Mischer-Wärmeübertrager mit hoher Mischleistung

Schneller Mix

09.12.2007 Statische Mischer und statische Wärmeübertrager haben sich in der Verfahrenstechnik längst in vielen Prozessen bewährt. Je kürzer, desto besser, lautet vereinfacht ein Konstruktionsziel, um einen möglichst effizienten Wärmeaustausch und – im Falle eines Mischerreaktors – unerwünschte Nebenprodukte zu vermeiden. Mit der dritten Generation des CSE-XR-Apparates erreicht der beliebte Apparat erstmals bei Wärmeübertragern eine Mischleistung vergleichbar mit dem CSE-X/8-Mischer. Dies eröffnet neue Perspektiven für den Mischer-Reaktor-Einsatz in der Reaktions- und Polymerisationstechnik.

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Der Wärmeübertrager CSE-XR wird nicht nur für den Wärmetransport sondern auch als Reaktor eingesetzt. Der Rohrbündelapparat ist im Mantelraum mit statischen Mischelementen statt mit klassischen Umlenkblechen bestückt. Dadurch wird eine hohe radiale Mischleistung erreicht, ohne dass der Produktstrom in Parallelströme aufgeteilt wird. Dies ermöglicht eine homogene Wärmeübertragung und vermeidet Verstopfungen in den einzelnen Rohren, die in herkömmlichen Rohrbündelwärmeübertragern durch Viskositätsänderungen verursacht werden. Doch nicht nur für die Wärmeübertragung, sondern vor allem für den Reaktorbetrieb ist es notwendig, dass Wärme- und Stoffaustausch in einem möglichst kompakten Apparat stattfinden, denn so lassen sich einerseits große Temperaturgradienten vermeiden, andererseits werden Rückreaktionen und unerwünschte Nebenprodukte vermieden.

Der inzwischen in der dritten Generation konstruierte, neue CSE-XR-Mischer-Wärmeübertrager kann dank der verbesserten Wärmeübertragung nicht nur kürzer gebaut werden, sondern auch für Grundoperationen wie intensivstes Mischen bei gleichzeitigem hohen Wärme- oder Stoffaustausch eingesetzt werden. Mit der Erhöhung der Stegzahl konnten die Wärmeübertragung und die Mischleistung deutlich verbessert werden. Messungen und CFD-Berechnungen ergaben eine Verbesserung von 30 bis 50Prozent.
Dabei erhöht sich auch der Widerstandsfaktor deutlich. Da jedoch mit dem CSE-XR-Mischer-Wärmeübertrager deutlich kürzer gebaut werden kann, ergibt sich – absolut betrachtet – ein zusätzlicher Druckverlust von etwa 10 bis 20 Prozent. Zu beachten ist dabei auch, dass sich der Druckverlust zusätzlich exponentiell zum Durchmesser verhält, d.h. dass dieser mit einer geringfügigen Vergrößerung des Durchmessers um einige Millimeter bereits massiv sinken kann.
Bild 2 zeigt das Temperaturprofil des CSE-XR-Mischer-Wärmeübertragers bei einer anspruchsvollen Kühlaufgabe. Es ist sehr gut zu erkennen, dass der Wärmeübertrager auch bei höchsten Anforderungen gleichmäßig kühlen kann. Temperaturprofile am Austritt von 1 bis 2 Kelvin sind üblich. Es zeigt sich auch, dass mit der enggepackten Geometrie keine Randgängigkeiten festzustellen sind. Es finden in der Mitte des Wärmeübertragers kaum Durchbrüche statt.

Mischt wie ein Statikmischer

Wie gut die Mischleistung des CSE-XR-Mischer-Wärmeübertragers ist, haben Untersuchungen gezeigt: Die Mischleistung des Wärmeübertragers ist mit den besten statischen Mischern vergleichbar. Bild 3 zeigt die relative Standardabweichung als Mischgütemaß. Aus dem Diagramm wird ersichtlich, dass der Wärmeübertrager der dritten Generation mit der Mischleistung des CSE-X/8-Mischers mithalten kann, während der Wärmeübertrager der ersten Generation zwar gut mischt, aber für äußerst schwierige Mischaufgaben nicht geeignet ist.

Der CSE-XR-Mischer-Wärmeübertrager zeichnet sich durch ein sehr gutes Verweilzeitverhalten aus. Erfahrungen aus der Praxis zeigen, dass der Mischer-Wärmeübertrager je nach Flüssigkeit nach zwei- bis vierfach gespültem Volumen perfekt sauber ist. In der Reaktionstechnik sind Bodenstein-Zahlen je nach Baulänge von bis zu Bo=400 erreichbar, was annähernd einer idealen Pfropfenströmung entspricht.
Die konstruktiven Merkmale des CSE-XR-Mischer-Wärmeübertragers lassen sich folgendermaßen skizzieren:

  • die Mischer-Wärmeübertrager-Fläche ist als Paket ausbaubar;
  • die gesamte Oberfläche kann kontrolliert gereinigt und auch sterilisiert werden;
  • der Mischer-Wärmeübertrager-Querschnitt ist in der Hauptströmungsrichtung geometrisch überall definiert und reduziert die Maldistribution auf ein Minimum, so dass stets eine enge Verweilzeitverteilung gewährleistet ist;
  • durch die hohe volumenspezifische Wärmeübertragungsfläche ist der CSE-XR-Mischer-Wärmeübertrager für hochviskose Flüssigkeiten und für temperatursensitive Medien besonders geeignet.

Mehr Ausstoß, bessere Qualität

Zu den Standardanwendungen des Apparates gehört die rasche, schonende und gleichmäßige Temperierung hochviskoser Polymerschmelzen. Die radiale Mischleistung der statischen Mischelemente führt zum stetigen Abbau stationärer Grenzschichten an der Rohrwand des Mantels und um die Rohre des Wärmeübertragers. Dadurch können bei Kühlprozessen höhere Temperaturdifferenzen gefahren werden, ohne dass die Schmelze um die Kühlrohre erstarrt.

Ein Einsatzbeispiel ist unter anderem die Polyesterproduktion: Zwischen Polykondensations- und Spinnanlage wird die Polyesterschmelze gekühlt und die Temperatur homogen eingestellt. Dies verbessert die Produktequalität und erlaubt grundsätzlich einen höheren Durchsatz.
An einer Extrusionsanlage wird durch Kühlen oder Heizen die Viskosität eingestellt. Dies ermöglicht den Betrieb bei optimalen Verarbeitungsbedingungen. Ein Beispiel ist die Verbesserung der Schneidfähigkeit der Granuliereinrichtung mit einem Kühler durch Erhöhen der Viskosität.
Beim Kühlen von Schmelzen für die Herstellung von thermoplastischen Schäumen wie beispielsweise Polystyrol oder Polyethylen verhindert der Kühler ein unkontrolliertes Aufschäumen. Die Folge ist eine Kapazitätserhöhung oder eine Verbesserung der Produktequalität.
An Anlagen zum Beschichten von Textilien werden CSE-XR-Kühler eingesetzt, um Additive einzumischen und um die Polymerschmelze zu kühlen. Das Temperaturspektrum von kleiner ±1 bis 2K am Austritt des Kühlers sorgt für eine optimale Produktqualität. Eine verbesserte Maßhaltegenauigkeit, das Verhindern von Ausgasungen oder der verbesserte Deckungsgrad der Farbe verbessern die Produktqualität und erlauben, die Produktivität zu erhöhen.
Der CSE-XR Mischer-Wärmeübertrager kann auch als Reaktor eingesetzt werden:

  • für Reaktionen mit Wärmetönung von hochviskosen Flüssigkeiten wie zum Beispiel Polymerisationen, wo neben hoher Mischeffizienz und enger Verweilzeitverteilung auch Wärme zu- oder abgeführt werden muss;
  • für schnelle chemische Reaktionen von niederviskosen Flüssigkeiten mit hoher Wärmetönung und exakter Temperaturführung:
  • als allgemeiner Plug-Flow- und Loop-Reaktor in den unterschiedlichsten, sehr oft vertraulichen High-Chem-Prozessen;
  • als kontinuierlicher Reaktionsapparat für streng definierte Reaktionszeiten.

 

Fazit: Die neue Konstruktion des CSE-XR basiert auf derselben Grundgeometrie, weist jedoch zusätzliche Mischerstege auf. Dadurch wird eine deutlich höhere Mischleistung erreicht, was sich positiv auf Wärme- und Stoffaustausch und somit auf die Produktqualität auswirkt.

Heftausgabe: Dezember 2007

Über den Autor

Alain Georg , Geschäftsführer Fluitec
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