DE1501474C3 - Verfahren zur Kühlung oder Aufheizung plastisch-viskoser Flüssigkeiten und Röhrenwärmeaustauscher zur Durchführung des Verfahrens - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Zum Beispiel bei petrochemischer, Verfahren besteht häufig die Aufgabe, über flüssige Wärmeträger große Wärmemengen zu- oder abzuführen. Als Wärmeträger kommen hierbei verschiedene Stoffe in Betracht. Vorzugsweise werden indes doppeltwirkende Medien eingesetzt, nämlich solche, die neben der Wärmeaufnahme oder -abgabe durch direkten Kontakt mit den Reaktionspartnern auch noch eine waschende Wirkung aufweisen, um den oft in mehr oder minder großen Mengen bei der Reaktion anfallenden Ruß aufzunehmen. Derartige wärmetragende Medien sind beispielsweise Mineralöle bestimmter Fraktionen oder Wasser.

Diese Wärmeträger werden im allgemeinen aus Gründen der Wirtschaftlichkeit in einem geschlossenen Kreislauf geführt, in dem ihnen nach Kontakt mit den Reaktionspartnern in einem Wärmetauscher indirekt die Wärme wieder entzogen oder zugeführt wird. Gleichzeitig wird zur Erhaltung eines kontanten Rußgehaltes der anfallende Ruß dem Kreislauf an einer bestimmten Stelle neben den Wärmeaustauschern entnommen. — Es zeigt sich nun häufig, daß der Rußanteil das Fließverhalten des Wärmeträgers derart verändert, daß es von dem einer Newtonschen Flüssigkeit erheblich abweicht und plastisch-viskosen Charakter aufweist.

Dieses Fließverhalten wird durch das Bingham-Kriterium beschrieben:

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dy

= τ — τ₀; τ = τ₀.

Hierbei bedeutet η die plastische Viskosität, dvxldy die Geschwindigkeitsänderung senkrecht zur Strömungsrichtung, τ die örtliche Schubspannung und T₀ die Grenzschubspannung, bei deren Unterschreitung das Medium zu fließen aufhört und erstarrt.

Dieses Fließverhalten macht sich bei der Rohrströmung nun dergestalt bemerkbar, daß sich im Rohr ein in sich nicht fließender Pfropfen ausbildet, der sich als ein fester Körper durch das Rohr schiebt und dessen Inneres die Wärme nicht mehr durch turbulenten Stoffaustausch abgibt oder aufnimmt, sondern nur noch durch Wärmeleitung. Das aber hat zur Folge, daß die Wärmedurchgangszahl des Wärmeaustauschers sehr niedrig liegt und entsprechend große

ίο Wärmeaustauschflächen erforderlich sind. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, diese nachteilige

. Erscheinung zu beseitigen.

Es wurde nun überraschenderweise gefunden, daß man die durch spezifische Stoff eigenschaften bedingten ungünstigen Wärmeaustausch Verhältnisse plastisch-viskoser Stoffe, deren Fließverhalten durch das Bingham-Kriterium bestimmt ist und die entsprechend zur Pfropfenbildung neigen, wesentlich verbessern kann, wenn man in den zum Wärmeaustausch bestimmten Räumen die Bildung in sich starrer Pfropfen durch an sich bekannten Einbau von Verdrängerkörpern oder durch an sich bekannte Änderungen des Strömungsquerschnittes, die mit Abständen oder räumlich aufeinanderfolgen, verhindert.

Bei Röhrenwärmeaustauschern mit Verdrängerkörper zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens muß der hydraulische Durchmesser des Verdrängerkörpers mindestens dem fünften Teil des hydraulischen Durchmessers des jeweiligen Strömungskanals entsprechen, vorzugsweise wird der hydraulische Durchmesser des Verdrängerkörpers zu Vs des hydraulischen Durchmessers des jeweiligen Strömungskanals bemessen. Durch die Anwendung dieser Vorschriften läßt sich der Wärmeübergang um den Faktor 10 bis 30 verbessern bzw. die erforderliche Wärmeaustauscherfläche auf 3 bis 10% der andernfalls erforderlichen Flächengröße reduzieren.

Aus der US-PS 26 13 920 ist zwar bereits ein Wärmeaustauscher mit Änderungen des Strömungsquer-Schnitts, die räumlich aufeinanderfolgen, bekannt. Dieser Wärmeaustauscher dient jedoch zum Wärmeaustausch von Verbrennungsgasen. Weiter werden in dem DT-Gbm 18 60 640 sowie der US-PS 28 97 838 Wärmeaustauscher beschrieben, welche Einbauten von Verdrängerkörpern aufweisen. Diese Wärmeaustauscher werden jedoch zum Wärmeaustausch bei relativ niedrig-viskosen Flüssigkeiten, z. B. erwärmten Ölen oder Emulsionen aus Schwefelsäure und Kohlenwasserstoffen mit beispielsweise 4 oder 5 Kohlen-Stoffatomen, angewendet. Das Fließverhalten dieser Flüssigkeiten wird jedoch nicht durch das Bingham-Kriterium bestimmt, und sie neigen daher nicht zur Pfropfenbildung.
Zur Ausführung des Verfahrens zur Kühlung oder Aufheizung plastisch-viskoser Flüssigkeiten, insbesondere von rußhaltigen Suspensionen, kommt die Anwendung von Rohrenwärmeaustauschern mit zweckmäßig zentral angeordneten Verdrängerkörpern oder mit starren, in Abständen konzentrisch angeordneten scheibenförmigen Einbauten in den die plastisch-viskose Flüssigkeit aufnehmenden Rohren in Betracht.

An zwei Beispielen ist die Ausführung des Verfahrens nachfolgend näher erläutert.

Beispiel 1

Bei. einem Verfahren zur Herstellung von Acetylen (C₂H₂) aus Rohöl war die Aufgabe zu lösen, die bei

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der Flammreaktion auftretenden beachtlichen Wärmemengen abzuführen und die Reaktionsgase vom Ruß zu befreien. Hierzu wurden die Reaktionsgase mit einem 20 Gewichtsprozent Ruß enthaltenden 250° C warmen Rohöl in Kontakt gebracht. Das Rohöl nahm zusätzlich die Reaktionswärme auf und wurde gleichzeitig mit dem gesamten entstandenen Ruß beladen. Dieses rußhaltige Rohöl wurde zur Abgabe der aufgenommenen Wärme mit einer Geschwindigkeit von 1,5 m/sec durch Rohre von 50 mm lichter Weite eines Rohrbündelwärmeaustauschers geleitet. Es bildete sich dabei ein starrer Pfropfen aus, der die auf der Rohrinnenseite gemessene Wärmeübergangszahl auf 50 kcal/m² h ⁰C herabsetzte. — Die Rohre des Wärmeaustauschers wurden sodann mit Einsätzen versehen, die aus Rohren von 10 mm Durchmesser mit darauf in Abständen von 400 mm zentrisch angebrachten Scheiben von 40 mm Durchmesser bestanden. Mit solchen Rohreinbauten wurde bei gleichem Durchsatz eine an der gleichen Stelle gemessene Wärmeübergangszahl von 1500 kcal/m²h° C erzielt. Die Scheiben zerstörten den sich ständig neu bildenden Pfropfen und bewirkten eine Verbesserung der Wärmeübergangszahl um den Faktor 30.

Beispiel 2

Bei dem im Beispiel 1 genannten Verfahren wurden bei gleichem Rußgehalt und gleicher Temperatur die Strömungsgeschwindigkeit des rußhaltigen Rohöls und die Art der Einbauten in den Wärmeaustauscherrohren geändert. Bei einer Geschwindigkeit des Rohöles in den Rohren von 2,5 m/sec wurde eine Wärmeübergangszahl auf der Rohrinnenseite von nur 80 kcal/m²h° C gemessen. Dieser niedrige Wert ergab sich wieder durch die Ausbildung eines starren Pfropfens in den Rohren. Setzte man nun in die Rohre des Wärmeaustauschers jeweils ein Rohr von 40 mm Außendurchmesser zentrisch ein, so stieg bei sonst gleichen Bedingungen die Wärmeübergangszahl auf 2400 kcal/m²h° C. In dem Ringspalt zwischen beiden Rohren konnte sich der feste Pfropfen nicht ausbilden. Auch bei dieser Ausführungsform wurde die Wärmeübergangszahl um den Faktor 30 erhöht.

Claims (3)

15 Ol 474 Patentansprüche:

1. Verfahren zur Kühlung oder Aufheizung plastisch-viskoser Flüssigkeiten, deren Fließverhalten durch das Bingham-Kriterium bestimmt ist und die entsprechend zur Pfropfenbildung neigen, dadurch gekennzeichnet, daß man in den zum Wärmetausch bestimmten Räumen die Bildung in sich starrer Pfropfen durch an sich bekannten Einbau von Verdrängerkörpern oder durch an sich bekannte Änderungen des Strömungsquerschnittes, - die mit Abständen oder räumlich aufeinanderfolgen, verhindert.

2. Röhrenwärmeaustauscher mit Verdrängerkörpern in den mit der plastisch-viskosen Flüssigkeit beaufschlagten Strömungskanälen zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der hydraulische Durchmesser des Verdrängerkörpers in an sich bekannter Weise mindestens dem fünften Teil des hydraulischen Durchmessers des betreffenden Strömungskanals entspricht.

3. Röhrenwärmeaustauscher mit Verdrängerkörpern nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch die Anwendung von an sich bekannten starren, untereinander Abstand aufweisenden scheibenförmigen Einbauten als Verdrängerkörper.