DE69003404T3 - Mehrrohrtypwärmetauscher. - Google Patents

Mehrrohrtypwärmetauscher.

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Description

    HINTERGRUND DER ERFINDUNG: Gebiet der Erfindung:
  • 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:
  • Im folgenden ist eine herkömmliche Mehrrohr-Wärmetauschervorrichtung beispielhaft in Verbindung mit einem Acrylsäurereaktor beschrieben.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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:
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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:
  • 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.
  • 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.
  • 3. Bei einem Reaktor großer Abmessungen mit einem großen Manteldurchmesser werden aufgrund eines Biegens der Stangen die Herstellung und Montage schwierig.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Diese Aufgabe wird durch eine im Anspruch 1 beanspruchte Mehrrohr-Wärmetauschervorrichtung gelöst.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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:
  • 1. Da die als Wärmequellen wirkenden Wärmetauscherröhren im Mittelbereich nicht vorhanden sind, kann eine Vergrößerung einer Temperaturdifferenz im Zentrum verhindert sein.
  • 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.
  • 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.
  • 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:
  • In den beigefügten Zeichnungen zeigen:
  • Fig. 1(A) eine Längsschnittansicht eines Teils einer Prallplatte und eines Wärmetauscherrohrs gemäß einer ersten bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
  • Fig. 1(B) eine Querschnittansicht derselben Anordnung,
  • Fig. 2 eine Längsschnittansicht einer Reaktorvorrichtung gemäß der gleichen bevorzugten Ausführungsform,
  • 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,
  • Fig. 4 eine schematische Darstellung der Querschnittsflächenverteilung der Durchgänge für mantelseitiges Fluid in Prallplatten gemäß einer dritten bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
  • 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,
  • Fig. 6 eine graphische Darstellung der Änderung eines spezifischen Wärmeübergangskoeffizienten längs der Radialrichtung eines Reaktormantels bei der gleichen Anwendung der vorliegenden Erfindung,
  • Fig. 7 eine graphische Darstellung der Änderung eines spezifischen Wärmeübergangskoeffizienten längs der Axialrichtung des Reaktormantels bei der gleichen Anwendung der vorliegenden Erfindung,
  • 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,
  • Fig. 9 eine Längsschnittansicht einer Reaktorvorrichtung gemäß der gleichen bevorzugten Ausführungsform,
  • Fig. 10 eine Längsschnittdarstellung einer Mehrrohr- Wärmetauschervorrichtung gemäß einer fünften bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
  • Fig. 11 eine schematische Darstellung der Querschnittsflächenverteilung von Durchgängen für mantelseitiges Fluid in einer Prallplatte bei der gleichen bevorzugten Ausführungsform,
  • 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,
  • Fig. 13 eine Längsschnittansicht einer Mehrrohr-Wärmetauschervorrichtung gemäß einer sechsten bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
  • Fig. 14 eine schematische Darstellung einer katalytischen Mehrrohr-Reaktorvorrichtung nach dem Stand der Technik,
  • Fig. 15(A) und 15(B) schematische Darstellungen von teilkreisförmigen Prallplatten beim Stand der Technik,
  • Fig. 16(A) und 16(B) schematische Darstellungen von kreisförmigen und (kreis)ringförmigen Prallplatten beim Stand der Technik und
  • 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:
  • Im folgenden ist eine erste bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung anhand der Fig. 1 und 2 beschrieben.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Nachstehend ist eine zweite bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung anhand von Fig. 3 erläutert.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Im folgenden ist eine dritte bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung anhand von Fig. 4 beschrieben.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Im folgenden ist ein Beispiel der Anwendung der eben beschriebenen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung auf eine katalytische Mehrrohr-Reaktorvorrichtung erläutert.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Als nächstes ist eine fünfte bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung anhand der Fig. 10 bis 12 beschrieben.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Eine sechste bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist in Fig. 13 dargestellt.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.

Claims (4)

1. Mehrrohr-Wärmetauschervorrichtung, umfassend einen eine Vielzahl von Wärmeübertragungs- oder -tauscherröhren (1) umschließenden Mantel (11), eine Anzahl von innerhalb des Mantels in Abständen angeordneten Prallplatten (1 - 7) mit jeweils mehreren Bohrungen eines größeren Durchmessers als der Außendurchmesser der Wärmetauscherröhren (1), wobei die Wärmetauscherröhren (1) die jeweiligen Bohrungen in den Prallplatten durchsetzen, und einen für Fluid an der Seite des Mantels vorgesehenen Strömungsdurchgang (10), bestehend aus zwischen dem Außenumfängen der Wärmetauscherröhren (1) und den Innenumfängen der Bohrungen in den Prallplatten (1 - 7) festgelegten Ringräumen, wobei die Prallplatten (1 - 7) in mindestens zwei Bereiche (I, II, III) unterteilt sind und der Innendurchmesser der in einem ersten Bereich (I) befindlichen Bohrungen (10) vom Innendurchmesser der in einem zweiten Bereich (II) befindlichen Bohrungen (10) verschieden ist, wodurch die Querschnittsflächen der Strömungsdurchgänge (10) für das Fluid an der Seite des Mantels zwischen den Außenumfängen der Wärmetauscherröhren (1) und den Innenumfängen der Bohrungen (10) in den Prallplatten (1 - 7) variiert sind, und zwar zwischen den aufeinanderfolgenden Prallplatten (1 - 7).
2. Mehrrohr-Wärmetauschervorrichtung nach Anspruch 1, wobei mit Rippen versehene Wärmetauscherröhren betreffende der zahlreichen Bohrungen in den Prallplatten durchsetzen.
3. Mehrrohr-Wärmetauschervorrichtung nach Anpruch 2, wobei die Rippen der Wärmetauscherröhren mit der Innenumfangswand der Bohrungen in den Prallplatten in Berührung gehalten sind, um die Wärmetauscherröhren zu haltern.
4. Mehrrohr-Wärmetauschervorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, 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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