungsrichtungen von Arbeitsfluid und Temperierungsfluid im Wesentlichen gegenläufig.
In einer weiteren, besonders vorteilhaften Ausgestaltung des Fluidleitungsstückes kann zusätzlich zur Temperierungsvorrichtung auch ein Temperierungsmantelabschnitt vorgesehen sein, der den Arbeitsfluidleitungsbereich zumindest abschnittsweise umgibt.
Bei dieser Ausgestaltung ist somit eine Temperiervorrichtung vorgesehen, die direkt auf den Innenbereich der Strömung einwirkt, und eine weitere Temperiervorrichtung, die auf den Außenbereich der Strömung einwirkt. Beide Temperiervorrichtungen zusammen weisen eine gegenüber dem Stand der Technik wesentlich erhöhte Fläche für den Wärmeübergang auf.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann der Temperierungsmantelabschnitt von einem Temperierungsfluid durchströmt sein. Durch ein Temperierungsfluid kann beispielsweise gegenüber einer elektrischen Beheizung ein gleichmäßigerer Wärmeübergang ohne große örtliche Temperaturunterschiede erreicht werden.
Bei dieser Ausgestaltung ergibt sich somit im Vergleich zum Stand der Technik eine wesentlich vergrößerte Wärmeübergangsfläche zwischen Arbeitsfluid und Temperierungsfluid. Die vergrößerte Wärmeübergangsfläche bewirkt einen großen Wärmestrom durch die jeweiligen Mantelflächen. Durch den schnelleren Wärmeübergang kann die Temperaturdifferenz zwischen dem Temperierungsfluid und dem Arbeitsfluid verringert werden. Die Temperatur und damit die Viskosität des Arbeitsfluids kann weitaus genauer als bislang im Stand der Technik möglich kontrolliert werden.
Dabei kann in einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung vorgesehen sein, dass das Temperierungsfluid im Temperierungsmantelabschnitt eine vom Temperierungsfluid in der Temperierungsvorrichtung unabhängig gesteuerte Temperatur aufweist. Unabhängig von der Temperierungsvorrichtung kann der Temperierungsmantelabschnitt zum Kühlen oder Beheizen im Gleich- oder Gegenstrom verwendet werden.
Um den Wärmeübergang zwischen dem Fluidleitungsstück und seiner Umgebung möglichst gering zu halten, kann in einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung vorgesehen sein, dass der Arbeitsfluidleitungsabschnitt zumindest abschnittsweise von einer Wärmeisolationsschicht umhüllt ist.
Für das Erreichen des erfindungsgemäßen Ziels ist es unter anderem wichtig, dass die Temperierungsvorrichtung vom Arbeitsfluid umspült ist. Dies wird gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung dadurch erreicht, dass das Fluidleitungsstück einen Abstandshalter aufweist, der sich von der Temperierungsvorrichtung in das Arbeitsfluid bis zur Innenwandung des Arbeitsfluidleitungsstückes erstreckt. Je nach Anforderungen kann eine beliebige Anzahl von Abstandshaltern in einer jeweils günstigen Anordnung vorgesehen sein. Auch eine separate Beheizung der Abstandhalter ist möglich.
Um die Strömungsverluste bei der Umströmung der Abstandshalter durch das Arbeitsfluid möglichst gering zu halten, können die Abstandshalter einen im Wesentlichen stromlinienförmigen Querschnitt aufweisen.
Die Wärmeübergangsfläche kann nochmals vergrößert werden, wenn auch der Abstandshalter vom Temperierungsfluid durchströmt ist. Dadurch kann auch direkt auf das Arbeitsfluid eingewirkt werden, das nicht direkt mit der Temperierungsvorrichtung oder dem Temperierungsmantelabschnitt in Kontakt kommt. Gleichzeitig ist durch diese Lösung eine konstruktiv einfache Möglichkeit der Versorgung der Temperierungsvorrichtung mit Temperierungsfluid möglich.
Bezeichnet man den Innendurchmesser des Fluidleitungsstückes mit D_A und den Außendurchmesser der Temperierungsvorrichtung mit D_I, wobei D_A dem Außendurchmesser und D_I dem Innendurchmesser des ringförmigen Arbeitsfluidleitungsbereichs entspricht, und bestimmt man einen adäquaten Fluidleitungsdurchmesser D_AD zu √(D_A ^2-D_I ²), dann lässt sich ein Oberflächenverhältnis wie folgt definieren: O= (D_I+D_A)/D_AD. Dieses Oberflächenverhältnis O liegt vorzugsweise zwischen O=1 bis O=4, besonders bevorzugt zwischen O=1 bis O=1,8.
Das Verhältnis der Durchmesser D_A und D_I kann über ein Arbeitsfluidschichtdickenverhältnis A angegeben werden, welches das Verhältnis der Schichtdicke S=(D_A-D_I )/2 - bei Ausführung mit Temperierungsvorrichtung (ringförmig) - bzw. S=D_A - ohne Temperiervorrichtung (nur Außenrohr) - zum Außendurchmesser D_A des Arbeitsfluidleitungsbereichs darstellt, A=S/D_AD: Dieses Verhältnis beträgt bevorzugt weniger als 0,5, besonders bevorzugt weniger als 0,4.
Hinsichtlich der Stabilität und der Fertigung des Fluidleitungsstückes kann es besonders günstig sein, wenn der Abstandshalter an einem in Durchleitungsrichtung des Arbeitsfluids gelegenen Ende des Fluidleitungsstücks angeordnet ist.
Zum Aufbau eines modularen Fluidleitungssystems kann das Fluidleitungsstück an zumindest einem in Durchströmungsrichtung des Arbeitsfluids gelegenen Ende einen Verbindungsabschnitt aufweisen, der so ausgestaltet ist, dass das Fluidleitungsstück mit anderen Fluidleitungsstücken verbindbar ist.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann das Temperierungsfluid für die Temperierungsvorrichtung am Verbindungsabschnitt zugeführt werden. Dazu kann der Verbindungsabschnitt mindestens eine Temperierungsfluidöffnung aufweisen, durch die das Temperierungsfluid von außerhalb des Fluidleitungsstückes an die Temperierungsvorrichtung zuführbar ist.
Bei mehreren hintereinandergeschalteten Fluidleitungsstücken kann eine jeweils separate Versorgung der einzelnen Fluidleitungsstücke mit Temperierungsfluid entfallen, wenn die Temperierungsvorrichtung an zumindest einem in Durchleitungsrichtung des Arbeitsfluids gelegenem Ende eine Durchtrittsöffnung für das Temperierungsfluid in der Temperierungsvorrichtung aufweist, die mit einer entsprechenden Durchtrittsöffnung eines weiteren Fluidleitungsstückes nicht verbindbar ist. Bei dieser vorteilhaften Ausgestaltung werden die Temperierungsvorrichtungen hintereinandergeschalteter Fluidleitungsstücke direkt miteinander verbunden. Hierzu können an den jeweiligen Durchtrittsöffnungen entsprechend zueinander passende Aufnahmemittel vorgesehen sein.
In bestimmten Fällen kann auch vorgesehen sein, dass an das Fluidleitungsstück ein weiteres Fluidleitungsstück angeschlossen wird, das nicht mit einer erfindungsgemäßen inneren Temperierungsvorrichtung versehen ist. Für diesen Fall kann ein Verschlussmittel vorgesehen sein, das auf die Durchtrittsöffnung für das Temperierungsfluid des inneren Heizabschnittes anbringbar ist und durch das die Durchtrittsöffnung dicht verschließbar ist. Durch das Verschlussmittel wird ein Austreten des Temperierungsfluids in das Arbeitsfluid vermieden. Um an der Stelle des Verschlussmittels die Strömungsverluste möglichst gering zu halten, kann in einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung vorgesehen sein, dass das Verschlussmittel eine im Wesentlichen stromlinienförmige Außenform aufweist. Das Verschlussmittel kann an einem in oder gegen die Durchleitungsrichtung des Arbeitsfluids gelegenem Ende der Temperierungsvorrichtung angeordnet sein.
In den oben beschriebenen Ausgestaltungen kann das Fluidleitungsstück jedwede, in der Leitungstechnik gebräuchliche Funktionsform annehmen.
So kann das erfindungsgemäße Fluidleitungsstück als gerades oder beliebig gekrümmtes Rohrleitungsstück ausgebildet sein, das an jedem in Strömungsrichtung des Arbeitsfluids gelegenen Ende jeweils einen Verbindungsabschnitt zum Anschluss zweier weiterer Fluidleitungsstücke aufweist. Durch ein solches Fluidleitungsstück kann das Arbeitsfluid mit genau steuerbaren Temperaturprofil über weite Strecken transportiert werden.
Das Fluidleitungsstück kann aber auch als Verteilerstück mit mindestens drei Verbindungsabschnitten zum Anschluss weiterer Fluidleitungsstücke ausgestattet sein. Derartige Verteilerstücke können beispielsweise in Y-Form, in T-Form oder in einer anderen, beliebig dreidimensionalen Form ausgebildet sein.
Eine andere Möglichkeit besteht darin, das Fluidleitungsstück als Endstück mit nur einem Verbindungsabschnitt zum Anschluss nur eines weiteren Fluidleitungsstückes auszugestalten. In diesem Fall ist zweckmäßigerweise auch die eine Durchtrittsöffnung für das Arbeitsfluid verschlossen.
Das Fluidleitungsstück kann auch als Reduzierstück ausgestaltet sein, dessen einer, vom Arbeitsfluid durchströmter Strömungsquerschnitt an einem in Durchleitungsrichtung des Arbeitsfluids gelegenen Ende kleiner ist als am im Durchleitungsrichtung entgegengesetzten Ende. Ein solches Reduzierstück kann verwendet werden, um Übergänge zwischen verschiedenen Fluidleitungssystemen zu schaffen.
Ferner kann in einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung das Fluidleitungsstück einen eingebauten Mischreaktor zur Behandlung des Arbeitsfluids und zur Einflussnahme auf die Polymercharakteristik aufweisen. Auch kann das Fluidleitungsstück einen oder mehrere Fluidfiltergruppen zur Filterung des Arbeitsfluids aufweisen.
Die Erfindung ist nicht auf die spezielle Art des Temperierungsfluids beschränkt. So können als Temperierungsfluid Flüssigkeiten und Gase verwendet werden.
Als Werkstoff für die Temperierungsvorrichtung, den Arbeitsfluidleitungsabschnitt oder den Temperierungsmantelabschnitt kann jeglicher, mit Bezug auf das Arbeitsfluid korrosionsbeständiger und hinsichtlich der möglichen exothermen Reaktionen druckbeständiger Werkstoff verwendet werden. Ein möglicher Werkstoff ist dabei Stahl oder Edelstahl oder verchromter Stahl oder Edelstahl. Um die Haftung und Reibung des Arbeitsfluids an den Wandungen zu minimieren, können die Außenwandung der Temperierungsvorrichtung oder die Innenwandung des Arbeitsfluidleitungsbereichs besonders glatt bearbeitet oder mit einer reibungsminimierenden Beschichtung versehen sein.
Das Fluidleitungssystem kann des Weiteren ein Regel- oder Absperrorgan aufweisen, das der Steuerung des Arbeitsfluids dient. Das Regel- oder Absperrorgan kann über das Temperierungsfluidversorgungssystem angespeist sein.
Zum Nachrüsten bestehender Fluidleitungssysteme oder zum Einbau in herkömmliche Fluidleitungsrohre kann die Temperierungsvorrichtung als ein separates Teil aufgebaut sein, an dem ein herkömmliches Fluidleitungsstück oder ein übliches Leitungsrohr befestigt werden kann. Dazu weist die Temperierungsvorrichtung ein Verbindungsmittel auf, das mit einem Verbindungsmittel eines weiteren Temperierungsmoduls oder eines weiteren Fluidleitungsstücks verbindbar ist und an dem gleichzeitig das Fluidleitungsstück dicht befestigbar ist. Die Temperiervorrichtung nimmt die Stelle der Kernströmung im Fluidleitungsrohr ein, so dass sich ein im wesentlichen ringförmiger, dünnschichtartiger Strömungsquerschnitt zwischen Temperiervorrichtung und nachgerüstetem Fluidleitungsrohr ausbildet.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen mit Bezug auf die Figuren beschrieben.
Es zeigen:

Fig. 1: ein erstes Ausführungsbeispiel eines Fluidleitungsstückes in einem Längsschnitt;
Fig. 2: das Fluidleitungsstück der Fig. 1 im Querschnitt und
Fig. 3: ein zweites Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Fluidleitungsstückes.

Fig. 1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Fluidleitungsstückes 1 in einem Längsschnitt entlang einer Mittellinie M des Fluidleitungsstückes M. Das Fluidleitungsstück 1 ist im Wesentlichen rohrförmig aufgebaut und rotationssymmetrisch um die Mittelachse M. Das Fluidleitungsstück der Fig. 1 ist speziell für die Durchleitung einer Spinnlösung, enthaltend Wasser, Cellulose und tertiäres Aminoxid, als Arbeitsfluid ausgestaltet. Das Arbeitsfluid wird durch einen Arbeitsfluidleitungsbereich 2 mit ringförmigem Strömungsquerschnitt geleitet. Der Arbeitsfluidleitungsbereich weist eine Außenwandung 3 und eine Innenwandung 4 auf, die den Strömungsquerschnitt des Arbeitfluidleitungsbereichs 2 begrenzen.
Die Innenwandung 4 des Arbeitfluidleitungsbereichs 2 wird von einer Temperierungsvorrichtung 5 gebildet.
Die Temperierungsvorrichtung 5 weist einen koaxial zum Arbeitsfluidleitungsbereich 2 ausgebildeten Leitungsabschnitt bzw. Innenkörper 6 auf, dessen Innenraum 7 von einem Temperierungsfluid durchströmt wird. Der Innenkörper 6 ist im wesentlichen rohrförmig ausgebildet.
Die Temperierungsvorrichtung 5 wird außen vom Arbeitsfluid im Arbeitsfluidleitungsbereich 2 umspült. Da die Temperatur des Temperierungsfluids im Innenraum 7 der Temperierungsvorrichtung 5 eine Temperaturdifferenz zur Temperatur des Arbeitsfluids im Arbeitsfluidleitungsbereich 2 aufweist, findet durch die Wandung des Leitungsrohres 6 ein Wärmeaustausch statt. Je nachdem, ob die Temperatur des Temperierungsfluids größer oder kleiner als die Temperatur des Arbeitsfluids ist, findet ein Wärmetausch vom Arbeitsfluid zum Temperierungsfluid oder vom Temperierungsfluid zum Arbeitsfluid statt.
Somit kann die Temperierungsvorrichtung sowohl zum Heizen als auch zum Kühlen des Arbeitsfluids verwendet werden.
Die Außenwandung 3 des Arbeitsfluidleitungsbereichs 2 wird von einem rohrförmigen Körper 8 gebildet, das einen Temperierungsmantelabschnitt darstellt. Dazu ist das Rohr 8 von einem Hohlraum 9 umgeben, der ebenfalls von einem Temperierungsfluid umspült sein kann. Unabhängig von der Temperatur des Temperierungsfluids in der Temperierungsvorrichtung 5 kann die Temperatur des Temperierungsfluids im Temperierungsmantelabschnitt 9 größer oder kleiner als die Temperatur des Arbeitsfluids sein. Somit kann die Außenwandung 3 zum Kühlen oder zum Beheizen des Arbeitsfluids unabhängig von der Temperierungsvorrichtung 5 verwendet werden.
Der Temperierungsmantelabschnitt ist mit Anschlüssen zur Versorgung mit Temperierungsfluid versehen. Das Temperierungsfluid wird dem Temperierungsmantelabschnitt 9 in einer vorbestimmt steuerbaren Temperatur zugeführt.
Die Temperierungsvorrichtung 5 wird über radial verlaufende Speiseleitungen 10, die in Durchtrittsöffnungen 11 enden, mit Temperierungsfluid versorgt.
Die Durchtrittsöffnungen 11 sind an einem flanschförmigen Verbindungsabschnitt 12 des Fluidleitungsstückes 1 angeordnet. Der Verbindungsabschnitt 12 dient dazu, das Fluidleitungsstück 1 mit weiteren, nicht gezeigten Fluidleitungsstücken zu verbinden. Das Arbeitsfluid strömt dabei durch eine ringförmige Durchtrittsöffnung 13 von einem Fluidleitungsstück zum andern.
Der Verbindungsabschnitt kann beispielsweise mit Durchgangs- oder Gewindeöffnungen 14 versehen sein, durch die eine fluiddichte und druckfeste Verbindung mittels Schrauben mit dem Verbindungsabschnitt eines weiteren Fluidleitungsstückes hergestellt werden kann.
Das Fluidleitungsstück der Fig. 1 ist zur Erläuterung verschiedener Varianten der Zufuhr von Temperierungsfluid an der Temperierungsvorrichtung 5 mit unterschiedlichen Verbindungsabschnitten an den beiden in Durchleitungsrichtung des Arbeitsfluids, d.h. in Richtung der Mittenachse M gelegenen Enden gezeigt.
An dem in Fig. 1 gezeigten linken Ende ist der Abschnitt zur Versorgnung der Temperierungsvorrichtung mit Temperierungsfluid fest mit der Temperierungsvorrichtung 5 verbunden.
In Fig. 1 ist an dem Ende des Leitungsrohres 6 der Temperierungsvorrichtung 5 ein Verschlussmittel 15 angebracht, durch das die Durchtrittsöffnung für das Temperierungsfluid in der Temperierungsvorrichtung 5 verschlossen ist.
An dem in der Fig. 1 rechten Ende des Fluidleitungsstückes 1 ist eine andere Variante des Verbindungsabschnittes 12 bzw. der Einspeisung des Temperierungsfluids in der Temperierungsvorrichtung 5 dargestellt. Anstelle einer einstückig mit der Temperierungsvorrichtung 5 verbundenen Einspeisung bildet die Einspeisung am rechten Ende des Fluidleitungsstückes 1 ein separates Speisemodul bzw. einen separaten Befestigungskörper 16 aus. Das Speisemodul 16 ist mit einem Leitungsabschnitt 16' versehen, der mit der Temperierungsfluidleitung 6 der Temperierungsvorrichtung 5 dicht verbindbar ist. Beim Ausführungsbeispiel der Fig. 1 wird dies dadurch erreicht, dass der Leitungsabschnitt 16' in die Leitung bzw. den Innenkörper 6 eingeschoben wird. Über den Leitungsabschnitt 16 ist der Innenraum 7 der Temperierungsfluidleitung 6 mit den radial bzw. speichenförmig verlaufenden Speiseleitungen 10 des Speisemoduls 16 verbunden.
Die Speiseleitungen 10 des Befestigungskörpers16 enden in Durchtrittsöffnungen 11, die mit einer nicht dargestellten Temperierungsfluidversorgung verbunden sind.
Die in den Abbildungen nicht dargestellte Temperierungsfluidversorgung fördert das Temperierungsfluid durch die Temperierungsvorrichtung 5 und steuert gleichzeitig die Temperatur des Temperierungsfluids in Abhängigkeit von vorgegebenen Verfahrensparametern, wie beispielsweise der Zusammensetzung des Arbeitsfluids, der Fördergeschwindigkeit des Arbeitsfluids, dem Massestrom des Arbeitsfluids und ähnlichem.
Für die Versorgung des Temperierungsmantelabschnittes 9 und der Temperierungsvorrichtung 5 können unterschiedliche Temperierungsfluidversorgungssysteme vorgesehen sein.
Beim Ausführungsbeispiel der Fig. 1 beträgt ein Oberflächenverhältnis O= (D_I+D_A)/D_AD, das aus dem Quotienten aus der Summe des Außendurchmessers D_A und des Innendurchmessers D_I des Arbeitsfluidleitungsbereichs 2 und einem adäquaten Fluidleitungsdurchmesser D_AD=√(D_A ²-D_I ²) gebildet wird, zwischen O=1 bis O=4, besonders bevorzugt zwischen O=1 bis O=1,8.
Das Verhältnis A=S/D_AD der Schichtdicke S=(D_A-D_I)/2 zum adäquaten Fluidleitungsdurchmesser D_AD des Arbeitsfluidleitungsbereichs 2 beträgt bevorzugt weniger als 0,5, beim Ausführungsbeispiel der Fig. 1 weniger als 0,4.
Fig. 2 zeigt einen Querschnitt senkrecht zur Mittellinie M entlang der Linie II-II der Fig. 1.
In Fig. 2 ist zu erkennen, dass die Speiseleitungen 10 in radialer Richtung geradlinig verlaufen und sternförmig angeordnet sind. Die Anzahl der Speiseleitungen ist beliebig, ebenso ihre Anordnung. Um Totwassergebiete hinter den Speiseleitungen zu verhindern, ist deren Querschnitt in Durchleitungsrichtung des Arbeitsfluid stromlinienförmig ausgebildet.
In Fig. 2 sind die Speiseleitungen 10 zu einem Ringraum 17 verbunden. Dieser Ringraum 17 kann über einen oder mehrere Anschlüsse mit dem Temperierungsfluidversorgungssystem (hier nicht dargestellt) verbunden sein.
Das Verschlussmittel 14 wird jeweils dann eingesetzt, wenn die Temperierungsvorrichtungen 5 aufeinander folgender Fluidleitungsstücke voneinander isoliert werden sollen.
Dies kann beispielsweise dazu dienen, den Temperaturabfall entlang der Strömungsrichtung des Temperierungsfluids in der Temperierungsvorrichtung 5 gering zu halten, oder aufeinander folgende Fluidleitungsleitungsstücke abwechselnd zu beheizen oder zu kühlen.
Die Strömungsrichtung des Temperierungsfluids in der Temperierungsvorrichtung 5 kann in gleicher Richtung oder entgegengesetzt zur Richtung der Durchströmung des Arbeitsfluidleitungsabschnittes 2 erfolgen, also im Gleichstrom oder im Gegenstrom.
In Fig. 3 ist ein zweites Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Fluidleitungsstückes 1 gezeigt. Bei diesem Ausführungsbeispiel werden für Elemente, die eine gleiche oder ähnliche Funktion wie beim Ausführungsbeispiel der Fig. 1 erfüllen, die gleichen Bezugszeichen verwendet.
Das Fluidleitungsstück der Fig. 3 ist als Verteilerstück ausgebildet, das in Y-Form ausgeführt ist. Das Ausführungsbeispiel der Fig. 3 kann auch in Form eines beliebigen anderen Verteilerstückes, beispielsweise in T-Form oder in einer beliebigen dreidimensionalen Form, ausgebildet sein.
Beim Ausführungsbeispiel der Fig. 3 ist das Verteilerstück mit zwei gekrümmten Rohrabschnitten 20 versehen, die in Verbindungsabschnitten 12 gemäß einer der Varianten der Fig. 1 enden. Bei bestimmten Anwendungen kann auf die Zwischenschaltung eines Rohrstückes verzichtet werden. In diesem Fall liegen die Verbindungsabschnitte 12 direkt am Verteilerstück 1 an.
Das Verteilerstück 1 ist außen mit einem Temperierungsmantelabschnitt 9 versehen, der eine Außenwand 8 des Arbeitsfluidleitungsabschnittes 2 umgibt. Der Temperierungsmantelabschnitt 9 ist beim Verteilerstück der Fig. 3 über die Speiseleitungen 8 mit der Temperierungsvorrichtung 5 verbunden.
Das Verteilerstück 1 wird mit insgesamt drei Fluidleitungsstücken (nicht gezeigt) verbunden. Im Bereich, in dem sich die Arbeitsfluidleitungsbereiche verzweigen, sind keine Temperierungsvorrichtungen 5 angebracht, um die Durchströmung des Arbeitsfluids nicht zu blockieren. Die Temperierungsvorrichtungen 5 der beiden Rohrabschnitte 20 enden vor dem Schnittpunkt der jeweiligen Mittellinien M des entsprechenden Fluidleitungsstückes. Um im Bereich der Enden der Temperierungsvorrichtungen 5 eine günstige, möglichst verlustfreie Strömung ohne Ausbildung von Stagnationsgebieten zu erhalten, in denen das Arbeitsfluid degradieren könnte, sind die Verschlussstücke 14 stromlinienförmig, im vorliegenden Fall kegelförmig, ausgebildet. Durch diese Ausgestaltung wird eine saubere Aufteilung der Strömung des Arbeitsfluids im Verteilerstück 1 erreicht. Über den Abschnitt 21 des Temperierungsmantelabschnittes 9 findet ein Austausch von Temperierungsfluid der Temperierungsvorrichtungen 5 der beiden Rohrabschnitte 20 statt.

Claims

Modulares Fluldieltungssystem zur Durchleitung eines kristallisierenden, wärmesensitiven Arbeitsfluids, wie eines synthetischen Polymers oder einer Polymerlösung, eines Cellulosederivats, einer Lösung aus Cellulose, Wasser und Aminoxid, sowie Mischungen davon, mit wenigstens zwei in Reihe schaltbaren Fluidleitungsstücken, die jeweils einen im Betrieb vom Arbeitsfluid durchströmten Arbeitsfluidleitungsbereich aufweisen, dadurch gekennzeichnet, dass der Arbeitsfluidleitungsbereich (2) einen im Wesentlichen ringförmigen Strömungsquerschnitt aufweist und dass in der Mitte (M) des Fluidleitungsstücks (1) an Stelle der Kemströmung des Arbeitsfluids eine innere Temperierungsvorrichtung (5), die zur Steuerung der Temperatur des Arbeitsfluids innerhalb des Arbeitsfluidleitungsbereichs (2) angeordnet und im Betrieb von einem Temperierungsfluid durchströmt ist, und ein zwischen den wenigstens zwei Fluidleitungsstücken (1) anordenbares Speisemodul (16) vorgesehen ist, durch das im Betrieb Temperierungsfluid von außerhalb der Temperierungsvorrichtung (5) zuführbar ist.
Modulares Fluidleitungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die innere Temperierungsvorrichtung (5) als eine vorzugsweise rohrförmige Temperierfluidleitung (8) ausgebildet ist.
Modulares Fluidleitungssystem nach einem der oben genannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Fluidleitungsstück (1) einen Temperierungsmantelabschnitt (9) zur Steuerung der Temperatur des Arbeitsfluids aufweist, der den Arbeitsfluidleitungsbereich (2) zumindest abschnittsweise umgibt.
Modulares Fluidleitungssystem nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Temperierungsmantelabschnitt (9) von einem Temperferongsfluid durchströmt ist
Modulares Fluidieitungssystem nach einem der oben genannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Arbeitsfluidleitungsbereich (2) zumindest abschnittsweise von einer Wärmeisolationsschicht umhüllt ist.
Modulares Fluidleitungssystem nach einem der oben genannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich von der Temperierungsvorrichtung (5) zur Außenwandung (3) des Arbeitsfluidleitungsbereichs (2) zumindest ein Abstandhalter (10) in das Arbeitsfluid erstreckt.
Modulares Fluidleitungssystem nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstandhalter (10) einen im Wesentlichen stromlinienförmigen Querschnitt aufweist.
Modulares Fluidleitungssystem nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstandhalter (10) vom Temperierungsfluid in der Temperierungsvorrichtung (5) durchströmbar ausgestaltet ist.
Modulares Fluidleitungssystem nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstandhalter (10) an einem in Durchleitungsrichtung des Arbeitsfluids gelegenen Ende des Fluidleitungsstücks (1) angeordnet ist.
Modulares Fluidleitungssystem nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstandhalter (10) an einem separaten Speisemodul (16) ausgebildet ist, das an der Temperierungsvorrichtung (5) angebracht ist.
Modulares Fluidleitungssystem nach einem der oben genannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperierungsvorrichtung (5) an zumindest einem in Durchleitungsrichtung des Arbeitsfluids gelegenen Ende eine Durchtrittsöffnung (14') für das Temperierungsfluid in der Temperierungsvorrichtung (5) aufweist, die mit einer entsprechenden Durchtrittsöffnung (14') eines weiteren Fluidleitungsstückes (1) dicht verbindbar ist.
Modulares Fluidleitungssystem nach einem der oben genannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Verschlussmittel (15) vorgesehen ist, das auf die Durchtrittsöffnung (14') für das Temperierungsfluid der Temperierungsvorrichtung (5) anbringbar ist und durch das die Durchtrittsöffnung (14') dicht verschließbar ist.
Modulares Fluidleitungssystem nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Verschlussmittel (15) eine im Wesentlichen stromlinienförmige Außenform aufweist.
Modulares Fluidleitungssystem nach einem der oben genannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Fluidleitungsstück (1) an zumindest einem in Durchleitungsrichtung des Arbeitsfluids gelegenen Ende einen Verbindungsabschnitt (12) zur Verbindung des Fluidleitungsstücks (1) mit einem weiteren Fluidleitungsstück (1) aufweist.
Modulares Fluidleitungssystem nach einem der oben genannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Oberflächenverhältnis O=(D_I+D_A)/D_AD aus der Summe aus Außendurchmesser D_A und Innendurchmesser D_I des ringförmigen Arbeitsfluidleitungsbereichs (2) und einem adäquaten Fluidleitungsdurchmesser D_AD=√(D_A ²-D_I ²) zwischen O=1 bis O=4, bevorzugt zwischen O=1 bis O=1,8 liegt.
Modulares Fluidteitungssystem nach einem der oben genannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Arbeitsftuidschichtdidcenverhältnis A=S/D_AD aus dem Verhältnis der Schichtdicke S=(D_A-D_I)/2 zum adäquaten Fluidleitungsdurchmesser D_AD des Arbeitsfluidleitungsbereichs (2) bevorzugt weniger als 0,5, besonders bevorzugt weniger als 0,4, beträgt.
Modulares Fluidleitungssystem nach einem der oben genannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Fluidleitungsstück (1) als gerades oder beliebig gekrümmtes Rohrleitungsstück ausgebildet ist, das an jedem in Strömungsrichtung des Arbeitsfluids gelegenen Ende jeweils einen Verbindungsabschnitt (12) zum Anschluss zweier weiterer Fluidleitungsstücke (1) aufweist.
Modulares Fluidleitungssystem nach einem der oben genannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Fluidleitungsstück (1) als Verteilerstück mit mindestens drei Verbindungsabschnitten zum Anschluss weiterer Fluidleitungsstücke (1) ausgestaltet ist.
Modulares Fluidleitungssystem nach einem der oben genannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Fluidleitungsstück (1) als Endstück mit nur einem Verbindungsabschnitt (12) zum Anschluss nur eines weiteren Fluidleitungsstückes (1) ausgestaltet ist.
Modulares Fluidleitungssystem nach einem der oben genannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Verbindungsabschnitt (12) mit mindestens einer Temperierungsfluidöffnung (11) versehen ist, durch die Temperierungsfluid von außerhalb des Fluidleitungsstückes (1) der Temperierungsvorrichtung (5) zuführbar ist.
Modulares Fluidleitungssystem nach einem der oben genannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperierungsvorrichtung (5) und/oder das Fluidleitungsstück (1) im Arbeitsfluidleitungsbereich (2) aus Stahl, Edelstahl oder verchromtem Stahl gefertigt ist.
Temperierungsvorrichtung (5) zum Einbau in ein Fluidleitungsstück (1) eines modulares Fluidleitungssystems zur Durchleitung eines kristallisierenden, wärmesensitiven Arbeitsfluids wie eines synthetischen Polymers, Cellulosederivats sowie einer Lösung aus Cellulose, Wasser und Aminoxid, wobei das Fluidleitungsstück (1) einen Arbeitsfluidleitungsbereich (2) aufweist, der vom Arbeitsfluid durchströmt ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperierungsvorrichtung (5) von einem Temperierungsfluid durchströmbar ausgestaltet ist und die Stelle der Kemströmung des Arbeitsfluidleitungsbereiches (2) einnimmt und dort ein Speisemodul (16) vorgesehen ist, das zwischen zwei Fluidleitungsstücken (1) anordenbar ist und durch das das Temperierungsfluid der Temperierungsvorrichtung (5) von außen zuführbar ist.