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Vorrichtung für die Abscheidung von Sublimations-und Kondensationsprodukten
aus als Trägergas dienenden Dampf-Gas-Gemischen insbesondere von Phthalsäureanhydrid
Bei chemischen Reaktionsprozessen fallen vielfach organische oder anorganische Stoffe
in dampf- und/oder gasförmigem Zustand an, die bei Kühlung entweder durch Kondensation
in die flüssige oder bei Sublimation unmittelbar in die feste Phase übergeführt
werden. Bei der Gewinnung einer Reihe von Stoffen, z. B. bei der Gewinnung von Phthalsäureanhydrid,
welches in großen Mengen in der Kunststoff- und Farbenindustrie benötigt wird, treten
beide Erscheinungen in Kombination auf, wobei der Sublimationsvorgang überwiegt.
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Bei der Gewinnung von Phthalsäureanhydrid verläßt dieses den Reaktionskessel
normalerweise als Dampf-Gas-Gemisch bei Temperaturen zwischen 350 und 5000 C. Diese
Reaktionswärme kann teilweise, z B. in Abhitzekesseln, wiedergewonnen werden, oder
aber man kühlt das Gemisch in einem Kühler auf eine Temperatur ab, welche oberhalb
der Sublimations bzw. Kondensationstemperatur liegt. Anschließend wird das Dampf-Gas-Gemisch
zur Gewinnung in den Abscheider geleitet, welcher im wesentlichen aus wechselweise
mit einem Kühl- und Heizmedium beaufschlagten Wärmeaustauschern besteht, die durch
ein Gehäuse gas dicht nach außen abgeschlossen sind.
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Im ersten Arbeitsgang werden die Wärmeaustauschelemente durch ein
Kühlmedium von innen beaufschlagt, so daß aus dem die Wärmeaustauschflächen außen
umströmenden Dampf-Gas-Gemisch das Phthalsäureanhydrid in fester Form auf der Außenseite
der gekühlten Wärmeaustauschflächen abgeschieden wird.
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Sind die Wärmeaustauschflächen des Abscheiders derart beladen, daß
ein wirtschaftlicher Wärmeaustausch und damit eine weitere Abscheidung nicht mehr
eintritt, wird die Zufuhr des Dampf-Gas-Gemisches abgeschaltet und den Wärmeaustauschflächen
auf der Innenseite ein Heizmedium zugeleitet. Infolge der Aufheizung der Wärmeaustauschflächen
schmilzt das feste Phthalsäureanhydrid von den Außenflächen des Wärmeaustauschers
ab und wird unterhalb der Wärmeaustauschelemente in einem mit einem Ableitungsstutzen
versehenen Sammelraum aufgefangen.
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Obwohl der Abscheidungsvorgang in den Abscheidern - wie vorstehend
beschrieben - chargenweise erfolgt, sind in der Praxis jeweils mindestens zwei Abscheider
derart an den Reaktionskessel angeschlossen, daß beide abwechselnd mit dem Dampf-Gas-Gemisch
sowie dem Kühlmedium bzw. unter Abschaltung des Dampf-Gas-Gemisches nur mit dem
Heizmedium beaufschlagt werden.
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Die Wärmeaustauschflächen bestehen vorzugsweise aus Rippenrohrelementen,
die entweder waagerecht oder geneigt sowie gegebenenfalls vertikal innerhalb des
diese umgebenden Abscheidergehäuses gelagert sein können, jedoch so, daß sie von
dem Dampf-Gas-Gemisch quer angeströmt werden.
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Bei einer bekannten Ausführungsform sind die Rippenrohre reihenweise
in der Weise zusammengefaßt, daß die geraden Enden auf der einen Seite an eine rohrförmige
Verteiler- und am anderen Ende an eine rohrförmige Sammelkammer angeschlossen sind.
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Die auf diese Weise geschaffenen, in etwa waagerechter Ebene angeordneten
Rohrlagen sind in vertikaler Ebene iibereinander in an den Enden vorgesehenen Gestellen
hintereinander im wesentlichen starr gelagert. Bei einer anderen Ausführungsform
sind die wiederum durch rohrförmige Sammel- bzw. Verteilerkammern an den Enden zu
Einheiten zusammengeschlossenen Rohrlagen schubladenartig in einem zugleich das
Abscheidergehäuse bildenden Gestell gelagert, wobei die einzelnen Lagen nacheinander
in Reihe hintereinandergeschaltet sind. Die Nachteile dieser bekannten Ausführungsformen
sind insbesondere unter Berücksichtigung der Eigenart des Sublimationsverfahrens
darin zu sehen, daß zwar die jeweils zu einer Einheit zusammengeschlossenen Wärmeaustauschelemente
eine gewisse Längenänderung zulassen, daß aber die Rohre nicht unabhängig voneinander
Wärmespannungen auszugleichen vermögen. Mit Rücksicht auf die bei Sublimationsverfahren
erheblichen Temperaturschwankungen nicht nur zwischen den Elementen, sondern auch
den jeweils benachbarten Rohren der einzelnen Elemente, treten daher bei den bekannten
Abscheidern bereits nach verhältnismäßig kurzer Betriebsdauer erhebliche Schäden
auf, die in ihrer Folgeerscheinung nicht nur zu Undichtigkeiten innerhalb des Rohrsystems,
sondern insbesondere
zu Undichtigkeiten an dem Gehäuse führen.
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Bei der Abscheidung von Phthalsäureanhydrid ist hiermit in erhöhtem
Maße die Gefahr von Explosionen verbunden. Ein weiterer Nachteil der bekannten Anordnung
der Rippenrohre sind die konstruktiv bedingten großen Zwischenräume zwischen den
einzelnen Rohrlagen, in denen sich das Sublimationsprodukt leicht festsetzt und
im normalen Betrieb nicht oder nicht ohne weiteres wieder abgeschmolzen werden kann.
Um überhaupt auf eine längere Zeitdauer einen einwandfreien Betrieb aufrechtzuerhalten,
ist es daher von Zeit zu Zeit notwendig, längere Beheizungszeiten vorzusehen, wodurch
die Wirtschaftlichkeit des Verfahrens beeinträchtigt wird. Das Anlagern von Sublimationsresten
wird bei den bekannten Ausführungsformen ferner dadurch begünstigt, daß sich an
den Auflagestellen der einzelnen Rohrlagen wenig oder nur schwach beheizte Zonen
einstellen, so daß bei dem regelmäßigen Wechsel zwischen Beheizung und Kühlung der
Wärmeaustauschflächen eine ausreichende Entfernung des Sublimats ausgeschlossen
ist. Wie die Praxis gezeigt hat, können die sich im Laufe von verhältnismäßig kurzer
Betriebszeit ansammelnden Rückstände derartig anwachsen, daß Verformungen an den
Wärmeaustauschelementen eintreten, die sich mittelbar oder unmittelbar auf das Abscheidergehäuse
übertragen.
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Die Erfindung hat sich die Vermeidung der den bekannten Vorschlägen
anhaftenden Nachteile zur Aufgabe gestellt und löst diese dadurch, daß die Wärmeaustauschelemente
aus durch Verteiler- und Sammelkammern zu Bündeln zusammengefaßten, haarnadelförmig
gebogenen Rippenrohren bestehen, welche durch auf ihrer Länge in Abständen verteilt
angeordnete und die Bündel in deren Querrichtung untergreifende Traggerüste abgestützt
und verschieblich gelagert sind, und daß die Traggerüste als geschlossenes I,eitungssystem
für die Durchleitung eines Heizmediums ausgebildet sind. Die erfindungsgemäß vorgeschlagene
Ausbildung und Anordnung der Wärmeaustauschelemente ermöglicht eine unabhängige
Wärmedehnung jedes einzelnen haarnadelförmigen Rohres und gewährleistet durch die
besondere Art der Lagerung auf beheizten Traggerüsten ein vollständiges und gleichmäßiges
Abschmelzen des Sublimationsproduktes. Auf diese Weise werden die bisher als scheinbar
unumgänglich in Kauf genommenen, bereits nach kurzer Betriebszeit sich einstellenden
Verformungserscheinungen und ständigen Reparaturen an den Wärmeaustauschelementen
sowie dem Abscheidergehäuse vermieden und gleichzeitig sowohl die Zeit für das Abscheiden
des Sublimats als auch die Zeit für das Abschmelzen des festen Sublimationsproduktes
auf den Wärmeaustauschflächen erheblich herabgesetzt.
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Die an die Zu- bzw. Ableitungsrohre für das Heizmedium vorzugsweise
parallel angeschlossenen Tragrohre der Traggerüste sind zweckmäßig mit Distanznocken
versehen, zwischen denen die Rohre im Bereich unberippter Längenabschnitte mit seitlichem
Spiel längsverschieblich geführt sind. Die Tragrohre des Traggerüstes sind hierbei
in der Gehäuseseitenwand des Abscheiders dichtend und zweckmäßig mindestens nach
einer Seite hin längsverschieblich gelagert, wobei die Zu- und Ableitungsrohre außerhalb
des Gehäuses an die Tragrohre angeschlossen sein können.
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Eine vorteilhafte Ausführungsform besteht darin, daß die Schenkel
der haarnadelförmig gebogenen Rippenrohre in vertikaler Ebene untereinander angeordnet
sind und die jeweils zu einem Wärmeaus-
tauschelement zusammengefaßten Rohrreihen
zueinander um etwa die Hälfte ihres Abstandes seitlich und der Höhe nach versetzt
sind, wobei die Tragrohre im Außendurchmesser etwa entsprechend dem Abstand der
jeweils untereinander angeordneten Schenkel zweier seitlich benachbarter haarnadelförmiger
Rohreinheiten bemessen sind. Die versetzte Anordnung der Rohrelemente verhindert
insbesondere eine die unabhängige Wärmedehnung der Rohre blockierende Anlagerung
von Sublimationsresten, wobei die beidseitige Anlagerung der unberippten Längenabschnitte
der Rohre an den beheizten Tragrohren ein sicheres Abschmelzen des Sublimationsproduktes
insbesondere in diesen gefährdeten Bereichen begünstigt.
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Selbstverständlich steht nichts entgegen, die Rippen in denjenigen
Längenbereichen der Rohre, in welchen diese sich auf den Tragrohren abstützen, nur
teilweise zu entfernen, sofern dies in der Weise geschieht, daß eine Längsverschiebung
und eine begrenzte Seitenverschiebung aufrechterhalten bleiben.
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Die durch das abgesetzte Sublimat hervorgerufene Biegebelastung der
Rohre kann weiterhin dadurch vermindert werden, daß jeweils die einander zugekehrten
Rohrreihen zweier in der Höhe benachbarter Elemente durch gegebenenfalls mittelbar
gegeneinander abgestützte Tragrohre gegen den Gehäuseboden abgestützt werden. Diese
Abstützung der Tragrohre kann durch auf diese aufgeschweißte oder in sonstiger Weise
befestigte Tragnocken erfolgen, wobei diese an den Berührungsstellen allseitig verschieblich
aufeinanderliegen. Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung sind die Wärmeaustauschelemente
in vertikaler Ebene derart übereinandergeschichtet, daß die Sammel- und Verteilerkammern
zweier der Höhe nach benachbarter Elemente an entgegengesetzten Enden angeordnet
sind, wobei die jeweils mit den Verteiler-und Sammelkammern nach der gleichen Seite
gerichteten Elemente durch Umlenkglieder in Reihe hintereinandergeschaltet sind.
Auf diese Weise entstehen zwei untereinander parallel geschaltete, getrennte Gruppen
von Wärmeaustauschelementen. Die wechselseitig nach entgegengesetzten Richtungen
angeordneten, übereinandergestapelten Wärmeaustauschelemente vermeiden die bei Verwendung
von haarnadelförmig gebogenen Rohren sonst unvermeidlichen Spaltverluste, die durch
die unberippten Umlenkbögen bei gleichsinniger Anordnung der Wärmeaustauschelemente
entstehen würden.
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Eine zweckmäßige Weiterbildung dieses Grundgedankens besteht darin,
daß die im Grundriß und in Draufsicht rechteckig ausgebildeten Wärmeaustauschelemente
in die Schmalseiten allseitig umfassenden Gehäuserahmen gelagert sind und daß die
in der Höhe übereinandergestapelten Elemente durch Verschweißen der Gehäusekanten
die nach außen völlig gasdicht abgeschlossene, einheitliche Abscheiderkammer bilden.
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Die jeweils an der der Sammel- bzw. Verteilerkammer zugeordneten Schmalseite
vorgesehene Gehäusewandung bildet zweckmäßig zugleich den Rohrboden.
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Diese Anordnung führt nicht nur zu einem einfachen Aufbau des Abscheiders,
sondern gestattet gleichzeitig die Unterbringung einer spezifisch außerordentlich
großen Wärmeaustauschfläche auf sehr kleinem Raum, so daß ein überraschend hoher
Sublimationseffekt auf kurzem Reaktionsweg erreichbar ist.
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Selbstverständlich sind die durch die Gehäuserahmen der Wärmeaustauschelemente
gebildeten Seitenwände der Abscheiderkammer in geeigneter Weise, und zwar vorzugsweise
durch auf die Seitenwände aufgeschweißte Heizkanäle, von außen beheizbar.
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In der Zeichnung ist die Erfindung an einem Ausführungsbeispiel erläutert.
Es zeigen Fig. 1 bis 3 einen Abscheider in Seitenansicht, Draufsicht und Vorderansicht,
Fig. 4 drei übereinandergestapelte Wärmeaustauschelemente in perspektivischer Ansicht,
Fig. 5 einen Schnitt nach der Linie V-V in Fig. 4, Fig. 6 einen Schnitt nach der
Linie VI-VI in Fig. 4 und Fig. 7 das Traggerüst in der Ausführungsform als Reihenschaltung.
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Wie in Fig. 1 angedeutet, bestehen die Wärmeaustauschflächen aus
haarnadelförmig gebogenen Rippenrohren 4, die auf dem dem Krümmungsbogen abgekehrten
Ende bündelweise an gemeinsame Verteiler-und Sammelkammern 5 unter Zwischenschaltung
eines Rohrbodens angeschlossen sind. Die durch jeweils eine gemeinsame Verteiler-
und Sammelkammer gebildeten Wärmeaustauschelemente 6 sind auf den Schmalseiten von
einem rahmenartigen Gehäuse umschlossen, wobei die vordere Stirnseite zugleich den
Boden der Verteiler- und Sammelkammern 5 bildet. An den Seitenflächen sind die Gehäuserahmen
offen. Wie aus der Zeichnung ersichtlich, sind die Wärmeaustauschele mente in der
vertikalen Ebene unmittelbar iibereinandergestapelt, wobei sich die Wärmeaustauschelemente
mit den Kanten ihrer Gehäuserahmen unmittelbar aufeinander abstützen. Die Kanten
der Gehäuserahmen sind nach der Montage dichtend miteinander verschweißt, so daß
die Gehäuserahmen der einzelnen Wärmeaustauschelemente zugleich das nach außen gasdicht
abgeschlossene Abscheidegehäuse bilden. Die Wärmeaustauschelemente sind mit ihren
Sammel-bzw. Verteilerkammern 5 wechselweise nach verschiedenen Seiten angeordnet,
wobei die mit den Kammern 5 jeweils nach der gleichen Seite gerichteten Wärmeanstauschelemente
6 a bzw. 6b durch rohrförmige Umlenkglieder 7 in Reihe hintereinandergeschaltet
sind. Die jeweils mit den Kammern 5 nach den gleichen Seiten gerichteten Gruppen
von Wärmeaustauschelementen sind untereinander parallel an den gleichen Heizmedium-
bzw. Kühlmediumkreislauf angeschlossen, so daß innerhalb des Abscheiders zwei getrennte,
untereinander jedoch parallel geschaltete Wärmeaustauschsysteme entstehen.
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Die Ein- und Austritte für das Kühl- bzw. Heizmedium der beiden Systeme
liegen jeweils auf der gleichen Seite. Gemäß Fig. 1 ist der Eintritt des Kühl- bzw.
Heizmediums für die Wärmeaustauschelemente 6 a mit xa und der Austritt mit Ya bezeichnet,
während die entsprechenden Bezugsziffern für das parallel geschaltete System xb
bzw. yb sind.
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Die Zuleitung des Dampf-Gas-Gemisches erfolgt an der größeren Stirnfläche
der Wanne 3 über den Eintrittsstutzen 8 gemäß Pfeils,, so daß das Dampf-Gas-Gemisch
die Wärmeaustauschelemente von unten her quer durchströmt. Das verbleibende Trägergas
sammelt sich in der Abströmhaube 2 und strömt durch den Austrittsstutzen 9 gemäß
Pfeil Zb ab.
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Wie aus den Zeichnungen ersichtlich, hat die Wanne 3 etwa rechteckige
Grundform, wobei die lange Achse ungefähr parallel zu den Rippenrohren 4 der Wärmeaustauschelemente
liegt. Der Wannenmantel ist annähernd halbkreisförmig nach außen gewölbt, wobei
der Boden in Richtung auf den Auslaßstutzen 10 zu geneigt angeordnet ist.
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Wie aus Fig. 1 bis 3 ersichtlich, sind die haarnadelförmigen Rippenrohre,
in ihrer Längsrichtung gesehen, an mehreren im Abstand vorgesehenen Stellen durch
Traggerüste 11 abgestützt und auf diesen in Längs-
richtung mit geringem seitlichem
Spiel längsverschieblich gelagert. Das Traggerüst 11 besteht aus einem geschlossenen
Rohrsystem in der Weise, daß außerhalb des Gehäuses 1 vorzugsweise in vertikaler
Richtung die Zu- und Ableitungsrohre 12 bzw. 13 angeordnet sind, an welche die die
einzelnen Rohre in Ouerrichtung untergreifenden Tragrohre 14 in Parallelschaltung
angeschlossen sind. Das Heizmedium tritt bei ua in das Zuleitungsrohr 12 ein und
wird bei Slb aus dem Ableitungsrohr 13 abgeleitet. Die Zu- und Ableitungsrohre 12
und 13 sämtlicher Traggerüste 11a, 11 b und 11 c sind untereinander parallel und
an den gleichen Kreislauf des Heizmediums angeschlossen wie während der Heizphase
die Wärmeaustauschelemente 6.
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Wie aus dem Schnitt gemäß Fig. 5 zu entnehmen. sind die Tragrohre
14 in der Gehäusewandung 15 jedes an den Schmalseiten rahmenartig umschlossenen
Wärmeaustauschelementes dichtend und zumindest nach einer Seite hin längsverschieblich
gelagert. Zzl diesem Zweck dient an einer der beiden Gehäusewandungen eine mit der
Gehäusewand 15 und der Rohrwand der Tragrohre 14 dichtend verbundene Dehnungsmanschette
16. Auf den Tragrohren 14 sind Distanznocken 17 aufgeschweißt, zwischen denen die
elliptischen Rippenrohre 4 mit geringem seitlichem Spiel gelagert sind.
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Die einzelnen haarnadelförmig gebogenen Rohre sind hierbei um etwa
die Hälfte ihres Abstandes sowohl seitlich als auch der Höhe nach zueinander versetzt,
wobei die Tragrohre im Außendurchmesser etwa entsprechend dem Abstand der jeweils
untereinander angeordneten Schenkel zweier seitlich benachbarter haarnadelförmiger
Rohreinheiten bemessen sind. Die Anordnung und Lage der Rohre sowie der auf diesen
angeordneten Querrippen sind Fig. 6 zu entnehmen.
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In den Bereichen der Auflagerung auf den Tragrohren 14 sind die Rippen
bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel auf einem einem ausreichenden Ausdehnungsvermögen
entsprechenden Längenabschnitt fortgelassen.
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Aus den Fig. 5 und 6 ist ersichtlich, daß die einander zugekehrten
Rohrreihen zweier in der Höhe benachbarter Elemente durch zwischengeschaltete Tragrohre
im Abstand zueinander gehalten sind, welche sich durch auf den einander zugekehrten
Seiten aufgeschweißte Gleitflächen 18 gegeneinander abstützen.
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Die Tragrohre sowie die Rippenrohre selbst werden dadurch gegen Biegeverformungen
zusätzlich geschützt.
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Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 7 sind die Tragrohre 14 in
Reihe hintereinandergeschaltet in der Weise, daß das Traggerüst ein geschlossenes
Durchlaufsystem bildet.