DE1501477B2

DE1501477B2 - Verfahren zum Verhindern der Bildung und zum Entfernen von Feststoffablagerungen an den Innenwänden der Rohre von Wärmetauschern

Info

Publication number: DE1501477B2
Application number: DE1965C0036353
Authority: DE
Inventors: Stanley M. Lexington Mass. Krinov (V.St.A.)
Original assignee: Cabot Corp
Current assignee: Cabot Corp
Priority date: 1964-07-13
Filing date: 1965-07-10
Publication date: 1974-08-22
Also published as: BE666832A; DE1501477A1; DE1501477C3; GB1112964A; NL6508956A

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verhindern der Bildung und zum Entfernen von Feststoffablagerungen an den Innenwänden der Rohre von Wärmetauschern aus heißen Gasströmen, die mit in einer Hochtemperaturreaktion erzeugten feinteiligen Feststoffen, beispielsweise Metall- und Metalloidoxiden oder Ruß, hoch beladen sind, mittels einer periodisch durch den die Feststoffteilchen enthaltenden Gasstrom geschickten Stoßwelle.

In den letzten Jahren haben pyrogene Verfahren, durch die feinteilige Metall- oder Metalloidoxide, wie Titandioxid, Siliciumdioxid oder Zirkondioxid, in einem gasförmigen Milieu bei erhöhten Temperaturen hergestellt werden, große technische Bedeutung erlangt. Bei diesen Verfahren ist es im Interesse der Produktqualität, Gleichmäßigkeit und des Schutzes der Apparaturen wichtig, daß der Produktstrom nach dem Verlassen der Reaktionszone schnell gekühlt wird. Demzufolge wird der Produktstrom, der das feinteilige pyrogene Oxid enthält, im allgemeinen verhältnismäßig schnell nach dem Austritt aus der Reaktionszone durch Wärmetauscher geführt.

Eines der ernsteren Probleme, die bisher bei der Herstellung von pyrogenen Metalloxiden bestanden, besteht darin, daß das feinteilige Metalloxid im Produktstrom sich an den Wänden von Wärmetauscherrohren abzusetzen pflegt. Mit der Zeit hat diese Ablagerung einen stark verringerten Wirkungsgrad des Wärmeübergangs und/oder einen zu hohen Druckabfall im Wärmetauscher zur Folge. Da ferner der Produktstrom häufig Substanzen enthält, die bei höheren Temperaturen stärker korrodierend wirken, kann eine Verschlechterung der Kühlleistung zu erhöhtem Verschleiß der Apparaturen führen. Diese Probleme sind besonders akut bei Verfahren, bei denen Titandioxid oder Siliciumdioxid hergestellt werden. Im heißen Zustand bilden diese Oxide gewöhnlich Ablagerungen, die äußerst zäh sind und wenig oder keine Neigung haben, sich von sich aus loszulösen. Allgemein ist festzustellen, daß bei pyrogenen Verfahren, bei denen Titan- oder Siliciumoxide gebildet werden, eine periodische Stillegung der Anlage erforderlich ist, um Ansätze von den Wärmetauscherrohren zu entfernen und dadurch den normalen thermischen Wirkungsgrad dieser Rohre wieder herzustellen. Die Ablagerung von Metalloxiden an den Wärmetauscherrohren stellt somit einen großen wirtschaftlichen Verlust und eine mögliche Gefahr für die Apparaturen dar.

Den gleichen Schwierigkeiten sehen sich auch andere Industrien seit vielen Jahren gegenüber. Beispielsweise erwies es sich zur erfolgreichen Kühlung von frisch erzeugten Rußaerosolen aus dem Ofen auf indirektem Wege gemäß dem kanadischen Patent 585105 schließlich als erforderlich, die Durchführung des heißen Aerosols durch kleine Leitungen zu vermeiden und es statt dessen durch eine große Kammer zu zirkulieren, die eine Kühlschlange enthält, durch die ein flüssiges Kühlmittel geführt wird.
Zur Beseitigung von schlammigen, festen Ablagerungen aus wasserdurchströmten Wärmetauscherrohren ist es aus der DT-PS 348 075 bereits bekannt, das zu reinigende Rohr von Wasser hoher Strömungsgeschwindigkeit durchströmen zu lassen. Hierzu wird Druckwasser verwendet, welches aus einer kastenförmigen Vorrichtung durch die Rohre gedrückt wird, in denen sich das Kühlwasser und an der Rohrinnenseite die Verunreinigungen befinden. Nach den DT-PS 664 581 und 680 787 erfolgt die Beseitigung von schlammartigen Verunreinigungen durch Änderung der Kühlwassergeschwindigkeit. Diese Änderung wird durch in den Wasserweg geschobene Klappen oder Schieber bewirkt. In der DT-AS 1 094 774 wird ein Wärmetauscher beschrieben, bei dem Wärme zwischen einem staubhaltigen Gas einerseits und einem Gas oder einer Flüssigkeit andererseits getauscht wird. Dabei fließt das heiße staubhaltige Gas um das Äußere einer kleinen spiralförmigen Passage, durch die das kalte Gas geschickt wird. Die festen Ablagerungen werden von der Außenseite dieser spiraligen Durchgänge auf mechanische Weise, nämlich durch Rotation der spiraligen Passagen, entfernt. In der DT-AS 1105 895 wird ein Wärmetauscher beschrieben, dessen vom Kühlwasser durchflossenen Rohre mittels im Gleichstrom zum Kühlwasser geführten Druckgas von besonders fest haftenden Ansätzen und Verkrustungen gereinigt werden.

Aufgabe der Erfindung ist es, die Bildung von Feststoffablagerungen an den Innenwänden von Wärmetauscherrohren, die von heißen, mit in einer Hochtemperaturreaktion erzeugten feinteiligen Feststoffen hoch beladenen Gasströmen durchströmt werden, zu verhindern bzw. gebildete Ablagerungen zu entfernen.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß die Stoßwelle im Gegenstrom zu dem Gasstrom durch diesen geschickt wird, wobei die Einwirkungsdauer der Stoßwelle etwa eine Sekunde, vorzugsweise etwa eine

Zehntel bis eine Sekunde, beträgt und die Abstände zwischen den einzelnen Stoßwellen auf wenigstens mehrere Minuten, vorzugsweise etwa 5 bis 60 Minuten, bemessen sind.

Die Erfindung ermöglicht es, bei pyrogenen Verfahren, bei denen in einer Hochtemperaturreaktion als Reaktionsprodukte feinteilige Feststoffe anfallen, übliche Wärmetauscher zu verwenden und vor allem die Anlage durchzufahren, ohne daß — wie bisher — zur Entfernung der Ablagerungen in den Rohren eine periodische Stillegung der Anlage erforderlich ist.

Die Stoßwellen werden bevorzugt durch plötzliches Ausstoßen von Gas unter hohem Druck aus Düsen erzeugt.

Als Erzeuger der Stoßwellen wird vorteilhaft ein Schallerzeuger von hoher Intensität und relativ niedriger Frequenz verwendet.

Nach einer anderen Ausführungsform können die Stoßwellen durch örtlich beschränkte chemische Reaktionen von hoher Geschwindigkeit oder durch Detonationen erzeugt werden.

Die Erfindung wird nachstehend an Hand der Zeichnungen beschrieben.

F i g. 1 zeigt schematisch und teilweise im Schnitt eine Seitenansicht eines aus einer Vielzahl von Rohren und einem Mantel bestehenden Wärmetauschers gemäß der Erfindung;

F i g. 2 zeigt schematisch einen Längsschnitt durch ein einzelnes Wärmetauschrohr und die zugehörige Einrichtung zum Ausstoß eines Gases;

F i g. 3 zeigt schematisch im Schnitt die in F i g. 1 dargestellte Vorrichtung längs der Linie 3-3.

Ein heißer Gasstrom, der ein festes, feinteiliges Metalloxid mit sich trägt, wird in der durch den Pfeil angedeuteten Richtung (F i g. 2) durch das Rohr 2 geführt. Zwischen diesem Gasstrom und einem Medium 4 erfolgt ein Wärmetausch durch das Rohr. In der Praxis finden häufig Ablagerungen von feinteiligem Metalloxid an der Wand 6 statt. Gemäß der Erfindung wird kurzzeitig ein Gas unter hohem Druck aus dem Ausstoßrohrs durch die Düse 10 am Austritt? des Rohres 2 ausgestoßen. Auf diese Weise werden die Wände 6 des Rohres 2 von angesetztem Metalloxid frei gehalten.

Verschiedene Gase sind für die Zwecke der Erfindung zum Erzeugen der Stoßwelle geeignet. Es können Gase verwendet werden, die weder gefährlich noch nachteilig für die Bestandteile des durch das Rohr 2 fließenden Stroms oder für die Rohre selbst oder für andere Werkstoffe sind. Spezielle Beispiele von Gasen, die sich bei der Herstellung von beispielsweise pyrogenem Titandioxid zum Erzeugen der Stoßwelle eignen, sind Stickstoff, Chlor, Luft, Argon, Xenon, Kohlendioxid und deren Gemische. Für Rußaerosole sind Stickstoff, Kohlenoxid, gasförmige Kohlenwasserstoffe und andere nicht oxidierende Gase am geeignetsten. Auch können in fast jedem Fall Prozeßgase von nachgeschalteten Verarbeitungsstufen zur Verwendung als Stoßgas im Kreislauf geführt werden.

Der optimale Druck, mit dem das Gas zum Erzeugen der Stoßwelle ausgestoßen werden muß, hängt von mehreren Faktoren ab, z. B. von der Art des Ansatzes an den Wänden, von der Strömungsgeschwindigkeit des Produktstroms durch die Rohre 2, von der Größe der Rohre 2 usw. Dieser Druck kann in der Praxis unter Berücksichtigung dieser Faktoren bestimmt werden. Es wurde jedoch festgestellt, daß im allgemeinen der statische Druck des Stoßgases wenigstens um eine Größenordnung höher sein muß als der Verfahrensdruck in den Rohren 2. Beispielsweise sollten die zum Erzeugen der Stoßwelle dienenden Gase zur weitestgehenden Ausschaltung des Ansatzes von Titandioxid an den Wänden von Wärmetauscherrohren von etwa 5 cm Durchmesser, in denen etwa Normaldruck herrscht, mit einem Druck

ίο von wenigstens etwa 5,3 kg/cm² ausgestoßen werden. Vorzugsweise sind höhere Drücke, d. h. oberhalb von etwa 7 kg/cm², anzuwenden.

Die Dauer des Gasstoßes ist unterschiedlich. Im allgemeinen werden mit einer Dauer von wenigstens 0,1 s, vorzugsweise von etwa 0,2 bis 1 s, gute Ergebnisse erzielt. Es kann auch eine Dauer von mehr als 1 s angewendet werden. Es wurde jedoch festgestellt, daß der weitere Vorteil, der mit einer Stoßdauer von mehr als etwa 1 s erzielbar ist, gering ist. Ferner ist

ao zu berücksichtigen, daß eine Verdünnung der Produktströme, die normalerweise unerwünscht ist, unter sonst gleichen Bedingungen, z.B. bei gleicher Stoßfrequenz, mit verlängerter Stoßdauer stärker wird.

Je höher die Stoßfrequenz unter sonst unveränderten Bedingungen ist, um so geringer ist die Ablagerung von Feststoffen. Beispielsweise wurde festgestellt, daß wenigstens 1 Stoß pro 15 Minuten pro Rohr wirksamer ist als 1 Stoß pro 45 Minuten pro Rohr. Auch hier muß die Stoßfrequenz für jede Situation bestimmt werden, wobei das Ausmaß der Verbesserung oder die gewünschte Aufrechterhaltung des Wirkungsgrades des Wärmetausches und die mit einer Erhöhung der. Frequenz eintretende verstärkte Verdünnung des Produktstroms berücksichtigt werden müssen. Im allgemeinen kommen Abstände von etwa 5 bis 60 Minuten zwischen den Stoßwellen in einem bestimmten Rohr in Betracht.

In einer typischen Situation (F i g. 1 und 3) strömen heiße Gase, die feinteilige Metalloxide mit sich tragen, durch die Rohre 2 in der durch die Pfeile angedeuteten Richtung. Das Ventil 16, das mit einer Hochdruckgasquelle verbunden ist, wird kurzzeitig geöffnet, wodurch Hochdruckgas nacheinander durch Ventil 16, Leitung 22, Ausstoßrohre 8 und Düsen 10 strömen kann. Das durch die Düse 10 ausgestoßene Gas hat die entgegengesetzte Richtung wie der Produktstrom durch die Rohre 2. Nach einer festgelegten kurzen Zeit wird das Ventil 16 geschlossen, wodurch der Gasstrom durch das Ventil unterbrochen wird. Bei gelegentlicher Wiederholung dieser Maßnahme, z. B. jede halbe Stunde, blieben die Wände 6 der Rohre 2 völlig frei von großen Ablagerungen aus festen Metalloxiden.

Das kurzzeitige Öffnen der Ventile und die zeitliche Steuerung der Gasstöße können in beliebiger Weise erreicht werden. Beispielsweise haben Magnetventile ziemlich hohe öffnungs- und Schließgeschwindigkeiten, durch die ein Gasstrom von Augenblicksdauer durch die Ventile erzeugt werden kann. Darüber hinaus können Zeitschaltvorrichtungen verwendet werden, die während des Betriebs die Zahl der Leitungen, durch die man zu jedem Zeitpunkt Gasstöße gehen läßt, die Dauer der Stöße und die Häufigkeit der Stöße bestimmen.

Die Stoßwellen können durch alle Rohre 2 gleichzeitig geleitet werden, jedoch ist eine zeitliche Staffelung vorzuziehen. Vorzugsweise werden nicht mehr

als etwa 25°/o der Rohre 2 gleichzeitig der Druckwelle ausgesetzt. Es hat sich gezeigt, daß das Strömungsbild oberhalb des Wärmetauschers zerrissen wird, wenn gleichzeitig mehr als etwa 25 °/o sämtlicher Rohre der Druckwelle ausgesetzt werden.

Jedes physikalische, chemische oder mechanische Mittel, durch das periodisch eine Stoßwelle im Gegenstrom zu dem mit Feststoffen beladenen Gas durch die Wärmetauscherrohre erzeugt wird, ist für die Zwecke der Erfindung geeignet. Beispielsweise können Apparate ähnlich dem in F i g. 1 bis 3 dargestellten Typ verwendet werden, um ein Gemisch von Sauerstoff und Wasserstoff direkt in das Ausströmende der Rohre 2 zu leiten. Dieses Gemisch, das beispielsweise mit einem Funken zur Explosion gebracht wird, erzeugt eine Druckfront, die sich teilweise durch das Medium in den Rohren 2 entgegen der Strömungsrichtung fortpflanzt.

Ein mechanischer Kolben, der schnell zum Austritt? der Rohre 2 nach vorn getrieben wird, aber dicht davor zum Stillstand kommt, bewirkt ebenfalls die Fortpflanzung einer Druckfront durch das Medium in den Rohren 2 im Gegenstrom zu der Strömungsrichtung des Mediums.

Auch andere Vorrichtungen zum Erzeugen von Stoßwellen können verwendet werden, z. B. Schallerzeuger von hoher Intensität oder elektrische Vibratoren. Beispielsweise können elektrische Hörner oder Schallwandler, wie gasbetriebene Sirenen oder Pfeifen, verwendet werden. Bei Verwendung dieser Vorrichtungen muß ihre Intensität hoch, ihre Amplitude ebenfalls hoch und ihre Frequenz niedrig sein, d. h. im Bereich zwischen 20 und 20 000 Schwingungen/s, vorzugsweise zwischen etwa 100 und 1000 Schwingungen/s, liegen. Diese Schallerzeuger müssen ferner in der Nähe des Austrittsendes des Wärmetauschers liegen, wobei der Abstand von der Größe und Intensität des Schallerzeugers und von der Form des Austritts der Schallquelle abhängt.

Beispiel 1

Durch die Rohre eines kontinuierlich mit Wasser gekühlten, aus einem Mantel und Rohren bestehenden Wärmetauschers des in F i g. 1 und 3 dargestellten Typs, in dem jedes Rohr eine Länge von 9 m und einen Innendurchmesser von 5 cm hatte, wurde ein Produktstrom geleitet, der etwa 4 Gewichtsprozent mitgerissenes feinteiliges Titandioxid bei einem Durchsatz von etwa 1590 kg/h enthielt. Die Temperaturen der in die Rohre 2 eintretenden und aus diesen austretenden Produktströme sowie der Druckabfall in diesen Rohren wurden kontinuierlich überwacht. Die Betriebsbedingungen während eines Versuchs von 12 Stunden, bei dessen Beendigung eine Stillegung durch zu starken Druckabfall und die erhöhte Temperatur des austretenden Stroms erforderlich war, sind in der folgenden Tabelle angegeben.

	Temperatur des	Temperatur des	LJi ιιΙΆ,αυίαϋ
ίο Laufzeit	in die Rohre 2	aus den Rohren 2	in den Tl L *·
des	eintretenden	austretenden	Konren 2
Versuchs	Stroms	Stroms	(mm WS)
Ch)	(⁰C)	(⁰C)	254
15 °	500	270	432
6	500	330	1016
12	500	425

Nach der Stillegung wurden die Rohre 2 unterao sucht. Hierbei wurde festgestellt, daß sich Titandioxid so stark an den Wänden der Rohre abgesetzt hatte, daß sie im wesentlichen verstopft waren.

Beispiel 2

as Der in Beispiel 1 beschriebene Versuch wurde wiederholt mit der Maßnahme, daß Druckstöße mit Hilfe von Stickstoff aus den Düsen 10 mit einem Druck von etwa 8 atü, einer Dauer von etwa 0,3 s und einer mittleren Frequenz von etwa 1 Druckstoß/ 15 Minuten/Rohr abgegeben wurden. Hierbei wurden nie mehr als 10 °/o der Ausstoßrohre 8 gleichzeitig eingesetzt. Zu Beginn des Versuchs betrug die Temperatur des in die Rohre 2 eintretenden Stroms etwa 500° C, während die Temperatur des aus den Rohren 2 austretenden Stroms etwa 270° C betrug. Der Druckabfall in der Apparatur wurde mit etwa 250 mm WS ermittelt. Innerhalb von 30 Tagen kontinuierlichen Betriebes blieben diese Temperaturen und der Druckabfall im wesentlichen konstant. Nach der Stillegung ergab die Untersuchung der Rohre nur eine leichte Staubbildung aus Titandioxid an den Wänden der Rohre 2.

Die relativen Durchmesser der Ausstoßrohre 8 und der Rohre 2 sowie der Abstand der Rohre 8 von dem Ausströmende der Rohre 2 lassen sich leicht in der Praxis ermitteln. In den meisten Fällen entspricht dieser Abstand ungefähr dem Durchmesser der Rohre 2. Zur Erzielung eines optimalen Wirkungsgrades darf der Abstand nicht wesentlich größer sein als dieser Durchmesser.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Verhindern der Bildung und zum Entfernen von Feststoffablagerungen an den Innenwänden der Rohre von Wärmetauschern aus heißen Gasströmen, die mit in einer Hochtemperaturreaktion erzeugten feinteiligen Feststoffen, beispielsweise Metall- und Metalloidoxiden oder Ruß, hoch beladen sind, mittels einer periodisch durch den die Feststoffteilchen enthaltenden Gasstrom geschickten Stoßwelle, dadurch gekennzeichnet, daß die Stoßwelle im Gegenstrom zu dem Gasstrom durch diesen geschickt wird, wobei die Einwirkungsdauer der Stoßwelle etwa eine Sekunde, vorzugsweise etwa eine Zehntel bis eine Sekunde, beträgt und die Abstände zwischen den einzelnen Stoßwellen auf wenigstens mehrere Minuten, vorzugsweise etwa 5 bis 60 Minuten, bemessen sind.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Stoßwellen durch plötzliches Ausstoßen von Gas unter hohem Druck aus Düsen erzeugt werden.

3. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Stoßwellen durch einen Schallerzeuger von hoher Intensität und relativ niedriger Frequenz erzeugt werden.

4. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Stoßwellen durch örtlich beschränkte chemische Reaktionen von hoher Geschwindigkeit oder durch Detonationen erzeugt werden.