DE2906001A1 - Vorrichtung, insbesondere waermetauscher, zur durchfuehrung von physikalischen und/oder chemischen verfahren - Google Patents
Vorrichtung, insbesondere waermetauscher, zur durchfuehrung von physikalischen und/oder chemischen verfahrenInfo
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Description
Henkel, Kern, Feiler & Hänzel Patentanwälte
ν Registered Representatives
before the Furopean Patent Offire
R V Möhlstraße 37
a. ν. , D-8000 München
Amersfoort, Niederlande Tel, 089/9820Bf>
Telex: 0529802 hnkj d
Telegramme- clhp: -»id
16. Fsb. 1979
ES 21 DE
Vorrichtung, insbesondere Wärmetauscher, zur Durchführung von physikalischen und/oder chemischen
Verfahren
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Durchführung von physikalischen und/oder chemischen Verfahren, insbesondere
einen Wärmetauscher, in welchem eine Flüssigkeit in Aufwärtsrichtung durch parallele, lotrechte Rohre strömt,
die eine durch die Flüssigkeit fluidisierte Teilchenmasse enthalten.
Ein Beispiel für eine solche Vorrichtung findet sich in der US-PS 2 919 118. Prinzipiell ist es möglich, eine solche
Vorrichtung so auszubilden, daß im Betrieb ein stabiler Betriebszustand erhalten bleibt. Darunter ist ein Zustand
zu verstehen, in welchem die Bewegung der Teilchen in den parallelen Rohren sowie zwischen verschiedenen Rohren im
wesentlichen gleichmäßig ist. Dennoch kann es dabei vorkommen, daß eine Umströmung der Teilchen innerhalb der Rohranordnung
auftritt, beispielsweise bei unvorsichtiger Steuerung und speziell dann, wenn beim Anfahren der Anlage nicht
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genügend Sorgfalt ausgeübt wird. Eine Umströmung von Teilchen
ist ein Zustand, bei dem in einem oder mehreren Rohren
eine Aufwärtsbewegung und in einem oder mehreren anderen Rohren eine Abwärtsbewegung von Teilchen stattfindet. Die
Umströmstrecke wird durch ober- und unterseitige Kammern geschlossen.
Wenn im Fall eines unsorgfältigen Anfahrens die fluidisierten Teilchen in einigen Rohren die obere Kammer vor den
Teilchen anderer Rohre erreichen, strömen die aus den erstgenannten Rohren stammenden Teilchen über die obere Kammer
in die benachbarten Rohre, die noch nicht ganz mit fluidisierten Teilchen gefüllt sind. Das Ergebnis ist eine
Störung des Druckausgleichs zwischen den Rohren selbst, wodurch eine Umströmung eingeleitet wird. Wenn die Vorrichtung
stark ausgelastet ist, ist eine solche Umströmung der Teilchenmasse ungünstig. Wenn die Vorrichtung beispielsweise
als Wärmetauscher dient, nimmt der Wirkungsgrad des Wärmeaustausches beim Auftreten einer Umströmung ab, weil der den
Wärmeübergang über die Rohrwandungen bewirkende Temperaturunterschied verringert wird. Aus diesem Grund ist dann eine
größere beheizte Fläche für die übertragung einer vorgegebenen Wärmemenge erforderlich.
Aufgabe der Erfindung ist damit die Schaffung einer Vorrichtung der angegebenen Art, bei welcher eine Umströmung verhindert
oder nach ihrem Auftreten schnell gedämpft werden soll.
Insbesondere bezweckt die Erfindung die Schaffung eines Wärmetauschers mit hohem Wirkungsgrad.
Diese Aufgabe wird bei einer Vorrichtung, insbesondere Wärmetauscher,
zur Durchführung physikalischer und/oder chemischer Verfahren unter Verwendung mindestens einer Flüssigkeit,
bestehend aus einer Anzahl von parallelen, lotrecht verlaufenden Rohren, die an ihren oberen und unteren Enden
jeweils in Rohrboden gehaltert sind, an denen die Rohre in eine obere bzw. eine untere Kammer münden, wobei die
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Vorrichtung eine Teilchenmasse enthält, die aufgrund der Aufwärtsströmung der Flüssigkeit in den Rohren fluidisiert
wird und die Rohre sowie zumindest einen Teil der Kammern ausfüllt, erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß
in oberer Kammer und/oder unterer Kammer Elemente vorgesehen sind, die im Betrieb die Bewegung der Teilchenmasse
von einem Rohrende zu einem anderen Rohrende innerhalb der betreffenden Kammer behindern oder verhindern und dadurch
eine Umströmung der Teilchen im einen Rohr aufwärts und im anderen Rohr abwärts verhindern.
In einfachster Ausführungsform können die Elemente zur Be-
oder Verhinderung der Bewegung des Teilchenmaterials aus lotrechten Gaze- bzw. Maschengeflechtwänden in oberer und/
oder unterer Kammer zwischen den Rohrenden bestehen. Wahlweise ist es möglich, jedes Rohr mit einem weitmaschigen
Maschendrahtgeflecht zu bedecken.
Eine wesentliche Verbesserung wird jedoch dann erzielt, wenn die Elemente zur Behinderung der Teilchenbewegung
mindestens ein Element umfassen, das innerhalb der betreffenden Kammer frei in Querrichtung bewegbar und somit durch
eine Teilchenströmung zu einem Rohr, in welchem eine Abwärtsströmung der Teilchen stattfindet, mitreißbar .hu,.
Vorteilhaft besitzt jedes bewegbare Element öffnungen einer
solchen Größe, daß die Teilchen durch dieses Element hindurchtreten können. Falls eine Umströmung auftritt, wobei z.B.
über dem oberen Rohrboden eine Teilchenverlagerung zu Rohren stattfindet, in denen das Teilchenmaterial abwärts strömt,
so verlagern sich die bewegbaren Elemente zu den öffnungen
dieser betreffenden Rohre. Diese Rohröffnungen werden dabei für den Teilchenstrom vollständig oder teilweise geschlossen,
ohne daß der Flüssigkeitsstrom wesentlich behindert wird. Ziemlich oft kann dabei eine Brückenbildung der Teil-
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chenmasse am oder im bewegbaren Element auftreten, so daß
die Verlagerung der Teilchen in die betreffenden Rohre vollständig unterbrochen wird. Infolgedessen wird der Druckausgleich
in dem Rohr, in welchem eine Abwärtsbewegung der Teilchen stattfindet, wiederhergestellt, worauf sich dieses
Rohr allmählich über seine Gesamtlänge hinweg wieder mit einer stabilen Wirbelschicht füllen kann.
Obgleich eine gewisse Wirkung erzielt werden kann, wenn sich die bewegbaren Elemente im Betrieb innerhalb der fluidisierten
Teilchenmasse in oberer oder unterer Kammer in, alle Richtungen bewegen können, werden die besten Ergebnisse
dann erzielt, wenn die bewegbaren Elemente mit den Rohrboden in Berührung bleiben. Vorzugsweise ist deshalb das
Gewicht jedes bewegbaren Elements so gewählt, daß es unter Wirbelschichtströmungsbedingungen praktisch mit dem Rohrboden
oder den Rohrenden der Kammer in Berührung bleibt. Dies setzt voraus, daß die bewegbaren Elemente in der
oberen Kammer schwerer sein müssen als die fluidisierte Masse, während die Elemente in der unteren Kammer leichter sein
müssen als diese Masse.
Als bewegbare Elemente können Körper oder Formkörper verschiedener
Gestalten gewählt werden, und ihre Bewegbarkeit kann ebenfalls den jeweiligen Anwendungsfällen angepaßt
werden. Beispielsweise kann die Verbindung der bewegbaren Elemente mit den Rohrboden beweglich oder unbeweglich sein.
Außerordentlich zufriedenstellende Ergebnisse werden erzielt, wenn die bewegbaren Elemente lose eingelegte Kugeln
mit einem Durchmesser sind, welcher den Innendurchmesser der einzelnen Rohre übersteigt. Im Betrieb können sich diese
Kugeln ungehindert zu jedem Rohr bewegen, in welchem Teilchenmaterial nach unten strömt. Die vorzugsweise hohlen
Kugeln besitzen eine durchlässige, d.h. aus Maschengeflecht bestehende Wandung. Die Kugeln sollten für stabil fluidisiertes
Teilchenmaterial durchlässig sein und den Vorgang der Fluidisierung bzw. Wirbelschichtbildung am Einlauf- und
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Auslaufende der einzelnen Rohre nicht wesentlich behindern.
Im Normalbetrieb bewegen sich die Kugeln beispielsweise in der oberseitigen Kammer wahllos über den Rohrboden,
ohne die Fluidisierung der Teilchen, d.h. die Wirbelschichtbildung in der Kammer zu beeinträchtigen. Sobald jedoch
der stabile Zustand gestört wird, wird die Kugel, die einem Rohr am nächsten liegt, in welchem die Teilchenmasse nach
unten strömt, durch diese Teilchenströmung zum betreffenden Rohr hingezogen. Das Rohr wird sodann durch die an ihm
angekommene Kugel blockiert, so daß es in seinen stabilen Betriebszustand zurückkehren kann.
Tatsächlich wird auf diese Weise eine dynamische Korrektur bzw. Kompensation der Umströmungserscheinung erreicht.
Durch Anwendung der Korrektur ausschließlich auf das Strömungsverhalten von Teilchen in den Rohren, in denen die
Teilchenmasse entgegengesetzt zur Strömung in den restlichen Teilchen strömt, kann die Strömung in allen Rohren stabilisiert
werden.
Die Kugeln können verschiedenartige Konstruktion besitzen, doch ist das bevorzugte Material für sie ein Metallmaschengeflecht.
Gute Ergebnisse werden bereits erzielt, wenn derartige Kugeln entweder nur in der oberen Kammer oder nur in der
unteren Kammer angeordnet werden. Eine noch schnellere und wirksamere Stabilisierung wird dann erreicht, wenn die
porösen oder durchlässigen Kugeln in beiden Kammern angeordnet sind.
Vorzugsweise ist das bewegbare Element zwischen dem Rohrboden der betreffenden Kammer und einer in letzterer vorgesehenen
Querwand eingeschlossen, die auf Abstand vom Rohrboden angeordnet und für das Teilchenmaterial durchlässig
ist. Es hat sich gezeigt, daß dann, wenn diese Querwand
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in einem Abstand entsprechend dem 1- bis 6-fachen des Kugeldurchmessers vom Rohrboden angeordnet ist, die Bewegung
von Teilchen zu einem Rohr mit abweichendem Strömungsverhalten begünstigt wird. Dies wird dadurch erreicht,
daß sich die bewegbaren Elemente, d.h. die perforierten oder durchlässigen Kugeln, schneller zum betreffenden Rohr
hin verlagern können, so daß eine schnellere und wirksamere Korrektur des abweichenden Strömungszustands hervorgebracht
wird.
Die Querwand kann aus einem Metallmaschengeflecht oder aus
einer perforierten Platte bestehen. Es ist jedoch auch möglich, diese Querwand als Schicht eines gepackten oder
verdichteten Füllmaterials auszubilden, das dadurch in seiner Lage gehalten wird, daß es zwischen Maschengeflechze
mit sehr großer Maschenweite oder Platten mit großen Perforationen eingepreßt ist. Die Teilchenfluidisierung bzw.
Wirbelschichtbildung kann sich in diesem Fall in und durch diese Schicht aus gepacktem Füllmaterial fortsetzen. Da
in diesem Fall im Vergleich zur Verwendung lediglich eines Maschengeflechts oder einer perforierten Platte größere
öffnungen im gepackten Füllmaterial vorhanden sein können, wird die Gefahr für ein Verstopfen dieser Wand vermindert.
Im folgenden ist eine bevorzugte Ausführungsform anhand der beigefügten Zeichnung näher erläutert, deren einzige
Figur in schematischer Darstellung den Oberteil einer Vorrichtung mit Merkmalen nach der Erfindung veranschaulicht,
deren Unterteil im Prinzip mit dem Oberteil spiegelgleich ausgebildet ist.
Bei der dargestellten Vorrichtung befinden sich in einer Trommel bzw. einem Zylinder 2 zahlreiche lotrechte, parallele
Röhren oder Rohre 1, deren obere Enden in einem Rohrboden 3 festgelegt sind. Der Rohrboden 3 und die Mantelwand des
Zylinders 2 sind mittels eines Flansches 4 miteinander ver-
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bunden. Ein Flansch 5 des Rohrbodens 3 ist mit der Wandung der oberen Kammer 6 verbunden. Im Betrieb der Vorrichtung
strömt eine Flüssigkeit durch die Rohre 1 in Aufwärtsrichtung, wobei eine in diesen Rohren 1 und in der oberen Kammer
6 sowie in der nicht dargestellten unteren Kammer enthaltene Teilchenmasse 10 fluidisiert wird. Die Flüssigkeit
tritt über eine Austragöffnung 7 aus.
Die Figur veranschaulicht einen Zustand, in welchem die Teilchen in einem der Rohre 1a in Abwärtsrichtung strömen.
In einem oder mehreren anderen Rohren strömen die Teilchen dagegen aufwärts, so daß eine Umwälzung bzw. Umströmung
des Teilchenmaterials stattfindet.
Auf dem Rohrboden 3 sind mehrere Kugeln 8 angeordnet, von denen in der Figur nur eine dargestellt ist. Die Kugeln 8
besitzen jeweils einen Durchmesser, welcher den Innendurchmesser der Rohre 1 übersteigt, der jedoch andererseits so
gewählt ist, daß sich zwei Kugeln ohne gegenseitige Behinderung auf zwei benachbarten Rohren 1 absetzen können.
Die Kugeln bestehen aus einem Metallmaschengeflecht, dessen
Maschengröße um so viel größer gewählt ist als die Teilchengrösse, daß die Bewegung der Teilchen in einem stabilen Betriebszustand
durch die Kugeln 8 kaum behindert wird. Sobald jedoch die dargestellte Abwärtsbewegung der Teilchenmasse
im Rohr 1a einsetzt, wird die diesem Rohr am nächsten gelegene Kugel 8 durch die Teilchenströmung mitgerissen,
bis sie die öffnung des Rohrs 1a bedeckt. Aufgrund der beschleunigten
Bewegung von Teilchen zu dieser öffnung entsteht nun ciiig Brückenbildung am Maschengeflecht der Kugel 8,
so daß :;ich infolgedessen die Strömungsbedingungen im Rohr
1a stabilisieren können.
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Die Kugeln 8 besitzen jeweils ein solches Gewicht, daß sie im Betrieb ständig auf dem Rohrboden 3 liegen bleiben.
Ersichtlicherweise müssen die in der unteren Kammer vorgesehenen Kugeln entsprechend leichter sein, so daß sie
zum unteren Rohrboden hochsteigen.
In einem festen Abstand über dem Rohrboden 3 ist ein Maschengeflecht
9 angeordnet, das aufgrund seiner großen Maschenweite einen nahezu ungehinderten Durchtritt der Teilchenmasse
unter stabilen Betriebsbedingungen zuläßt. Im Fall einer Umströmung der Teilchenmasse vermag dieses Maschen^
geflecht dennoch die Bewegung der Teilchen zur Einlaßöffnung des Rohrs 1a zu begünstigen, in welchem die Teilchenmasse
nach unten strömt. Dies ist darauf zurückzuführen, daß die Bewegung von Teilchen von einer Stelle oberhalb des Maschengeflechts
zur Öffnung des Rohrs 1a verzögert wird, so daß sich unterhalb des Maschengeflechts 9 und über dem Rohr 1a
in der Teilchenmasse ein Wirbel bilden kann. Hierdurch wird die Kugel 8 vergleichsweise schnell gegen das Rohr 1a angezogen.
Das Maschengeflecht 9 kann entweder durch eine perforierte Platte oder durch eine Schicht eines gepackten
Füllmaterials ersetzt werden, das zwischen weitmaschige Maschengeflechte eingepreßt ist.
Obgleich vorstehend nur eine derzeit bevorzugte Ausführungsform der Erfindung dargestellt und beschrieben ist, sind
dem Fachmann selbstverständlich verschiedene Änderungen und Abwandlungen möglich, ohne daß vom Rahmen der Erfindung
abgewichen wird.
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Claims (7)
- Henkel, Kern, Feiler & Hänzel . PatentanwälteRegistered Representativesbefore theEuropean Patent OfficeEsmil B.V., Möhlstraße 37D-8000 München 80Amersfoort, NiederlandeTel.: 0 89/98 2085 87Telex: 0529802 hnkld Teleqramme ellipsoid16. Feb. 1979ES 21 DEVorrichtung, insbesondere Wärmetauscher, zur Durchführung von physikalischen und/oder chemischen VerfahrenPatentansprücheVorrichtung, insbesondere Wärmetauscher, zur Durchführung physikalischer und/oder chemischer Verfahren unter Verwendung mindestens einer Flüssigkeit, bestehend aus einer Anzahl von parallelen, lotrecht verlaufenden Rohren, die an ihren oberen und unteren Enden jeweils in lüihrbö.liMi gehaltert sind, an denen die Rohre in eine obere bzw. eine untere Kammer münden, wobei die Vorrichtung eine Teilchenmasse enthält, die aufgrund der Aufwärtsströmung der Flüssigkeit in den Rohren fluidisiert wird und die Rohre sowie zumindest einen Teil der Kammern ausfüllt, dadurch gekennzeichnet, daß in oberer Kammer (6) und/oder unterer Kammer Elemente (8) vorgesehen sind, die im Betrieb die Bewegung der Teilchenmasse (10) von einem Rohrende zu einem anderen Rohrende innerhalb der betreffenden Kammer behindern oder verhindern und dadurch eine Umströmung der Teilchen im einen Rohr (1) aufwärts und im anderen Rohr (1a) abwärts verhindern.90983G/0R89
- 2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Elemente (8) zur Behinderung der Teilchenbewegung mindestens ein Element umfassen, das innerhalb der betreffenden Kammer frei in Querrichtung bewegbar und somit durch eine Teilchenströmung zu einem Rohr, in welchem eine Abwärtsströmung der Teilchen stattfindet, mitreißbar i-·'. .
- 3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß jedes bewegbare Element (8) Öffnungen einer solchen Grösse besitzt, daß die Teilchen durch das Element hindurchströmen können.
- 4. Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß das" Gewicht des bewegbaren Elements (8) so gewählt ist, daß dieses Element unter stabilisierten Wirbelschicht-Strömungsbedingungen praktisch mit dem Rohrboden (3) oder den Rohrenenden in der betreffenden Kammer in Berührung bleibt,
- 5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet , daß das bewegbare Element (8) eine lose eingelegte Kugel mit einem den Innendurchmesser jedes einzelnen Rohrs (1) übersteigenden Durchmesser ist.
- 6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Kugel (8) hohl ist und eine poröse bzw. durchlässige Außenwandung aufweist.
- 7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das bewegbare Element (8) zwischen dem Rohrboden (3) der betreffenden Kammer und einer in dieser vorgesehenen Querwand (9) angeordnet ist, die Abstand zum Rohrboden (3) besitzt und für die Teilchenmasse (10) durchlässig ist.909836/0589
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