ES2221098T3 - Sistema de intercambio de calor para reactor. - Google Patents

Sistema de intercambio de calor para reactor.

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ES2221098T3 ES98112164T ES98112164T ES2221098T3 ES 2221098 T3 ES2221098 T3 ES 2221098T3 ES 98112164 T ES98112164 T ES 98112164T ES 98112164 T ES98112164 T ES 98112164T ES 2221098 T3 ES2221098 T3 ES 2221098T3
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Abstract

EN UN REACTOR DEL TIPO QUE CONSTA DE UN RECIPIENTE (12), UN AGITADOR (14) PARA AGITAR LOS CONTENIDOS DEL RECIPIENTE (12), Y UN SISTEMA DE INTERCAMBIO DE CALOR (16) DENTRO DEL RECIPIENTE (12), LA MEJORA EN EL SISTEMA DE INTERCAMBIO DE CALOR (16) INCLUYE: UN PRIMER CABEZAL SUSTANCIALMENTE ANULAR (42) QUE INCLUYE TUBERIA; UN SEGUNDO CABEZAL SUSTANCIALMENTE ANULAR (44) QUE INCLUYE TUBERIA Y ESTA ESPACIADO DEL PRIMER CABEZAL (42); UN TERCER CABEZAL SUSTANCIALMENTE ANULAR (46) QUE INCLUYE TUBERIA Y ESTA ESPACIADO DEL PRIMER CABEZAL (42) Y ADYACENTE AL SEGUNDO CABEZAL (44); UN PRIMER CONJUNTO DE TUBOS (50) QUE SE EXTIENDEN ENTRE EL PRIMER CABEZAL (42) Y EL SEGUNDO CABEZAL (44) CONECTANDOLOS; Y UN SEGUNDO CONJUNTO DE TUBOS (52) QUE SE EXTIENDEN ENTRE EL PRIMER CABEZAL (42) Y EL TERCER CABEZAL (46) CONECTANDOLOS.

Description

Sistema de intercambio de calor para reactor.
Antecedentes de la invención
Esta invención está relacionada con un sistema de intercambio de calor en un reactor tal como un reactor de polimerización.
Algunas reacciones de polimerización generan una cantidad considerable de calor. Los sistemas de intercambio de calor tienen que ser colocados en el reactor para refrigerar el contenido del reactor. Un sistema de intercambio de calor de la técnica anterior comprende unos cabezales superior e inferior y una pluralidad de tubos que se extienden entre los cabezales interconectando los mismos. Un agitador de flujo axial o parcialmente axial con impulsores genera un patrón de flujo vertical. Puede ser en sentido hacia abajo hasta el fondo del reactor en el que el patrón del flujo retorna y circula hacia arriba fuera de los impulsores. Parte del flujo se encuentra entre los tubos y la pared del reactor, y parte se encuentra entre los impulsores y los tubos. Se observa la existencia de puntos muertos con poco o ningún flujo entre los tubos. Esto enfría el contenido del reactor excesivamente en estas áreas, conduciendo a unas viscosidades altas no deseables de ciertas partes del producto final y un consecuente efecto adverso sobre la homogeneidad del producto final. Esto conduce también a una deficiente transferencia de calor entre el refrigerante en los tubos y la disolución del polímero. Adicionalmente, estos puntos muertos representan áreas en las que la mezcla o combinación de los contenidos del reactor queda inhabilitada, y por tanto no se produce la mezcla global de los reactivos dentro del reactor.
Sumario de la invención
Es por tanto un objeto de la invención el proporcionar un sistema de intercambio de calor mejorado para un reactor, que consigue unos patrones de flujo mejorados, más transferencia de calor, así como también una transferencia de calor más uniforme.
Es un objeto adicional de la invención el proporcionar un reactor que tenga un sistema de intercambio de calor mejorado, en el que el sistema de intercambio de calor mejorado permita una velocidad mejorada del fluido alrededor de los tubos de intercambio de calor y una distribución más uniforme de los reactivos, para producir una mezcla mejorada y unas reacciones más rápidas o bien la mezcla dentro del reactor.
El objeto anterior se lleva a cabo mediante un sistema de intercambio de calor mejorado en un reactor del tipo que tiene una vasija y un agitador para agitar los contenidos de la vasija, en la que el sistema de intercambio de calor comprende: un primer cabezal substancialmente anular que comprende una tubería; un segundo cabezal substancialmente anular que comprende tuberías y que está separado del primer cabezal; un tercer cabezal substancialmente anular que comprende tuberías y que está separado del primer cabezal, y adyacente al segundo cabezal; un primer conjunto de tubos que se extienden entre el primer cabezal y el segundo cabezal, interconectando los mismos; y un segundo conjunto de tubos que se extienden entre el primer cabezal y el tercer cabezal interconectando los mismos.
De acuerdo con una realización preferida, se encuentra provisto también un cuarto cabezal situado entre el primer y el segundo conjunto de tubos, y adyacente al segundo y tercer cabezales. Se extiende un tercer conjunto de tubos entre el cuarto cabezal y el primer cabezal interconectando los mismos.
La invención reduce o elimina el problema de los puntos muertos alrededor de los tubos interiores entre los tubos externos y externos. Se evita la excesiva refrigeración de áreas estancadas, generándose un producto más homogéneo, y obteniéndose una mayor extracción de calor.
Breve descripción de los dibujos
La figura 1 es una vista en sección transversal de un reactor que tiene un sistema de intercambio de calor de acuerdo con una primera realización de la invención.
La figura 2 es una vista en sección transversal del reactor de la figura 1 según se observa a lo largo de la línea 2-2.
La figura 3 es una vista del reactor de la figura 1, según se observa a lo largo de la línea 3-3.
La figura 4 es una vista en sección transversal de un reactor que tiene un sistema de intercambio de calor de acuerdo con una segunda realización de la invención.
La figura 5 es una vista en sección transversal del reactor de la figura 4 según se observa a lo largo de la línea 5-5.
La figura 6 es una vista del reactor de la figura 4, según se observa a lo largo de la línea 6-6.
Descripción detallada de la invención
Con referencia a la figura 1, se muestra un reactor 10, el cual comprende una vasija 12, una agitador 14, y un sistema de intercambio de calor 16. Este reactor expuesto en particular se aplica para el uso de la polimerización del estireno y butadieno. No obstante, la invención es aplicable a otras reacciones que precisen de una refrigeración o calentamiento mediante un sistema de intercambio de calor.
La vasija 12 tiene un eje longitudinal 18 que está orientado verticalmente. La vasija 12 tiene además las entradas 20, 22, 24, 26 y 28 en su extremo superior 30 y una salida 32 en su extremo inferior 34. El disolvente, el agente de acoplamiento, el estireno, el iniciador y el butadieno pueden ser introducidos en la vasija 12 a través de las entradas 20, 22, 24, 26 y 28, respectivamente. El producto, copolímero de estireno-butadieno en disolución, es extraído de la vasija 12 a través de la salida 32.
El agitador 14 comprende un eje 36, el cual está alineado con un eje longitudinal 18, y tres impulsores 38. Si se desea, podrían utilizarse un numero menor o mayor de impulsores. El agitador 14 es preferiblemente un agitador de flujo axial o parcialmente axial, accionado por un motor 40 en 30 a 350 r.p.m., cuyas revoluciones podrían ser mayores o menores según la viscosidad variable de la disolución del polímero.
El sistema de intercambio de calor 16 comprende: un cabezal superior substancialmente anular 42 que comprende tuberías; un cabezal inferior substancialmente anular 44, que comprende tuberías y separado del cabezal 42; un cabezal 46 inferior substancialmente anular, que comprende tuberías y que está separado del cabezal 42 y adyacente al cabezal 44; un cabezal intermedio 48 que comprende tuberías y siendo adyacente aunque desplazado verticalmente con respecto y por encima de los cabezales 44 y 46; un conjunto de tubos 50 que se extienden entre el cabezal 42 y el cabezal 44 interconectando los mismos; un conjunto de tubos 52 que se extienden entre el cabezal 42 y el cabezal 46 interconectando los mismos; y un conjunto de tubos 54 que se extienden entre el cabezal 42 y el cabezal 48 interconectando los mismos. El cabezal 42 rodea el eje longitudinal 18 una posición próxima al extremo superior 30, y los cabezales 44, 46 y 48 que rodean el eje longitudinal 18 en las posiciones próximas al extremo inferior 34. Los tubos 50 comprenden dos filas de tubos en las que los tubos de cada fila se encuentran separados anularmente. De forma similar, los tubos 52 comprenden dos filas de tubos, en donde los tubos de cada fila están separados anularmente. Los tubos 54 comprenden una fila de tubos separados anularmente. Los tubos 50, 52 y 54 están orientados substancialmente en forma vertical, con el fin de que sean substancialmente paralelos al eje longitudinal 18. Tal como puede verse en la figura 1, el cabezal 48 está posicionado entre los tubos 50 y 52.
El cabezal 44 tiene dos entradas 56 separadas 180º entre sí, y el cabezal 46 de forma similar tiene dos entradas (siendo parcialmente visible en la figura 1 solo una de las mismas) 58 separadas 180º entre sí. El cabezal 48 tiene cuatro entradas (siendo visibles dos de las mismas en la figura 1) 60 separadas 90º entre sí. El cabezal 42 tiene dos salidas 62 separadas 180º entre sí. En consecuencia, el refrigerante circula a través de los tubos 50, 52 y 54 desde los cabezales 44, 46 y 48 hacia el cabezal 42. Los refrigerantes adecuados incluyen un hidrocarburo, tal como el n-pentano, y agua.
El fluido en la vasija 12 es forzado hacia abajo mediante los impulsores rotativos 38. El flujo circula hacia el fondo de la vasija 12, y entonces retorna y circula hacia arriba fuera de los impulsores 38. El fluido circula entre los cabezales 44 y 46 y después dentro y alrededor del cabezal 48. Esto provoca que el fluido circule entre los tubos 50 y 52, así como también entre las filas de los tubos 50 y 52. El fluido continúa circulando hacia arriba hasta la parte superior de la vasija 12, en donde retorna hacia abajo en respuesta a la rotación de los impulsores 38. Las áreas estancadas están minimizadas y la velocidad del flujo está maximizada entre los tubos interiores, para producir un producto deseablemente homogéneo según se ha expuesto anteriormente. Adicionalmente, el tiempo de mezcla está minimizado mediante la invención.
Con referencia a la figura 2, se observa más claramente la configuración de los tubos 50, 52 y 54, y más particularmente la separación anular de los tubos en cada fila de tubos. Los cabezales 44, 46 y 48 pueden verse también que son anulares en su forma.
Con referencia a la figura 3, se muestra claramente la configuración de las entradas 56, 58 y 60. Son posibles, por supuesto, otras configuraciones.
Con referencia a la figura 4, la segunda realización mostrada es similar en todos los aspectos a la primera realización de la figura 1, excepto en un cabezal intermedio mayor 64, y un conjunto asociado de tubos 66, que tiene dos filas de tubos en las que los tubos de cada fila están separados anularmente. Esto proporciona una fila extra de tubos en comparación con la realización de la figura 1, y proporciona por tanto un área mayor de intercambio de calor, y una refrigeración más eficaz del fluido en la vasija en ciertos casos.
Con referencia a las figuras 5 y 6, estas vistas en sección transversal de la realización de la figura 4 son similares a las figuras 2 y 3 para la realización de la figura 1.
Obviamente son posibles muchas modificaciones y variaciones de la presente invención a la luz de lo expuesto anteriormente. Por ejemplo, de acuerdo con amplios aspectos de la invención, podría ser eliminado el cabezal intermedio. O bien, el cabezal superior podría dividirse en múltiples cabezales. Finalmente, podría cambiarse el sistema de tuberías de entrada del refrigerante. Por tanto tiene que comprenderse que dentro del alcance de las reivindicaciones adjuntas, la invención puede ser realizada dentro de lo descrito específicamente.

Claims (10)

1. Un reactor del tipo que tiene una vasija, un agitador para agitar los contenidos de la vasija, y un sistema de intercambio de calor dentro de la vasija, en el que el sistema de intercambio de calor comprende:
un primer cabezal substancialmente anular que comprende tuberías;
un segundo cabezal substancialmente anular que comprende tuberías y que está separado del primer cabezal;
un tercer cabezal substancialmente anular que comprende tuberías y que está separado del primer cabezal y adyacente al segundo cabezal;
un primer conjunto de tubos que se extienden entre el primer cabezal y el segundo cabezal y que conectan los mismos; y
un segundo conjunto de tubos que se extienden entre el primer cabezal y el tercer cabezal y que conectan los mismos.
2. El reactor según lo expuesto en la reivindicación 1, que comprende además:
un cuarto cabezal substancialmente anular que comprende tuberías, y posicionado entre el primer conjunto de tubos y el segundo conjunto de tubos, y que es adyacente al segundo y tercer cabezales; y un tercer conjunto de tubos que se extienden entre el primer cabezal y el cuarto cabezal y que conectan los mismos.
3. El reactor según lo expuesto en la reivindicación 2, en el que la vasija tiene un eje longitudinal que está orientado verticalmente, un extremo superior, y un extremo inferior, y en el que el primer cabezal rodea el eje longitudinal en una posición cercana al extremo superior, y el segundo, tercer y cuarto cabezales que rodean el eje longitudinal en posiciones próximas al extremo inferior, y además en donde el primero, segundo y tercer conjuntos de tubos están orientados substancialmente en forma vertical, para que sean substancialmente paralelos al eje longitudinal.
4. El reactor según la reivindicación 3, en el que el cuarto cabezal está desplazado verticalmente desde y por encima del segundo y tercer cabezales.
5. El reactor según la reivindicación 4, en el que el primer conjunto de tubos comprende dos filas de tubos en las que los tubos de cada fila están separados anularmente, el segundo conjunto de tubos comprende dos filas de tubos en las que los tubos de cada fila están separados anularmente, y el tercer conjunto de tubos comprende una fila de tubos separados anularmente.
6. El reactor según la reivindicación 5, en el que el tercer conjunto de tubos comprende además una segunda fila de tubos separados anularmente.
7. El reactor según la reivindicación 6, en el que el agitador es un agitador de flujo axial.
8. El reactor según la reivindicación 6, en el que el agitador es un agitador de flujo parcialmente axial.
9. El reactor según la reivindicación 7 u 8, en el que el reactor se utiliza para la polimerización de estireno y butadieno.
10. El uso de un sistema de intercambio de calor según lo definido en cualquiera de las reivindicaciones 1 a 6 en un reactor del tipo que tiene una vasija, un agitador para agitar el contenido de la vasija, y el mencionado sistema de intercambio de calor dentro de la vasija.
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