DE2704975C2 - Wärmeaustauschvorrichtung für Wirbelbettreaktoren zur Durchführung von Gas/Feststoff-Reaktionen, insbesondere zur Herstellung von Siliciumhalogenverbindungen mittels Silicium-enthaltender Kontaktmassen - Google Patents

Wärmeaustauschvorrichtung für Wirbelbettreaktoren zur Durchführung von Gas/Feststoff-Reaktionen, insbesondere zur Herstellung von Siliciumhalogenverbindungen mittels Silicium-enthaltender Kontaktmassen

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DE2704975C2 DE2704975A DE2704975A DE2704975C2 DE 2704975 C2 DE2704975 C2 DE 2704975C2 DE 2704975 A DE2704975 A DE 2704975A DE 2704975 A DE2704975 A DE 2704975A DE 2704975 C2 DE2704975 C2 DE 2704975C2
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Description

t-O
Es ist bekannt, exotherm verlaufende Gas/Feststoff-Reaktionen im Fließ- oder Wirbelbettreaktor durchzuführen. Der Einsatz derartiger Reaktoren hat sich insbesondere für die Herstellung von Siliciumhalogenverbindungen mittels Silicium-enthaltender Kontaktmassen 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. Noil »Chemie und Technologie der Silicone«, 1968, Seite 32 bis 33).
Da jedoch insbesondere das Abführen der Reaktionswärme über die Gefäßwand nicht befriedigte, wurden hierzu bereits zahlreiche Verbesserungsvorschläge gemacht. So ist es beispielsweise bekannt, Wärmeaustai'schrohre im Inneren des Reaktorraums anzubringen (US-PS 31 33 109), wobei diese Rohre waagrecht in sich kreuzender Lage angeordnet sind, da sonst die Gasverteilung in der Wirbelschicht nachte'lig beeinflußt werden könnte (vgl. »Ulimanns 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 abradvem Charakter, wie den Siliciumenthaitenden 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 Rohrteile das unerwünschte Eindringen des Wärmeaustauschmediums in den Reaktionsraum zur Folge hat.
Dt.s Problem 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. Heizmänteln, beispielsweise solchen, die aus einem spiralförmig um den Behälter verlaufenden Kanal in Form von aufgeschweißten Halbrohren 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 Materialbean spruchung enge Grenzen gesetzt sind.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Wärmeaustauschvorrichtung für Wirbelbettreaktoren zur Durchführung von exotherm verlaufenden Gas/ Feststoffreaktionen, insbesondere zur Herstellung von Siliciumhalogenverbindungen mittels Silicium-enthaltender Kontaktmassen, mit vergrößerter Wärmeaustauschfläche zur Verfügung zu stellen, die zur Führung des Wärmeaustauschmediums aus im Reaktor angeordneten Rohren, deren Ausgestaltung die Abrasionsgefahr beträchtlich herabsetzt und aus einem Mantel auf der Außenseite der Reaktorwand besteht, dessen Ausgestaltung den Anforderungen hinsichtlich der Materialbeanspruchung genügt.
Diese Aufgabe wird durch die im Kennzeichen des Patentanspruchs 1 herausgestellten Merkmale gelöst.
Weitere Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Die erfindungsgemäße Wärmeaustauschvorrichtung besteht demnach aus der Kombination von mindestens einem Rohr der angegebenen Anordnung und Ausgestaltung im Reaktorraum und aus dem Mantel der angegebenen Ausgestaltung auf der Außenseite der Reaktorwand.
Der konisch verjüngte Teil des oder der Rohre ist vorteilhaft innen nicht als Rohr ausgebildet, das heißt, dieser Teil besteht im wesentlichen aus Kompakt- oder Massivmaterial so daß er mit dem Wärmeaustauschmedium praktisch nicht in Verbindung steht.
Der konisch verjüngte Teil hat dabei vorteilhafterweise eine außen abgerundete Spitze, er kann jedoch beispielsweise auch kegel-, kegelstumpf- oder halbkugelförmig ausgestaltet sein. Entscheidend ist hierbei nur, daß dieser mit der Wirbelschicht in Berührung stehende Teile der entgegengerichieten Gasströmung einen möglichst 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 Gasströmung von entscheidender Bedeutung. Diese Stege sind daher vorteilhaft als flache, senkrecht im Reaktorraum stehend angeordnete Platten ausgebildet, deren Schmalseiten mit den konisch verjü-gten Teilen verbunden sind. Besonders bewährt hat sich hierfür senkrecht stehendes Flachmaterial, das an den Schmalseiten mit den konisch verjüngten Teilen seitlich verschweißt ist.
Die Rohre selbst sind als Tauchrohre ausgebildet, durch die das Wärmeaustauschmedium mit wechselnder Strömungsrichtung geführt wird. Die Dicke der Rohre, das heißt ihr Außendurchmesser, die Anzahl der Rohre und der Abstand der einzelnen Rohre voneinander ist abhängig vom Durchmesser des Reaktors 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 Blechstreifen gebildet, wodurch sich der viereckige Querschnitt ergibt und nach außen durch einen gewölbten Blechstreifen verschlossen. Die Kantenlängen für den viereckigen Querschnitt des so gebildeten Kanals werden hierbei von der Breite der Blechstreifen und dem Abstand der Blechstreifen untereinander auf der Reaktorwand bestimmt. Es ist besonders vorteilhaft, die Blechstreifen mit einer Längskante 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 aufgeschweißten Blechstreifen von konvexer Wölbung /erschlossen. Dieser Blechstreifen kann jedoch beispielsweise auch konkav gewölbt oder gerippt sein.
An sich ist es bei Erwärniungs- und Kochgeräten der Lebensmittelkonservenindustrie (DE-OS 20 09 2!3) bereits bekannt, den Mantel für die Dainpfrohrheizung des Kochkessels aus verschweißten Blechstreifen spiralförmig herzustellen. Außerdem ist es bei einem Wirbelschichtwärmetauscher, der als Kühler für z. B. Zementklinker arbeitet, bekannt (DE-AS 12 40 373), die unteren Enden der das Wärmeaustauschmedium führenden senkrechten Tauchrohre mit einer konischen Verjüngung aus Massivmatcrial auszuführen.
Durch die erfindungsgcmäße ΚοιηΜγμπ.ί, von viereckigem Querschnitt mit der gev.ö!b:e;i Aulkiiabdeckung werden in den spiralform;:: verlaufenden Kanälen unzulässig hohe Spannungen im Werkstoff praktisch vollständig \ ermied'.-n, mi dal! ι, ■. se, unabhängig von der Art des verwendeten Wärmeaustauschmediums und den Belastungen durch Druck und Strömungswiderstand, den gestellten Anforderungen hinsichtlich der Materialbeanspruchung in größerem Ausmaß genügen, als die bisher bekannten spiralförmig verlaufenden Kanäle aus auf der Reaktorwand aufgeschweißten Winkelprofilen mit viereckigem 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 halbkreisförmigem Querschnitt bietet die erfindungsgemäße Kombination den Vorteil, daß sie in beliebiger Größe hergestellt werden kann, 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 Verfugung, 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 Wärmeaustauschvorrichtung hat sich folgende, die anhand der Abb. I bis IV näher erläutert wird, als besonders vorteilhaft erwiesen. Es zeigt
Abb. 1 einen Wirbelbettreaktor mit einem im Reaktorraum angeordneten Rohrregister und einem Mantel auf der Außenseite der Reaktorwand, sowie Vorrichtungen für die Führung des Wärmeaustauschmediums im Längsschnitt,
Abb. Ha die konisch verjüngten Teile mit Verbindungssteg in Vergrößerung gemäß Ausschnitt A in Abb. 1,
Abb. Mb den Verbindungssteg im Querschnitt C-D der Abb. Ma,
Abb. III den spiralförmig verlaufenden Kanal in Vergrößerung gemäß Ausschnitt Sin A bb. 1 und
A b b. IV das im Reaktorraum angeordnete Rohrregister im Querschnitt £"-Fder A b b. I.
Nach Abb. I 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, das zur Erzielung von Umlenkungen und zur Gewährleistung einer definierten Strömung mit Tauchrohren 7 ausgerüstet ist. Die Austrittsrohre des Rohrregisters 6 sind jeweils mit Mengenanzeigegeräten 8 und 9 verbunden, wodurch die Einstellung einer gleichmäßigen Beaufschlagung der einzelnen Sektionen des Rohrregisters 6 gewährleistet wird. Durch Leitung 10 wird das Wärmeaustauschmedidum zur Heiz- bzw. Rückkühlanlage 1 zurückgeführt.
Der Wirbelbettreaktor 4 ist mit F.intriusöffiiungen 11 und Austrittsöffnungen 12 für den Feststoff, Gaseintrittsöffnungen 13 und Gasaustrittsöffnungen 14 und dem Anströmboden 15 für die Gasverteilung ausgerüstet.
Die Rohre des Rohrregisters 6 tauchen senkrecht von obei in die im Wirbclbcilreaktor 4 befindliche Wirbelschicht !6 ein und sind an den der durch ilen Anströmboden 15 erzeugten Gasströmung entgegengerichteten Luden außen .ils abgerundete Spitzen 17 ausgebildet, die mit Stegen 18 ve ι bunde π sind.
Der Mantel 3, der die gesamte Außenfläche der innen von der Wirbelschicht 16 beaufschlagten Reaktorwand bedeckt, bildet einen spiralförmig verlaufenden Kanal in Form der übereinander angeordneten Querschnitte 23 (Abb. 111).
Abb. lla zeigt die unteren Enden von zwei Rohren des Rohrregisters 6 gemäß Ausschnitt Λ in Abb. I in Vergrößerung. Die außen abgerundeten Spitzen 17 bestehen aus Massivmaterial 19. Das Wärmeaustauschmedium wird durch die Tauchrohre 7 geführt, welche durch Führungsnocken 20 zentriert sind. Der Steg 18 besteht aus einem senkrecht stehend angeordneten Flachmaterial, das an den Schmalseiten mit den Spitzen 17 seitlich verschweißt ist.
Abb. lib zeigt den Steg 18 im Querschnitt C-D der Abb. !la.
Abb. Ill zeigt den aus dem Kanal bestehenden Mantel 3 gemäß Ausschnitt B in A b b. 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 aufgeschweißten Blechstreifen 24 konvex eine gewölbte Abdeckung hat.
A b b. IV zeigt den Querschnitt Ξ Fdurch die unteren Enden der Rohre 6 aus Massivmaterial 19 und die Verbindungssluge 18 des im Wirbclbettreaktor 4 angeordneten Rohrregisters 6.
Mit der beschriebenen Wärmeaustauschvorrichtung in der kombinierten Form von Rohren und Mantel können Wärmeauslauschfläehen von beliebiger Größe zur Verfügung gestellt werden, da die im Reaktorraum angeordneten Rohre 6 der durch die starke Bettbewegung bedingten Erosion nur geringe Angriffsmöglichkeit bieten und der Mantel auf der Innenseite glatt und auf der Außenseite der Reaktorwand praktisch frei von Spannungen im Werkstoff ist. Die Dimensionierung der Wärnieaustauschflächen wird daher praktisch nicht
Reaktorraum und durch die Materialbeanspruchung des Mantels eingeschränkt, so daß die Produktionsleistung des Wirbelbettreaktors 4, der von der Größe der vorhandenen Wärmeauslauschflächv.- abhängt, beträchtlich gesteigert werden kann.
Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (8)

Patentansprüche:
1. Wärmeaustauschvorrichtung für Wirbelbettreaktoren zur Durchführung von exotherm verlaufenden Gas/Feststoff-Reaktionen, insbesondere zur Herstellung von Siliciumhalogenverbindungen mittels Silicium enthaltender Kontaktmassen, bestehend aus vertikalen Rohren im Reaktorraum oder einem Mantel auf der Außenseite der Reaktorwand für die Führung des Wärmeaustauschmediums, ι ο dadurch gekennzeichnet, daß im Reaktorraum (4) mindestens ein senkrecht von oben in die Wirbelschicht (16) eintauchendes Rohr (6) angeordnet ist, das an seinem der Gasströmung entgegengerichteten Ende einen konisch verjüngten Teil (17) aufweist und das mit dem Mantel (3) auf der Außenseite der Reaktorwana (21), der als spiralför-Tiig verlaufende Kanal von viereckigem Querschnitt (23) ausgebildet ist, der nach außen eine gewölbte Abdeckung (24) aufweist, für die Führung des Wärmeaustauschmediums in Verbindung steht.
2. Wärmeaustauschvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der konisch verjüngte Teil (17) innen aus Kompakt- oder Massivmaterial (19) besteht. :5
3. Wärmeaustauschvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der konisch verjüngte Teil (17) außen eine abgerundete Spitze hat.
4. Wärmeaustauschvorrichtung nach Anspruch 1 jo bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die konisch verjüngten Teile (17) der Rohre (6) durch Stege (18) miteinander verbunden sind.
5. Wärmeaustauschvorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Stege (18) als r> flache, senkrecht im Reaktorraum stehend angeordnete Platten ausgebildet sind, deren Schmalseiten mit den konisch verjüngten Teilen (17) verbunden sind.
6. Wärmeaustauschvorrichtung ntch einem der -40 Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der durch mit einer Längskante auf der Reaktorwand (21) spiralförmig aufgeschweißte Blechstreifen (22) gebildete Kanal von viereckigem Querschnitt (23) nach außen durch einen gewölbten Blechstreifen (24) -15 verschlossen ist.
7. Wärmeaustauschvorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Blechstreifen (22) mit einer Längskante senkrecht auf die Reaktorwand (21) aufgeschweißt sind, so daß sich für den >o spiralförmigen Kanal ein rechteckiger Querschnitt (23) ergibt.
8. Wärmeaustauschvorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Kanal (23) nach außen durch einen aufgeschweißten Blechstreifen (24) von konvexer Wölbung verschlossen ist.
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