DE1094276B

DE1094276B - Verfahren zur indirekten Erwaermung eines Gemisches aus einer Fluessigkeit und einemGas

Info

Publication number: DE1094276B
Application number: DEK37833A
Authority: DE
Inventors: Emil Sattler
Original assignee: Heinrich Koppers GmbH
Current assignee: Heinrich Koppers GmbH
Priority date: 1959-05-26
Filing date: 1959-05-26
Publication date: 1960-12-08
Also published as: GB949378A

Description

DEUTSCHES

Es sind chemische Prozesse bekannt, bei denen die aus einer Flüssigkeit entwickelten Dämpfe mit einem Gas behandelt werden, meist bei erhöhter Temperatur und häufig auch unter erhöhtem Druck und in Gegenwart von Katalysatoren,. Solche Prozesse sind die Entschwefelung von Erdölprodukten mit Wasserstoff, die katalytische Raffination von Rohbenzol, die raffinierende und spaltende Hydrierung von hochsiedenden Kohlenwasserstoffen, die Aromatisierung von Benzinfraktionen u. a. Bei diesen Prozessen wird, insbesondere wenn der Prozeß unter erhöhtem Druck durchgeführt wird, ein Gemisch aus der zu behandelnden Flüssigkeit und dem Behandlungsgas indirekt bis zur teilweisen oder vollständigen Verdampfung der Flüssigkeit erhitzt, wobei man im allgemeinen Wärmeaustauscher mit senkrechten Rohrbündeln verwendet. Als Heizmittel können an sich beliebige Gase oder auch Flüssigkeiten dienen. Meist verwendet man jedoch die aus dem Behandlungsprozeß austretenden Gas-Dampf-Gemische und nutzt auf diese Weise deren fühlbare Wärme sowie die Kondensationswärme aus.

Bei derartigen Wärmeaustauschern tritt das Flüssigkeits-Gas-Gemisch unten in die Rohre ein. Am oberen Ende der Rohre entweicht dann ein Gemisch aus Dampf und Gas. Das Heizmittel wird am oberen Ende der Rohrbündel eingeführt und verläßt den Wärmeaustauscher am unteren Ende.

Bei der praktischen Verwendung derartiger Wärmeaustauscher für Gas-Flüssigkeits-Gemische zeigte es sich, daß bei hohen Querschnittsbelastungen, beispielsweise bei Belastungen von über 50, insbesondere über 100 Betriebsliter je cm² und Stunde, insbesondere wenn das Gasvolumen ein Vielfaches des Volumens der Flüssigkeit beträgt, die Temperaturdifferenz zwischen den wärmeabgebenden und den wärmeaufnehmenden Medien durch große rückströmende Flüssigkeitsmengen stark reduziert wird, was die Wärmeausnutzung nachteilig beeinflußt. Es konnten sogar Fälle beobachtet werden, daß die Temperaturdifferenz, die für die Wärmeübertragung notwendig ist, fast vollständig aufgehoben oder sogar umgekehrt wird.

Zur Beseitigung dieses Übelstandes schlägt die vorliegende Erfindung vor, daß der Strömungswiderstand der Wege des Gas-Flüssigkeits-Gemisches durch querschnittsbeeinflussende Mittel so erhöht und/oder die Relativgeschwindigkeit zwischen Flüssigkeit und Gas so erniedrigt wird, daß ein Rückströmen von bereits erwärmter Flüssigkeit nach unten in die kälteren Zonen des Wärmeaustauschers unterbunden wird.

Es konnte nämlich festgestellt werden, daß eine Hauptursache für das Rückströmen schon erwärmter Flüssigkeit eine große Relativgeschwindigkeit zwi-Verfahren zur indirekten Erwärmung

eines Gemisches aus einer Flüssigkeit

und einem Gas

Anmelder:

Heinrich Koppers

Gesellschaft mit beschränkter Haftung,
Essen, Moltkestr. 29

Emil Sattler, Essen,
ist als Erfinder genannt worden

sehen den Gasblasen einerseits und der Flüssigkeit andererseits ist. Bei einer großen Relativgeschwindigkeit, d. h. einer großen absoluten Geschwindigkeit der Gasblasen, wird mehr Flüssigkeit mit nach oben gerissen, als auf diesem Wege verdampft werden kann. Dieses überschüssige Flüssigkeit strömt an den Rohrwänden wieder nach unten zurück und transportiert damit Wärme an eine Stelle, wo es sehr ungünstig ist.

Die Erfindung kann auf verschiedene Weise ver-

4-5 wirklicht werden. Dementsprechend können die Wärmeaustauscher verschiedenartig ausgebildet sein. In der Zeichnung sind mehrere Wärmeaustauscher, die zur Verwirklichung des erfindungsgemäßen Verfahrens dienen, in schematischer Form dargestellt.

Der Wärmeaustauscher gemäß Abb. 1 besteht aus dem Mantel 1 und den darin senkrecht angeordneten Rohren 2. Das Heizmittel wird durch Leitung 3 zugeführt und stömt dann um die Leitbleche 4 herum nach unten zu dem Ausgang 5. Das Gas-Flüssigkeits-Ge-

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misch tritt durch Leitung 6 unten in den Wärmeaustauscher ein, wird auf dem Wege nach oben so weit erwärmt, daß die Flüssigkeit vollständig verdampft, und verläßt den Wärmeaustauscher durch Leitung 7. Gemäß der Erfindung werden in den Rohren Füllkörper 8, beispielsweise Raschigringe od. dgl., angeordnet, die den glatten Weg in viele kleine Einzelwege aufteilen, d. h. die Oberfläche, mit der das Gas-Flüssigkeits-Gemisch in Berührung kommt, vergrößern. Dadurch tritt eine Anpassung der Geschwindigkeit der Gasblasen an die Geschwindigkeit der Flüssigkeit ein, d.h., Gas und Flüssigkeit bewegen sich mit einer stark verkleinerten Relativgeschwindigkeit, falls eine solche überhaupt noch vorhanden ist, nach oben. Sollten sich noch kleine Rückströmungen ausbilden wollen, so können sich diese aber immer nur auf einer kurzen Strecke nach unten bewegen, da durch die Füllkörper eine glatte Strömung nach unten unterbunden wird. Die kleineren Rückströme werden immer wieder in die Mitte der Rohre geleitet, in der die starke Aufwärtsströmung stattfindet. Selbstverständlich ist die Füllung der Rohre mit Füllkörpern mit einem zusätzlichen Druckverlust verbunden, jedoch spielt dieses im allgemeinen keine große Rolle, insbesondere dann, wenn die Erhitzung und Verdampfung der Flüssigkeit unter erhöhtem Druck erfolgt.

In der Abb. 2 sind die Rohre des Wärmeaustauschers nicht glatt durchgeführt, sondern zweimal auf ihrer Länge mit einer Einschnürung 10 versehen, durch die der Stömungsquerschnitt an dieser Stelle stark verringert wird. Der Effekt dieser Einschnürungen besteht im wesentlichen darin, daß die rückströmende Flüssigkeit bestenfalls bis in den Bereich dieser Einschnürung gelangen kann und spätestens dort umgekehrt wird, weil im Bereich der Einschnürung sehr viel höhere Flüssigkeitsgeschwindigkeiten herrschen, die ein weiteres Rückströmen von Flüssigkeit verhindern. Die Anzahl der Einschnürungen richtet sich nach der Länge der Rohre, nach deren Weite und auch nach den Strömungsgeschwindigkeiten. Bei einer Rohrlänge von 2 m wird man unter Umständen mit zwei oder drei derartigen Einschnürungen auskommen. Bei dünnen Rohren wird oft auch eine Einschnürung in der Mitte oder etwas oberhalb der Mitte genügen.

Im Extremfall kann man, insbesondere bei Wärmeaustauschern sehr großer Baulänge, den Wärmeaustauscher im Bereich der Einschnürungen sozusagen durchtrennen, d. h., man kann zwei oder mehr Wärmeaustauscher, deren Rohre nur einen Bruchteil der Rohrlänge für einen ganzen Wärmeaustauscher aufweisen, hintereinanderschalten, wobei man dafür sorgt, daß die Flüssigkeitswege zwischen den Wärmeaustauschern genügend eng sind, um ein Rückströmen von erwärmter Flüssigkeit aus einem Wärmeaustauscher in den vorhergehenden zu unterbinden.

Anderenfalls ist es auch möglich, die Wärmeaustauscherrohre nicht nur an einigen Stellen mit Einschnürungen zu versehen, sondern die Rohre überhaupt mit einer sehr kleinen lichten Weite, beispielsweise einer solchen von weniger als 10 mm, auszubilden. Bei verhältnismäßig kleinen lichten Weiten wird das Verhältnis von Oberfläche zu Volumen sehr stark nach der Seite der Oberfläche verschoben, so daß der im Sinne einer Herabsetzung der Relativgeschwindigkeit zwischen Gas und Flüssigkeit wirkende Einfluß der Oberfläche verstärkt wird.

In Abb. 3 ist der Unterteil einer anderen Ausführungsform der für die Verwirklichung des erfindungsgemäßen Verfahrens vorgesehenen Einrichtung dargestellt. Die Herabsetzung der Relativgeschwindigkeit zwischen Gasblasen und Flüssigkeit kann auch durch eine feinere Verteilung des Gases in der Flüssigkeit erfolgen, d. h. durch eine Aufteilung des Gases in feinste Gasbläschen. Die Reibungsfläche zwischen Gas und Flüssigkeit wird dadurch vergrößert, daß die Gasblasen, wenn sie nur genügend klein sind, der Flüssigkeit nicht mehr allzu sehr voreilen. Bei der Einrichgemäß Abb. 3 geschieht dieses dadurch, daß in die

ίο Rohre des Wärmeaustauschers nicht ein bereits in dem Verteileraum 11 gebildetes Gemisch aus Gas und Flüssigkeit eingeführt wird, sondern daß die Gemischbildung aus sehr kleinen Gasblasen und der Flüssigkeit erst unmittelbar am Eingang der Rohre erfolgt. Wenn man nämlich bereits dem Verteilerraum 11 ein Gemisch aus Flüssigkeit und Gasblasen zuführt, so besteht die Gefahr, daß sich die kleinen Gasblasen zu größeren vereinigen, ehe das Gemisch in die Rohre eintritt. Große Gasblasen bedeuten aber praktisch

ao immer eine große Relativgeschwindigkeit zwischen Gas und Flüssigkeit. Bei der Einrichtung gemäß Abb. 3 werden die Flüssigkeit durch Leitung 12 und das Gas durch Leitung 13 jedes für sich dem Wärmeaustauscher zugeführt. Das Gas gelangt in einen rotierenden Verteiler 14, welcher an seiner Oberseite mit vielen kleinen Löchern versehen ist, durch die das Gas nur in Form kleinster Blasen austreten kann. Diese kleinsten Gasblasen haben, sobald sie in die Rohre eingetreten sind, kaum noch Gelegenheit, sich zu größeren Blasen zu vereinigen, weil in den Rohren eine verhältnismäßig hohe absolute Geschwindigkeit des Gemisches herrscht.

Bei der Einrichtung gemäß Abb. 4 ist ebenfalls eine getrennte Einführung von Flüssigkeit und Gas vorgesehen. Die Flüssigkeit tritt durch Leitung 15 ein, das Gas durch Leitung 16. Es ist dafür gesorgt, daß die Flüssigkeit bis zu einem gewissen Niveau 17 steht, so daß die Rohre mit ihren unteren Enden in die Flüssigkeit eintauchen. Das untere Ende jedes Rohres ist mit einem Kranz von Schlitzen 18 versehen, die eine solche Länge haben, daß das Gas unter Herabdrückung des Flüssigkeitsniveaus 17 durch die feinen Schlitze in die Rohre eintreten kann und sich dort in Form von feinsten Blasen verteilt.

Die Maßnahme gemäß Abb. 4 kann auch zusätzlich bei der Einrichtung gemäß Abb. 1 und 2 angewandt werden.

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zur indirekten Erwärmung eines Gemisches aus einer Flüssigkeit und einem Gas in einem senkrechten, mit Rohrbündeln versehenen Wärmeaustauscher, wobei das zu erwärmende Gemisch durch die Rohre von unten nach oben und das Heizmittel außerhalb der Rohre von oben nach unten fließt, dadurch gekennzeichnet, daß der Strömungswiderstand der Wege des Gas-Flüssigkeits-Gemisches durch querschnittsbeeinflussende Mittel so erhöht und/oder die Relativgeschwindigkeit zwischen Flüssigkeit und Gas so erniedrigt wird, daß ein Rückströmen von bereits erwärmter Flüssigkeit nach unten in die kälteren Zonen des Wärmeaustauschers unterbunden wird.

2. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß innerhalb der Rohre des Wärmeaustauschers Füllkörper, z. B. in Form von Raschigringen, angeordnet sind.

3. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Rohre des Wärmeaustauschers auf ihrer Länge ein- oder mehreremal durch Einschnürungen verengt sind.

4. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

daß die Rohre eine lichte Weite von weniger als etwa 10 mm aufweisen.

5. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 und nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Gas in Form von kleinsten Blasen am unteren Ende der Wärmeaustauscherrohre in der Flüssigkeit verteilt wird.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen