HINTERGRUND DER ERFINDUNG:
Gebiet der Erfindung:
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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Mehrrohr-
Wärmetauschervorrichtung, bei der ein
Wärmeaustauschmedium an der Seite eines Mantels der Vorrichtung für
das Kühlen oder Erwärmen von Wärmeübertragungs- bzw.
-tauscherröhren strömt, wobei diese Vorrichtung z.B.
auf einen Mehrrohr-Acrylsäurereaktor oder Wärmetauscher
anwendbar ist.
Beschreibung des Stands der Technik:
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Im folgenden ist eine herkömmliche
Mehrrohr-Wärmetauschervorrichtung beispielhaft in Verbindung mit einem
Acrylsäurereaktor beschrieben.
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Bei der Synthese von Acrylsäure durch Oxidation von
Propylen wird letzteres einer katalytischen Oxidation bei
hoher Temperatur in Gasphase bei Vorhandensein von Dampf
in einem mit einem Katalysator der Molybdängruppe
gepackten rohrförmigen Reaktor unterworfen, um Acrolein
zu bilden; letzteres wird anschließend zu Acrylsäure
oxidiert. Zum Abführen der dabei entstehenden
Reaktionswärme und auch zur wirksamen Nutzung dieser Wärme sind
Vorkehrungen dahingehend getroffen, daß das Wärmemedium,
wie geschmolzenes Salz der Nitratgruppe, in der
Reaktorvorrichtung an der Außenseite der katalytischen
Reaktionsröhren umgewälzt werden kann. Eine derartige
herkömmliche Reaktorvorrichtung ist in Fig. 14 dargestellt.
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Gemäß Fig. 14 sind zahlreiche mit einem Katalysator
gepackte und parallel zueinander angeordnete
Reaktionsröhren (Wärmeübertragungs- oder -tauscherröhren) durch
obere und untere Kopfplatten (Rohrböden) 2 befestigt.
Ein als mantelseitiges Fluid dienendes Wärmemedium wird
über einen Einlaßstutzen 3 am unteren Abschnitt eines
Reaktormantels 11 in diesen eingeleitet; nach der
Rückgewinnung der Reaktionswärme wird das Wärmemedium über
einen Auslaßstutzen 4 am oberen Abschnitt des
Reaktormantels 11 ausgetragen oder abgeführt. Um dabei die
Wärmeübertragungsleistung des Wärmemediums zu verbessern,
sind im Inneren des Reaktormantels 11 zahlreiche
Leitoder Prallplatten 5 angeordnet. Die Anordnung ist dabei
so getroffen, daß Rohmaterialgas, durch Vermischen von
erwärmtem, flüssigem Propylen mit Luft gebildet, von oben
her über einen Stutzen 6 in die Reaktionsröhren 1
einströmen kann und nach der Bildung von Acrylsäure in den
Röhren 1 über einen Stutzen 7 ausgetragen wird.
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Bei der oben beschriebenen herkömmlichen
Reaktorvorrichtung wurden zur Verbesserung eines
Wärmeaustauschanteils des mantelseitigen Fluids Prallplatten oder -stangen
gemäß den Fig. 15, 16 und 17 vorgesehen.
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Fig. 15 zeigt eine am häufigsten verwendete
Prallplatte einer teilkreisförmigen Gestalt.
Teilkreisförmige Platten 5a und 5a' gemäß den Fig. 15(A) bzw. 15(B)
sind einander abwechselnd in der Strömungsrichtung des
mantelseitigen fluids angeordnet. Wenn solche Prallplatten
bei einer Wärmetauschervorrichtung großer Abmessungen, bei
welcher die Zahl der Wärmetauscherröhren sowie die
Röhrenlänge groß sind, angewandt werden, ergeben sich die
folgenden Probleme:
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1. Ein das mantelseitige Fluid bildendes Wärmemedium
strömt in den jeweiligen, durch die teilkreisförmigen
Platten gebildeten Strömungsdurchgängen mit abwechselnd
umgelenkten Strömungsrichtungen quer zu den
Wärmetauscherröhren, so daß der Strömungswiderstand des
mantelseitigen Fluids außerordentlich stark ansteigt. Dies bedeutet,
daß für das Umwälzen des Wärmemediums viel Energie
verbraucht wird.
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2. Die Strömungsgeschwindigkeitsverteilung des
mantelseitigen Fluids wird ungleichmäßig. Mit anderen Worten:
es ergeben sich eine Stelle, an welcher die
Strömungsgeschwindigkeit in der Axialrichtung des Reaktormantels
hoch ist, eine Stelle, an welcher die
Strömungsgeschwindigkeit in der Radialrichtung hoch ist, und eine Stelle,
an welcher das Fluid stagniert. Demzufolge ergibt sich
eine große Verteilung im mantelseitigen
Wärmeübergangskoeffizienten, so daß folglich eine ungleichmäßige
Verteilung in der Katalysatorreaktionstemperatur auftritt,
wodurch die Verschlechterung oder Zersetzung des
Katalysators beschleunigt, eine Ungleichmäßigkeit auch in der
Reaktionsgeschwindigkeit herbeigeführt und der
Wirkungsgrad herabgesetzt werden.
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Fig. 16 veranschaulicht ein anderes Beispiel der
Prallplatten; dabei sind kreisringförmige Platten 5b und
kreisförmige Platten 5b' längs der Strömungsrichtung des
mantelseitigen Fluids abwechselnd angeordnet, d.h. es
werden kreisförmige und kreisringförmige Prallplatten
verwendet. Obgleich im Fall dieser Art von Prallplatten
der Druckabfall im Vergleich zu den oben beschriebenen
teilkreisförmigen Prallplatten nach Fig. 15 gering ist,
wird das obige Problem 2. hierdurch nicht gelöst; es
tritt eine Verteilung im mantelseitigen
Wärmeübergangskoeffizienten auf, weshalb diese Konstruktion für z.B.
einen Reaktor, der mit einem Katalysator einer
Hochtemperatur-abhängigen Charakteristik gepackt ist, ungünstig
ist.
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Als Mittel zur Ermöglichung einer Herabsetzung des
Druckverlusts und einer Vergleichsmäßigung des
Wärmeübergangskoeffizienten sind andererseits in Fig. 17 gezeigte
Prallstäbe oder -stangen (rod baffles) bekannt. Bei
dieser Anordnung sind Reaktorröhren (Wärmetauscherröhren)
1 durch vier Arten von an Prallringen O1A - O1D
montierten Stange O1 - O4 gehaltert, wobei nur eine geringe
Störung in dem im Parallelstrom strömenden
mantelseitigen Fluid auftritt. Wenn diese Anordnung jedoch beim oben
beschriebenen Reaktor großer Abmessungen o.dgl. angewandt
wird, treten die folgenden neuen Probleme auf:
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1. Aufgrund struktureller Anforderungen müssen die
Reaktorröhren auf die in Fig. 17(A) gezeigte Weise in einer
(einem) quadratischen Anordnung oder Array in einem Mantel
08 einer Reaktorvorrichtung angeordnet werden;
infolgedessen wird der Manteldurchmesser im Vergleich zu einer
dreieckigen Anordnung groß, so daß die
Strömungsgeschwindigkeit des Fluids verringert und damit die Verbesserung
des Wärmeübergangskoeffizienten gering ist.
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2. Zur Verbesserung des Wärmeübergangskoeffizienten ist
es nötig, einen Abstand der Stangenanordnung klein zu
wählen, so daß sich bei einem Reaktor mit einer großen
Reaktorröhrenlänge die Zahl der Stangen außerordentlich
stark vergrößert.
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3. Bei einem Reaktor großer Abmessungen mit einem großen
Manteldurchmesser werden aufgrund eines Biegens der
Stangen die Herstellung und Montage schwierig.
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4. Da das ein mantelseitiges Fluid bildende Wärmemedium
in einem perfekt parallelen Strom strömt, würde im Fall,
daß die entstehende Reaktionswärmemenge in einer
bestimmten Reaktorröhre zunimmt, der Temperaturanstieg des
diese Reaktorröhre bedeckenden oder bestreichenden
Wärmemediums ansteigen und in der Richtung (im Sinne) einer
weiteren Erhöhung der Temperatur in dieser Reaktorröhre
wirken; dies bedeutet, daß keine thermische
Eigenstabilität gegeben ist.
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Die GB-A-20 01 257 offenbart ein Verfahren für die
katalytische Dampfphasenoxidation und einen Reaktor zur
Verwendung dabei. Im Inneren dieses Reaktors befindet sich
ein Strömungsdurchgang für ein Wärmeübertragungs- oder
-tauschermedium durch Zwischenräume zwischen jeweiligen
Bohrungen in Prallplatten und Wärmetauscherröhren, welche
diese Bohrungen durchsetzen. Bei dieser bekannten
Vorrichtung wird eine Radialkomponente durch jeweilige
(kreis)ringförmige und kreisförmige Platten herbeigeführt, die
entsprechend dem in Verbindung mit Fig. 16 erörterten
Stand der Technik einander abwechselnd längs der
Hauptströmungsrichtung im Inneren des Mantels angeordnet sind.
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Das gleiche gilt für einen in der GB-A-20 81 868
offenbarten Wärmetauscher Bei dieser bekannten Vorrichtung
wird die Radialkomponente der Strömung im Inneren des
Mantels ebenfalls durch eine Anzahl von im Mantel
angeordneten Prallplatten herbeigeführt.
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Die DE-C-22 01 528 offenbart eine Reaktionsvorrichtung
mit abwechselnd angeordneten (kreis)ringförmigen und
kreisförmigen Prallplatten, um das Fluid zu einer Strömung
hauptsächlich in einer Radialrichtung zu zwingen. Bei
dieser bekannten Vorrichtung soll der Wärmeübergang oder
-austausch nur durch den Radialstrom erfolgen. Der
Hauptteil des gesamten Strömungsquerschnitts in der
Axialrichtung ist durch große Bohrungen im Zentrum von
ringförmigen Prallplatten und durch ringförmige Zwischenräume
zwischen dem Außenumfang der kreisförmigen Prallplatten
und dem Innenumfang des Reaktionsgefäßes repräsentiert.
Zusätzlich vorgesehene Ringspalte um die
Wärmeübertragungs- oder -tauscherröhren herum, welche jeweilige
Bohrungen in den Prallplatten durchsetzen, stellen nur einen
kleinen Anteil des Gesamtquerschnitts in der
Axialrichtung dar. Diese Ringspalte variieren geringfügig in
ihrer Breite, um jeweilige Leckströmungen zum Zwecke der
Vergleichmäßigung der Strömungsgeschwindigkeit und damit
des Wärmeübergangs innerhalb der einzelnen
Radialströmungsbereiche zwischen einem Paar benachbarter
Prallplatten zu verursachen. Die Strömung im Inneren dieses
bekannten Gefäßes ist ähnlich der in Verbindung mit Fig.
14 erörterten und mit dem gleichen Nachteil speziell
bezüglich des hohen Strömungswiderstands des mantelseitigen
Fluids behaftet.
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Im Hinblick auf die bei den
Mehrrohr-Wärmetauschervorrichtungen nach dem Stand der Technik bestehenden
Probleme ist Aufgabe der Erfindung die Schaffung einer
Mehrrohr-Wärmetauschervorrichtung, die besonders als
Großkapazität-Reaktorvorrichtung oder
-Wärmetauschervorrichtung geeignet ist, welche einen niedrigen Druckverlust
oder -abfall oder gleichmäßige Wärmeübergangsleistung
aufweisen muß.
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Diese Aufgabe wird durch eine im Anspruch 1
beanspruchte Mehrrohr-Wärmetauschervorrichtung gelöst.
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Gemäß einem zweiten Merkmal der vorliegenden Erfindung
wird mit dieser die oben umrissene
Mehrrohr-Wärmetauschervorrichtung geschaffen, wobei mit Rippen versehene
Wärmetauscherröhren betreffende der zahlreichen Bohrungen in
den Prallplatten durchsetzen.
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Gemäß einem dritten Merkmal der vorliegenden
Erfindung wird mit dieser die oben umrissene
Mehrrohr-Wärmetauschervorrichtung geschaffen, wobei die Rippen der
Wärmetauscherröhren mit der Innenumfangswand der
Bohrungen in den Prallplatten in Berührung gehalten sind, um
die Wärmetauscherröhren zu haltern.
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Gemäß einem vierten Merkmal der vorliegenden
Erfindung wird mit dieser die oben umrissene
Mehrrohr-Wärmetauschervorrichtung geschaffen, ferner umfassend einen
zylindrischen Körper, dessen gegenüberliegenden Enden
verschlossen sind und der im Zentrum des Mantels parallel
zu den Wärmetauscherröhren angeordnet ist.
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Da gemäß dem ersten Merkmal der vorliegenden
Erfindung das mantelseitige Fluid auf die im Anspruch 1
beschriebene Weise ringförmige Durchgänge durchströmt, die
durch Bohrungen in Prallplatten und die
Wärmetauscherröhren gebildet sind, wird eine Strömung des
mantelseitigen Fluids in den Radialrichtungen längs der Prallplatten
der Wärmetauschervorrichtung hervorgebracht. Damit wird
es möglich, die Wärmeübertragungsleistung im Vergleich
zum Fall der Parallelströmung zu verbessern. Die
Strömungsmenge in den Radialrichtungen kann durch zweckmäßige
Wahl der Verteilung der Bohrungsdurchmesser auf eine
zweckmäßige Größe eingestellt werden. Demzufolge kann
das Strömungsmengenverhältnis der Strömung in der
Radialrichtung der Wärmetauschervorrichtung zur Strömung in der
Axialrichtung senkrecht zu den Prallplatten willkürlich
oder beliebig eingestellt werden, während die
Wärmeübertragungsleistung innerhalb einer zulässigen Grenze des
Druckverlusts verbessert werden kann.
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Wenn ferner das Fluid über z.B. ein ringförmiges
Zerstreuungs- oder Verteilerrohr in den Mantel der
Wärmetauschervorrichtung eingeführt oder aus ihm abgeführt
wird, kann bei der Anordnung nach dem zweiten Merkmal
durch Vergrößerung der Strömungsweg-Querschnittsflächen
im Mittelbereich der in der Einführ- oder der
Abführsektion angeordneten Prallplatte und Verkleinerung der
Strömungsweg-Querschnittsflächen im Umfangsbereich das
mantelseitige Fluid zu einer Strömung in den
Radialrichtungen in der Wärmetauscherröhrengruppe in der
Einführ- oder in der Abführsektion gebracht werden, wodurch der
im Mittelbereich entstehende Druckverlust kompensiert
wird und die Strömungsmengenverteilung der Strömung in
der Axialrichtung vergleichmäßigt werden kann.
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Da gemäß dem zweiten Merkmal der vorliegenden
Erfindung das mantelseitige Fluid durch ringförmiges
Strömungsdurchgänge strömt, die durch die Bohrüngen in den
Prallplatten und die Wärmetauscherröhren gebildet sind, können
die Querschnittsflächen dieser ringförmigen Durchgänge
mit einer zweckmäßigen Größe ausgelegt werden, wodurch
der Druckverlust des mantelseitigen Fluids verringert
und die Wärmeübertragungsleistung verbessert werden;
aufgrund der an den Wärmetauscherröhren vorgesehenen
Rippen läßt sich ferner eine höhere und gleichmäßige
Wärmeübertragungsleistung erzielen.
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Da weiterhin gemäß dem angegebenen dritten Merkmal
der vorliegenden Erfindung zusätzlich zu den vorgenannten
Merkmalen die Rippen mit den Innenwänden der Bohrungen
in den Prallplatten in Berührung gehalten und die
Wärmetauscherröhren über die Rippen gehaltert sind, wird eine
andere spezielle Halterungsvorrichtung für die
Wärmetauscherröhren unnötig.
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Neben den Vorteilen, daß gemäß den obengenannten
Merkmalen der vorliegenden Erfindung der Druckverlust
reduziert ist und die Wärmeübertragungsleistung verbessert
sein kann, werden gemäß dem vierten Merkmal der
vorliegenden Erfindung deshalb, weil die
Wärmetauschervorrichtung ferner einen zylindrischen Körper umfaßt, dessen
gegenüberliegenden Enden geschlossen sind und der im
Zentrum des Mantels parallel zu den Wärmetauscherröhren
angeordnet ist, die folgenden Vorteile erzielt:
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1. Da die als Wärmequellen wirkenden Wärmetauscherröhren
im Mittelbereich nicht vorhanden sind, kann eine
Vergrößerung einer Temperaturdifferenz im Zentrum
verhindert sein.
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2. Unter den oben beschriebenen und in Fig. 16
dargestellten Mehrrohr-Wärmetauschervorrichtungen mit
kreisund ringförmigen Prallplatten ist auch eine Vorrichtung
der Art bekannt, bei welcher die Wärmetauscherröhren im
Mittelbereich entfernt sind. Um jedoch bei dieser
bekannten Vorrichtung eine Überbrückungs- oder
Umgehungsströmung des Wärmemediums aufgrund der Weglassung der
Wärmetauscherröhren im Mittelbereich zu verhindern, ist
im Mittelbereich der kreisförmigen Prallplatte kein
Strömungsdurchgang vorgesehen, vielmehr ist ein
Fluidlappen (fluid patch) vorgesehen. Folglich entsteht
bei dieser Vorrichtung ein Stagnationsbereich des
mantelseitigen Fluids unter der genannten kreisförmigen
Prallplatte, wobei in der Nähe dieses Bereichs der
Wärmeübergang verschlechtert ist. Da dagegen gemäß dem vierten
Merkmal der vorliegenden Erfindung ein zylindrischer
Körper mit geschlossenen oberen und unteren Enden im
Mittelbereich angeordnet ist, kann ein Strömungsweg eines
großen Widerstands sichergestellt sein, wobei gleichzeitig
mit der Verhinderung einer Umgehungsströmung des
mantelseitigen Fluids auch eine Stagnation verhindert wird.
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3. Da ferner eine vergleichsweise große Menge des
Wärmemediums zum Eintritt in das Zentrum des Mantels der
Reaktorvorrichtung gebracht werden kann, wenn der
zylindrische Körper auf Abstand von der Verteilerplatte an
der Wärmemedium-Einlaßseite angeordnet ist, kann eine
Temperaturdifferenz zwischen dem Mittelbereich und dem
Einlaß klein gehalten werden.
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Die obengenannten sowie weitere Aufgaben, Merkmale
und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich noch
deutlicher aus der folgenden Beschreibung bevorzugter
Ausführungsformen der Erfindung anhand der beigefügten
Zeichnungen.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN:
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In den beigefügten Zeichnungen zeigen:
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Fig. 1(A) eine Längsschnittansicht eines Teils einer
Prallplatte und eines Wärmetauscherrohrs
gemäß einer ersten bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung,
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Fig. 1(B) eine Querschnittansicht derselben Anordnung,
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Fig. 2 eine Längsschnittansicht einer
Reaktorvorrichtung gemäß der gleichen bevorzugten
Ausführungsform,
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Fig. 3(A) und 3(B) schematische Darstellungen der
Querschnittsflächenverteilung der Durchgänge für
mantelseitiges Fluid in Prallplatten gemäß
einer zweiten bevorzugten Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung,
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Fig. 4 eine schematische Darstellung der
Querschnittsflächenverteilung der Durchgänge für
mantelseitiges Fluid in Prallplatten gemäß einer dritten
bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung,
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Fig. 5(A) bis 5(C) schematische Darstellungen der
Querschnittsflächenverteilung von Durchgängen für
mantelseitiges Fluid in Prallplatten eines
Reaktors als eine Anwendung der vorliegenden
Erfindung,
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Fig. 6 eine graphische Darstellung der Änderung eines
spezifischen Wärmeübergangskoeffizienten längs
der Radialrichtung eines Reaktormantels bei
der gleichen Anwendung der vorliegenden
Erfindung,
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Fig. 7 eine graphische Darstellung der Änderung eines
spezifischen Wärmeübergangskoeffizienten längs
der Axialrichtung des Reaktormantels bei der
gleichen Anwendung der vorliegenden Erfindung,
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Fig. 8 einen Teil einer Prallplatte und einer
Wärmeübertragungsröhre gemäß der vierten bevorzugten
Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
wobei Fig. 8(A) eine Längsschnittansicht und Fig.
8(B) eine Querschnittansicht derselben sind,
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Fig. 9 eine Längsschnittansicht einer
Reaktorvorrichtung gemäß der gleichen bevorzugten
Ausführungsform,
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Fig. 10 eine Längsschnittdarstellung einer Mehrrohr-
Wärmetauschervorrichtung gemäß einer fünften
bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung,
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Fig. 11 eine schematische Darstellung der
Querschnittsflächenverteilung von Durchgängen für
mantelseitiges Fluid in einer Prallplatte bei der
gleichen bevorzugten Ausführungsform,
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Fig. 12 (eine) graphische Darstellung(en) der
Temperaturverteilung längs der Radialrichtung bei der
Wärmetauschervorrichtung gemäß der fünften
Ausführungsform bzw. bei der Anwendung gemäß
Fig. 5,
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Fig. 13 eine Längsschnittansicht einer
Mehrrohr-Wärmetauschervorrichtung gemäß einer sechsten
bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung,
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Fig. 14 eine schematische Darstellung einer
katalytischen Mehrrohr-Reaktorvorrichtung nach dem
Stand der Technik,
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Fig. 15(A) und 15(B) schematische Darstellungen von
teilkreisförmigen Prallplatten beim Stand der
Technik,
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Fig. 16(A) und 16(B) schematische Darstellungen von
kreisförmigen und (kreis)ringförmigen Prallplatten
beim Stand der Technik und
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Fig. 17 Prallstangen nach dem Stand der Technik, wobei
Fig. 17(A) eine Seitenansicht und Fig. 17(B)
eine schematische perspektivische Darstellung
derselben sind und Fig. 17(C) eine schematische
Darstellung einer Reaktorröhre und von Stangen
ist.
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN:
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Im folgenden ist eine erste bevorzugte
Ausführungsform der vorliegenden Erfindung anhand der Fig. 1 und 2
beschrieben.
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Diese bevorzugte Ausführungsform ist auf einen
Reaktor der in Fig. 14 gezeigten Art anwendbar, wobei
Verbesserungen an den im folgenden beschriebenen
Abschnitten oder Bereichen vorgenommen worden sind. In den Fig.
1 und 2 sind den Bauteilen von Fig. 14 gleiche Bauteile
mit den gleichen Bezugsziffern wie vorher bezeichnet
und nicht mehr im einzelnen beschrieben.
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Bei dieser Ausführungsform sind sieben Prallplatten
#1 - #7 in gegenseitigen Abständen in der
Strömungsrichtung des mantelseitigen Fluids von unten nach oben in
einem Reaktormantel 11 gemäß Fig. 2 angeorndet, wobei
die Außenumfangsränder der betreffenden Prallplatten
am gesamten Innenumfang der Außenwand des
Reaktormantels 11 befestigt sind. Außerdem sind am Einlaßstutzen
3 und am Auslaßstutzen 4 für das mantelseitige Fluid
jeweils ringförmige Zerstreuungs- oder Verteilerrohre
8 mit einer Vielzahl von Schlitzöffnungen 8' um den
Reaktormantel 11 herum angeschlossen.
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In den jeweiligen Prallplatten sind zahlreiche
Bohrungen jeweils eines ausreichend größeren Durchmessers als
der Außendurchmesser von Wärmeübertragungs- bzw.
-tauscherröhren 1 gemäß Fig. 1 ausgebildet, wobei die
Wärmetauscherröhren 1 die betreffenden Bohrungen durchsetzen. Zwischen
den Innenumfängen dieser Bohrungen und den Außenumfängen
der Wärmetauscherröhren 1 festgelegte Ringräume dienen
als Strömungsdurchgänge 10 für das mantelseitige Fluid.
Die Pfeile in dieser Figur geben die Strömungsrichtung
des mantelseitigen Fluids an.
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Da bei der dargestellten Ausführungsform ein
ringförmiger Strömungsdurchgang einer ausreichend großen
Querschnittsfläche zwischen der Bohrung und der
Wärmetauscherröhre 1 gebildet ist, kann der Druckverlust
(Druckabfall) des mantelseitigen Fluids verringert sein.
Da der Druckverlust des Fluids verringert ist, wird
außerdem eine Strömungsgeschwindigkeit des mantelseitigen
Fluids sichergestellt, und eine Wärmeübergangs- oder
-übertragungsleistung kann verbessert sein.
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Nachstehend ist eine zweite bevorzugte
Ausführungsform der vorliegenden Erfindung anhand von Fig. 3
erläutert.
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Bei einer Wärmetauschervorrichtung, bei welcher
insbesondere eine Verschlechterung oder Beeinträchtigung
der Wärmeübertragungsleistung aus dem Grund, daß
innerhalb des Reaktormantels das mantelseitige Fluid einen
perfekten Parallelstrom in der Axialrichtung senkrecht
zu den Prallplatten bildet, verhindert werden soll, ist
es erforderlich, zweckmäßige Radialströme oder -strömungen
längs der Prallplatten zu erzeugen.
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Diese bevorzugte Ausführungsform ist für diesen Zweck
ausgelegt worden. Wie noch näher beschrieben werden wird,
ist die oben beschriebene erste bevorzugte
Ausführungsform so abgewandelt worden, daß die Querschnittsflächen
der ringförmigen Strömungsdurchgänge in den betreffenden
Prallplatten zur Erzeugung von Radialströmungen verteilt
sind.
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Insbesondere sind gemäß Fig. 3 in einer ersten
Prallplatte 5A die Bohrungsdurchmesser in einem Bereich I im
Mittelbereich der Prallplatte 5A so groß gewählt, daß
die Querschnittsflächen der ringförmigen
Strömungsdurchgänge 10 um die Wärmetauscherröhren herum, die im Bereich
I in dem durch einen Umfang begrenzten Mittelbereich
angeordnet sind, groß sein können; die Bohrungsdurchmesser
in einem Bereich II am oder im Umfangsteil der Prallplatte
5A sind dagegen so klein gewählt, daß die
Querschnittsflächen der ringförmigen Strömungsdurchgänge 10 um die
Wärmetauscherröhren im Bereich II am bzw. im
ringförmigen Umfangsteil klein sein können. Andererseits sind
in einer zweiten Prallplatte 5B die Bohrungsdurchmesser
im Bereich I im Mittelteil so klein gewählt, daß die
Querschnittsflächen der ringförmigen Strömungsdurchgänge
10 um die Wärmetauscherröhren im Bereich I herum im
Mittelteil klein sein können, während die
Bohrungsdurchmesser im Bereich II im Umfangsteil so groß gewählt sind,
daß die Querschnittsflächen der ringförmigen
Strömungsdurchgänge 10 um die Wärmetauscherröhren im Bereich II
herum im Umfangsteil groß sein können.
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Durch abwechselndes Anordnen der ersten und zweiten
Prallplatten 5A und 5B mit dieser Ausgestaltung längs
der Strömungsrichtung werden Radialströmungen (Strömungen
längs der Prallplatten 5A und 5B) entsprechend der
Differenz der Strömungsdurchgang-Querschnittsflächen
hervorgebracht. Durch diese Radialströmungen wird es
möglich, die Wärmeübertragungsleistung im Vergleich
zu dem Wert bei perfekten Parallelströmungen auf hoher
Größe zu halten.
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Bei dieser, oben beschriebenen bevorzugten
Ausführungsform können durch Änderung der Bohrungsdurchmesser der
Prallplatten die Querschnittsflächen der
Strömungsdurchgänge, ebenso wie ein Strömungsmengenverhältnis einer
Radialströmung zu einer Axialströmung beliebig
eingestellt werden. Hierdurch wird es möglich, die
Wärmeübertragungsleistung einer Vorrichtung unter Einhaltung
einer zulässigen Größe des Druckverlusts zu optimieren.
Wenn diese bevorzugte Ausführungsform auf eine
Mehrrohr-Reaktorvorrichtung angewandt ist und dabei
aufgrund dieser Radialströmung eine etwaige thermische
Abweichung in dem Prozeß innerhalb der Reaktorröhren
auftreten sollte, kann weiterhin ein plötzlicher
Temperaturanstieg des Wärmemediums aus dem die Reaktorröhren
bestreichenden mantelseitigen Fluid verhindert werden.
Demzufolge können die Reaktionen innerhalb der
betreffenden Reaktorröhren gleichmäßig ablaufen; außerdem
kann auch der Zersetzungsgrad des in den katalytischen
Reaktoren verwendeten Katalysators gleichmäßig
gehalten werden.
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Obgleich die Verteilung der Flächen der Bohrungen
in den ersten und zweiten Prallplatten 5A bzw. 5B
jeweils konzentrische Kreis-Anordnungen aufweisen und zwei
Arten (Größen) von Bohrungsdurchmessern bei der oben
beschriebenen zweiten bevorzugten Ausführungsform
vorgesehen sind, ist darauf hinzuweisen, daß bezüglich
der Bohrungsdurchmesserverteilung der Bohrungen diese
selbstverständlich in zweckmäßigster Weise in
Abhängigkein von den Ausgestaltungen und Aufgaben der
jeweiligen Geräte bestimmt werden kann.
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Im folgenden ist eine dritte bevorzugte
Ausführungsform der vorliegenden Erfindung anhand von Fig. 4
beschrieben.
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Um bei den oben beschriebenen ersten und zweiten
bevorzugten Ausführungsformen eine effektive Strömung
und Wärmeübertragungsleistung zu erzielen, ist es
vorteilhaft, die Strömungsmengenverteilungen am
Einlaß- und Auslaßabschnitt für das mantelseitige Fluid
längs der Radialrichtung des Reaktormantels gleichmäßig
zu gestalten. Beispielsweise in dem Fall, in welchem
das mantelseitige Fluid über ein ringförmiges
Zerstreuungs- oder Verteilerröhr 8 mit Schlitzöffnungen
um den Reaktormantel herum, wie in Fig. 2 dargestellt,
in den Mantel eingeleitet oder aus ihm abgeführt wird, wird
diese bevorzugte Ausführungsform angewandt.
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Insbesondere sind bei dieser Ausführungsform die
Prallplatte 5 im Einführteil, in Fig. 2 mit #1 bezeichnet,
und die Prallplatte 5 im Abführteil, mit #7 bezeichnet,
wie folgt ausgebildet: Gemäß Fig. 4 sind die
Prallplatten 5 durch konzentrische Kreise in einen zentralen
Teil oder Mittelteil eines Mantels (Bereich I), einen
Umfangsteil (Bereich III), und einen
dazwischenliegenden Zwischenteil (Bereich II) unterteilt. Die
Querschnittsflächen der ringförmigen Strömungsdurchgänge
um die betteffenden Wärmetauscherröhren im Mittelteil
(Bereich I) sind groß eingestellt, während die
Querschnittsflächen der ringförmigen Strömungsdurchgänge
im Zwischenteil (Bereich II) und im Umfangsteil (Bereich
III) fortlaufend verkleinert sind.
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Damit bei dieser bevorzugten Ausführungsform in
Einlaß- und Auslaßabschnitt des Mantels eine
Strömungsmenge in der Axialrichtung des Mantels im Mittelteil
(Bereich I) nicht aufgrund eines Druckverlusts abnimmt,
der durch die Strömung des mantelseitigen Fluids über
die Wärmetauscherröhrengruppe in der Radialrichtung
verursacht wird, sind die
Strömungsdurchgang-Querschnittsflächen im Mittelteil (Bereich I) erweitert oder
vergrößert, während die Strömungsdurchgang-Querschnitts
flächen in Richtung auf die Außenseite des
Reaktormantels zunehmend oder fortlaufend verkleinert sind,
wodurch der durch die Radialströmung verursachte
Druckverlust kompensiert und die Verteilung der Strömungsmengen
in der Axialrichtung des Reaktormantels vergleichmäßigt
werden kann. Es ist darauf hinzuweisen, daß bei dieser
bevorzugten Ausführungsform die Strömungsdurchgangs-
Querschnittsflächen in den Prallplatten, die von den
Prallplatten #1 im Einführabschnitt und den Prallplatten
#7 im Abführabschnitt verschieden sind, längs der
Radialrichtung zweckmäßig variiert werden können.
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Im folgenden ist ein Beispiel der Anwendung der
eben beschriebenen Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung auf eine katalytische
Mehrrohr-Reaktorvorrichtung erläutert.
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Bei diesem Anwendungsbeispiel wird eine
Reaktorvorrichtung gemäß Fig. 2 verwendet. Prozeßfluid wird
über einen Einlaßstutzen 6 in die Reaktorvorrichtung
eingeführt, um dann einer vorbestimmten Reaktion
innerhalb von 11000 mit Katalysator gepackten Reaktorröhren
1 jeweils eines Außendurchmessers von 26 mm und einer
Röhrenlänge von 12000 mm unterworfen zu werden; die
dabei entstehende Reaktionswärme wird durch ein das
mantelseitige Fluid bildendes Wärmemedium, das an
der Außenseite der Röhren entlangströmt,
wirksamrückgewonnen. Nach der Reaktion wird das Prozeßfluid über
einen Auslaßstutzen 7 ausgetragen. Andererseits strömt
ein Wärmemedium aus einem geschmolzenen Salz der
Nitratgruppe in einer Strömungsmenge von 10000 m³/h von einem
Einlaßstutzen 3 her durch ein ringförmiges
Verteilerrohr mit Schlitzöffnungen, um aus einem
Außenumfangsabschnitt eines Reaktormantels 11 mit einem
Innendurchmesser von 3700 mm in den Reaktormantel eingeführt zu
werden.
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Als Prallplatte #1 auf dem untersten Niveau (vgl.
Fig. 2) wird eine Prallplatte verwendet, die aus einem
zentralen oder Mittelteil (Bereich I), einem
Zwischenteil (Bereich II) und einem Umfangsteil (Bereich III)
gemäß der oben beschriebenen dritten Ausführungsform
besteht. Die Abmessungen der oben beschriebenen
jeweiligen Abschnitte oder Teile entsprechen den in Fig. 5(A)
dargestellten; die Maße der Durchmesser der Bohrungen
in den jeweiligen Abschnitten der Prallplatten
betragen 31 mm, 28 mm und 27 mm, wie bei A, B bzw. C in Fig.
5(A) angegeben; die Bohrungsdurchmesser besitzen vom
Mittelteil über den Zwischenteil bis zum Umfangsteil
fortlaufend verkleinerte Größen, so daß dementsprechend
die Querschnittsflächen der ringförmigen Strömungsdurch
gänge ebenfalls fortlaufend verkleinert sind.
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Das in den Reaktormantel eingeführte Wärmemedium
wird somit zunächst durch die gleiche Prallplatte #1
zu einer Axialströmung gleichgerichtet, die in der
Radialrichtung nahezu gleichmäßig ist.
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Anschließend strömt das Wärmemedium innerhalb des
Reaktormantels aufwärts und in Richtung auf die
Prallplatte#2 gemäß Fig. 5(B). Diese Prallplatte #2 ist
gemäß der oben angegebenen zweiten bevorzugten
Ausführungsform ausgebildet; dies bedeutet, daß im Bereich I und
im Bereich III gemäß dieser Figur Bohrungen kleine
Durchmesser aufweisen, um kleine
Strömungsdurchgang-Querschnittsflächen festzulegen, während im Bereich II und
im Bereich IV die Bohrungen große Durchmesser besitzen,
um große Strömungsdurchgang-Querschnittsflächen
festzulegen. Die Abmessungen der jeweiligen Bereiche I bis IV
und die Bohrungsdurchmesser A bis D in diesen Bereichen
sind jeweils in Fig. 5(B) angegeben. Aufgrund der
Differenzen oder Unterschiede in den oben angegebenen
Strömungsdurchgang-Querschnittsflächen wird im Wärmemedium eine
Radialströmung hervorgebracht. Weiterhin strömt das
Wärmemedium nach dem Passieren der Prallplatte #2 in
Richtung auf die Prallplatte #3 gemäß Fig. (C). Diese
Prallplatte #3 ist ebenfalls gemäß der oben
beschriebenen zweiten bevorzugten Ausführungsform ausgestaltet;
gemäß dieser Figur sind in den Bereichen I und III
Bohrungen großer Durchmesser zur Festlegung großer
Strömungsdurchgang-Querschnittsflächen vorgesehen,
während in den Bereichen II und IV Bohrungen kleiner
Durchmesser zur Festlegung kleiner Strömungsdurchgang-
Querschnittsflächen vorgesehen sind. Die Abmessungen
der betreffenden Bereiche und der Bohrungsdurchmesser
A - D entsprechen den in dieser Figur angegebenen.
Aufgrund der Differenzen in den
Strömungsdurchgang-Querschnitten entsteht eine Radialströmung, die
entgegengesetzt zu der durch die Prallplatte #2 hervorgebrachten
Radialströmung gerichtet ist. Anschließend wiederholen
sich ähnliche Strömungsmuster abwechselnd bis zur
Prallplatte #6, wobei das Wärmemedium die von den
Reaktorröhren freigegebene Reaktionswärme rückgewinnt.
-
Nach dem Durchgang durch die Prallplatte #6 wird die
Strömung des Wärmemediums in der Axialrichtung des
Reaktormantels längs der Radialrichtung vergleichmäßigt,
indem es die an oberster Stelle befindliche Prallplatte
#7 mit einem ähnlichen Aufbau wie die oben beschriebene
Prallplatte #1 passiert; anschließend passiert das
Wärmemedium ein ringförmiges Verteilerrohr mit ähnlichen
Schlitzöffnungen wie an der Seite des Einlaßstutzens 3,
um über einen Auslaßstutzen 4 aus der Reaktorvorrichtung
abgeführt zu werden.
-
Wie oben beschrieben, ist es durch zweckmäßige
Einstellung der Radialströmungen des Wärmemediums möglich
geworden, den Druckverlust auf einen niedrigen Wert zu
unterdrücken und eine hohe Wärmeübertragungsleistung zu
erreichen, die sowohl längs der Radialrichtung als auch
längs der Axialrichtung gleichmäßig ist. Gleichzeitig
ermöglichen diese Radialströmungen oder -ströme die
gleichmäßige Aufrechterhaltung der Prozeßbedingungen
in den jeweiligen Reaktorröhren. Insbesondere ergibt
sich dabei ein Vorteil dahingehend, daß selbst beim
Auftreten einer Prozeßtemperaturverteilung in den
Reaktorröhren die Verteilung der Prozeßtemperaturen
nicht vergrößert wird, weil die Temperatur des Fluids
an der Seite des Mantels gleichmäßig wird oder ist.
Bezüglich einer mit Katalysator gepackten
Reaktorvorrichtung ergibt dies einen Vorteil dahingehend,
daß ein Verschlechterungs- oder Zersetzungsgrad des
Katalysators vergleichmäßigt ist.
-
Die Wärmeübertragungsleistungen des mantelseitigen
Fluids in der Radialrichtung und der Axialrichtung des
Reaktormantels beim oben beschriebenen
Anwendungsbeispiel sind in den Fig. 6 bzw. 7 dargestellt. Wie aus
diesen Figuren hervorgeht, sind beim vorliegenden
Anwendungsbeispiel Strömung und Wärmeübertragungsleistung
in Radialrichtung sowie in Axialrichtung erzielt.
-
Im folgenden ist eine vierte bevorzugte
Ausführungsform der vorliegenden Erfindung anhand der Fig. 8 und
9 beschrieben.
-
Diese bevorzugte Ausführungsform ist auf einen
Reaktor der in Fig. 14 dargestellten Art angewandt,
welcher bezüglich der im folgenden beschriebenen Abschnitte
oder Teile verbessert worden ist. In den Fig. 8 und 9
sind den Bauteilen des Reaktors gemäß Fig. 14
entsprechende Bauteile mit den gleichen Bezugsziffern wie vorher
bezeichnet und nicht mehr im einzelnen beschrieben.
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Bei dieser bevorzugten Ausführungsform ist gemäß Fig.
9 ein Reaktormantel 11 mit sieben Prallplatten 5 (#1
bis #7) in gegenseitigen Abständen in der Richtung der
Strömung des mantelseitigen Fluids von unten nach oben
versehen. Die Außenumfangsränder der jeweiligen
Prallplatten sind dabei über die gesamte Innenumfangsfläche
der Außenwand des Reaktormantels 11 befestigt.
Außerdem sind an den Einlaßstutzen 3 und den Auslaßstutzen
4 für das mantelseitige Fluid jeweils ringförmige
Zerstreuungs- oder Verteilerrohre 8 mit jeweils einer
Vielzahl von Schlitzöffnungen 8' um den Reaktormantel 11
herum angeschlossen.
-
Gemäß Fig. 8 sind in den jeweiligen Prallplatten 5
mehrere Bohrungen eines den Durchmesser der
Wärmetauscherröhren (Reaktorröhren) 1 übersteigenden Durchmessers
ausgebildet. Die zwischen dem Innenumfang jeder dieser
Bohrungen und dem Außenumfang jeder Wärmetauscherröhre
1 festgelegten Ringräume dienen als Strömungsdurchgänge
10 für das mantelseitige Fluid. Weiterhin sind zwei
Rippen 20, welche die Wärmetauscherröhre 1 schräg zu
ihrer Axialrichtung, d.h. wendelförmig umgebend am
Umfang dieses Wärmetauscherrohrs 1 montiert. Die
Außendurchmesser dieser Rippen 20 sind dem Innendurchmesser
der Bohrung in der Prallplatte 5 gleich gewählt, wobei
eine der Rippen 20 das Wärmetauscherrohr 1 zu haltern
vermag, weil es mit der Innenwandfläche 5a der Bohrung
in Berührung gehalten ist. Mit der Bezugsziffer 9 sind
dabei Gleichrichterplatten bezeichnet; ein Pfeil in
Fig. 8(A) gibt die Strömungsrichtung des mantelseitigen
Fluids an.
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Bei dieser bevorzugten Ausführungsform wird
Prozeßfluid über einen Einlaßstutzen 6 in den Reaktor
eingeleitet und innerhalb der mit Katalysator gepackten
Wärmetauscherröhren 1 einer vorbestimmten Reaktion unterworfen;
sodann wird die dabei erzeugte Reaktionswärme durch das
Wärmemedium rückgewonnen, das aufgrund eines
Rippeneffekts mit einem äußerst hohen
Wärmeübertragungskoeffizienten längs der Außenseite der
Wärmetauscherröhren 1 strömt, wobei das Prozeßfluid nach der
Reaktion über einen Auslaßstutzen 7 ausgetragen oder
abgeführt wird.
-
Andererseits tritt das aus geschmolzenem Salz der
Nitratgruppe bestehende Wärmemedium über einen
Einlaßstutzen 3 ein, durchströmt sodann ein ringförmiges
Verteilerrohr 8 mit Schlitzöffnungen und wird vom
Außenumfangsteil des Reaktormantels in diesen eingeführt,
worauf es von unten nach oben durch die ringförmigen
Strömungsdurchgänge 10 hindurchströmt, die durch die
Bohrungen in den Prallplatten 5, welche auch als Röhren-
Halterungsplatten dienen, und die Wärmetauscherröhren
1 mit den auch als Halterungsvorrichtung dienenden Rippen
20 gebildet sind.
-
Bei dieser bevorzugten Ausführungsform können
aufgrund der Anwendung der oben beschriebenen Konstruktion
die Querschnittsflächen der ringförmigen
Strömungsdurchgänge 10 auf beliebige Maße eingestellt und damit der
Druckverlust des mantelseitigen Fluids herabgesetzt
werden.
-
Außerdem kann das mantelseitige Fluid innerhalb des
Mantels nahezu parallel zu den Wärmetauscherröhren
strömen, so daß der durch Radialströmung hervorgerufene
Druckverlust nicht vorliegt; aufgrund der Wirkung der
Rippen 20 ist es weiterhin möglich, eine hohe
Wärmeübertragungsleistung aufrechtzuerhalten, die sowohl
in der Radial- auch auch in der Axialrichtung
gleichmäßig ist.
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Da darüber hinaus die Wärmetauscherröhre 1 durch die
mit der Innenwandfläche 5a der Bohrung in der Prallplatte
5 in Berührung stehende Rippe 20 gehaltert ist, ist keine
spezielle Halterungsvorrichtung für die
Wärmetauscherröhre 1 nötig.
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Obgleich bei der oben beschriebenen vierten
bevorzugten Ausführungsform die Wärmetauscherröhre 1 mit
diese wendelförmig umschließenden Rippen 20 versehen
ist, sind die Rippen nicht auf diesen Typ beschränkt,
vielmehr können andere Rippenarten verwendet werden,
solange sie das mantelseitige Fluid durch den
ringförmigen Strömungsdurchgang 10 strömen lassen.
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Als nächstes ist eine fünfte bevorzugte
Ausführungsform der vorliegenden Erfindung anhand der Fig. 10 bis
12 beschrieben.
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Gemäß Fig. 10 wird ein Prözeßfluid über einen
Einlaßstutzen 6 an der Oberseite in einen Reaktormantel 11
eingeleitet und innerhalb einer Gruppe von mit
Katalysator gepackten Wärmetauscherröhren (Reaktorröhren)
1 in Form von etwa 11000 Röhren eines Außendurchmessers
von 26 mm und einer Röhrenlänge von 12000 mm in
Parallelanordnung zueinander einer vorbestimmten Reaktion
unterworfen; die dabei erzeugte Reaktionswärme wird durch ein
Wärmemedium aus dem längs der Außenseiten der Röhren
strömenden mantelseitigen Fluid wirksam rückgewonnen.
Nach der Reaktion wird das Prozeßfluid über einen
Auslaßstutzen 7 an der Unterseite ausgetragen. Andererseits
strömt das mantelseitige Fluid (Wärmemedium) aus
geschmolzenem Salz der Nitratgruppe in einer Menge bzw.
mit einer Geschwindigkeit von 10000 m³/h über einen
Einlaßstutzen 3 am unteren Abschnitt des Reaktormantels
11 durch ein ringförmiges Zerstreuungs- oder
Verteilerrohr 8 mit Schlitzöffnungen 8', um in den einen
Innendurchmesser von 3700 mm besitzenden Reaktormantel
11 von dessen äußerem Umfangsteil her eingeführt zu
werden.
-
Im mittleren Bereich des Reaktormantels 11 sind mehrere
Blindrohre 9 angeordnet, welche den gleichen
Außendurchmesser wie die Wärmetauscherröhren 1 besitzen und parallel
zu letzteren angeordnet sind. Diese Blindrohre 9 sind
weder an der oberen noch an der unteren Verteilerplatte
2 befestigt; ihre oberen und unteren Enden befinden sich
in einem bestimmten Abstand von den Verteilerplatten 2,
wobei ihre oberen Enden zwischen den Prallplatten 5 (#6
und #7) und ihre unteren Enden zwischen den Prallplatten
5 (#1 und #2) liegen und die Blindrohre 9 außerdem durch
die Prallplatten 5 (#2 bis #6) gehaltert sind. An den
unteren und oberen Enden der Blindrohre 9 sind jeweils
Verschlußplatten 12 bzw. 12' vorgesehen.
-
Als in unterster Stellung befindliche Prallplatte #1
(vgl. Fig. 11) wird eine Prallplatte verwendet, die aus
einem Mittelteil (Bereich I), einem Zwischenteil (Bereich
II) und einem Umfangsteil (Bereich III) besteht, wobei
im Zentrum des Mittelteils (Bereich I) eine Bohrung von
300 mm Durchmesser ausgebildet ist.
-
Die Maße der jeweiligen Abschnitte oder Teile
entsprechen den in Fig. 11(A) angegebenen; die Durchmessermaße
der Bohrungen in den betreffenden Bereichen der
Prallplatte, die von den Wärmetauscherröhren 1 durchsetzt
werden, betragen 31 mm, 28 mm und 27 mm, wie dies bei
A, B bzw. C in der gleichen Figur angegeben ist; die
Durchmesser dieser Bohrungen sind vom Mittelteil über
den Zwischenteil bis zum Umfangsteil fortlaufend kleiner
gewählt, so daß auch die Querschnittsflächen der zwischen
den Bohrungen der Prallplatten und den
Wärmetauscherröhren 1 festgelegten ringförmigen Strömungsdurchgänge
fortlaufend abnehmen. Außerdem sind über dem Bereich der
angegebenen Bohrung von 300 mm Durchmesser im Zentrum
des Mittelteils (Bereich I) mehrere der oben
beschriebenen Blindrohre 9 im gleichen Teilungs- oder Mittenabstand
wie die anderen Wärmetauscherröhren 1 angeordnet.
-
Bei dieser bevorzugten Ausführungsform kann durch
Einstellen der Querschnittsflächen der
Strömungsdurchgänge im Mittelteil (Bereich I) auf einen großen Wert
und anschließende Verkleinerung der Querschnittsflächen
der Strömungsdurchgänge mit zunehmendem Abstand zum
Zwischenteil (Bereich II) und sodann zum Umfangsteil
(Bereich III), so daß die Strömungsmenge in der
Axialrichtung des Mantels im Mittelteil (Bereich I) nicht
aufgrund des Druckverlusts reduziert wird, der deshalb
auftritt, weil das mantelseitige Fluid an den
Einlaß- und Auslaßabschnitten des Mantels in der Radialrichtung
über die Wärmetauscherröhrengruppe strömt, der durch die
Radialströmung hervorgerufene Druckverlust kompensiert
und die Strömungsmengenverteilung längs der
Axialrichtung im Reaktormantel nahezu gleichmäßig gehalten
werden.
-
Da weiterhin bei dieser bevorzugten
Ausführungsform im Zentrum des Mittelteils (Bereich I) der unter
sten Prallplatte #1 eine Bohrung ausgebildet ist, kann
die Menge des in den Mittelteil eintretenden
mantelseitigen Fluids größer sein.
-
Das durch diese Bohrung hochgeströmte mantelseitige
Fluid wird durch die Verschlußplatte (oder auch
Blendenplatte) 12 der Blindrohre 9 in den Horizontalrichtungen
verteilt und mit dem mantelseitigen Fluid vermischt,
das den Mittelteil (Bereich I) der Prallplatte #1
passiert hat, um dann weiter hochzuströmen.
-
Wie oben beschrieben, wird von dem in den
Reaktormantel 11 eingeströmten mantelseitigen Fluid die in den
Mittelteil oder zentralen Bereich eintretende
Fluidmenge groß, und da im Mittelteil eine Bohrung von 300 mm
Durchmesser vorhanden ist, während keine
Wärmetauscherröhren vorliegen, kann die Temperaturdifferenz in der
Radialrichtung des Reaktormantels oder die Größe eines
Temperaturanstiegs im Einlaßbereich unterdrückt bzw.
verringert werden.
-
Da außerdem das mantelseitige Fluid nach dem
Durchgang durch die Bohrungen in der Prallplatte #1 durch
die Verschlußplatte 12 erneut in den Radialrichtungen
verteilt wird, kann die Strömungsmengenverteilung in
der Radialrichtung vergleichmäßigt sein.
-
Anschliepend strömt das mantelseitige Fluid
innerhalb des Reaktormantels von unten nach oben und in
Richtung auf die Prallplatte #2 gemäß Fig. 11(B).
In den in dieser Figur dargestellten Bereichen I und
III sind in dieser Prallplatte #2 Bohrungen kleinen
Durchmessers zur Verkleinerung der Querschnittsflächen
der Strömungsdurchgänge ausgebildet, während in den
Bereichen II und IV Bohrungen großen Durchmessers
zur Vergrößerung der Querschnittsflächen der
Strömungsdurchgänge geformt sind. Weiterhin sind in einem
Teilbereich I' von 300 mm Durchmesser im Zentrum des
Mittelteils (Bereich I) mehrere kleine Bohrungen ausgebildet,
durch welche sich die beschriebenen Blindrohre 9
jeweils erstrecken.
-
Die Maße der jeweiligen Bereiche I', I - IV sowie
die Durchmesser A', A, B, C und D der Bohrungen in
diesen Bereichen entsprechen den in Fig. 11(B) angegebenen.
Aufgrund der oben beschriebenen Differenz in den
Querschnittsflächen der Strömungsdurchgänge wird im
mantelseitigen Fluid eine Radialströmung hervorgebracht.
-
Im Blindrohrbereich zwischen den Prallplatten 5 (#1
und #2) im Bereich I' strömt das mantelseitige Fluid
durch die Zwischenräume der Blindrohre 9 in nahezu
parallelem Strom, wobei die Strömungsmenge in der
Axialrichtung nahezu derjenigen in dem Bereich gleich ist,
in welchem die mit Katalysator gepackten
Wärmetauscherröhren 1 vorhanden sind. Im Vergleich zu dem Fall, in
welchem einfach die Wärmetauscherröhren im zentralen
Teil bzw. Mittelteil weggelassen oder entfernt sind,
wird demzufolge eine Stagnation des mantelseitigen
Fluids verringert; außerdem wird ein
Wärmeübertragungskoeffizient um die Wärmetauscherröhren herum, die den
Bereich mit den weggelassenen Wärmetauscherröhren
umgeben, ebenfalls groß. Da weiterhin die Blindrohre 9
die Bohrungen von 26,4 mm Durchmesser in der
Prallplatte durchsetzen, kann das mantelseitige Fluid, wenn
auch nur in geringer Menge, durch die Zwischenräume
zwischen den Bohrungen in der Prallplatte und den
Blindrohren hindurchtreten, so daß eine Stagnation des
mantelseitigen Fluids unter der Prallplatte 5 (#2)
verhindert werden kann.
-
Weiterhin strömt das mantelseitige Fluid, das durch
die mit #2 bezeichnete Prallplatte 5 hindurchgetreten
ist, anschließend auf die in Fig. 11(C) mit #3
bezeichnete Prallplatte 5. Gemäß dieser Figur sind in dieser
Prallplatte #3 Bohrungen großen Durchmessers zur
Vergrößerung der Querschnittsflächen der
Strömungsdurchgänge in den Bereichen I und III ausgebildet; in den
Bereichen II und IV sind dagegen Bohrungen kleinen
Durchmessers zur Verkleinerung der Querschnittsflächen
der Strömungsdurchgänge geformt. Die Maße der
jeweiligen Bereiche I - IV und die Durchmesser A bis D der
Bohrungen in den betreffenden Bereichen entsprechen
den in Fig. 11(C) angegebenen. Aufgrund der
Querschnittsflächendifferenz der Strömungsdurchgänge entsteht eine
Radialströmung; diese ist entgegengesetzt zu derjenigen
der Prallplatte #2 gerichtet. Anschließend wiederholen
sich ähnliche Strömungsmuster abwechselnd bis zur
Prallplatte #6, wobei das mantelseitige Fluid die von den
Reaktorröhren freigegebene Reaktionswärme rückgewinnt.
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Im zentralen Bereich bzw. Mittelteil (Bereich I') von
300 mm Durchmesser sind in den Prallplatten #3 - #6
zahlreiche Bohrungen eines Bohrungsdurchmessers A' geformt,
die von den betreffenden Blindrohren 9 durchsetzt
werden; das Verhalten des die Zwischenräume der Blindrohre
9 durchströmenden mantelseitigen Fluids ist nahezu
gleich dem des die Prallplatte #2 passierenden Fluids.
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Nach dem Durchgang durch die Prallplatte #6
durchströmt das mantelseitige Fluid sodann die oberste
Prallplatte #7, die ähnlich ausgestaltet ist wie die oben
beschriebene Prallplatte #1. Die oberen Enden der
Blindrohre 9 sind in einem Abstand von der oberen
Verteilerplatte 2' angeordnet und unter der Prallplatte #7
positioniert, wobei im Mittelteil der letzteren
ebenfalls eine Bohrung von 300 mm Durchmesser ausgebildet
ist. Wenn somit das mantelseitige Fluid die Prallplatte
#6 passiert und zur Prallplatte #7 strömt, strömt ein
Teil des Fluids, entsprechend dem Mittelteil (Bereich I),
in Richtung auf das Zentrum, sodann durch den Spalt
oder Zwischenraum über der oberen Verschlußplatte 12'
des Blindrohrs 9, weiter durch die zentrale Bohrung
der Prallplatte #7 und in einen Auslaßbereich hinein,
worauf sich das Fluid in den Horizontalrichtungen
verteilt.
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Durch Erzeugung einer solchen Strömung können
Stagnation des mantelseitigen Fluids, die im zentralen Bereich
oder Mittelteil der oberen Verteilerplatte 2' vorkommen
kann, und eine Beeinträchtigung eines
Wärmeübertragungskoeffizienten der Röhren sowie die Entstehung einer
damit verbundenen heißen Stelle unterdrückt werden.
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Im Anschluß hieran strömt das mantelseitige Fluid
durch ein ringförmiges Zerstreuungs- oder Verteilerrohr
8 mit Schlitzöffnungen 8', ähnlich demjenigen an der
Seite des Einlaßstutzens 3, um über einen Auslaßstutzen
4 aus der Reaktorvorrichtung abgeführt zu werden.
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Wie oben beschrieben, ist es bei dieser bevorzugten
Ausführungsform deshalb, weil die Blindrohre im
zentralen Bereich vorgesehen, nicht aber an den oberen und
unteren Verteilerplatten befestigt, sondern in einem
willkürlichen oder beliebigen Abstand von den
Verteilerplatten angeordnet sind, möglich, eine
Temperaturdifferenz des mantelseitigen Fluids in der
Radialrichtung zu unterdrücken.
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Fig. 12 zeigt eine Temperaturverteilung in der
Radialrichtung (gestrichelte Linien) im Einlaß- und
Auslaßbereich einer katalytischen
Mehrrohr-Reaktorvorrichtung als Anwendungsbeispiel der oben beschriebenen
zweiten bevorzugten Ausführungsform gemäß Fig. 5 sowie
eine ähnliche Temperaturverteilung (ausgezogene Linien)
gemäß dieser bevorzugten Ausführungsform Gemäß Fig.
12 wurde bei dieser bevorzugten Ausführungsform im
Vergleich zur Vorrichtung gemäß Fig. 6 eine
Temperaturdifferenz im Einlaßbereich von etwa 1,7ºC auf etwa
0,8ºC und im Auslaßbereich von etwa 1,8ºC auf etwa
0,8ºC verbessert.
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Eine sechste bevorzugte Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung ist in Fig. 13 dargestellt.
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Bei dieser bevorzugten Ausführungsform ist anstelle
der Blindrohre gemäß der oben beschriebenen fünften
bevorzugten Ausführungsform ein Zylinder 9' vorgesehen, dessen
untere und obere Enden durch Blenden- bzw.
Verschlußplatten 12 bzw. 12' verschlossen sind. Wie bei der fünften
bevorzugten Ausführungsform ist der Zylinder 9' durch
die Prallplatten 5 (#2 bis #6) gehaltert. Die dabei
verwendeten Prallplatten entsprechend weitgehend den
in Fig. 11 dargestellten. Im Bereich I' der
Prallplatten #2 bis #6 sind jedoch nicht die zahlreichen
Bohrungen kleinen Durchmessers ausgebildet, vielmehr ist nur
eine einzige Bohrung eines großen Durchmessers
vorgesehen.
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Bei dieser bevorzugten Ausführungsform wird aufgrund
der Anwendung der oben beschriebenen Konstruktion eine
Stagnation des mantelseitigen Fluids im zentralen Bereich
oder Mittelteil verhindert, während eine
Temperaturdifferenz in der Radialrichtung unterdrückt wird. Es ist
darauf hinzuweisen, daß die Temperaturdifferenz in der
Radialrichtung nahezu der in Fig. 12 in Verbindung mit
der fünften bevorzugten Ausführungsform dargestellten
Temperaturverteilung entspricht.
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Obgleich die Blindrohre oder ein Zylinder durch die
Prallplatten gehaltert und bei den oben beschriebenen
fünften und sechsten bevorzugten Ausführungsformen in
einem Abstand von den oberen und unteren
Verteilerplatten angeordnet ist bzw. sind, können die
gegenüberliegenden Enden des zylindrischen Körpers, worauf hinzuweisen
ist, auch durch die Verteilerplatten gehaltert sein;
wahlweise kann eine Abwandlung dahingehend getroffen
werden, daß ein Ende an einer Verteilerplatte befestigt
ist und die anderen Abschnitte durch die Prallplatten
gehaltert sind, während das andere Ende in einem Abstand
von einer Verteilerplatte angeordnet sein kann. Außerdem
kann der zylindrische Körper auch ohne Verwendung der
Prallplatten durch eine am Reaktormantel befestigte
Rohrtrag- oder -halterungsplatte (Rohrboden) gehaltert
sein.
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Wie vorstehend im einzelnen beschrieben, können
erfindungsgemäß mittels der einfachen Maßnahmen, daß
ringförmige Strömungsdurchgänge für das mantelseitige Fluid
zwischen Bohrungen in Prallplatten sowie diese Bohrungen
durchsetzenden Wärmetauscherröhren vorgesehen sind,
der Druckverlust des mantelseitigen Fluids verringert
und eine gute Wärmeübertragungsleistung erzielt werden.
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Indem ferner gemäß der Erfindung den ringförmigen
Durchgängen für das mantelseitige Fluid eine
zweckmäßige Querschnittsflächenverteilung verliehen wird,
wird der Strömung des mantelseitigen Fluids in einer
Wärmetauschervorrichtung in der Radialrichtung eine
Strömungsmenge oder -geschwindigkeit erteilt, die
einer Strömungsmenge oder -geschwindigkeit in der
Axialrichtung angemessen ist; hierdurch können die
Wärmeübertragungsleistung innerhalb einer zulässigen
Grenze des Druckverlusts oder -abfalls verbessert und
weiterhin die Strömungsmengenverteilung in der
Axialströmung vergleichmäßigt werden.
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Aufgrund der erfindungsgemäß an den
Wärmetauscherröhren vorgesehenen Rippen läßt sich ferner eine hohe
und gleichmäßige Wärmeübertragungsleistung erzielen;
dabei können außerdem die Wärmetauscherröhren durch
das Zusammenwirken der Rippen mit den
Umfangswandflächen der Bohrungen in den Prallplatten gehaltert
sein; für die Halterung der Wärmetauscherröhren sind
somit keine speziellen Halterungsvorrichtungen nötig.
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Durch die erfindungsgemäße Anordnung eines
zylindrischen Körpers mit geschlossenen gegenüberliegenden Enden
im zentralen Bereich einer
Mehrrohr-Wärmetauschervorrichtung, bei welcher ringförmige Strömungsdurchgänge
für mantelseitiges Fluid zwischen in Prallplatten
vorgesehenen Bohrungen einerseits sowie diese Bohrungen
durchsetzenden Wärmetauscherröhren andererseits
vorgesehen sind, kann darüber hinaus eine Stagnation des
mantelseitigen Fluids unterdrückt werden, die
möglicherweise im zentralen Bereich der Vorrichtung auftreten
kann, während auch eine Temperaturdifferenz in der
Radialrichtung des mantelseitigen Fluids unterdrückt
werden kann. Wenn weiterhin das Ende des zylindrischen
Körpers in einem beliebigen (oder auch gegebenen)
Abstand von einer Verteilerplatte angeordnet ist, wird
oder ist eine Strömungsmenge des vom Einlaß des Mantels
in Richtung auf das Zentrum strömenden mantelseitigen
Fluids erhöht, so daß die Temperaturdifferenz des
mantelseitigen Fluids in der Radialrichtung wirksam
weiter verringert werden kann.
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Obgleich ein Prinzip der vorliegenden Erfindung
vorstehend in Verbindung mit einer bevorzugten
Ausführungsform der Erfindung beschrieben worden ist, sind
selbstverständlich zahlreiche weitere unterschiedliche
Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung möglich,
ohne vom Rahmen der vorliegenden Erfindung abzuweichen.