Wärmetauscher zur Erwärmung von Temperatur- und Verweilzeitempfindlichen

Produkten

Gebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft einen Wärmetauscher für temperaturempfindliche und/oder polymerisationsfähige Produkte.

Stand der Technik

Aus der Literatur sind viele verschiedene Ausführungsformen von Wärmetauschern bekannt. So bieten sich für kurze Verweilzeiten z. B. Wärmetauscher vom Typ der Plattenwärmetauscher oder Mikrowärmetauscher an. Diese Wärmetauscher haben allerdings den Nachteil, dass sie aufgrund der engen Strömungsspalte nur für niedrig viskose Produkte geeignet sind. Bei höher viskosen Produkten kann der Druckabfall über diese Wärmetauscher sehr hoch sein. Bei zur Polymerisation neigenden Produkten wie Monomere oder Polymersirup, der noch Monomere enthält, besteht die Gefahr, dass die Monomere in dem Wärmetauscher während des Betriebes oder beim Stillstand polymerisieren. Die Entfernung von auspolymerisiertem Sirup aus den Plattenwärmetauschern und Mikrowärmetauschern ist sehr aufwändig, wenn nicht gar unmöglich. Für hohe Viskositäten, insbesondere für mehrere Pas, und hohe Drücke, größer 10 bar, werden aufgrund der Fertigungsweise und der auftretenden Kräfte keine Plattenwärmetauscher angeboten.

US-PS 1 ,961 ,907 beschreibt einen Rohrbündelwärmetauscher mit spiralförmig genuteten Verdrängerkörpern in den Rohren. Durch die wendeiförmige Strömung wird eine besonders effektive Wärmeübertragung erreicht. Durch die Strömung des zu temperierenden Mediums innerhalb des Verdrängerrohrs wird jedoch ein zusätzlicher

Druckverlust und eine zusätzliche Verweilzeit erzeugt, die für das Produkt schädlich sein kann. überdies hat die komplexe Konstruktion auch hohe Kosten, eine schlechte Demontierbarkeit und eine schwierige Entleerbarkeit zur Folge.

DE-G 87 12 815 (VIA Gesellschaft für Verfahrenstechnik) beschreibt einen Rohrbündelwärmetauscher für Drucklufttrockner. Der in das Rohr eingeführte Verdrängerkörper besteht aus Materialersparnisgründen seinerseits wieder aus einem Rohr, das an der Eintrittsseite verschlossen ist. Das Verdrängerrohr kann eine geriffelte Oberfläche aufweisen. Die nicht für temperaturempfindliche Produkte entwickelte Konstruktion weist jedoch ein großes produktgefülltes Volumen auf, da keine Böden mit sehr geringem Hold-up verwendet werden und die Verdrängerstäbe unten nicht verschlossen sind. Zudem sind die Verdrängerrohre nicht demontierbar, was bei temperaturempfindlichen Polymeren einen großen Nachteil darstellt.

DE-G 89 03 349 (VIA Gesellschaft für Verfahrenstechnik) beschreibt einen Rohrbündelwärmetauscher, insbesondere für Drucklufttrockner. Um das Wärmeübertragungsmedium möglichst gleichförmig durch den Apparat strömen zu lassen, wird in dem Apparat eine Siebplatte angeordnet, die für eine gleichmäßige Anströmung der Rohre sorgt. Eine schonende Wärmeübertragung ist bei diesem Rohrbündelwärmeübertrager jedoch nicht notwendig, so dass keine besonderen Anforderungen an den Querschnitt der Verdrängerstäbe existieren und keine Verdrängerhauben oder Flachböden mit minimalem Hold-up notwendig sind. Außerdem sind die Verdrängerstäbe nicht demontierbar.

Wärmetauscher, die auch bei höher viskosen Produkten einen geringen Druckabfall zeigen, sind häufig z. B. vom Rohrbündeltyp. Bei dieser Ausführung durchströmt das Produkt mehrere parallel angeordnete Rohre. Nachteilig ist hierbei allerdings, dass die Rohrbündelwärmetauscher gewöhnlich eine geringe spezifische Wärmeaustauschfläche besitzen. Die spezifische Wärmeaustauschfläche wird hierbei definiert als das Verhältnis der Wärmeaustauschfläche zum Volumen in den Rohren, das das Produkt ausfüllt. Durch die geringe Wärmeaustauschfläche werden in der

Regel große Wärmetauscher mit dadurch großen Hold-up in den Rohren benötigt. Die Verweilzeit ist deshalb in den Rohrbündelwärmetauschern recht hoch.

Aufgabe

Angesichts des diskutierten Standes der Technik bestand nun die Aufgabe, einen Wärmetauscher zu entwickeln, der die Verweilzeit für das im Wärmetauscher zu erhitzende oder zu kühlende Produkt möglichst kurz sein lässt. Der Wärmetauscher soll weiterhin so aufgebaut sein, dass sowohl niedrig viskose als auch höher viskose Produkte erwärmt bzw. gekühlt werden können.

Gesucht wurde nach einer Ausführungsform eines Wärmetauschers, der

• eine kurze Verweilzeit bei gleichzeitig geringem Druckabfall ermöglicht,

• leicht zu reinigen ist,

• leicht zu fertigen ist,

• leicht abzudichten ist,

• für ein breites Temperatur-, Druck- und Viskositätsspektrum einsetzbar ist, und

• Temperaturdifferenzen zwischen Produktraum und Heiz- bzw. Kühlraum gut abfängt.

Diese Aufgabe wurde gelöst durch einen Rohrbündelwärmetauscher mit speziell ausgeführten Verdrängerstäben in den produktgefüllten Rohren. Die Verdrängerstäbe sind so ausgeführt, dass sie mehr als 40% des in den Rohren befindlichen Volumens einnehmen, bevorzugt mehr als 50 % des in den Rohren befindlichen Volumens einnehmen und ganz besonders bevorzugt mehr als 60 % des in den Rohren befindlichen Volumens einnehmen. Um das produktgefüllte Volumen im Apparat gering zu halten, werden zweckmäßigerweise ein oder mehrere Verdrängerkörper in den Wärmetauscherhauben des Apparats angeordnet oder zumindest ein Flachboden verwendet.

Durchführung der Erfindung

1. Ausführung des Rohrbündelwärmetauschers

Beschreibung

Der Rohrbündelwärmetauscher besteht aus einem Gehäuse (4) und einem Rohrbündel, das aus einem oder mehreren vom zu temperierenden Produkt durchströmten, im Wesentlichen parallel angeordneten Rohren gebildet wird. Die Rohre können fluchtend, versetzt oder auf konzentrischen Lochkreisen zueinander angeordnet sein. Bevorzugt ist ein minimaler und im Wesentlichen gleicher Rohrabstand, wodurch ein geringes produktgefülltes Volumen (6) resultiert. Besonders bevorzugt ist eine Anordnung der Rohre auf konzentrischen Kreisen, um eine gleichmäßige Anströmung der Rohre und wenig Totzonen im Boden-Bereich zu erhalten.

Das Produkt durchströmt die Rohre und wird über den Rohrmantel erwärmt oder gekühlt. Das Heiz- bzw. Kühlmedium (5) durchströmt den äußeren Mantel der Rohre. Die Rohre können dabei im Kreuzstrom, im Gegenstrom oder im Gleichstrom zum Produktstrom von dem Heiz- bzw. Kühlmedium (5) angeströmt werden. Vorzugsweise erfolgt die Temperierung im Wesentlichen im Kreuz-Gegenstrom, da so geringere treibende Temperaturgefälle zwischen Temperiermedium (5) und Produktraum (6) ausreichen. Damit die Entleerung einfach vorgenommen werden kann, wird der Wärmetauscher vorzugsweise vom Produkt von oben nach unten durchströmt. Damit die Entlüftung des Heiz- bzw. Kühlmediums (5) einfach erfolgen kann, wird der Wärmetauscher vom Temperiermedium (5) vorzugsweise von unten nach oben durchströmt.

Zumindest ein Ende des Rohrbündels wird von einem Boden umschlossen, durch den das Produkt ein- bzw. austritt. Dieser Boden kann als Wärmetauscherhaube (2) mit geringer Wanddicke oder als dickwandiger, aber kompakter Flachboden (17) ausgeführt

sein. Der Boden besitzt vorzugsweise einen Apparateflansch, so dass er an den Wärmetauscherhauptteil angeflanscht oder wieder demontiert werden kann. Der Boden kann einen vorzugsweise auf der Achse befindlichen Stutzen aufweisen, durch den das Produkt ein- oder austreten kann. Denkbar sind auch mehrere Stutzen in Achsnähe, durch die Produkt austreten kann. Der Boden wird vorzugsweise so ausgeführt, dass er mit einem Temperiermedium beheizt bzw. gekühlt werden kann. Denkbar ist aber auch eine elektrische Beheizung.

Es ist auch denkbar, dass der Wärmetauscher direkt an einen anderen Apparat angeschlossen ist, so dass auf dieser Seite auf einen entsprechenden Boden verzichtet werden kann.

Zum Dehnungsausgleich kann bei Bedarf ein Kompensator im äußeren Mantel eingesetzt werden, um die unterschiedliche Wärmeausdehnung zwischen Rohrbündel und Außenmantel auszugleichen.

Vorteil

Der Druckabfall in den Wärmetauscherrohren ist für höher viskose Produkte durch Wahl geeigneter Rohrdurchmesser beherrschbar.

2. Ausführung der Verdrängerstäbe

Beschreibung

Um das Volumen des Produkts (6) in den Wärmetauscherrohren zu reduzieren und die Wärmeübertragung zu erhöhen, werden Verdrängerstäbe (7, 10, 12, 15) in die Rohre eingeführt. Die Verdrängerstäbe (7, 10, 12, 15) können teilweise in die Wärmetauscherhauben (2) hineinragen. Die Verdrängerstäbe (7, 10, 12, 15) sind so ausgeführt, dass sie mehr als 40% des Volumens in den Wärmetauscherrohren

verdrängen. Vorzugsweise werden mehr als 60% des Leervolumens der Rohre durch die Verdrängerstäbe (7, 10, 12, 15) verdrängt. Vorzugsweise werden weniger als 95% des Volumens verdrängt, um sowohl eine kompakte Bauform des Wärmeüberträgers als auch einen geringen Druckabfall zu erhalten. Die Außenkontur der Verdrängerstäbe (7, 10, 12, 15) ist so gestaltet, dass die Achse der Verdrängerstäbe (7, 10, 12, 15) in den Rohren zentriert ist, um Totzonen zu vermeiden und eine über den Querschnitt des Wärmetauscherrohres homogene Strömung zu erzielen. Der Produktstrom fließt im Spalt (11 ) zwischen Verdrängerstab (7, 10, 12, 15) und Innenwand des Wärmetauscherrohres.

Um die Verdrängerstäbe (7, 10, 12, 15) im Rohr mit einem definierten Spalt zu zentrieren, können die Verdrängerstäbe (7, 10, 12, 15) z. B. wie folgt aufgebaut sein:

• Beidseitig verschlossene Rohre, geschlossene Hohlkörper oder Massivkörper (15), dessen Querschnitte entlang seiner Achse in zumindest zwei Teilbereichen (14, 16) zur Zentrierung im Rohr (9) verformt sind (siehe Fig. 2 und 5-6),

• Beidseitig verschlossene Rohre, geschlossene Hohlkörper oder Massivkörper

(12) mit zumindest an zwei axialen Positionen außen angebrachten Elementen

(13) zur Zentrierung im Rohr (siehe Fig. 3-4),

• Entlang der Rohrachse versetzte Platten mit der Eigenschaft, Volumen zu verdrängen

Die Verdrängerstäbe (7, 10, 12, 15) sind vorzugsweise in die Rohre (9) hinein geschoben, so dass sie bei Bedarf zu Reinigungs- und Prüfzwecken wieder herausgenommen werden können. Die Verdrängerstäbe (7, 10, 12, 15) können auch aus mehreren einzelnen hintereinander geschalteten Stäben bestehen. Vorstellbar ist auch, hohle Verdrängerstäbe zu verwenden, die mit einem Medium gefüllt sind, das den Wärmetransport verbessert. Beispielsweise kann Wasser enthalten sein, das im heißen Bereich verdampft und im kühlen Bereich kondensiert, so dass Wärme in axialer Richtung transportiert wird. Denkbar ist auch, mit Hilfe eines die Verdrängerrohre durchströmenden Wärmeträgermediums zusätzlich Wärme zu übertragen. Eine weitere Möglichkeit besteht in der Verwendung von elektrisch beheizten Verdrängerstäben,

wodurch die spezifische Wärmeübertragungfläche weiter erhöht wird und die Verweilzeit noch weiter verringert werden kann. Ebenso ist denkbar, dass Kombinationen der oben genannten Verdrängerstäbe eingesetzt werden.

Die Verdrängerstäbe erzeugen vorzugsweise im beheizten Teil der Rohre einen engen Querschnitt, im Eintrittsbereich kann eine Querschnittsaufweitung zur Verminderung des Druckverlustes im Rohrboden-Bereich vorgesehen sein.

Vorteil

Durch die Verdrängerstäbe (7, 10, 12, 15) wird der Hold-up des Produktes in den Rohrleitungen (6) reduziert und die spezifische Wärmeaustauschfläche erhöht. Der Druckabfall über den Rohrbündelwärmeübertrager mit Verdrängerstäben (7, 10, 12, 15) ist geringer als bei Mikrowärmetauschern und Plattenwärmetauschern gleicher thermischer Leistung und Rohranzahl. Der Druckabfall kann bei Mikrowärmetauschern und Plattenwärmetauschern nur durch eine deutliche Erhöhung der Rohranzahl in diesen Wärmetauschertypen auf das Niveau des Rohrbündelwärmetauschers mit Verdrängerstäben gesenkt werden. Der geringe Rohrdurchmesser und die große Anzahl an Rohren erschwert die Reinigung dieser Wärmetauscher erheblich.

Die Verweilzeit im Rohrbündelwärmeübertrager mit Verdrängerstäben ist naturgemäß geringer als in Rohrbündelwärmeüberträgern ohne Verdrängerstäbe gleichen Durchmessers. Nur für Leerrohre mit signifikant geringerem Durchmesser, die dann aber deutlich länger sind, kann die Verweilzeit auf das gleiche Niveau wie beim Rohrbündelwärmetauscher mit Verdrängerstäben eingestellt werden.

3. Verdrängerkörper in den Wärmetauscherhauben

Beschreibung

Um den Hold-up in den Wärmetauscherhauben (2) zu minimieren, werden Verdrängerkörper (3) in die Hauben (2) eingebaut. Die Hauben (2) können ebenfalls beheizt oder gekühlt sein. Zur Zentrierung können diese z. B. Bleche oder Stifte an den Außenseiten aufweisen. Um die Wärmetauscherrohre gleichmäßig mit Flüssigkeit zu beschicken, wird die den Wärmetauscherrohren zugewandte Seite vorzugsweise konisch ausgeführt; siehe Fig. 7.

Vorteil

Geringere Verweilzeit in den Wärmetauscherhauben (2) und damit geringere thermische Belastung der Produkte.

4. Flachboden

Die Zonen für Produkteintritt (1 ) und Produktaustritt (8) können auch als Flachboden (17) mit Aussparungen (low volume head) ausgeführt sein (siehe Fig. 8). Die Aussparungen werden so bemessen, dass die Verweilzeit des Produkts im Boden bei Volllast zwischen 0,5 s und 20 s, bevorzugt zwischen 1 ,5 s und 15 s, bzw. bei Teillast zwischen 1 s und 40 s, bevorzugt zwischen 1 ,5 s und 30 s, beträgt. Die Aussparungen können beispielsweise durch Ausdrehen oder Ausfräsen hergestellt werden. Die Aussparung des Flachbodens kann konisch ausgeführt sein.

5. Betriebsparameter

Beschreibung

Betriebstemperaturen T = -20 ⁰ C bis +400 ⁰ C;

Druck im Produktraum der Rohre (6) und der Hauben (2) P = -0,95 barg bis +100 barg.

Der Druck im Raum des Wärmeträgermedium (5) kann zwischen P = -0,95 barg bis +50 barg liegen. Die Temperatur des Wärmeträgermediums (5) kann T = -20°C bis +400 ⁰ C betragen.

Das Wärmeträgermedium (5) kann flüssig oder dampfförmig zugeführt werden. Der gemäß der Erfindung beschriebe Wärmetauscher ist geeignet, Produkte mit einer Viskosität von η = 0,1 mPas bis 500 Pas zu erwärmen bzw. zu kühlen. Die Verweilzeit der Produkte im Wärmetauscher kann 1 s bis 300 s betragen.

Vorteil

Der Wärmetaucher erlaubt die Einstellung eines weiten Bereiches an Temperaturen, Drücken und Viskositäten.

Vergleich zwischen konventionellen Wärmetauschern des Standes der Technik und Wärmetauschern mit Ringspalt

Die folgende Tabelle fasst Ergebnisse von Massen- und Energiebilanzen sowie von Berechnungen von Strömung und Wärmeübertragung in Rohren und Ringspalten zusammen. Die Druckverlustberechnungen basieren auf der analytischen Lösung der Impulserhaltungsgleichung für das laminar durchströmte Rohr (Hagen-Poiselle- Strömung) bzw. für den laminar durchströmten Ringspalt. Die Wärmeübergangsberechnungen fußen auf semiempirischen Nußelt-Zahl-Beziehungen

für hydrodynamisch und thermisch nicht ausgebildete Laminarströmung. Soweit nicht anders vermerkt, wird ein Massenstrom von 1.000 kg/h, eine Verweilzeit in den Rohren von 60 Sekunden, eine Temperaturerhöhung des zu erwärmenden Mediums von 100 K und eine logarithmische Temperaturdifferenz zwischen Wärmeträgermedium (5) und zu erwärmendem Medium von 30 K angenommen. Letztere beiden Zahlenwerte lassen sich zu einem Quotienten von 3,33 zusammenführen. Verwendet werden als Stoffwerte außerdem eine Wärmeleitfähigkeit von 0,15 W/mK, eine Dichte von 1 .000 kg/m ³ , eine spezifische Wärmekapazität von 2.200 J/kgK und eine konstante dynamische Viskosität von 1 Pas, d. h. es wird von einem newtonschen Medium ausgegangen. Weiterhin wird vorausgesetzt, dass der wärmeträgerseitige Wärmeübergangswiderstand sowie der Leitungswiderstand durch die Rohrwandung vernachlässigbar sind.

Beispiel A zeigt, dass bei konventionellen Rohrbündelwärmeübertragern sehr enge, lange Rohre notwendig sind, um die vorgegebenen Bedingungen zu erreichen. Diese sind aber nur schwer fertigbar und lassen sich praktisch nicht reinigen.

Beispiele B und C zeigen, dass kürzere Rohre bei geringerer Verweilzeit (Fall B) oder geänderten thermischen Bedingungen (Fall C) möglich sind. Jedoch sinken dabei zugleich die Rohrdurchmesser noch mehr und die Rohranzahl steigt stark an, so dass hierin keine Alternative zu Fall A gesehen werden kann.

Beispiele D und E demonstrieren, dass ein größerer Rohrdurchmesser zwar mit Hilfe von längerer Verweilzeit (Fall D) oder höheren Wandtemperaturen (durch größere logarithmische Temperaturdifferenzen; Fall E) erzielt werden kann. Der Vorteil der besseren Reinigbarkeit aufgrund des größeren Durchmessers wird jedoch durch die extrem erhöhte Rohrlänge, die die Fertigbarkeit sehr erschwert, sowie Verschlechterungen in der Produktqualität aufgrund erhöhter Verweilzeiten und Wandtemperaturen überkompensiert. Ferner ist der Platzbedarf solch langer Apparate in Gebäuden problematisch.

Beispiele F und G zeigen, dass ein kleinerer Rohrdurchmesser durch kürzere Verweilzeit (Fall F) oder geänderte thermische Bedingungen (Fall G) eine extrem große Anzahl an Rohren zur Folge hat. Eine solch hohe Anzahl an filigranen Rohren ist in Anbetracht der hohen Drücke und Temperaturen, auf die der Rohrbündelapparat ausgelegt sein müsste, nicht fertigbar.

Die nicht zu vernachlässigende Rohrlänge erlaubt zudem noch nicht eine Reinigung des Apparateinneren.

Beispiel H legt dar, dass ein reduzierter Druckabfall durch eine erhöhte Rohranzahl und eine verkürzte Länge keine geringen Rohrdurchmesser zur Folge hat. Wegen der hohen Anzahl an dünnen Rohren mit nicht verschwindender Länge ist auch hier die Reinigbarkeit, ebenso wie die Fertigbarkeit, praktisch nicht möglich.

Vergleich einer erfindungsgemäßen Auslegung (Beispiel I) mit denen für konventionelle Rohrbündelwärmeübertrager (Beispiele A-H):

Beispiel I zeigt exemplarisch eine Auslegung für einen erfindungsgemäßen Wärmeübertrager mit Verdrängerstäben. Unter Berücksichtigung von Verweilzeit, thermischen Bedingungen und Druckabfall hat dieser im Vergleich zu den Beispielen konventioneller Wärmeübertrager (Beispiele A-H) einen sehr großen Rohrdurchmesser, der eine gute Reinigungsmöglichkeit gewährleistet. Zudem hält sich im Vergleich zu den Beispielen A, D und E die Rohrlänge in Grenzen, wodurch eine gute Fertigbarkeit und Reinigbarkeit ermöglicht wird und wenig Platzbedarf vorliegt. Gegenüber den Beispielen A-C und F-H ist zudem die Rohranzahl gering, so dass eine einfache und kostengünstige Fertigung möglich ist.

Der erfindungsgemäße Rohrbündelwärmetauscher kann besonders vorteilhaft bei der Synthese von Polymeren eingesetzt werden, da die geringe Verweilzeit bei gleichzeitiger effektiver Wärmeübertragung das Produkt wenig thermisch belastet und so unerwünschte Polymerisationen verhindert.

Rechenweg

Aus der Wärmebilanz an der Rohrwandung:

L τL( _iξ -ä ^> y _P c _p AT _s =^± - _π ä, L - AT, _k ιh

lässt sich bei Vorgabe von zwei der drei Geometriegrößen (Spalt-Außendurchmesser d _a , Spalt-Innendurchmesser c/,, Rohrlänge L) die dritte berechnen.

Hierbei sind L die Rohr- bzw. Ringspaltlänge, r die Verweilzeit, d _a der Außendurchmesser des Spalts bzw. Rohrdurchmesser, c/, der Innendurchmesser des

Ringspalts (Rohr: c/, = 0), p die Dichte, c _p die spezifische Wärmekapazität, δT _S die Temperaturerhöhung des Sirups, dh der hydraulische Durchmesser, λ die Wärmeleitfähigkeit, ^7 _/g die logarithmische Temperaturdifferenz zwischen Heizmedium (5) und Sirup.

Die mittlere Nußelt-Zahl Nu _m berechnet sich für ein Rohr nach Baehr/Stefan (Wärme- und Stoffübertragung, Springer- Verlag Berlin, 1994, S. 381-382) unter Berücksichtigung des hydrodynamischen und thermischen Anlaufs über:

3,657

Nu m, Rohr + 0,0499 tanh(x) tanh(2,432-iV ^/3 )x ^1/6 tanh(2,264-X ^1/3 + 1,7-X ^2/3 ) X

Hierbei sind Pr die Prandtl-Zahl und X eine dimensionslose Länge:

Mit K = d/d _a gilt für die mittlere Nußelt-Zahl im von außen beheizten Ringspalt außerdem:

Nu _mλS = 3,657 + 1,2 • K ¹¹² + (Nu _m,Rohr - 3,657 )• (l + 0,14 • K ¹¹³ ).

Für den Druckverlust in Ringspalten oder Rohren (K = 0) gilt nach Martin (Wärmeübertrager, Georg Thieme Verlag Stuttgart, 1988, S. 24):

32 μ U \ - K ²

Ap =

In[K)

Skizzen

Bezugszeichenliste:

1. Produkteintritt

2. Wärmetauscherhaube

3. Verdrängerkörper

4. Wärmetauscher-Gehäuse

5. Heiz- und/oder Kühlmedium um die Wärmetauscherrohre

6. Produktraum in den Wärmetauscherrohren

7. Verdrängerstäbe in den Rohren des Rohrbündels

8. Produktaustritt

9. Wärmetauscherrohr (schematisch)

10. Verdrängerstab

11. freies Volumen zwischen Verdrängerstab und Wärmerauscherrohr

12. Verdrängerstab

13. Abstandhalter zur Zentrierung des Verdrängerstabes im Wärmetauscherrohr

14. Zentrierbereich in einem Teilbereich des Verdrängerstabes

15. Verdrängerstab

16. Zentrierbereich in einem Teilbereich des Verdrängerstabes

17. Flachboden (low volume head)