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Vorrichtung zum kontinuierlichen Abscheiden von Phthalsäure- und Maleinsäureanhydrid
aus diese enthaltenden Gasen Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung
zur Abscheidung von Phthalsäureanhydrid und Maleinsäureanhydrid aus diese enthaltenden
Gasen.
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Bei den niedrigen Konzentrationen dieser Stoffe in den Reaktionsgasströmen
liegt die Sättigungstemperatur zumindest bereichsweise unterhalb der Erstarrungstemperatur
der auszuscheidenden Stoffe.
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Zur Abscheidung von kondensierbaren Komponetten aus Gasströmen sind
eine Reihe von Verfahren und Vorrichtungen bekannt.
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Bei einem Verfahren wird der Gasstrom durch außenseitig gekühlte
Kammern geleitet. Das dabei anfallende Sublimat wird mechanisch oder von Hand ausgeräumt
(britische Patentschriften 164785, 173 723, 153252, deutsches Patent 406203). Bei
einer Abwandlung dieses Verfahrens wird das Sublimat aus vom Gasstrom abgeschlossenen
Kammern durch äußere Wärmezufuhr oder durch Hindurchleiten von geschmolzenem, überhitztem,
gleichartigem Produkt aufgeschmolzen und ausgetragen (USA.-Patentschriften 2441
873, 2455314).
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Ein anderes Verfahren beruht auf der Abscheidung der Substanzen an
den Wänden von Kondensatoren (Rekuperatoren), die kontinuierlich mechanisch gereinigt
werden (britische Patentschrift 449 621, USA.-Patentschrift 2219 996).
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Die am häufigsten angewandten Verfahren beruhen jedoch auf der Abscheidung
der Produkte aus dem Gasstrom an parallelgeschalteten, wechselweise gekühlten oder
geheizten Rekuperatoren aus Rohren, Rippenrohren oder Platten (französische Patentschriften
1 199 820, 1207847, britische Patentschriften 715 384, 751 352, USA.-Patentschrift
2692657). Dabei kann die Erhitzung zum Abschmelzen auch unmittelbar durch den noch
überhitzten Reaktionsgasstrom erfolgen (USA.-Patentschrift 2 762 449). Nach einer
weiteren Arbeitsweise werden derartige Rekuperatoren horizontal hintereinandergeschaltet,
wobei die Kristalle nach der Beladung ohne Unterbrechung des Gasstromes durch wechselweise
Beheizung jeweils einzelner Rekuperatoren abgeschmolzen werden (deutsches Patent
1084239).
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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Verbesserung dieser zuletzt
genannten Verfahren, bei denen der abzuscheidende Stoff durch Auskristallisieren
an festen Wärmeübertragungselementen nach dem Rekuperatiwerfahren und nachfolgendes
Abschmelzen gewonnen wird. Im Gegensatz zu den bisher bekanntgewordenen Prozessen
dieser Art arbeitet das erfindungsgemäße Verfahren kontinuierlich in dem Sinne,
daß die örtlichen Bedingungen in der ganzen Apparatur zeitlich im wesentlichen konstant
sind.
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Der wesentliche Nachteil der mit parallelgeschalteten Rekuperatoren
arbeitenden Verfahren liegt darin, daß die Einzelaggregate periodisch betrieben
werden. Dabei ist es erforderlich, diese Aggregate zeitweise mit dem Gasstrom zu
beaufschlagen und zeitweise vom Gasstrom abzusperren. Dazu bedarf es einerseits
sehr aufwendiger Spezialarmaturen, die bei dem unvermeidbaren Staubgehalt der Reaktionsgase
starkem Verschleiß ausgesetzt sind. Andererseits wird durch das Abschalten der beladenen
und das Zuschalten der abgeschmolzenen Wärmeaustauscher der Druckabfall des Gesamtsystems
für den Reaktionsgasstrom in dauernder Folge sprunghaft geändert. Daraus ergeben
sich Druckschwankungen in den vorgeschalteten Gasaufbereitungs- und Reaktionsapparaturen,
die ein Arbeiten unter optimalen Bedingungen erschweren oder sogar unmöglich machen.
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Als weiterer Nachteil ist die Vielzahl der Einzelapparate, der Rekuperatoren
und der dazugehörenden Armaturen anzusehen. Letzten Endes muß auch die Anwendung
dieses bekannten Verfahrens zur fraktionierten Abscheidung unter stufenweiser Abkühlung
des Gas stromes in hintereinandergeschalteten Apparaten als unmöglich betrachtet
werden.
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Auch das im deutschen Patent 1 239 beschriebene Verfahren, das bei
hintereinandergeschalteten Rekuperatoren ohne Unterbrechung des Gasstromes zu arbeiten
gestattet, hat den Nachteil, daß der Strömungswiderstand des Systems je nach der
Beladung der Einzelrekuperatoren nicht konstant bleibt. Der wesentlichste Nachteil
ist jedoch darin zu sehen, daß der Gasstrom beim Abschmelzen der in Gasstrom richtung
letzten Rekuperatoren wieder erhitzt und
aufs neue mit dem abzuscheidenden
Phthalsäure-oder Maleinsäureanhydrid angereichert wird. Dadurch treten periodische
Temperaturschwankungen des austretenden Gasstromes und entsprechende Produktverluste
auf. Auf Grund dieser Merkmale erscheint auch die Anwendung dieses Verfahrens zur
fraktionierten Abscheidung kristallisierbarer Produkte nicht möglich, da in diesem
Falle die einzelnen Fraktionen in gleichbleibenden Temperaturbereichen abgeschieden
werden müßten.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung wird in der Weise betrieben, daß
der Gasstrom quer durch einen etwa in Sektoren aufgeteilten, langsam rotierenden
Block von Wärmeübertragungselementen geleitet wird. Eine im wesentlichen auf der
Gasaustrittsseite liegende Gruppe von Sektoren dieses Blockes wird durch ein Kühlmittel
gekühlt, wobei das abzuscheidende Phthalsäure bzw. Maleinsäureanhydrid auf den Wänden
der Wärmeübertragungselemente auskristallisiert. Andere von der Gasaustrittsstelle
entfernte Sektoren des Blockes werden nicht gekühlt und erforderlichenfalls durch
ein Heizmittel erwärmt, so daß dort die an den Wärmeübertragungselementen haftenden
Kristalle abgeschmolzen und anschließend an einer vom Gasaustritt entfernten Stelle
flüssig abgezogen werden können.
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Der langsamen Rotation des Blockes von Wärmeubertragungselementen
entsprechend, werden die Sektoren wechselweise nacheinander gekühlt und erwärmt.
Die beheizten oder nicht gekühlten Sektoren des Blockes liegen dabei vorzugsweise
im Bereich und/oder in der Nähe des Gaseintritts. Bei noch stark überhitztem Gasstrom
kann die zum Abschmelzen erforderliche Wärme ganz oder teilweise dem eintretenden
Gasstrom entnommen werden. Zusätzliche Wärme kann durch ein besonderes Heizmittel
nach dem Rekuperativverfahren zugeführt werden.
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Durch die mehrmalige Anwendung dieses Verfahrens nacheinander kann
ein Gasstrom stufenweise abgekühlt werden, so daß man eine Fraktionierung der auszukristallisierenden
Produkte erreichen kann.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung besteht aus Wärmeübertragumgselementen,
die als rotierender Block von im wesentlichen kreisförmigem Querschnitt innerhalb
eines feststehenden, den Block eng umschließenden Gehäuses angeordnet sind, wobei
an voneinander entfernten Stellen des Gehäuses Ein-und Austrittsöffnungen für den
Gasstrom sowie am unteren Teil des Gehäuses Austrittsöffnungen für die Schmelze
des abgeschiedenen Stoffes vorgesehen sind und die Wärmeübertragungselemente in
mindestens drei Sektoren des Blockes oder Teilen derartiger Sektoren in Abhängigkeit
von der Rotationsbewegung des Blockes arbeitende Verteiler für ein Kühl- und gegebenenfalls
ein Heizmittel derart angeschlossen sind, daß die Wärmeübertragungselemente der
bei der Rotation jeweils im wesentlichen auf der Gasaustrittsseite liegenden Gruppe
von Sektoren gekühlt und die Wärmeübertragungselemente eines ,oder mehrerer Sektoren
jeweils im Bereich und/oder in der Nähe der Gaseintrittsöffnungen nicht gekühlt
und gegebenenfalls geheizt werden.
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Die Wärmeübertragungselemente selbst können in bekannter Weise aus
glatten oder außenseitig mit Rippen versehenen Rohren beliebigen Querschnitts ,gebildet
sein, Die Abstände der Rohre untereinander und der Rippen voneinander sind dabei
so zu wählen,
daß die verschiedenen Gasströme von der Gehäuseeintrittsöffnung bis
zur Gehäuseaustrittsöffnung beim Verlassen des Blockes eine etwa gleiche Temperatur
aufweisen.
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Das Kühl- und gegebenenfalls das Heizmittel werden durch einen in
Abhängigkeit von der Rotationsbewegung des Blockes arbeitenden Verteiler in die
einzelnen Sektoren des rotierenden Blockes geleitet.
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Derartige Verteiler sind aus der chemischen Technik bereits bekannt.
Die Bereiche, in denen die Blocksektoren gekühlt oder beheizt werden, können dabei
durch Verstellung dieses Verteilers gegenüber dem feststehenden Gehäuse verschoben
werden, so daß die Arbeitsweise den Betriebsbedingungen angepaßt werden kann. Dem
gleichen Zweck dient eine Verstellmöglichkeit der Ein- und Austrittsöffnungen des
Gasstromes am Gehäusemantel. Beispielsweise kann durch entsprechende Schieber die
Beaufschlagung der Sektoren des Blockes verändert werden. Durch diese Maßnahmen
am Verteiler und an den Gasein-und -austrittsöffnungen des Gehäuses kann in einem
gewissen Bereich eine ausgeglichene Austrittstemperatur aller Gasstromfäden während
des Betriebes eingestellt werden.
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Der Verteiler auf der Ablaufseite des Heiz- und Kühlmittels kann
durch Ventile in den Ablaufleitungen der einzelnen Sektoren ersetzt werden, die
in Abhängigkeit von der Ablauftemperatur gesteuert werden. Liegt dessen Temperatur
unterhalb -einer vorgegebenen, mittleren Grenztemperatur, so wird das Heiz- und
Kühlmittel einem Rückkühlsystem zugeleitet, aus dem die zu kühlenden Sektoren des
Blockes von Wärmeübertragungselementen wieder mit Kühlmittel versorgt werden. Im
anderen Fall wird das ablaufende Mittel aufgeheizt und dann wieder den zu heizenden
Sektoren zum Ab schmelzen der Kristalle zugeleitet.
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Wärme kann in einem gewissen Grade dadurch eingespart werden, daß
man die Zu- und Ablaufverteiler für das Kühl- und Heizmittel derartig einstellt,
daß jeder Sektor nach der Kühlperiode durch Ablauf oder durch ein Spülgas vollständig
von dem Kühlmittel befreit wird, bevor dieser wieder mit Heizmittel beaufschlagt-wird.
Das gilt in gleicher Weise auch für den Wechsel von der Heiz- zur Kühlperiode.
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Als Heiz- und Kühlmittel kommen Wasser oder Wasserdampf sowie alle
bekannten Wärmeübertragungsflüssigkeiten oder Gase in Betracht. Vorteilhaft ist
die Verwendung des gleichen Mittels zum Heizen und auch zum Kühlen.
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Zur mehrstufigen, fraktionierten Kristallisation aus einem Gasstrom
können mehrere der beschriebenen Einzelaggregate hintereinandergeschaltet werden.
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Die Vorrichtung gemäß der Erfindung sei an Hand der Fig. 1 und 2
erläutert, in denen zwei Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Vorrichtung im
Schnitt dargestellt sind.
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F i g. 3, 4 und 5 zeigen beispielhafte Anordnungen der Wärmeübertragungselemente
in einem rotierbaren Block.
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F i g. 6 veranschaulicht eine Möglichkeit zur Verstellung der Gasein-
und -austrittsöffnungen an dem den rotierbaren Block umschließenden Gehäuse.
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In F i g. 1 weist das im wesentlichen zylindrische Gehäuse 1 eine
Gaseintrittsöffnung 2 und eine Gasaustrittsöffnung 3 auf. Die untenliegende Öffnung
4 dient zum Abziehen der aus den abgeschiedenen
Kristallen gebildeten
Schmelze. Innerhalb des Gehäuses 1 rotiert die Welle 5, die die innerhalb des Kreises
6 angeordneten Wärmeübertragungselemente trägt. Diese Wärmeübertragungselemente
sind in Sektoren 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13 und 14 eingeteilt, die von den axialen
Enden der Welle 5 her einzeln mit Kühl- oder Heizmittel beaufschlagt werden können.
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Der aus dem Wärmeübertragungselementen gebildete Block der Sektoren
7 bis 14 rotiert mit der Welle 5 in der durch den Pfeil 15 angezeigten Richtung.
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Die Arbeitsweise der in F i g. 1 dargestellten Vorrichtung ist folgende:
Der Reaktionsgasstrom mit einem Gehalt von etwa 3 bis 4 Gewichtsprozent Phthalsäureanhydrid
ist nach dem Verlassen des vorgeschalteten Reaktors in bekannter Weise auf etwa
120 bis 1350 C vorgekühlt. Diese Temperatur liegt noch etwas oberhalb des Taupunktes
des Phthalsäureanhydrids. Mit dieser Temperatur tritt der Gasstrom durch die Öffnung
2 in das Gehäuse 1 ein. Er trifft hier auf die in Sektoren 7 bis 14 angeordneten
Wärmeübertragungselemente. Die Welle 5 mit diesen Elementen rotiert in der durch
den Pfeil 15 angezeigten Richtung mit 3 Umdrehungen pro Stunde. Die jeweils in den
Positionen 7 bis 11 liegenden, durch vertikale Schraffur und K gekennzeichneten
Sektoren des Blockes von Wärmeübertragungselementen werden mit Kühlwasser von 15
bis 250 C in einer solchen Menge beschickt, daß das durch die Öffnung 3 aus dem
Gehäuse 1 wieder austretende Gas eine Temperatur zwischen 30 und 400 C aufweist.
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Der in der Position 13 liegende Sektor, der durch doppelte Schraffur
und H gekennzeichnet ist, wird jeweils mit Wasserdampf von etwa 10 atü Druck beheizt.
Dadurch werden die auf den Außenflächen der Wärmeübertragungselemente während des
Durchgangs durch die Sektorenpositionen 7 bis 11 in der Kühiperiode abgelagerten
Phthalsäureanhydrid-Kristalle abgeschmolzen. Die Schmelze wird durch die untere
Öffnung 4 des Gehäuses 1 abgezogen.
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Die Wärmeübertragungselemente in den Sektorenpositionen 12 und 14,
gekennzeichnet durch AH bzw.
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AK, werden durch Ablauf, erforderlichenfalls durch Ausdrücken mit
einem Spülgas, vollständig vom Kühlwasser bzw. Dampf und Kondensat befreit.
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Der Reaktionsgasstrom umfließt die Welle 5 beidseitig. Der eine Teilstrom
wird beim Durchlaufen der Sektoren 7, 8 und 9 auf die Endtemperatur von etwa 30
bis 400 C abgekühlt. Dabei wird das darin enthaltene Phthalsäureanhydrid nahezu
vollständig auf den Wärmeübertragungselementen in fester Form abgelagert. Der andere
Teilstrom durchdringt die Sektoren 14, 13, 12, 11 und 10. Beim Durchströmen des
Sektors 13 wird er zuerst einmal mit hier verdampfendem Phthalsäureanhydrid angereichert,
das aber in den nachfolgenden Sektoren 11 und 10 wieder ausgeschieden wird.
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Da die Sektoren 11 und 10 noch keine oder erst eine sehr geringe
Kristallbeladung tragen, kann hier der Gasstrom besonders intensiv gekühlt werden.
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Durch die Einleitung und Ableitung des Gasstromes an geeigneten Stellen
kann außerdem der den Teilströmen entgegengesetzte Widerstand der Wärmeübertragungselemente
so verteilt werden, daß beide Teilströme mit gleicher Temperatur in die Öffnung
3 einmünden. Der hier austretende Gasstrom enthält nur noch eine geringe Menge von
Phthalsäureanhydrid, das teilweise auch schon in fester Form vor-
liegt und z. B.
in einem nachgeschalteten Zyklon gewonnen werden kann. Der Gasstrom wird nachfolgend
in bekannter Weise z. B. mit Wasser gewaschen, um die letzten Reste von Phthalsäureanhydrid
und auch das gebildete Maleinsäureanhydrid aus dem Gasstrom abzuscheiden.
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In F i g. 2 ist das Gehäuse 1 mit der Gaseintrittsöffnung 2 und der
Gasaustrittsöffnung 3 ausgestattet.
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Auf der rotierbaren Welle 5 sind innerhalb des Kreises 6 Wärmeübertragungselemente
angeordnet, die in den Sektoren 7 bis 14 zusammengefaßt sind. Der Pfeil 15 gibt
die Drehrichtung des Blockes von Wärmeübertragungselementen an. In der untenliegenden
Gaseintrittsöffnung ist ein mit Tüllen 17 ausgerüsteter Boden 16 angebracht. Die
Tüllen 17 tragen Dächer 18. Seitlich an diesen Boden 16 ist die Abzugsöffnung 4
für die Schmelze angeschlossen.
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Diese Vorrichtung nach F i g. 2 arbeitet in folgender Weise: Die
in den Positionen 7, 8, 9 und 10 befindlichen Sektoren werden mit einem Kühlmittel,
z. B. einem Wärmeübertragungsöl beschickt, dessen Temperatur etwa bei 300 C liegt,
so daß in der Gasaustrittsöffnung 3 eine Gastemperatur von etwa 400 C erreicht werden
kann. Das von unten her durch die Gasöffnung 2 eintretende Gas ist in diesem Fall
nur so weit vorgekühlt, daß seine Temperatur noch ausreicht, um eine der darin enthaltenen
Phthalsäureanhydridmenge entsprechende Kristallmenge aufzuschmelzen und auch das
Material der Wärmeübertragungselemente, auf denen eine solche Kristallmenge abgelagert
ist, auf etwa 1400 C aufzuheizen.
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Eine etwa geeignete Gaseintrittstemperatur ist 1900 C.
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In den Sektoren 12 und 13 wird das eintretende Gas bis auf etwa 1450
C abgekühlt. Die freiwerdende Wärme wird an das auf den in diesen Sektoren angeordneten
Wärmeübertragungselementen abgelagerte Phthalsäureanhydrid abgegeben, das dabei
abschmilzt. Gleichzeitig wird das Material der Wärmeübertragungselemente und das
gegebenenfalls darin enthaltene Kühlöl auf 1400 C erhitzt. Die Abschmelzzone ist
durch doppelte Schraffur gekennzeichnet und kann erforderlichenfalls zusätzlich
sektorenweise geheizt werden, was durch (H) angedeutet ist. Das Gas umströmt dann
weiter die Welle 5 beidseitig und gelangt in die mit einem Kühlöl von einer Temperatur
von etwa 300 C beaufschlagten Wärmeübertragungselemente der Sektoren 7, 8, 9 und
10. Bei der darin erfolgenden Abkühlung wird der Taupunkt des Phthalsäureanhydrids
unterschritten, so daß dieses an den Außenwänden der Wärmeübertragungselemente auskristallisiert.
Diese Kühlzone ist durch vertikale Schraffur gekennzeichnet. Eine Eigenart dieses
Verfahrens ist es, daß das Reaktionsgas beim Durchtritt durch die in der Heizperiode
arbeitenden Sektoren 12 und 13 an Phthalsäureanhydrid angereichert wird, das nachträglich
in den gekühlten Sektoren 7 bis 10 wieder ausgeschieden wird.
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Das durch die Austrittsöffnung 3 abfließende Gas soll wieder eine
Temperatur zwischen 30 und 400 C aufweisen. Durch die Drehung des Blockes von Wärmeübertragungselementen
gelangt Sektor nach Sektor in die gekühlten Positionen 7 bis 10 und anschließend
in die durch das Reaktionsgas selbst oder durch ein Heizöl zusätzlich erhitzten
Sektoren Positionen 12 und 13. Das hier abgeschmolzene Phthalsäureanhydrid sammelt
sich auf dem Boden 16 und fließt durch die Austrittsöffnung 4 für die Schmelze ab.
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Fig. 3 zeigt einen achsenparallelen Schnitt durch das Gehäuse 1 und
den darin rotierenden Block von Wärmeübertragungselementen 19. Diese Wärmeüb ertragungselemente
19 bestehen aus Rohren, die mit den Rippen 20 außenseitig bestückt sind. Die Wärmeübertragungselemente
19 sind um die Welle 5 angeordnet, die innerhalb des Gehäuses 1 gelagert ist.
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An dem einen Ende der Welle 5 ist ein Flüssigkeitsverteiler angebracht,
der aus einem feststehenden Teil 21 und dem mit der Welle S rotierenden Teil 22
besteht. Der rotierende Teil 22 ist achsenparallel in Sektoren aufgeteilt, die sich
bis in die hohle Scheibe 23 erstrecken, Dadurch werden die zwischen den Sektoren
der hohlen Scheibe 23 und der am anderen Ende angebrachten hohlen Scheibe 24 angebrachten
Wärmeübertragungselemente 19 jeweils sektorenweise durch das in die Öffnungen25
und 26 eintretende Kühl- oder Heizöl gekühlt bzw. geheizt. Ein entsprechender Verteiler
mit dem feststehenden Teil 27 und dem mitrotierenden Teil 28. befindet sich zur
Verteilung der ablaufenden Kühl- und Heizflüssigkeiten am anderen Ende der Welle
5. Der Schnitt a-a senkrecht zur Welle der F i g. 3 ist in der F i g. 4 dargestellt.
Aus dieser Fig. 4 ist die Unterteilung des Blockes der Wärmeübertragungselemente
19 in beispielsweise acht Sektoren 7 bis 14 zu erkennen. Die Wärmeübertragungselemente
19 sind fest mit der Welle 5 verbunden und sind mit den Rippen 20 ausgestattet.
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F i g. 5 zeigt beispielsweise eine andere Anordnungsmöglichkeit für
derartige Wärmeübertragungselemente 19, die wieder aus Rohren bestehen und außenseitig
mit den Rippen 20 bestückt sind, In diesem Fall sind die Rohre gebogen und unmittelbar
an die achsenparallel in Sektoren aufgeteilte Welle 5 angeschlossen. Die Welle 5
ist innerhalb des Gehäusesl gelagert. Das auf die einzelnen Sektoren der Welle 5
verteilte Kühl- bzw. Heizöl fließt von dem einen Ende der Welle 5 her durch die
Wärmeübertragungselemente 19 und durch das gegenüberliegende Ende der Welle 5 wieder
ab.
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In Fig. 6 ist beispielsweise eine Möglichkeit zur Verstellung der
Gasein- und -austrittsöffnungen am Mantel des Gehäuses 1 dargestellt. Die gezeigte
Gaseintrittsöffnung 2 ist zu einem besonderen Raum 29 erweitert, In Verlängerung
der Wandung des Gehäuses 1 können die Schieberplatten 30 und 31 verschoben werden,
die einen Teil der Gaseintnttsöffnung versperren. Befinden sich die beiden Schieberplatten
30 und 31 in der gezeigten Position, so ist der obere Teil in der Gesamtöffnung
des Raumes 29 zum Innenraum des Gehäuses 1 hin frei. Wird die Schieberplatte 30
nach oben hin verschoben, so ist der mittlere Teil der Öffnung frei. Befinden sich
die beiden Platten 30 und 31 in der oberen Endlage, so kann das Gas nur durch den
unteren Teil der Gesamtöffnung eintreten. Durch derartige Verstellungen der Gasein-
und -austrittsöffnungen und zusätzlich durch Verstellungen an den Verteilern für
das Kühl- und Heizmittel können die Gasteilströme durch das Gehäuse 1 auf die gleiche
Endtemperatur gebracht werden.
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Die in den Abbildungen gezeigten Vorrichtungen stellen lediglich
einige der möglichen Ausftihrungsformen der erfindungsgemäßen Vorrichtung dar, ohne
daß die Erfindung auf diese beispielsweisen Ausführungsformen beschränkt sein soll.