Sulzer Chemtech AG, CH-8404 Winterthur (Schweiz)

Apparat zur kombinierten Durchführung von Wärmeübertragung und statischem Mischen mit einer Flüssigkeit

Die Erfindung betrifft einen Apparat, der eine Wärmeübertragung zwischen einer Flüssigkeit und einem wärmetransportierenden Medium mit einem statischen Mischen der Flüssigkeit kombiniert. Die Erfindung bezieht sich auch auf eine Verwendung dieses Apparats.

Die EP-A- 0 009 638 offenbart einen als Reaktor ausgebildeten Wärmeübertrager, mit dem Reaktionswärme bei einer Polymerisation zum Einhalten einer optimalen Temperatur entfernt wird. Dieser Polymerisationsreaktor umfasst ein rohrartiges Gehäuse und Einbauten, mit denen die Wärmeübertragung aus einem polymerisierenden Gemisch, einer hochviskosen Flüssigkeit, durchführbar ist. Die Einbauten bewirken gleichzeitig ein statisches Mischen dieser hochviskosen Flüssigkeit.

Eine derartige Einrichtung mit Gehäuse und Einbauten ist ein Apparat, für den diverse Anwendungen gefunden worden sind. Eine typische Anwendung ist das Kühlen einer Polyesterschmelze, die bei rund 290°C in einem Polykondensationsreaktor erzeugt wird. Nach der Entnahme dieses Produkts aus diesem Reaktor muss die Temperatur um 10°C abgesenkt werden, um ein Zersetzen des Produktes zu vermindern. Das Kühlen hat im Apparat gleichmässig und mit einem engen Verweilzeitspektrum der Polyesterschmelze zu erfolgen, um ein homogenes Produkt zu erhalten. Beim Herstellen von dünnen Polyesterfäden ist die Homogenität der Schmelzetemperatur sehr präzise einzuhalten.

Der aus der EP-A- 0 009 638 bekannte Polymerisationsreaktor zur kombinierten Durchführung von Wärmeübertragung und statischem Mischen umfasst ein Gehäuse in Form eines Mantels, der sich longitudinal zwischen

einem Kopfende und einem Basisende erstreckt, und Einbauten, die eine wärmeübertragende und mischende Struktur bilden. Die Einbauten bestehen aus sich in longitudinaler Richtung erstreckenden Rohren, die serpentinenartig geformt sind. Die Rohre werden nachfolgend gelegentlich als "Wärmeübertrager-/Mischrohre" bezeichnet. Jedes Rohr weist gekrümmte Rohrteile und diese gekrümmten Rohrteile verbindende Rohrteile auf, die gerade und parallel zu einander sind. Die Rohre liegen in ebenen, sich berührenden Lagen; und die geraden Rohrteile benachbarter Rohre kreuzen sich. Ein wärmetransportierendes Medium wird als innerer Strom durch die Rohre der Einbauten gepumpt. Die Rohre sind am Kopfende angeschlossen, wo auch eine Eintrittsstelle für den äusseren Strom des zu kühlenden Produkts angeordnet ist. Das gekühlte Produkt verlässt den Apparat am Basisende, an dem die Einbauten nicht angeschlossen sind. Dank der fehlenden Verbindung zwischen Basisende und Einbauten erübrigt sich ein Dehnungsausgleich, der aufgrund unterschiedlicher Wärmedehnung der Einbauten und des Gehäuses erforderlich wäre. Dehnungsunterschiede ergeben sich insbesondere beim Anfahren, weil die Rohrschlangen fast unmittelbar die Temperatur des Wärmeträgers annehmen, während das Gehäuse nur indirekt und langsam über das Polymer im Mantelraum aufgewärmt wird.

Im bekannten Polymerisationsreaktor erfolgt eine Wärmeübertragung mehrgängig, nämlich jeweils in einer ersten Hälfte eines Rohrs im Gleichstrom und in einer zweiten Hälfte im Gegenstrom. Der innere Strom des wärmetransportierenden Mediums kreuzt aufgrund der serpentinenartigen Form den äusseren Strom der hochviskosen Flüssigkeit, so dass mit dem Gleich- bzw. Gegenstrom auch ein Kreuzstrom kombiniert ist.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen verbesserten Apparat zu schaffen, der funktionell wie der bekannte Polymerisationsreaktor ausgebildet ist, wobei jedoch in diesem Apparat die Wärmeübertragung effizienter durchführbar ist. Diese Aufgabe wird durch den im Anspruch 1 definierten Apparat gelöst.

Der Apparat, der eine Wärmeübertragung zwischen einer Flüssigkeit und einem wärmetransportierenden Medium mit einem statischen Mischen der Flüssigkeit kombiniert, umfasst Einbauten in einem Mantel. Der Mantel

erstreckt sich longitudinal zwischen einem Kopfende und einem Basisende. Die Einbauten bilden eine wärmeübertragende und mischende Struktur. Das wärmetransportierende Medium ist als innerer Strom in Rohren der Einbauten vom Basisende zum Kopfende förderbar. Die Flüssigkeit ist als äusserer Strom vom Kopfende zum Basisende förderbar. Es sind

Verstärkungselemente vorgesehen, welche die Einbauten in longitudinaler Richtung gegen durch die Flüssigkeit erzeugte Druckgradienten stabilisieren. Die Einbauten sind in einem Hauptbereich durch die Verstärkungselemente zu einer nicht dehnbaren Teilstruktur verbunden; und in einem zum Hauptbereich komplementären Nebenbereich bleiben sie als eine longitudinal dehnbare Teilstruktur zumindest teilweise unverstärkt.

Die abhängigen Ansprüche 2 bis 9 betreffen vorteilhafte Ausführungsformen des erfindungsgemässen Apparats. Eine Verwendungsmöglichkeit des erfindungsgemässen Apparats ist Gegenstand des Anspruchs 10.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand der Zeichnungen erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein Kopfende des erfindungsgemässen Apparats mit einem

Wärmeübertrager-/Mischrohr,

Fig. 2 zwei Lagen benachbarter Wärmeübertrager-/Mischrohre,

Fig. 3 einen teilweise dargestellten Längsschnitt des erfindungsgemässen Apparats und

Fig. 4 ein weiteres Beispiel von Verstärkungselementen.

Ein erfindungsgemässer Apparat 1 wird anhand der Figuren 1 bis 4 beschrieben. Dieser Apparat 1 , der eine Wärmeübertragung zwischen einer Flüssigkeit 8 und einem wärmetransportierenden Medium 7 mit einem statischen Mischen der Flüssigkeit 8 kombiniert, umfasst Einbauten 2 und einen Mantel 3 mit einem rohrartigen, die Flüssigkeit 8 führenden Gehäuse 3'. Die zu behandelnde Flüssigkeit 8 hat typischerweise eine relativ hohe dynamische Viskosität von mindestens 1 Pa-s; sie ist bei wichtigen

Anwendungen des Apparats 1 eine Polymerschmelze, die einen Druck von beispielsweise 50 bar aufweist.

Der Mantel 3 erstreckt sich longitudinal zwischen einem Kopfende 4 und einem Basisende 5. Die Einbauten 2 bilden eine wärmeübertragende und mischende Struktur. Das wärmetransportierende Medium 7 fliesst als innerer Strom in Rohren 21 , 22 der Einbauten 2 vom Basisende 5 zum Kopfende 4. Die Flüssigkeit 8 fliesst als äusserer Strom vom Kopfende 4 zum Basisende 5. Es sind Verstärkungselemente 6 (siehe Figuren 2 und 4) vorgesehen, welche die Einbauten 2 in longitudinaler Richtung gegen durch die Flüssigkeit 8 erzeugte Druckgradienten stabilisieren. Die Einbauten 2 sind in einem Hauptbereich durch die Verstärkungselemente 6 zu einer nicht dehnbaren Teilstruktur 2a verbunden. In einem zum Hauptbereich komplementären Nebenbereich bleiben die Einbauten 2 unverstärkt oder nur teilweise verstärkt, so dass eine flexible, longitudinal dehnbare Teilstruktur 2b (strichpunktiert umrandetes Rechteck) gebildet ist. Dank dieser flexiblen Teilstruktur 2b ergibt sich ein Dehnungsausgleich, der aufgrund unterschiedlicher Wärmedehnung der Einbauten 2 und des Gehäuses 3', welche beispielsweise beim Anfahren des Apparats auftreten, erforderlich ist.

Im erfindungsgemässen Apparat 1 erfolgt die Wärmeübertragung eingängig, nämlich im Gegenstrom. Beim Gegenstrom ergibt sich bekanntlich im Mittel eine grossere Temperaturdifferenz zwischen innerem und äusseren Strom als beim Gleichstrom. Folglich ist die Wärmeübertragung effizienter durchführbar als bei der mehrgängigen Wärmeübertragung des bekannten Polymerisationsreaktors. Daher lässt sich beispielsweise ein solcher Reaktor, der eine Länge von 2 m hat, durch einen Gegenstromreaktor ersetzen, der um rund 35 cm kürzer ist (wobei beide Reaktoren gleiche Querschnittsflächen und gleiche Kühlleistungen aufweisen). Gleichzeitig wird der Druckverlust des inneren Stroms (Wärmeträger in Form eines Thermoöls) halbiert.

Die Wärmeübertrager-/Mischrohre, d.h. die Rohre 21 , 22 der Einbauten 2 bilden ebene, parallel angeordnete Lagen 200, deren transversale

Ausrichtung in Fig. 1 durch strichpunktierte Linien 204 angedeutet ist. In jeder Lage 200 erstreckt sich das Rohr 22 (bzw. 21 ) serpentinenartig, Bögen 201 und parallele Teilrohrstücke 202 umfassend, von einem Eintrittsende 25 am

Basisende 5 zu einem Austrittsende 24 am Kopfende 4. Die Teilrohrstücke 202 benachbarter Lagen 200 kreuzen sich an Kreuzungsstellen 203. In Fig. 3 sind links zwei benachbarte Rohre 21 und 22 dargestellt, rechts nur das Rohr 21.

Im Hauptbereich der Einbauten 2 sind die Rohre 21 und 22 zweier benachbarter Lagen 200 auf einer axialen, d.h. longitudinal ausgerichteten Stange 6' befestigt, die eine vorteilhafte Ausführungsform der Verstärkungselemente 6 bildet. Die Stange 6' ist am Basisende 5 befestigt und erstreckt sich über die nicht flexible Teilstruktur 2a bis zur flexiblen Teilstruktur 2b, die den Dehnungsausgleich ermöglicht. Es ist auch eine Ausführungsform möglich, bei der die Stangen 6' am Kopfende 4 befestigt sind und die flexible Teilstruktur 2b sich am Basisende 5 befindet.

Die Verstärkungselemente 6 sind mit Vorteil als streifenartige Platten (nicht dargestellt), Stangen 6' (Fig. 2) oder Verbindungsstücke 6" (Fig. 4) ausgebildet, die auf eine Mehrzahl von Stellen verteilt angeordnet sind. Unter den streifen artigen Platten werden Verstärkungselemente 6 verstanden, die zwar vergleichbar einem Stangenabschnitt aufgebaut, aber ähnlich wie die Verbindungsstücke 6" in Fig. 4 verteilt angeordnet sind. Auf den Stangen 6' oder Platten sind nutenartige Vertiefungen zum Einlegen der Rohre 21 und 22 vorgesehen, so dass die durch diese Platten verbundenen Rohre sich berühren oder in relativ kleinen Abständen angeordnet sind, die wesentlich kleiner als die Dicke der Platten sind. Vorzugsweise werden die befestigenden Verbindungen zwischen den Rohren und den Platten bzw. zwischen den Rohren und den Stangen 6' durch Löten in einem Lötofen hergestellt. Die Verbindungen können selbstverständlich auch durch Schweissen hergestellt werden. Bei der in Fig. 4 illustrierten Verstärkungsform verbinden die Verbindungsstücke 6" jeweils zwei benachbarte Teilrohrstücke 202. Diese sind vorzugsweise angeschweisst.

Die nicht flexible Teilstruktur 2a des Hauptbereichs ist so widerstandsfähig ausgebildet, dass die Einbauten intakt bleiben, wenn im äusseren Strom aufgrund des Strömungswiderstandes longitudinale Druckunterschiede zwischen den Apparatenden von mindestens 10 bar, vorzugsweise 40 bar, auftreten.

Der erfindungsgemässe Apparat 1 ist in der Regel so konstruiert, dass das Kopfende 4 und das Basisende 5 jeweils mit dem Mantel 3 sowie den Einbauten 2 nicht lösbar verbunden sind. In diesem Fall sind die Einbauten 2 nicht ausbaubar. Sind ausbaubare Einbauten 2 erforderlich, so kann es vorteilhafter sein, den bereits bekannten Apparat (Polymerisationsreaktor) zu verwenden.

Der Mantel 3 kann zwischen einer äusseren Wand 30 und dem rohrartigen Gehäuse 3' einen Ringspaltraum 31 enthalten, durch den ein Wärmeträger, vorzugsweise ein Teil des wärmetransportierenden Mediums 7, leitbar ist (Eintrittsleitung 35 und Austrittleitung 34 des Wärmeträgers).

Die Wärmeübertrager-/Mischrohre 21 , 22 sind am Kopfende 4 in Bohrungen 40 und am Basisende 5 in Bohrungen 50 eingebracht und befestigt. Die Bohrungen 40 sind auf zwei Ringsegmenten in Mantelnähe angeordnet; die Bohrungen 50 sind auf einem die Mitte des Basisendes 5 querenden Streifen angeordnet. Das wärmetransportierende Medium 7 wird durch eine

Eintrittsleitung 51 sowie eine Verteilkammer 517 in die einzelnen Rohre 21 , 22 der Einbauten 2 eingespeist und an deren Ausgang in einer Sammelkammer 417 sowie einer Austrittsleitung 41 vereinigt.

Für die Flüssigkeit 8 weisen das Kopfende 4 eine zentrale Eintrittsöffnung 42 und das Basisende 5 eine neben dem Zentrum angeordnete Austrittsöffnung 52 auf. Es können auch beide öffnungen 42 und 52 im Zentrum oder exzentrisch angeordent sein, oder die Eintrittsöffnung 42 exzentrisch und die Austrittsöffnung 52 im Zentrum.

Der erfindungsgemässe Apparat 1 lässt sich beispielsweise für eine Polyesterschmelze oder ein anderes geschmolzenes Polymer (Flüssigkeit 8) verwenden, um durch Kühlung eine Zersetzung zu minimieren. Eine andere Verwendung ist die Erwärmung eines Polymers, um dieses fliessfähiger zu machen. Eine weitere Verwendungen ist das Heizen oder Kühlen von hochviskosen Medien im Nahrungsmittelbereich, wie Schokoladen-, Caramel- oder Kaugummimassen. Als wärmetransportierendes Medium 7 kommt in der Regel ein Thermoöl zum Einsatz. Es sind auch andere Medien wie Wasser oder Dampf verwendbar.