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Apparat zum Abscheiden von sublimierenden Stoffen aus Dampf-Gas-Gemischen
Die Erfindung bezieht sich auf einen Apparat zum Abscheiden von sublimierenden Stoffen
aus Dampf-Gas-Gemischen in diskontinuierlicher Betriebsweise. Bekannt sind derartige
Apparate, die aus einem Reaktionsbehälter bestehen, in dem ein Bündel von einem
Wärinetauschinittel durchströmter Rohre angeordnet ist, an deren Rippen aufweisender
Aussenseite das Dampf-Gas-Gemisch vorbeigeleitet wird. Dabei hat man die Rohre horinzontal,
d.h.
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quer zur Strömungsrichtung des Dampf-Gas-Gemisches angeordnet; dadurch
ergibt sich ein rechteckiger oder quadratischer Querschnitt des Reaktionsbehälters,
Im übrigen weisen die Rohre zur Vergrösserung ihrer wärme-Qbertragenden und das
Ansetzen der sublimierenden Stoffe ermöglichenden Aussenfläche Querrippen auf (DT-Psen
1.082.230 und 1.123.294).
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Bei diesen Bauarten ergibt sich durch die vergleichsweise grossen
ebenen Seitenflächen des Reaktionsbehälters die Notwendigkeit eines verhältnismässig
nur geringen Betriebsdruckes. Ausserdem treten infolge der zahlreichen Temperaturwechsel
beim
Abkühlen zum Sublimieren und beim anschliessenden Aufheizen zum Abschmelzen der
abzuführenden Stoffe - diese Zyklen erfolgen über 1000mal jährlich -erfahrungsgemäss
häufiger Schäden auf, die durch von den Ecken ausgehende Spannungsspitzen verursacht
werden. Hinzukommen auch noch strömungsmässige Mängel, weil die quer zur Strömungsrichtung
des Dampf-Gas-Gemicches liegenden Rohre einen Widerstand für dieses Gemisch bilden
und deshalb einen unverwünschten Druckabfall verursachen. Ausserden wird der durch
das Sublimieren im Strömungsverlauf des Gemisches fortschreitenden Abnahme seines
Volumens nicht durch eine entsprechende Abnahme des freien Strömungaquerschnittes
Rechnung getragen.
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Demgegenüber soll mit der Erfindung ein derartiger Apparat geschaffen
werden, der nicht nur eine grössere Betriebssicherheit aufweist, sondern auch die
anderen vorerwähnten Mängel möglichst weitgehend vermeidet. Zu diesem Zweck besteht
die Erfindung darin, dass in dem vorzugsweise einem runden oder polygonalen Querschnitt
aufweisenden Gehäuse die mindestens annähernd vertikal angeordneten Rohre mit äusseren
längsrippen ausgerüstet undin ihren zwischen Rohrböden und gelochten Verteilerpiatten
liegenden Endbereichen von Räumen umgeben sind, die in an sich bekannter Weise zur
weitgehend gleichinässig verteilten, vorwiegend radialen Zu- und bzw. Abführung
des Dampf-Gas-Gemisches dienen, das im mittleren Bereich der Rohre in Längsrichtung
derselben geführt wird.
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Mit rücksicht auf das durch das Sublumieren einzelner Stoffe abnehmende
Volumen des weiterströmenden Gemisches empfiehlt es sich, den Strömungsquerschnitt
für dasselbe im Bereich der Rohre in deren Längsrichtung zu verändern.
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Dabei können die Rohre entweder in Form eines Pyramiden-oder Kegelstumpfes
etwas geneigt angeordnet sein mit in ihrer Längsrichtung sich ändernder Teilung
oder sie können parallel zueinander angeordnet sein und Rippen mit in Längsrichtung
sich ändernden Querschnitten aufweisen. Stattdessen kann auch bei parallel zueinander
angeordneten Rohren die Zahl der an jedem Rohr über seinen Umfang verteilten Rippen
sich in aufeinanderfolgenden Längsabschnitten der Rohre ändern.
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Ferner sind die Rohre zweckmässig in dreieckförmiger Teilung angeordnet,
wobei die am Umfang des Bündels liegenden Rohre auf der Linie eines Polygons liegen
und in gleichmässig geringem Abstand von einem Mantel mit entsprechender Umfangslinie
umgeben sind.
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Schliesslich weisen die Verteilerplatten zweckmässig nicht nur an
den Durchführungen der Rohre, sondern zusätzlich auch in den zwischen den Rohren
liegenden Stegen Öffnungen mit in an sich bekannter Weise radial von aussen nach
innen zunehmenden Querschnitten auf.
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Der Gegenstand der Erfindung ist in der Zeichnung an mehreren
Ausführungsformen
beispielsweise schematisch dargestellt. Es zeigt Fig. 1 einen Abscheider (Sublimator)
im Längsschnitt mit von oben nach unten pyramiden- oder kegelstumpfförmig sich verjüngender
Aoordnung des Rohrbündels und mit Umwälzsystem für den Wärmeträger, Fig. 2 einen
Abscheider, ebenfalls im Längsschnitt und mit von oben nach unten pyramiden- oder
kegelstumpfförmig sich verjüngender Anordnung des Rohrbündels, aber ohne Umwälzsystem
für den Wärmeträger, Fig. 3 einen Abscheider, ebenfalls im Längsschnitt, aber mit
paralleler Anordnung der Rohre, Fig. 4 einen Querschnitt in der Ebene IV-IV gemäss
Fig. 3, Fig. 5 einen Abscheider im Längsschnitt mit von unten nach oben kegelstumpfförmig
sich verjüngender Anordnung des Rohrbündels und unterteilten Hauben, Fig. 6 einen
Querschnitt in der Ebene VI-VI gemäss Fig. 5 und
Fig. 7 einen Abscheider
im Längsschnitt mit von unten nach oben kegelstumpfförmig sich verjüngender Anordnung
des Rohrbündels, mit Umwälzsystem für den Wärmeträger und mit einem zentral eingebauten
zusätzlichen Wärmetauscher.
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Gemäss Fig. 1 ist in dem Abscheider (Sublimator), der als ganzer Apparat
mit 1 bezeichnet ist, ein Bündel Rohre 2 annähernd vertikal sich von oben nach unten
pyramiden- ode kegelstumpfförmig verjüngend angeordnet. Die Rohre 2, an deren Aussenseite
sich je mehrere, über den Umfang verteilte längsrippen 3 befinden, sind an ihren
Enden in einem oberen und einem unteren Rohrboden 4 bzw. 5 abdichtend befestigt.
Auf der Aussenseite dieser Rohrböden 4, 5 liegen Räume 6 bzw. 7, die durch Hauben
8 bzw. 9 abgeschlossen sind.
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In der Mitte des Abscheiders 2 ist ein Zentralrohr 10 angeordnet,
das mit seinen Enden ebenso wie die Rohre 2 in den Rohrböden 4, 5 abdichtend befestigt
ist. Auffider oberen Haube 8 ist eine Pumpe 11 angeordnet, die mit einem im oberen
Bereich des Zentralrohres 10 untergebrachten Propeller 12 gekuppelt ist.
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Die Umfangsbegrenzung des Abscheiders wird von einem Doppelmantel
mit einer Innenwand 13 und einer Aussenwand
14 gebildet, die beide
ebenfalls mit den Rohrböden 4, 5 verbunden sind und einen ringförmigen Raum zwischen
sich einschliessen.
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Das Rohrbündel wird nach innen und nach aussen von je einem Mantel
15 bzw. 16 begrenzt; der Innenmantel 15 reicht bis zu den Rohrböden 4, 5, der Aussenmantel
16 dagegen nur etwas über dienen der Längsrippen 3 hinaus.
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Zwischen der Innenwand 13 des Apparates und dem Aussenmantel des die
Rohre 2 umgebenden Raumes befinden sich zwei übereinanderliegende Ringräume 17,
18, die durch ein Zwischenblech 19 voneinander getrennt sind. An jeden der beiden
Ringräume ist ein durch den Doppelmantel 13, 14 nach aussen führender Rohrstutzen
20 bzw. 21 angeschlossen.
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Äusserdem ist an der tiefsten Stelle des unteren Ringraumes 18 unmittelbar
oberhalb des unteren Rohrbodens 5 ein weiterer, vergleichsweise kleinerer Rohrstutzen
22 angeschlossen, der ebenfalls nach aussen führt.
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In beiden Rohrböden 4, 5 befinden sich in der Nähe ihres äusseren
Randes ringsum verteilte kleine Bohrungen 23, die den Ringraum des Doppelmantels
13, 14 mit den oberhalb bzw. unterhalb der Rohrböden liegenden Räumen 6
bzw.
7 verbinden. An diese beiden Räume ist Je ein nach aussen führender Rohrstutzen
24 bzw. 25 angeschlossen.
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Unterhalb des oberen Rohrbodens 4 liegt ein ringförmiger Raum 26,
der nach innen durch den Innenmantel 15, nach aussen durch die Innenwand 13 des
Doppelmantels und nach unten durch eine Platte 27 mit Öffnungen 28 zum Durchführen
der Rohre 2 begrenzt ist. Entsprechend liegt oberhalb des unteren Rohrbodens 5 ein
ringförmiger Raum 29, der ebenfalls nach innen durch die Innenwand 15, nach aussen
durch die Innenwand 13 und nach oben durch eine Platte 30 mit Öffnungen 31 zum Durchführen
der Rohre 2 begrenzt ist.
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Während des Betriebes dieses Abscheiders wird zunächst das Dampf-Gas-Gemisch
durch den Rohrstutzen 20 in den Ringraum 17 zugeführt, von hier über den oberen
Raum 26 und durch die Öffnungen 28 der Platte 27 an den Rohren 2 und deren Rippen
3 entlang, dann durch die Öffnungen 31 der Platte 30 in den unteren Raum 29 und
den Ringraum 18 geleitet, aus dem sie durch den Rohrstutzen 21 wieder abgeführt
werden. Durch eine an sich bekannte ungleiche Bemessung der Öffnungen 28 in der
oberen Platte 27-die zum Durchtritt des Gemisches dienenden Ringquerschnitte um
die einzelnen Rohre 2 werdenkum Ausgleich des radial von aussen nach innen zunehmenden
Strömungawider standes in dieser Richtung zunehmend grösser - wird eine mindestens
annähernd gleichmässigeBeaufschlagung aller
Rohre erreicht. Gegebenenfalls
können auch die Öffnungen 31 in der unteren Platte 30 zur Verstärkung der Ausgleichswirkung
entsprechend ungleich bemessen sein.
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Die Öffnungen 28, 31 befinden sich in diesem Falle wegen der im Verhältnis
zum Durchmesser der Rohre 2 vergleichsweise grossen Teilung derselben nicht nur
im Bereich der Rohrdurchführungen durch die Verteilerplatten 27, 30, sondern zusätzlich
auch in den dazwischen liegenden Stegen dieser Verteilerplatten.
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Durch die Rohre 2 wird ein Wärmeträger geleitet, der mittels des von
der Pumpe 11 angetriebenen Propellers 12 umgewälzt wird und dabei im Zentralrohr
10 abwärts und in den Rohren 2 aufwärts strömt. Dabei wird durch die Rohrstutzen
24, 25 laufend eine Teilmenge des umgewälzten Kärmeträgers zu- bzw. abgeführt. Da
der jeweils zugeführte Wärmeträger kälter als der aus den Rohren 2 nach der indirekten
Wärmeaufnahme aus demDampf-Gas-Gemisch austretende Wärmeträger ist, ergibt sich
im oberen Raum 6 eine Mischtemperatur, mit welcher der Wärmeträger durch das Zentralrohr
10 in den unteren Raum 7 strömt und von hier aus teils in die Rohre 2 und teils
durch die Bohrungen 23 in den Innenraum des Doppelmantels 13, 14 eintritt sowie
mit der restlichen Teilmenge durch den Rohrstutzen 25 abgeführt wird.
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Das Dampf-Gas-Gemisch wird bei der Wärmeabgabe an die Rohre 2 und
deren Rippen 3 so stark gekühlt, dass die aus
dem Gemisch abzuscheidenden
Stoffe sich in fester Form an der Aussenwand der Rohre und an den Rippen ansetzen
sublimieren), Dieser Ansatz muss von Zeit zu Zeit entfernt werden; zu diesem Zweck
wird dann die Zuführung des Dampf-Gas-Gemisches vorübergehend abgestellt und durch
den Rohrstutzen 24 ein heisser Wärmeträger zugeführt. Durch diesen wird die Temperatur
der Rohre 2 und der Rippen 3 so stark erhöht, dass die angesetzten festen Stoffe
abschmelzen und sich in flüssigem Zustand auf dem unteren Rohrboden 5 sammeln, von
wo sie durch den Rohrstutzen 22 in einen nicht dargestellten Auffangbehälter abgeführt
werden. Anschliessend beginnt dann wieder der andere Vorgang des Abscheidens, wie
oben beschrieben.
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Die Ausführung nach Fig. 2 unterscheidet sich von der vorhergehenden
im wesentlichen nur dadurch, dass hierbei kein Umwälzsystem für den Wärmeträger
vorgesehen ist. Infolgedessen sind die Rohre 2 innerhalb des in diesem Falle einwandigen
Mantels 32 über den ganzen Querschnitt verteilt, allerdings wieder in Form eines
sich von oben nach unten verjüngenden Pyramiden- oder Kegelstumpfes angeordnet.
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Der durch die Rohre geleitete Wärmeträger wird durch den zentralen
Rohrstutzen 24 über den unteren Raum 7 zugeführt und durch den ebenfalls zentralen
Rohrstutzen 25 über den oberen Raum 6 abgeführt.
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Die beiden Ringräume 33, 34, über die das Dampf-Gas-
Gemisch
mittels der Rohrstutzen 20, 21 radial zu- bzw. abgeführt wird, sind mit den die
Endbereiche der Rohre 2 umgebenden Räumen 26, 29 durch Öffnungen 35, 36 im Mantel
32 verbunden. Diese Öffnungen sindüber den Mantelumfang verschieden gross bemessen,
und zwar nimmt der Querschnitt jeder Öffnung von der den Rohrstutzen 20, 21 am nächsten
liegenden Stelle naXch beiden Umfangsrichtungen bis zuH,gegenüberliegenden Seite
hin zu. Dadurch wird hier eine ringsum mindestens annähernd gleichmässige Zuführung
bzw. Abführung desDampf-#asGemisches erreicht.
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Für eine ebenfalls mindestens annähernd gleichmässige Beaufschlagung
der Rohre 2 und ihrer Rippen 3 sind, ebenso wie bei der Ausführung nach Fig. 1,
in den Platten 27, 30 an den Durchführungen der Rohre 2 und zusätzlich auch in den
zwischen den Rohren liegenden Stegen Öffnungen mit radial von aussen nach innen
zunehmenden Querschnitten vorhanden.
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Der Rohrstutzen 22 zum Abführen der zunächst an den Rohren 2 und Rippen
3 sublimierten und dann von diesen flächen abgeschmolienen Stoffe ist in diesem
Falle an den unteren Ringraum 34 angeschlossen, dessen Boden noch etwas tiefer liegt
als der untere Rohrboden 5.
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Bei der Ausführung nach Fig. 3 sind die Rohre 2' des
ganzen
Bündels vertikal, also prallel zueinander angeordnet. Diese Zu- und Abführung des
Dampf-Gas-Gemisches erfolgen wieder seitlich durch die Rohrstutzen 20 bzw. 21 und
die zugehörigen# Ringräume 17' bzw. 18', die wieder durch ein Zwischenblech 19'
voneinander getrennt sind.
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Die Rohrstutzen 24, 25 für die Zu- und Abführung des Wärmeträgers
liegen dagegen beide an der Unterseite des Apparates, und zwar mündet der Rohrstutzen
24 in einen zentralen Raum 37, an den der mittlere Teil des Rohrbündels angeschlossen
ist, während der Rohrstutzen 25 von einem den weiter aussen liegenden Rohren des
Rohrbündels zugeordneten ringförmigen Raum 38 ausgeht.
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Die Längsrippen 3' auf den Rohren 2' haben eine von unten nach oben
zunehmende Höhe und gegebenenfalls auch Breite,$ so dass trotz der parallelen Anordnung
der Rohre sich ein in Längsrichtung derselben sich ändernder Strömungaquerschnitt
für das Dampf-Gas-Gemisch ergibt. Eine entsprechende andere Möglichkeit besteht
darin, dass die Änderung des Strömungsquerschnittes durch eine Änderung der Zahl
der an jedem Rohr über seinen Umfang verteilten Rippen in verschiedenen Längsabschnitten
der Rohre erreicht wird.
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Die Rohre 2' sind, wie aus Fig. 4 zu ersehen ist, mit dreieckförmiger
Teilung, d.h. in gegeneinander um den halben Rohrabstand versetzten Reihen anogeordnet,
wobei die am Umfang des Bündels liegenden Rohre ein regelmässiges
Sechseck
bilden. Die gleiche Form hat der die Rohre 2' mit geringem Abstand umgebende Mantel
39, während der zweite, die Ringräume 17', 18' nach aussen begrenzende Mantel 40
zylindrisch ausgebildet ist.
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Bei der Ausführung nach Fig. 5 sind die Rohrstutzen 41, 42 für die
Zu- bzw. Abführung des Dampf-Gas-Gemisches nicht an besondere Ringräume, sondern
unmittelbar an die die indbereiche der Rohre 2 umgebenden Räume 26, 29 angeschlossen.
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Dabei sind die Rohrstutzen, wie aus Fig. 6 zu ersehen ist, mit von
aussen nach innen zunehmender Breite ausgeführt, um auf diese Weise den strömungsmässigen
Übergang an diesen Stellen zu verbessern.
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Ein anderer Unterschied gegenüber den vorhergehend beschriebenen Ausführungen
besteht darin, dass die innerhalb der oberen und der unteren Haube 43, 44 liegenden
Räume mehrfach unterteilt sind. Dadurch ergibt sich mit Hilfe der Zwischenwände
43', 43" bzw. 44', 44" und mindestens einer Öffnung 43a bzw. 44a in je einer dieser
Zwischenwände eine mehrfache Umlenkung des durch den oberen Rohrstutzen 24 zugeführten
und den unteren Rohrstutzen 25 abgeführten Wärmeträgers (vgl. die dort angegebenen
Pfeile).
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Im übrigen sind die Rohre 2 mit ihren Längsrippen 3 wieder wie gemäss
den Fig. 1 und 2 etwas geneigt angeordnet, allerdings in diesem Falle in Form eines
von unten
nach oben sich verjüngenden Kegelstumpfes. Infolgedessen
können der Innenmantel 45 und der Aussenmantel 46 mit ihren kreisförmigen Querschnitten
das Rohr bündel ohne besondere Zwischenräume unmittnlbar mit geringem Abstand umgeben.
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Bei der Ausführung nach Fig. 7 ist schliesslich in dem Zentralrohr
10', das ebenso wie beider Ausführung nach Fig. 1 zum Zurückführen des von einer
Pumpe 11 mit zugehörigem Propeller 12 umgewälzten Wärmeträgers gehört, in diesem
Falle aber konisch mit nach unten hin etwas grösser werdendem Durchmesser ausgeführt
ist, ein zusätzlicher Wärmetauscher 45 untergebracht. Dieser Wärmetauscher dient,
je nach demBetriebszustand, während des Abscheldens der sublimierenden Stoffe zum
Rüekkühlen und während des Abschmelzens dieser Stoffe zum Aufheizen des umgewälzten
Wärmeträgers. Wenn es die Raumverhältnisse zulassen und die Betriebsverhältnisse
zweckmässig erscheinen lassen, können auch zwei zusätzliche Wärmetauscher innerhalb
des Apparates angeordnet sein, die wechselseitig zum Rückkühlen bzw. Aufheizen des
Wärmeträgers eingeschaltet werden. Das gleiche gilt dann, wenn der oder die zusätzlichen
Wärmetauscher ausserhalb des Apparates angeordnet sind.
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Das Dampf-Gas-Gemisch wird, wie im wesentlichen gemäss den Fig. 1
- 3, durch seitliche Rohrstutzen 20, 21 zu
bzw. abgeführt; durch
sich anschliessende Ringräume 46 bzw. 47 wird das zuströmende Gemisch auf den Umfang
des Rohrbtindels 2 zum radialen Zuströmen verteilt bzw.
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das von diesem Umfang her radial abströmende Gemisch gesammelt und
der Austrittsseite zugeleitet.