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Luftgekühlter Kondensator für das Kopfprodukt einer Destillier-oder
Rektifizierkolonne Es ist ein luftgekühlter Kondensator für das Kopfprodukt einer
Destillier- oder Rektifizierkolonne bekannt, bei welchem die sich oberhalb des obersten
Austauschbodens ansammelnden dampfförmigen Bestandteile in einen oberhalb der Kolonne
koaxial zu dieser angeordneten Luftkühler geleitet werden, dessen Rohre durch die
Umgebungsluft gekühlt werden Da somit der Kühler von der stark schwankenden Temperatur
der atmosphärischen Luft abhängig ist, ist der Wirkungsgrad einer derartigen Anlage
so schlecht, daß sie bei Verwendung in technischen Betrieben unwirtschaftlich ist.
Die fehlende Regelungsmöglichkeit für die Temperatur der Kühlluft würde eine unterschiedliche
Qualität und Quantität des Kopfproduktes einer Rektifizierkolonne mit sich bringen.
Dies würde bei Außentemperaturen, die den vielfach bei 70900 C und höher liegenden
Stockpunkt des zu rektifizierenden Mediums unterschreiten, dazu führen, daß der
Betrieb wegen Einfrierens, d. h.
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Stockens des Kondensators eingestellt werden müßte.
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Aus diesen Gründen haben sich bei großtechnischen Anlagen luftgekühlte
Kondensatoren für das Kopfprodukt von Rektifizierkolonnen, insbesondere bei Hochvakuumanlagen,
bisher nicht durchsetzen können, sondern man hat in diesen Fällen mit Wasser oder
mit anderen Flüssigkeiten gekühlte Kondensatoren vorgezogen, mit denen sich bessere
Ergebnisse erzielen ließen. Bei wassergekühlten Kondensatoren bereitet jedoch die
oftmals zu plötzliche Kühlung des Dampfes Schwierigkeiten, so daß in solchen Fällen
die Kühlflüssigkeit vorgewärmt werden muß. Ein weiterer Nachteil von flüssigkeitsgekühlten
Dephle,gmatoren oder Kondensatoren für das Kopfprodukt von Rektifizierkolonnen besteht
darin, daß bereits geringfügige Undichtigkeiten der Kühlrohre eine Verunreinigung
des Produktes hervorrufen, da sich das entweichende flüssige Kühlmittel, z. B. Wasser,
mit dem auskondensierten Produkt vermischt und unter Umständen mit diesem sogar
chemisch reagiert und dadurch das Produkt unbrauchbar wird. Um diese Gefahr abzuwenden,
sind gewöhnlich umfangreiche Sicherheitsmaßnahmen notwendig, die beispielsweise
darin bestehen, daß der Kühler oder Dephlegmator neben der Kolonne aufgestellt wird.
Da eine derartige Rektifizierkolonne aber nur arbeitet, wenn ein Teil des im Dephlegmator
oder Kondensator gewonnenen Produktes über die Austauschböden der Rektifizierkolonne
zurückfiießt, sind bei einer solchen Anordnung Pumpen erforderlich, die einen Teil
des Kondensats über besondere Rückflußleitungen auf den obersten Austauschboden
zurückfördern. Bei der üblichen Höhe derartiger Rektifizierkolonnen, die vielfach
30-50 m beträgt, erfordern solche Maßnahmen einen großen baulichen Aufwand. Außerdem
muß dann der Dampf umgelenkt werden, was besonders bei mit hohem Vakuum betriebenen
Anlagen wegen der beachtlichen Volumenströme zu hohen Dampfgeschwindigkeiten und
zusätzlichen Strömungsverlusten führt. Trotz dieser Nachteile, die mit flüssigkeitsgekühlten
Dephlegmatoren für das Kopfprodukt von Rektifizierkolonnen verbunden sind, nahm
man diese bisher hin, weil mit luftgekühlten Kondens2toren eine den wirtschaftlichen
und technischen Anforderungen gerecht werdende Lösung nicht zu erreichen war.
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Die Erfindung vermeidet diese Nachteile durch Verwendung eines luftgekühlten
Kondensators für das Kopfprodukt einer Destillier- oder Rektifizierkolonne - insbesondere
für Hochvakuumanlagen -, welcher sich dadurch kennzeichnet, daß der Kondensator
innerhalb des Kopfes der Kolonne koaxial oder quer zu deren Längsachse unmittelbar
oberhalb des obersten Austauschbodens angeordnet ist und aus Rohren besteht, die
mit ihrem einen Ende an einen Luftzuführkanal und mit ihrem anderen Ende an einen
Luftabführkanal angeschlossen sind. Die Kondensatorrohre werden hierbei von einem
zwangläufig bewegten und regelbaren Kühlluftstrom durchströmt, während sie außenseitig
von dem sich oberhalb des obersten Austauschbodens sammelnden, mindestens teilweise
zu kondensierenden Dampf-Gas-Gemisch beaufschlagt werden. Durch die erfindungsgemäß
vor-
geschlagene Ausbildung und Anordnung des Kondensators wird
es ermöglicht, auch bei großtechnischen Anlagen Luft als Kühlmittel für einen Kolonnenkopf-Dephlegmator
einzusetzen und trotz der in Abhängigkeit von der Jahreszeit stark schwankenden
Außentemperaturen eine stets gleichbleibende Qualität des KGpfproniuktes zu gewährleisten.
Durch die Anordnung des Kondensators unmittelbar oberhalb des obersten Austauschbodens
ergibt sich eine besonders kompakte raumsparende Bauweise, die ein besonderes Gerüst
oder eine Bühne für die Verlagerung des Kondensators überflüssig macht. Außerdem
wird durch diese Anordnung jegliche Umlenkung des Dampf-Gas-Gemisches vermieden,
so daß die Druckverluste entsprechend gering gehalten werden können.
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Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäß vorgeschlagenen Kondensators
besteht darin, daß auch für den Fall von Undichtigkeiten im Kühler keine Verunreinigungen
des Kopfproduktes durch das Kühlmedium eintreten können bzw. die Gefahr von unter
Umständen gefährlichen chemischen Reaktionen zwischen Kühlmittel und Kopfprodukt
vermieden wird) da durch undichte Stellen in den Kolonnenkopf eindringende Kühlluft
sofort zusammen mit dem Inertgas abgesaugt würde. Gegenüber den bislang gebräuchlichen,
flüssigkeitsgekühlten Dephlegmatoren weist der erfindungsgemäß vorgeschlagene luftgekühlte
Kondensator ferner den Vorteil auf, daß das Kühlmedium nicht erst zum Kopf der Kolonne
hinaufgepumpt zu werden braucht, da als Kühlmedium in unbegrenztem Maße die Umgebungsluft
zur Verfügung steht. Die Kühllufttemperatur kann hierbei in einfacher Weise durch
einen teilweisen oder vollständigen Umluftbetrieb geregelt werden, so daß auch bei
extrem tiefen Temperaturen der Außenluft jede beliebige Kühlmitteltemperatur eingehalten
werden kann, was wegen der vielfach hohen Stockpunkttemperaturen verschiedener Produkte
von Bedeutung ist. Ferner erübrigen sich die bei Flüssigkeitskühlern erforderlichen
Maßnahmen zum Schutze des Kühlmediums gegen Einfriergefahr, was zusammen mit dem
Fortfall der mit Rücksicht auf die vielfach große Höhe der Kolonnen erforderlichen
langen Zuführ-und Abführleitungen für das Kühlmedium eine erhebliche Einsparung
an Material und Herstellungskosten zur Folge hat. Insgesamt erreicht man durch den
erfindungsgemäß ausgebildeten und angeordneten luftgekühlten Kondensator eine hohe
Wirtschaftlichkeit und gleichbleibend hohe Qualität des Kopfproduktes bei einer
hohen Betriebssicherheit und gegenüber den bekannten Kolonnenkopfkondensatoren wesentlich
geringere Betriebs- und Anschaffungskosten.
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Bei einer zweckmäßigen Ausführungsform sind die Kondensatorrohre
haarnadelförmig gebogen und mit ihren Enden in zwei Teilabschnitten eines Rohrbodens
befestigt. Der eine Teilabschnitt des Rohrbodens ist hierbei an den Luftzuführkanal
und der andere Teilabschnitt an den Luftabführkanal angeschlossen. Die Schenkel
der haarnadelförmig gebogenen Kondensatorrohre können etwa parallel zueinander sowie
etwa parallel zur Längsachse der Kolonne angeordnet sein. Es ist jedoch auch eine
quer zur Längsachse der Kolonne gerichtete Anordnung möglich.
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In der Regel empfiehlt es sich, wenn der Luftzuführkanal und Luftabführkanal
durch eine in der Trennwand zwischen diesen Kanälen angeordnete
Regeleinrichtung
miteinander verbunden sind. Diese Regelvorrichtung wird zweckmäßig in Strömungsrichtung
der Kühlluft vor einem in dem Luftzuführkanal angeordneten Axialgebläse in der Trennwand
zwischen dem Luftzuführ- und dem Luftabführkanal vorgesehen. Diese Regelvorrichtung
bietet die Möglichkeit, den Luftzuführ- und Luftabführkanal wahlweise voneinander
zu trennen oder derart miteinander zu verbinden, daß das der Regelvorrichtung nachgeschaltete
Axialgebläse teilweise oder ausschließlich aus dem Luftabführkanal erwärmte Kühlluft
ansaugt. Die Regelvorrichtung für die Mischluft kann hierbei durch einen im Luftabführkanal
vorgesehenen Thermostaten selbsttätig steuerbar sein, um eine gleichmäßige Kühllufttemperatur
zu gewährleisten.
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Bei einer zweckmäßigen Ausführungsform sind die Kondensatorrohre
innerhalb eines druckfesten und vorzugsweise zylindrischen Mantels angeordnet, welcher
unmittelbar unterhalb seiner oberen Abschlußwand mit mindestens einem Ablaßstutzen
für Restdampf und Inertgas sowie im Bereich der Kondensatorrohre mit quer zu deren
Längsachse sich erstreckenden, parallel und im Abstand zueinander angeordneten Umlenkblechen
für das zu kühlende bzw. zu kondensierende Gas-Dampf-Gemisch versehen ist. Der druckfeste
Mantel kann hierbei am oberen Ende durch den Rohrboden für die Kondensatorrohre
abgeschlossen sein, während er mindestens auf seiner Innenseite zweckmäßig aus korrosionsbeständigem
Werkstoff besteht.
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Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung besteht jedes Kondensatorrohr
aus mindestens zwei ineinanderliegenden Rohren, von denen das Innenrohr mit ins
Rohrinnere vorspringenden Rippen ausgerüstet ist. Hierbei wird das Innenrohr zweckmäßig
aus einem Werkstoff hoher Wärmeleitfähigkeit hergestellt, während das Mantelrohr
mindestens auf der Außenseite aus korrosionsfestem Werkstoff gebildet wird.
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In der Zeichnung ist die Erfindung an einem Ausführungsbeispiel veranschaulicht.
Es zeigt Fig. 1 eine Rektifizierkolonne in teilweise geschnittener Gesamtansicht,
Fig. 2 einen Kondensator im Kopf einer Rektifizierkolonne in größerem Maßstab, Fig.
3 einen Schnitt nach Linie III-III in Fig. 2, Fig. 4 einen Schnitt nach Linie IV-IV
in Fig. 2.
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In Fig. 1 ist die Rektifizierkolonne mit 1 bezeichnet, mit 2 die
im unteren Ende der Kolonne angesammelte, aus mehreren Stoffen bestehende und zu
rektifizierende Flüssigkeit. Die Flüssigkeit wird durch einen Eintrittsstutzen 1
a eingefüllt und durch eine Heizung zum Sieden gebracht, die durch die Heizschlange
2 a symbolisiert ist. Der Dampf der zu rektifizierenden Flüssigkeit steigt durch
in Austauschböden 3 eingesetzte und nach oben um ein gewisses Maß vorstehende Rohrabschnitte4
hoch und wird mittels darüber gestülpter Glocken 5, die am unteren Rand mit Schlitzen
versehen sein können, in die auf dem Austauschboden 3 angesammelte Flüssigkeit umgelenkt.
Die Flüssigkeit steht so hoch, wie ein in jedem Austauschboden vorgesehenes Überlaufrohr
6 aus dem Boden nach oben herausragt. Die tJberlaufrohre 6 verbinden also das obere
und das untere Ende der Kolonne über die ganze Reihe der Austauschböden hinweg.
Durch die Überlaufrohre 6 wird das Kondensat zurückgeführt und dabei in innige Berührung
mit
dem entgegenströmenden Dampf gebracht, so daß auf diese Weise eine wiederholte Destillation
und damit eine Anreicherung der leicht siedenden Stoffe erreicht wird. In der Kolonne
wird die auf den Austauschböden 3 angesammelte Flüssigkeit von unten nach oben immer
reicher an leicht siedenden Stoffen, so daß bei genügender Kolonnenhöhe und einer
konstanten Kühltemperatur für die oberhalb des obersten Austauschbodens befindlichen
Flüssigkeitsdämpfe ein im wesentlichen einheitliches Kopfprodukt, nämlich der leichter
siedende Anteil des Flüssigkeitsgemisches geliefert wird. Der als Kopfprodukt oberhalb
des obersten Austauschbodens durch den Kondensator 7 kondensierte Dampf wird durch
den Austrittsstutzen 1 b abgezogen, während durch den unteren Austrittsstutzenlc
die im Laufe des Betriebes an leicht siedenden Stoffen arme Flüssigkeit abgeleitet
wird. Dabei kann es sich in vielen Fällen empfehlen, einen Teil des Kopfproduktes
in die Rektifiziersäule durch den Stutzen ja zurückzuleiten.
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Wie insbesondere aus Fig. 2 hervorgeht, ist der als Dephlegmator
ausgebildete Kondensator 7 innerhalb des Kopfes der Kolonne 1 koaxial zu deren Längsachse
unmittelbar oberhalb des obersten Austauschbodens angeordnet und besteht aus einem
Mantel 8, dessen unteres, haubenartig erweitertes Ende 8 a auf die Kolonne 1 aufgesetzt
und mit dieser z. B. dicht verschweißt ist. Der die Kondensatorrohre 11 umgebende
Mantel 8 ist druckfest ausgebildet und zylindrisch geformt. Er besteht mindestens
auf der innenseite aus einem korrosionsbeständigen Werkstoff, z. B. aus nichtrostendem
Stahl.
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Innerhalb des Mantels 8 sind parallel zu den Austauschböden im Abstand
und versetzt zueinander angeordnete Umlenkbleche 9 vorgesehen, die die aufsteigenden
Dämpfe quer zur Längsachse der Kolonne 1 umlenken. Der Mantel 8 ist am oberen Ende
mit einem Austrittsstutzen 8 b für das Restdampf-Inertgas-Gemisch versehen und am
oberen Stirnende durch einen Rohrboden 10 abgeschlossen, in dem die Enden von haamadelförmig
nach oben parallel gegeneinander gebogenen Kondensatorrohren 11 derart angeordnet
sind, daß die Enden je eines Kondensatorrohres in zwei Teilabschnitten 10 a, 10
b des Rohrbodens 10 befestigt sind. Wie Fig. 2 ferner erkennen läßt, reichen die
Kondensatorrohre 11 bis unmittelbar in den obersten Austauschboden 3 der Kolonne
1 herab. Der TeilabschnittlOn des Rohrbodens 10 ist an einen Zuführkanal 12 für
die durch ein in den Zuführkanal geschaltetes Axialgebläse 13 aus der freien Atmosphäre
angesaugte Kühlluft angeschlossen, während der Teilabschnitt 10b des Rohrbodens
10 an einen Abführkanall4 für die in den Kondensatorrohren 11 erwärmte Kühlluft
angeschlossen ist. Der Zuführkanal und der Abführkanal für die Kühlluft sind durch
eine Trennwand 15 gegeneinander abgeschlossen. Jedoch ist in der durch den Pfeil
x symbolisierten Strömungsrichtung für die fische Kühlluft vor das in den Zuführkanal
für die Kühlluft geschaltete Axialgebläse eine Regelvorrichtung geschaltet, die
aus einer sich in den Zuführkanal 12 öffnenden Klappe 16 besteht, deren in Richtung
des Kühlluftstromesx vordere Kante scharnier artig, d. h. drehbar an der Trennwand
15 befestigt ist. Der Regelvorrichtung ist zweckmäßig ein Hilfsmotor 17 zugeordnet,
der mittels eines in der Zeichnung nicht dargestellten, in den Abführkanal für die
erwärmte
Kühlluft geschalteten Thermostaten in Abhängigkeit von der Temperatur der erwärmten
Kühlluft im Sinne der Erhaltung bzw. Erzielung einer gleichmäßigen Kühllufttemperatur
selbsttätig über Relais od. dgl. gesteuert wird. Infolgedessen ist es möglich, durch
die Luftklappe 16 den Zuführkanal 12 und den Abführkanal 14 für die Kühlluft vollständig
gegeneinander zu schließen oder aber derart miteinander zu verbinden, daß die angesaugte
Kühlluft teilweise oder ganz aus der aus den Kondensatorrohren 11 austretenden erwärmten
Kühlluft besteht Wie Fig. 4 zeigt, bestehen die Kondensatorrohre 1 aus zwei ineinanderliegenden
Rohren 18, 19, von denen das Innenrohr 18 mit radial nach innen gerichteten Rippen
18 a versehen ist. Zweckmäßig bestehen das Innenrohr und das Außenrohr aus einem
Werkstoff hoher Wärmeleitfähigkeit, z. B. Kupfer, wobei zumindest die Außenseite
des Mantelrohres 19 korrosionsfeste Eigenschaften besitzt.