DE2704975A1 - Waermeaustauschvorrichtung fuer gas/ feststoff-reaktionen, insbesondere fuer die herstellung von siliciumhalogenverbindungen mittels silicium-enthaltender kontaktmassen im wirbelbettreaktor - Google Patents

Waermeaustauschvorrichtung fuer gas/ feststoff-reaktionen, insbesondere fuer die herstellung von siliciumhalogenverbindungen mittels silicium-enthaltender kontaktmassen im wirbelbettreaktor

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DE2704975A1 DE19772704975 DE2704975A DE2704975A1 DE 2704975 A1 DE2704975 A1 DE 2704975A1 DE 19772704975 DE19772704975 DE 19772704975 DE 2704975 A DE2704975 A DE 2704975A DE 2704975 A1 DE2704975 A1 DE 2704975A1
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Description

WAC K ER-CHEMIE München, den 1.12.1976
G F B H L-PAT/Dr.Wg-rei
Wa 7611
Wärmeaustauschvorrichtung für Gas/Feststoff-Reaktionen, insbesondere für die Herstellung; von Siliciumhalogenverbindungen mittels Silicium-enthalt ender Kontaktmassen im Wirbelbettreaktor
Es ist bekanntsexotherm verlaufende Gas/Pestoff-Reaktionen im Fließ- oder Wirbelbettreaktor durchzuführen. Der Einsatz derartiger Reaktoren hat sich insbesondere für die Herstellung von Siliciumhalogenverbindungen mittels Silicium-enthaltender Kontaktnassen nach der sogenannten Direktsynthese bewährt. Die Reaktionswärme wird hierbei über die Gefäßwand des Reaktors mit Hilfe eines Wärmeaustauschmediums abgeführt, über dasselbe Medium wird bei. Beginn der Reaktion die zum Anspringen benötigte Wärme zugeführt (vgl. W. UoIl "Chemie und Technologie der Silicone",1968, Seite 32 bis 33).
Da jedoch insbesondere die Abführung der Reaktionswärme über die Gefäßwand nicht befriedigte, wurden hierzu bereits zahlreiche Verbesserungsvorschläge gemacht. So ist es beispielsweise bekannt, Wärmeaustauschrohre im Inneren des Reaktorraums anzubringen (vgl. US-PS 3.133.109), wobei derartige Rohre nach üblicher Auffassung möglichst waagrecht
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in sich kreuzender Lage anzuordnen sind, da sonst die Gasverteilung in der Wirbelschicht nachteilig beeinflußt werden könnte (vgl. "Ullmanns Encyklopädie der technischen Chemie", 4. Auflage 1973, Band 3, Seite 486). Aufgrund der allgemein bekannten Erosionsgefahr im Wirbelbettreaktor, die bei Einsatz von Feststoffteilchen mit stark abrasivem Charakter, wie den Silicium-enthaltenden Kontaktmassen zusätzlich gesteigert wird, sind indessen dem Einbau von in die Wirbelschicht hineinragenden Wärmeaustauschelementen enge Grenzen gesetzt. So haben sich beispielsweise Rohrbündelaustauscher von üblicher Bauart nicht bewährt, da Rohrteile, die im Wirbelbett horizontal zur Gasströmung angeordnet sind, einem erhöhten Verschleiß unterliegen und ein Bruch dieser Rohrreile das unerwünschte Sindringen des Wärmeaustau schcedi uns in den Reaktionsraum zur Folge hat.
Das Problen des Wärmeaustausches über die Gefäßwand des Reaktors allein konnte bei Übertragung der in Frage stehenden Reaktionen in den großtechnischen Bereich ebenfalls mit der "bisher üblichen Ausgestaltung von Kühl- bzw. Heiznänteln, "beispielsweise solchen, die aus einem spiralförmig U2 den Behälter verlaufenden Kanal in Form von aufgeschweißten Zaiorohren oder aufgeschweißten Kanälen aus Winkelprofilen bestehen, nicht in befriedigender Weise gelöst werden, da die hierdurch zur Verfügung gestellte Wärmeaustauschfläche nicht ausreicht und einer Vergrößerung derselben wegen der Materialbeanspruchung enge Grenzen gesetzt sind.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Wärmeaustauschvorrichtung für Gas/Feststoffreaktionen, insbesondere für die Herstellung von Siliciumhalogenverbindungen mittels Silicium-enthaltender Kontaktmassen im Wirbelbett-
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it
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reaktor zur Verfügung zu stellen, die zur Führung des Wärmeaustauschmediums aus im Reaktor angeordneten Rohren, deren Ausgestaltung die Abrasionsgefahr beträchtlich herabsetzt und/oder aus einem Mantel auf der Außenseite der Reaktorwand besteht, dessen Ausgestaltung den Anforderungen hinsichtlich der Materialbeanspruchung genügt.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß im Reaktorraum mindestens ein in die Wirbelschicht eintauchendes Rohr angeordnet ist, das an seinem der Gasströmung entgegengerichteten Ende eine konische Verjüngung aufweist und/ oder daß der Mantel auf der Außenseite der Reaktorwand als spiralförmig verlaufender Kanal von viereckigem Querschnitt ausgebildet ist;, der nach außen eine gewölbte Abdeckung aufweist.
Die erfindungsgemäße Wärmeaustauschvorrichtung kann demnach entweder nur aus mindestens einem Rohr der angegebenen Anordnung und Ausgestaltung im Reaktorraum oder nur aus dem Mantel der angegebenen Ausgestaltung auf der Außenseite der Reaktor-.vand "cestsiien, wobei sich jedoch die Kombination von mindestens einen Rohr und Mantel besonders bewährt hat.
Der konisch verjüngte Teil des oder der Rohre ist vorteilhaft innen nicht als Rohr ausgebildet, das heißt, dieser Teil besteht vorzugsweise im wesentlichen aus Kompakt- oder Massivmateriai sodaß er mit dem Wärmeaustauschmedium praktisch nicht in Verbindung steht. Der konisch verjüngte Teil ist vorteilhaft außen als abgerundete Spitze ausgebildet, er kann jedoch beispielsweise auch kegel-, kegelstumpf- oder halbkugelförmig ausgestaltet sein. Entscheidend ist hierbei nur, daß dieser mit der Wirbelschicht in Berührung stehende Teil der entgegengerichteten Gasströmung einen mög-
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liehst geringen Widerstand bietet und somit das Rohr selbst wirksam gegen übermäßigen Abrieb schützt.
Wenn die Wärmeaustauschvorrichtung aus mehreren, Rohren besteht, sind diese zweckmäßig miteinander verbunden, wobei es vorteilhaft ist, die Verbindung durch zwischen den konisch verjüngten Teilen angeordnete Stege zu bewerkstelligen. Für die Ausgestaltung dieser Verbindungsstege ist ebenfalls ein möglichst geringer Widerstand gegenüber der entgegengerichteten Gasstömung von entscheidender Bedeutung. Diese Stege sind daher vorteilhaft als flache, senkrecht im Reaktorraun stehend angeordnete Platten ausgebildet, deren Schmalseiten nit den konisch verjüngten Teilen verbunden sxnd. Ξ-r senders "bewährt hat sich hierfür senkrecht stehendes Jlach^ia~erial% das an den Schmalseiten mit den konisch ver-'ürsrtan Teilen seitlich verschweißt ist.
Die Rohre selcsu sind üblicherweise als Tauchrohre ausgebildet, durch die das Wärmeaustauschmedium mit wechselnder Strömungsrichtung geführt wird. Die Dicke der Rohre, das heißt ihr AuE end ure hsie s 3 er, die Anzahl der Rohre und der Abstand der einseinen 2ohre voneinander ist abhängig vom Durchmesser des 5e=>Tor3 und der für den Reaktorinhalt erforderlichen Kühlfläche. Der Abstand der abgerundeten Spitzen der Rohre vom Anströmboden ist eine frei wählbare Größe, die nur abhängig ist von der gewünschten Kühlfläche in Beziehung zum Reaktorinhalt.
Der spiralförmig verlaufende Kanal ist vorteilhaft durch mit einer Längskante auf der Reaktorwand spiralförmig aufgeschweißte Metallstreifen gebildet, wodurch sich der viereckige Querschnitt ergibt und nach außen durch einen ge-
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wölbten Metallstreifen verschlossen. Die Kantenlängen für den viereckigen Querschnitt des so gebildeten Kanals werden hier bei von der Breite der Metallstreifen und dem Abstand der Metallstreifen untereinander auf der Eeaktorwand bestimmt. Es ist besonders vorteilhaft, die Metallstreifen mit einer Längs kante senkrecht auf die Reaktorwand aufzuschweißen, wodurch sich für den so gebildeten spiralförmig verlaufenden Kanal ein rechteckiger Querschnitt ergibt.
Nach außen ist der Kanal vorteilhaft durch einen aufgeschweiß ten Metallstreifen von konvexer Wölbung verschlossen. Dieser Metallstreifen kann jedoch beispielsweise auch konkav gewölbt oder gerippt sein.
Durch die Kombination von viereckigem Querschnitt mit der gewölbten Au3er.a"Di3ckung werden in den spiralförmig verlaufenden Kanälen unzulässig hohe Spannungen im Werkstoff praktisch vollständig vermieden, sodaß diese, unabhängig von der Art des verwendeten Wärmeaustauschmediums und den Belastungen durch Druck und Strömungswiderstand den gestellten Anforderungen hinsichtlich der Katerialbeanspruchung in größerem Ausmaß genü gen, als die "bisher bekannten spiralförmig verlaufenden Kanä le aus auf der 2eaktorwand aufgeschweißten Winkelprofilen mit viereckiges Querschnitt, die nach außen eine ungewölbte Abdeckung aufweisen.
Darüber hinaus werden bei der erfindungsgemäßen Kombination auch unzulässig hohe Schweißschrumpfspannungen ausgeschaltet, die zwangsläufig bei der Verschweißung von Winkelprofilen an den Knickstellen auftreten, an denen der Werkstoff bereits einer starken Verformung unterzogen worden ist. Gegenüber den bekannten aufgeschweißten Halbrohren mit halbkreisförmi gem Querschnitt bietet die erfindungsgemäße Kombination den Vorteil, daß sie in beliebiger Größe hergestellt werden kann,
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was bei Halbrohren mit großem Durchmesser nur schwierig zu bewerkstelligen ist. Außerdem steht der gesamte in den Wärmeaustausch einbezogene Teil der Reaktorwand für den Wärmedurchgang zur Verfügung, während bei nebeneinander auf der Reaktorwand aufgeschweißten Halbrohren die vom Wärmeaustauschmedium bestrichene Fläche kleiner ist, als der in den Wärmeaustausch einbezogene Teil der Reaktorwand.
Als Ausführungsform für die erfindungsgemäße Wärmeaustausch-Vorrichtung hat sich folgende, die anhand der Abbildungen I bis IV näher erläutert wird, als besonders vorteilhaft erwiesen.
Abbildung; I zeigt einen Wirbelbettreaktor mit einem im Reaktorraum angeordneten Rohrregister und einem Mantel auf der Außenseite der 2eaktorwand, sowie Vorrichtungen für die Führung des Wärmeaustauschmediums im Längsschnitt. Abbildung II a zeigt die Ausgestaltung der konisch verjüngten Teile mit Verbindungssteg in Vergrößerung gemäß Ausschnitt A in Abbildung I.
Abbildung II b zeigt den Verbindungssteg im Querschnitt C D der Abbildung Ha.
Abbildung III zeigt die Ausgestaltung des spiralförmig verlaufenden Kanals in Vergrößerung gemäß Ausschnitt B in Abbildung Abbildung IV zeigt das im Reaktorraum angeordnete Rohrregister im Querschnitt E-F der Abbildung I.
Wie aus Abbildung I ersichtlich, wird das Wärmeaustauschmedium · von der Heiz- bzw. Rückkühlanlage 1 durch Leitung 2 in den Mantel 3 des Wirbelbettreaktors 4- anschließend über Leitung 5 in die Rohre des Rohrregisters 6 geführt, die zur Erzielung von Umlenkungen und zur Gewährleistung einer definierten Strömung mit Tauchrohren 7 ausgerüstet sind. Die Austrittsrohre des Rohrregisters 6 sind jeweils mit Mengenanzeigegeräten 8 und 9 verbunden, wodurch die Einstellung einer gleichmäßigen Beauf-
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schlagung der einzelnen Sektionen des Rohrregisters 6 gewährleistet wird. Durch Leitung 10 wird das Wärmeaustauschmedium zur Heiz- bzw. Rückkühlanlage 1 zurückgeführt.
Der Wirbelbettreaktor 4 ist mit Eintrittsöffnungen 11, Austrittsöffnungen 12 für den Feststoff, Gaseintrittsöffnungen 13, Gasaustrittsöffnungen 14 und dem Anströmboden für die Gasverteilung 15 ausgerüstet.
Die Rohre des Rohrregisters 6 tauchen senkrecht von oben in die im Reaktor 4 befindliche Wirbelschicht 16 ein und sind an den der durch den Anströmboden 15 erzeugten Gasströmung entgegengericb-teten Enden außen als abgerundete Spitzen 17 ausgebilder, die ait den Stegen 18 verbunden sind.
Der Mantel 3» der die gesamte Außenfläche der innen von der Wirbelschicht 15 beaufschlagten Reaktorwand bedeckt, zeigt den spiralförisig verlaufenden Kanal in Form der übereinander angeordneten Querschnitte.
Abbildung II a zeigt die unteren Enden von 2 Rohren des Rohrregisters 6 geaäB Ausschnitt A in Abbildung I in Vergrößerung. Die a-L£ez abgerundeten Spitzen 17 bestehen aus Massivmaterial 19". 3as Värmeaustauschmedium wird durch die Tauchrohre 7 geführt, welche durch Führungsnocken 20 zentriert sind. Der Steg 13 besteht aus einem senkrecht stehend angeordneten Flachaaterial, das an den Schmalseiten mit den Spitzen 17 seitlich verschweißt ist.
Abbildung II b zeigt den Steg 18 im Querschnitt C-D der Abbildung Ha.
Abbildung III zeigt den aus dem Kanal bestehenden Mantel 3 gemäß Ausschnitt B in Abbildung I in Vergrößerung, der durch mit einer Längskante senkrecht auf die Reaktorwand 21 aufgeschweißte Blechstreifen 22 gebildet ist, einen rechteckigen Querschnitt 23 hat und nach außen durch einen aufgeschweiß-
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ten Blechstreifen 24- von konvexer Wölbung verschlossen ist.
Abbildung IV zeigt den Querschnitt E-F durch die unteren Enden der Rohre aus Massivmaterial 19 und die Verbindungsstege 18 des im Wirbelbettreaktor 4- angeordneten Rohrregisters 6.
Mit der erfindungsgemäßen Wärmeaustauschvorrichtung, insbesondere in der kombinierten Form von Rohren und Mantel können Wärmeaustauschflächen von beliebiger Größe zur Verfügung gestellt werden, da die im Reaktorraum angeordneten Rohre der durch die starke Bettbewegung bedingten Erosion nur geringe iz.griffsmöglichkeit bieten und der Mantel auf der Innenseite glatt und auf der Außenseite der Reaktorwand praktisch frei von Spannungen im Werkstoff ist. Die Dimension!erung der Wärmeaustauschflächen wird daher prakttisch nicht z.ehr durch die Verschleißanfälligkeit der Rohre im Reaktorrauin. und durch die Materialbeanspruchung des Mantels eingeschränkt, sodaß die Produktionsleistung des Wirberbettreaktors, der von der Größe der vorhandenen Wärmeaustauschiläche abhängt, beträchtlich gesteigert werden kann.
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Claims (8)

  1. 2704971»
    Patentansprüche :
    Wärmeaustauschvorrichtung für Gas/Feststoff-Reaktionen, insbesondere für die Herstellung von Siliciumhalogenverbindungen mittels Silicium-enthaltender Kontaktmassen im Wirbelbettreaktor, bestehend aus Rohren im Reaktorraum und/oder einem Hantel auf der Außenseite der Reaktorwand für die Führung des Wärmeaustauschmedxums, dadurch gekennzeichnet, daß im Reaktorraum mindestens ein senkrecht von oben in die Wirbelschicht eintauchendes Rohr angeordnet ist, das an seinem der Gasströmung entgegengerichteten Ende eine konische Verjüngung aufweist und/oder daß der Mantel auf der Außenseite der Reaktorwand als spiralförmig verlaufender Zanal von viereckigem Querschnitt ausgebildet ist, der nach außen eine gewölbte Abdeckung aufweist.
  2. 2. Wärmeaustauschvorrichtung nach Anspruch 1, d a durch gekennzeichnet, daß der konisch verjüngte 'Teil innen nicht als Rohr ausgebildet ist·
  3. 3. Wärmeaustauschvorrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der konisch verjüngte Teil außen als abgerundete Spitze ausgebildet ist.
  4. 4. Wärmeaustauschvorrichtung nach Anspruch 1 bis 3» dadurch gekennzeichnet, daß im Reaktorraum senkrecht von oben in die Wirbelschicht eintauchende Rohre angeordnet sind, deren konisch verjüngte Teile durch Stege miteinander verbunden sind.
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    - zf"-
  5. 5- Wärmeaustauschvorrichtung nach Anspruch 4-, dadurch gekennzeichnet, daß die Stege als flache, senkrecht im Beaktorraum stehend angeordnete Platten ausgebildet sind, deren Schmalseiten mit den konisch verjüngten Teilen verbunden sind.
  6. 6. Wärmeaustauschvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der durch mit einer Längskante auf der Eeaktorwand spiralförmig aufgeschweißte Metallstreifen gebildete Kanal von viereckigem Querschnitt nach außen durch einen gewölbten Metallstreifen verschlossen ist.
  7. 7. Wärmeaustauschvorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der durch siit einer Längskante senkrecht auf der Reaktorwand spiralförmig aufgeschweißte Metallstreifen gebildete Kanal von rechteckigein Querschnitt nach außen durch einen gewölbten Metallstreifen verschlossen ist.
  8. 8. Wärmeaustauschvorrichtung nach Anspruch 6 und 7» dadurch gekennzeichnet, daß der Kanal nach auien durch einen aufgeschweißten Metallstrei fen von konvexer Wölbung verschlossen ist.
    Θ09834/00Π8
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