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Wärmetauscher
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Die Erfindung betrifft einen Wärmetauscher für zwei Fluide mit in
einem geschlossenen zylindrischen Behälter verlaufenden Rohren zur Führung des ersten
Fluids, bei dem der Außenraum um die Rohre zur Aufnahme des zweiten Fluids vorgesehen
ist, die Rohre vom Deckel des Behälters aus in der Nähe der Behälterwand in Richtung
Behälterboden, von dort zur Behälterachse hin und innerhalb der äußeren Rohrabschnitte
zum Deckel zurückverlaufen und an beiden Enden in durch den Behälterdeckel nach
auBen geführte Sammelrohre münden, die äußeren und inneren Abschnitte der Rohre
durch einen Mantel voneinander getrennt sind, der an seiner Unterseite gegen den
Behälterinnenraum offen und an seiner Oberseite dicht mit einem konzentrisch um
das innere Sammelrohr angeordneten zweiten Rohr zur Durchführung des zweiten Fluids
durch den Deckel verbunden ist, und bei dem konzentrisch unter Bildung von Ringräumen
um die äußeren Sammelrohre für das erste Fluid und/oder um das zweite Rohr jeweils
weitere Rohre angeordnet sind, die mit dem ringfdrmigen Teilraum zwischen Mantel
und Behälterwand in Verbindung stehen, wobei die um die äußeren Sammelrohre für
das erste Fluid angeordneten weiteren Rohre als Durchführungen für das zweite
Fluid
ausgebildet sind, nach Patentanmeldung P 28 30 225.2.
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Der in der genannten Patentanmeldung beschriebene Wärmetauscher eignet
sich aufgrund seiner Konstruktion besonders für den Einsatz bei hohem Druck im Hochtemperaturbereich.
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Es ist ein entscheidendes Merkmal des Wärmetauschers, daß dle Zu-
und Abführungen am heißen Ende des WErmetauschers möglichst kleine Abmessungen und
einen berechenbaren Spannungsverlauf aufweisen Es hat sich jedoch gezeigt daß der
beschriebene Wärmetauscher hinsichtlich seiner Einsatzmöglichkeiten beschränkt ist,
da zum einen durch die Größe des WErmetauschers die Größenordnung der Menge der
wärmetauschenden Fluide festgelegt list, und zum anderen die Anzahl der verwendbaren
Fluide wegen der schlechten Zugänglichkeit vor allem der äußeren Rohrwicklungen
des Wärmetauschers zu Reinigungszwecken auf "saubereti Fluide beschränkt ist, dh.
auf Fluide, die nur wenig Rückstände im Wärmetauscher hinterlassen.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Wärmetauscher der
eingangs genannten Art zu entwickeln, der sich durch eine Erweiterung seines technischen
Anwendungsbereiches auszeichnet Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst,
daß der Behälterboden des Wärmetauschers eine verschließbare Oeffnung aufweist.
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Durch die erfindungsgemäße Öffnung Im Boden kann eine Verbindung zwischen
dem Mantelraum des Wärmetauschers und dem Außenraum hergestellt werden Da der Behälterboden
auf einer: erheblich niedrigeren Temperatur als das heiße Ende des Wärmetauschers
liegt und in diesem Sinn kein kritisches Bauteil darstellt, läßt sich das Anbringen
einer Öffnung in diesem
Bereich mit den Sicherheitsanforderungen
in Einklang bringen.
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Die erfindungsgemäße Öffnung erfüllt zweierlei Funktionen, die sich
beide als vorteilhaft zur Lösung der gestellten Aufgabe erweisen. Erstens können
Verunreinigungen, die von dem abzukühlenden Fluid in den Wärmetauscher eingetragen
werden und sich dort absetzen oder die bei chemischen Reaktionen im Wärmetauscher
entstehen, durch die Bodenöffnung aus dem Wärmetauscher entfernt werden. Zweitens
kann die erfindungsgemäße Offnung dazu benutzt werden, um ein kaltes Fluid zuzuführen
oder ein abgekühltes Fluid abzuführen. Bei diesem Betrieb wird die ZufUhrungs- bzw.
Abführungsöffnung:-im Deckel des Wärmetauschers verschlossen. Der Strömungsweg des
mantelseitigen Fluids wird auf diese Weise um die Hälfte verkürzt und ein Teillastbetrieb
des Wärmetauschers ermöglicht.
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Um rohrseitig eine optimale Wärmeübertragung zu ermöglichen, ist bei
einer vorteilhaften Weiterbildung des Erfindungsgegenstandes zwischen der Behälterwand
und den äußeren Rohrabschnitten eine parallel zu den äußeren..Rohrabschnitten geschaltete
Kühlwicklung vorgesehen und sind die Sammelrohre für die äußeren Rohrabschnitte
über eine abschließbare Kurzschlußleitung mit dem Sammelrohr der inneren Rohrabschnitte
verbunden, wobei sowohl die Kühlwicklung als auch die ZufUhrung zu den äußeren Rohrabschnitten
unabhängig voneinander abschließbar ist. Je nach der Stellung der Absperrventile
werden die inneren und die äußeren Rohrabschnitte entweder in derselben oder in
umgekehrter Richtung durchflossen, so daß in den äußeren Rohrabschnitten die Strömungsrichtung
den jeweiligen Betriebsbedingungen angepaßt werden kann.
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Sollen in dem Wärmetauscher exotherme Reaktionen durchgeführt werden,
so ist es zweckmäßig, wenn der Behälter mit einer Schüttung aus Katalysatormaterial
gefüllt ist.
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In vorteilhafter Weise ist bei einer Modifikation des Erfindungsgegenstandes
mit Abstand zum Behälterboden eine den Behälterquerschnitt Uberspannende, mit Gasdurchtrittsöffnungen
versehene Platte angebracht.
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Um auch Verunreinigungen, die sich innerhalb des Mantels zwischen
den inneren und den äußeren Rohrabschnitten ansammeln, entfernen zu können, sowie
um die Rohrwicklungen zu Inspektionszwecken zugänglich zu machen und zum Auswechseln
der Schüttung ist es günstig, wenn gemäß einer weiteren Ausgestaltung des Erfindungsgegenstandes
zur Zuführung des zweiten Fluids ein einziges, konzentrisch um das zweite Rohr angeordnet
es weiteres Rohr vorgesehen ist, das im wesentlichen denselben Durchmesser wie der
Mantel aufweist, wobei die mit den äußeren Rohrabschnitten verbundenen Sammelrohre
durch das einzige weitere Rohr aus dem Behälter geführt sind. Dadurch, daß das weitere
Rohr denselben Durchmesser wie der Mantel aufweist, kann die gesamte Innenwicklung
des Wärmetauschers aus dem Mantel gezogen werden, ohne daß der Deckel des Wärmetauschers
beschädigt werden müßte.
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Bei herausgezogener Innenwicklung läßt sich außerdem die Schüttung
im Raum zwischen Mantel und Behälterwand auswechseln.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des Erfindungsgegenstandes
ist auch die Zuführung für die KUhlwicklung durch das einzige weitere Rohr aus dem
Behälter geführt.
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Gemäß einer bevorzugten Modifikation des Erfindungsgegenstandes sind
im Bereich des Eintritts und/oder des Austritts des zweiten Fluids innerhalb des
Behälters Filter vorgesehen, um Fluide, die Verunreinigungen enthalten, zu reinigen.
Da die Filter erfindungsgemäß innerhalb des Wärmetauschers angeordnet sind, können
auch Fluide, die Staubteilchen, Ruß oder ähnliche Verunreinigungen enthalten, für
den Wärmetausch
verwendet werden, ohne daß externe Hochtemperatur-
und Hochdruckbauteile vonnöten sind.
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Um bei der Verwendung von Verunreinigungen enthaltenden Fluiden auf
der Mantelseite Ablagerungen von den äußeren Rohrwicklungen entfernen zu können,
ist gemäß einer Weiterbildung des Erfindungsgegenstandes der Mantel als Korb ausgebildet.
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Nach Herausziehen der inneren Rohrwicklung können die.Ablagerungen
durch die Korböffnungen hindurch abgekratzt werden.
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Zur Abdichtung des Mantels und um ein Hinterströmen der Rohrwicklungen
zu verhindern, sind um die inneren Rohrabschnitte sowie an der Innenseite des als
Korb ausgebildeten Mantels und/oder an der Außenseite der Kühlwicklung Dichthemden
vorgesehen, die mit dem Mantel bzw. mit der.Behälterwand verbunden sind.
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Der erfindungsgemäße Wärmetauscher ist besonders zur Verwendung als
Reaktor bei der Methansynthese geeignet. Hierbei wird Kohlenmonoxid und Wasserstoff
mantelseitig in den Wärmetauscher eingeleitet und reagiert dort unter Anwesenheit
nickelhaltiger Katalysatoren in einer stark exothermen Reaktion zu Methan gemäß
der Gleichung CO + 3 H2
CH4 + H20 + 49,3 kcal/Mol CO Weitere Einzelheiten der Erfindung werden anhand eines
schematisch dargestellten Ausführungsbeispiels beschrieben.
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Hierbei zeigt die Figur einen erfindungsgemäßen Wärmetauscher.
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Der erfindungsgemäße Wärmetauscher wird am Beispiel der Methansynthese
aus Kohlenmonoxid und Wasserstoff beschrieben.
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In einem zylindrischen Behälter 1 befinden sich zwei konzentrische
Rohrwicklungen, wobei die inneren Abschnitte 3 der Rohre um ein Kernrohr 2, die
äußeren Abschnitte 4 der Rohre
um einen Mantel 5 gewickelt sind.
Der Mantel 5 ist zw eckmäßigerweise als Korb ausgebildet, der auf einem Stützring
5a befestigt ist, um eine Zugangsmöglichkeit zu den äußeren Rohrabschnitten 4 zu
schaffen Die Rohrabschnitte 3, 4 sind an ihrer Unterseite zu einem fortlaufenden
Strömungsweg verbunden. Die freien Enden der Wicklungen münden in Sammelrohre 6,
7, die aus dem Behälter 1 geführt sind. Der Raum innerhalb des Mantels 5 steht über
ein konzentrisch zum inneren Sammelrohr 6 angeordnetes zweites Rohr 8, das dicht
mit dem Mantel 5 verbunden ist und einen kleineren Durchmesser als dieser aufweist,
mit dem Außenraum In Verbindung. Der Ringraum zwischen Mantel 5 und Behälterwand
ist Ueber ein weiteres Rohr 9 mit im Außenraum verbunden. Die Verbindung Dae Verbindung
wird durch Öffnungen 10 hergestellt. Wie in der linken Hälfte von Figur 1 schematisch
dargestellt ist, dienen die Öffnungen 10 gleichzeitig zur Durchführung der Sammelrohre
7 sowie der Speiserohre 11 für die weiter unten beschriebene KUhlwicitlung 13. Grundsätzlich
ist es auch möglich, die Rohre 7 und 11 außerhalb des weiteren Rohres 9 aus dem
Behälter zu £ en. Aus Sicherheitsgründen wegen der im Wärmetauscher herrschenden
Temperaturen und Drücke werden jedoch unnötige Schweißnähte nach Möglichkeit vermieden.
Da das weitere Rohr 9 im wesentlichen denselben Durchmesser Durchmesser aufweist
wie der Mantel 5, kann die gesamte innere Rohrwicklung zur Revision o.ä.
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durch Lösen der Flanschenverbundung 13 aus dem Behälter 1 gezogen
werden.
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Der Übergang vom weiteren Rohr 9 zum heißen Ende des Wärmetauschers
Ist gekühlt, um die Wärmeleitung in diesem Bereich zu reduzieren (Kühlwicklung 12).
Zwischen der äußeren Wicklung und der Behälterwand ist eine Kühlwicklung 14 vorgesehen,
die parallel zur äußeren Wicklung geschaltet ist. Mit Absperrventilen 15 und 16
sind die Zuführung zur Kühlwicklung ï4 und die Zuführung zur äußeren Rohrwicklung
unabhängig voneinander absperrbar. Eine Bypass-Leitung 17 mit einem Ab-
sperrventil
18 verbindet die Zuführungsleitung zu den äußeren Rohrabschnitten 4 mit der Abführungsleitung
der inneren Rohrabschnitte 3. Die inneren Rohrabschnitte sind mit einem Dichthemd
19 umgeben, das ein Hinterströmen der Wicklung verhindert. Der Raum innerhalb des
als Korb ausgebildeten Mantels 5 ist durch ein Dichthemd 20 vom Ringraum zwischen
Mantel 5 und Behälterwand abgedichtet. Zwischen der Kühlwicklung 14 und der Behälterwand
ist ebenfalls ein Dichthemd 21 vorgesehen. Eine Dichtlippe 34 dichtet den Ringspalt
zwischen Stützring 5a und Dichthemd 19 ab.
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Mit Abstand zum Behälterboden ist eine Platte 22 angeordnet, die mit
Gasdurchtrittsöffnungen 35 versehen ist, von denen in der Figur nur eine dargestellt
ist. Die Platte 22 dient als Stützkonstruktion für eine in den Wärmetauscher eingefüllte
Katalysatorschüttung. Für die Methanisierung wird zweckmäßigerweise ein Nickelgranulat
als Katalysator verwendet. Um ein Durchfallen des Katalysators durch die Gasdurchtrittsöffnungen
zu verhindern, sind die Offnungen mit einem engmaschigen Sieb 33 verschlossen.
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Je nach den Betriebsbedingungen sind im Ausström- und/oder Einströmquerschnitt
des mantelseitigen Fluids Filter 24, 25 angeordnet, um Verunreinigungen zurückzuhalten.
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Erfindungsgemäß ist im Boden des Wärmetauschers eine verschließbare
Offnung 23 vorgesehen. Die Öffnung 23 erfüllt zum einen den Zweck, daß Verunreinigungen,
die unterhalb der Platte 22 am Boden des Behälters 1 ausgeschieden werden, bei Bedarf
durch Öffnen des Ventils 26 entfernt werden können; zum anderen ermöglicht die Öffnung
23 einen Teillastbetrieb des Wärmetauschers.
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Bei Vollastbetrieb ist die Öffnung 23 mit Ventil 26 verschlossen,
während die Einlaßöffnung für das mantelseitige
Fluid geöffnet
ist (Ventil 27). Über Leitung 28 wird dem Wärmetauscher Kohlenmonoxid und Wasserstoff
zugeführt, im Filter 25 gereinigt und gelangt über die Öffnungen 10 in den Ringraum
zwischen Mantel 5 und Behälterauflenwand. Unter Anwesenheit der Katalysatorschüttung
entsteht Methan und Wasser. Die Reaktionswärme wird von dem In den Rohren fließenden
Kühlfluid, z.B. Wasser, das über Leitung 31 zugeführt wird, aufgenommen. Das Methan
strömt durch die Platte 22, wie durch die Pfeile 29 schematisch angedeutet ist,
in den innerhalb des Mantels 5 gelegenen Raum, wo noch nicht umgesetztes Kohlenmonoxid
und Wasserstoff zu Methan reagieren, und verläßt den Wärmetauscher schließlich,
nachdem durch die innere Rohrwieklung 3 weitere Wärme abgeführt wurde, über das
Sammelrohr 8 (Pfeil 32). Im Methan enthaltene Verunreinigungen werden vom Filter
24 zurückgehalten.
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Bei Teillastbetrieb des Wärmetauschers ist Ventil 27 geschlossen und
Ventil 26 geöffnet. Das mantelseitige Fluid wird dem Wärmetauscher über Stutzen
23 zugeführt und strömt nur innerhalb des Mantels 5 nach oben. Auf diese Weise ist
sein Strömungsweg um die Hälfte verkürzt.
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Grundsätzlich ist sowohl bei Telllast- als auch bei Vollastbetrieb
eine umgekehrte Strömungsrichtung für das mantelseitige Fluid möglich. Eine solche
wird immer dann gewählt werden, wenn das mantelseitige Fluid dem Wärmetauscher in
heißem Zustand zugeführt wird. Um die konstruktiven Vorteile des erfindungsgemäßen
Wärmetauschers voll ausnützen zu können muß darauf geachtet werden, daß sich das
heiße Ende des Wärmetauschers bei 30 befindet.
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-Das rohrseitig geführte Kühlfluid kann, um eine den jeweiligen Betriebsbedingungen
optimal angepaßte Wärmeübertragung zu gewährleisten, Je nach der Stellung der Ventile
15, 16 und 18 in der äußeren Wicklung 4 von oben nach unten oder
von
unten nach oben geführt sein. Im einen Fall ist Ventil 16 geschlossen, die Ventile
15 und 18 sind geöffnet. Das KUhlfluid strömt dann über die Kühlwicklung 14 nach
unten und in der inneren und äußeren Wicklung 3, 4 parallel nach oben, wobei das
in der äußeren Wicklung 4 strömende Fluid dem in der inneren Wicklung 3 strömenden
über Leitung 17 wieder zugeführt wird. Im anderenFall ist Ventil 18 geschlossen
und die Ventile 15 und 16 sind geöffnet. Jetzt strömt das Kühlfluid in der äußeren
Wicklung 4 nach unten und in der inneren Wicklung 3 nach oben.
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Im erfindungsgemäßen Wärmetauscher herrschen bei der isothermen Methansynthese
(isotherm bezieht sich auf das Verdampfen des Kühlwassers) folgende Betriebstemperaturen
und -drUcke: Druck des mantelseitigen Gases 30 bar Temperatur des mantelseitigen
Gases 800 K Druck des rohrseitigen Wasserdampfes 100 bar Temperatur des rohrseitigen
Wasserdampfes 600 K