DE69400919T2 - Vorrichtung zur durchführung von physikalischen und/oder chemischen verfahren, zum beispiel ein wärmetauscher - Google Patents

Vorrichtung zur durchführung von physikalischen und/oder chemischen verfahren, zum beispiel ein wärmetauscher

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Description

  • Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Durchführung eines physikalischen und/oder chemischen Verfahrens, beispielsweise einen Wärmetauscher, mit einem Behälter, der mit aufwärts gerichteten Rohren versehen ist, die an ihren oberen und unteren Enden in Rohrplatten aufgenonunen sind und in offener Verbindung mit einem Oberkasten und einem Unterkasten stehen, wobei im Unterkasten mindestens eine Verteilerplatte zur Unterstützung eines aus körnigem Material bestehenden Wirbelbetts angeordnet ist, das durch ein über eine Speiseleitung zugeführtes, zu behandelndes bzw. erhitzendes Medium in einem quasi-stationären Wirbelzustand gehalten werden kann, welches Medium über die in und über dem Wirbelbett mit Öffnungen versehenen Rohre in den Oberkasten strömen kann, während Wirbelbettpartikel mitgerissen werden, welche Vorrichtung ferner mit Mitteln zur Zurückführung von Wirbelbettpartikeln vom Oberkasten zum Unterkasten versehen ist.
  • Eine solche Vorrichtung ist in GB-A-2 087534 offenbart. Bei dieser bekannten Anmeldung dient die interne Zirkulation von Wirbelbettpartikeln dem Reinigen von Innenflächen der Steigrohre, die wenn ein stark verschmutztes Medium behandelt oder erhitzt wird, einer starken Verschmutzung ausgesetzt sein können.
  • Obwohl diese bekannte Vorrichtung in einer großen Zahl von Fällen höchst zufriedenstellend ist, sind Nachteile aufzufhhren, die beseitigt werden müssen. Für eine geeignete Verteilung von Fluid und Wirbelbettpartikeln über die Steigrohre ist es erwünscht, ein ausreichend schweres Partikelbett zu haben, d.h. ein Wirbelbett mit einer Porosität von ungefähr 65%. Wenn der Volumendurchfluß in den Zuführleitungen zunimmt, ist es möglich, daß die Mediumrate über den Verteilerplatten zu hoch wird, wodurch sämtliche Partikel des Wirbelbetts von dem Unterkasten weggeblasen würden. Diese Probleme können verhindert werden, indem die Vorrichtung erweitert oder ausgedehnt wird, jedoch bringt dies eine erhebliche Kostensteigerung mit sich. Dies ist insbesondere bei einem fluktuierenden Mediumfluß nachteilig, da dies manchmal eine zusätzliche Kapazität erfordert und manchmal nicht. Wenn eine zusätzliche Kapazität nicht erforderlich ist, jedoch dennoch vorhanden ist, kann dies ferner zu einem Wirbelbett führen, das unzureichend fluidisiert ist sowie zu einer unregelmäßigen Verteilung der mitgeführten Wirbelbettpartikel über die Steigrohre.
  • Es ist die Aufgabe der Erfmdung, eine Vorrichtung der zuvor beschriebenen Art zu schalfen, bei der die zuvor genannten Nachteile überwunden werden. Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch das Vorhandensein einer Ausweichleitung mit einer einstellbaren Durchflußrate gelöst, wobei die Vorrichtung derart ausgebildet ist, daß ein Teil des über die Zuführleitung zugeführten Mediums direkt über das Wirbelbett gebracht werden kann und durch die über dem Wirbelbett befindlichen Öffnungen in die Rohre fließt.
  • Auf diese Weise wird eine Vorrichtung geschaffen, bei der die Menge des dem Wirbelbett zugeführten Mediums beliebig verringerbar ist, indem ein Teil der Strömung durch das Wirbelbett über die Ausweichleitung geleitet wird, d.h. es können relativ große Mengen des Mediums verarbeitet werden, ohne daß die Gefähr des Wegblasens des Wirbelbetts besteht. Es ist ferner verständlich, daß diese Merkmale als zusätzlichen Vorteil die Möglichkeit eines optimal funktionierenden Wirbelbetts bieten, indem die durch das Wirbelbett geleitete Mediummenge mehr oder weniger konstant gehalten wird. Es sei angemerkt, daß diese Lösung der zuvor beschriebenen Probleme auf der erfinderischen Erkenntnis basiert, daß die Wirbelbettpartikel eher auf die Wände der Steigrohre als auf das Medium einwirken sollten, während darüber hinaus festgestellt wurde, daß eine Verringerung der Zahl der Wirbelbettpartikel pro durchgeleiteter Mediumeinheit den gewünschten Reinigungseffekt aufhebt.
  • Weitere ausführliche Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Vorrichtung betreffend eine externe und eine interne Ausweichleitung sind in den Unteransprüchen beschrieben.
  • Ausführungsbeispiele der erfmdungsgemäßen Vorrichtung werden im folgenden unter Bezugnahme auf die zugehörigen Zeichnungen näher beschrieben. Die Zeichnungen zeigen:
  • Fig. 1 - einen Wärmetauscher mit externer Wirbelbettpartikelzirkulation;
  • Fig. 2- ein Detail der in der Vorrichtung gemäß Fig. 1 verwendeten Trennvorrichtung; und.
  • Fig. 3 - einen Wärmetauscher mit interner Zirkulation der Wirbelbettpartikel und einer Einrichtung zum Begrenzen der Durchflußrate durch das Wirbelbett.
  • Fig. 1 zeigt einen Wärmetauscher, bestehend aus einem Behälter 1, in dem eine Reihe von Steigrohren 2 angeordnet ist, welche an ihren oberen und unteren Enden in Rohrplatten aufgenommen sind. Über der oberen Rohrplatte ist ein Oberkasten 4 angeordnet, in den die Steigrohre 2 münden, während unter der unteren Rohrplatte ein Unterkasten 3 angeordnet ist, in dem eine oder mehrere Verteilerplatten 5 zum Unterstützen eines aus granularem Material bestehenden Wirbelbetts angeordnet sind. An den unteren Enden weisen die Steigrohre 2 jeweils ein Einlaßteil 6 auf, in dem Öffnungen 7 vorgesehen sind. Auf der oberen Rohrplatte oder in geringem Abstand von dieser ist eine Drosselplatte 9 angeordnet, die mit Öffnungen 8 versehen ist, welche mit den Öffnungen der Steigrohre 2 fluchten, jedoch einen Durchmesser aufweisen, der kleiner als der Innendurchmesser der Steigrohre 2 ist. Im Oberkasten 4 ist eine Auslaßöffnung 10 angeordnet, mit der eine Auslaßleitung 11 verbunden ist, während das zu bearbeitende oder zu erhitzende Medium dem Unterkasten 3 über eine Leitung 21, 21A zugeführt wird. Selbstverständlich weist der Behälter 1 zwischen der oberen und der unteren Rohrplatte einen Einlaß- und einen Auslaßstutzen zum jeweiligen Zuführen und Auslassen des Heizmediums in den Wärmetauscher und aus diesem auf. Der Wärmetauscher kann selbstverständlich auch als Kühlvorrichtung verwendet werden.
  • Der zuvor beschriebene Behälter 1 entspricht der bekannten Vorrichtung nach EP-B- 065 333, wobei die Fallrohre der bekannten Vorrichtung weggelassen wurden.
  • Das externe Rezirkulationssystem für Wirbelbettpartikel und -fluid besteht aus einer mit der Auslaßleitung 11 verbundenen Trennvorrichtung 12. Am unteren Ende der Trennvorrichtung 12 ist ein Fallrohr 15 angeordnet, dessen unteres Ende in einen Sammelbehälter 16 mündet, welcher durch eine Verteilerplatte 17 in einen unteren Abschnitt 18 und einen oberen Abschnitt 19 unterteilt ist. Der untere Abschnitt 18 ist über eine Leitung 20 mit der Zuführleitung 22 für das zu behandelnde oder zu erhitzende Medium verbunden. In der Leitung 20 ist ein Absperrventil 23 angeordnet. Der obere Abschnitt 19 des Sammelbehälters 16 ist über eine oder mehrere Leitungen 25A mit dem Unterkasten 3 des Behälters 1 zum Zuführen von Wirbelbettpartikeln aus dem Sammelbehälter 16 zurück in diesen verbunden. In jeder Leitung 25A ist ein Absperrventil 26 angeordnet. Die Zuführleitung 22 ist ferner mit dem Unterkasten 3 des Behälters 1 durch die Leitung 21, 21A verbunden.
  • In der Trennvorrichtung 12 ist ein Rohr 13 angeordnet, das mit einer Auslaßleitung 14 zum Ablühren des von dem Wärmetauscher 1 erhitzten Mediums verbunden ist. Ein Teil dieses Mediums endet, zusammen mit rezirkulierten Wirbelbettpartikeln, in dem Fallrohr 15.
  • Parallel zum Fallrohr 15 ist eine Ausweichleitung 24 mit einem Absperrventil 25 angeordnet. Die Leitung 24 verbindet das untere Ende der Trennvorrichtung 12 mit der Zuführleitung 20.
    • Betrieb der erfindungsgemäßen Vorrichtung
  • Bei eingeschalteter externer Rezirkulation - die Absperrventile 26, 23 sind offen, das Absperrventil 25 in der Leitung 24 ist geschlossen - arbeitet die Vorrichtung wie folgt: Der größere Teil des zu behandelnden Mediums, der über die Zuführleitung 22 zugeführt wird, endet über die Leitung 21, 21A in dem Einlaßkasten 3 des Behälters 1 unter der unteren Verteilerplatte 5. Das zugeführte Medium strömt durch das auf der unteren Verteilerplaffe liegende Wirbelbett, wodurch das Wirbelbett in einen fluidisierten Zustand gebracht wird. In dem und durch das Wirbelbett, wird das zugeführte Medium über die Steigrohre 2 gleichmäßig verteilt, wobei sich in den Steigrohren ebenfalls Wirbelbettpartikel befinden. Das zwischenzeitlich behandelte, erhitzte oder gekühlte Fluid endet, über die engen Öffnungen 8 in der Drosselplatte 9, zusammen mit aus den Steigrohren 2 ausgegebenen Wirbelbettpartikeln, im Oberkasten 4 und anschließend, über die Auslaßöffnung 10 und die Leitung 11, in der Trennvorrichtung 12, wobei ein Teil des behandelten Fluids über das Rohr 13 in die Leitung 14 abgesaugt wird, während Wirbelbettpartikel und ein Teil des behandelten Fluids über die Trennvorrichtung 12 in dem externen Fallrohr 15 enden und über dieses Fallrohr 15 in den oberen Abschnitt 19 des Sammelbehälters 16 geleitet werden. Über die Leitung 20 und das offene Absperrventil 23 endet ein Teil des Hauptstroms, der über die Leitung 22 zugeführt wird, im unteren Abschnitt 18 und anschließend, über die Verteilerplatte 17, im oberen Abschnitt 19. Dieser Teil des Hauptstroms nimmt die in dem oberen Abschnitt 19 vorhandenen Wirbelbettpartikel in die Leitungen 25A mit, über welche die derart rezirkulierten Partikel in dem Wirbelbett im Behälter 1 ankommen.
  • Die relevanten Prozeßparameter können auf einfache Weise an dem Fallrohr mittels bekannter Geräte gemessen werden. Wesentlich ist die Temperatur des Fallrohrs 15, der Volumendurchfluß in dem Fallrohr und die darin auftretende Druckdifferenz.
    • Abschalten des Rezirkulationssystems
  • Wenn die externe Zirkulation der Wirbelbettpartikel angehalten werden soll, wird das Absperrventil 23 in der Leitung 20 geschlossen, so daß der Hauptstrom in den Oberkasten 3 des Wärmetauschers 1 ausschließlich über die Leitung 21, 21 A geleitet wird. Die in den Steigrohren 2 durch den Hauptstrom mitgenommenen Wirbelbettpartikel sammeln sich in dem Fallrohr 15 und in dem Sammelbehälter 16, aus dem sie nunmehr aufgrund des geschlossenen Absperrventils 23 nicht ausgelassen werden. Im oberen Abschnitt 19 des Sammelbehälters 16 und im Fallrohr 15 wird ein gepacktes Bett aus Wirbelbettpartikeln gebildet. Im Verlauf der Zeit stoppt die Zirkulation der Wirbelbettpartikel. Dieser Vorgang kann beschleunigt werden, in dem nicht nur das Absperrventil 23 geschlossen, sondern auch das Absperrventil 25 geöffnet wird, sodaß ein Teil des Hauptstroms über die Leitung 24 zum unteren Ende der Trennvorrichtung 12 geleitet wird, wodurch die Wirbelbettpartikel in der Trennvorrichtung 12 zurückgehalten werden. Falls erforderlich, können auch die Absperrventile 26 geschlossen werden. Im Verlauf der Zeit fmdet die Rezirkulation der Wirbelbettpartikel nicht länger statt und der Wärmetauscher 1 arbeitet als "normaler" Wärmetauscher, wobei das zu behandelnde oder zu erhitzende Medium erhitzt wird und Schmutz sich auf der Innenfläche der Steigrohre ablagern kann, bis, nach einem durch Versuche bestimmten Zeitraum, die Rezirkulation erneut eingeschaltet wird.
  • Wenn eine ausgeschaltete Rezirkulationsvorrichtung über einen längeren Zeitraum verwendet wird, kommt es in dem Sammelbehälter 16 oder im Fallrohr 15 zu einer Komprimierung der Wirbelbettpartikel. Das derart gebildete gepackte Bett kann möglicherweise zu Problemen führen, wenn das externe Rezirkulationssystem erneut eingeschaltet wird. Um ein leichteres Abführen des gepackten Betts zu ermöglichen, kann an dem Falkohr 15 ein Schwingmotor angeordnet werden. Das Fallrohr 15 kann ferner in Durchflußrichtung geringfügig divergierend ausgebildet sein. Anstatt das Fallrohr selbst divergierend auszubilden, kann in dem zylindrischen Fallrohr 15 eine Stange angeordnet werden, die in Durchflußrichtung geringfügig konisch ist und mittels eines Motors in Schwingungen versetzt werden kann. Auf diese Weise kann bei einem dicht gepackten Bett die Inbetriebnahme der Zirkulationsvorrichtung erleichtert werden.
    • Begrenzung der Durchflußraten in dem oder durch das Wirbelbett
  • Für eine geeignete Verteilung von Fluid und Wirbelbettpartikeln über die Steigrohre 2 ist es erwünscht, ein ausreichend schweres Partikelbett zu haben, d.h. ein Wirbelbett mit einer Porosität von ungefähr 65%. Wenn der Volumendurchfluß in den Leitungen 21, 21A zunimmt, ist es möglich, daß die Mediumrate über den Verteilerplatten 5 zu hoch wird, wodurch sämtliche Partikel des Wirbelbetts von dem Unterkasten 3 weggeblasen werden. Um ein aktives Wirbelbett selbst bei großen Volumendurchflüssen aufrecht zu erhalten, wird ein Teil des Volumendurchflusses vorzugsweise über eine Ringleitung 29 geführt, die sich auf der Höhe der Einlaßteile 6 der Steigrohre 2 befindet und in der Lage ist, über eine Reihe von Verbindungspunkten einen Teil des zugeführten Volumendurchflusses zur Oberseite des Unterkastens 3 über dem Wirbelbett zu leiten. Über eine Nebenleitung 27 mit einem darin angeordneten Absperrventil 28 ist die Ringleitung 29 mit der Hauptzufhhrleitung 21, 22 verbunden. Auf diese Weise wird ein wesentlich geringerer Volumendurchfluß zu dem Unterkasten 3 geleitet, so daß ein gut verwirbeltes Bett über den Verteilerplatten 5 aufrecht erhalten werden kann und ferner eine niedrigere Eintrittsgeschwindigkeit des Mediums in die Einlaßteile 6 der Steigrohre 2 erreicht wird. Die Beschleunigung des Fluids in den Steigrohren 2 erfolgt nunmehr durch den über die Ringleitung 29 zugeführten Volumendurchfluß, der über die Öffnungen 7 in den Einlaßteilen 6 zu den Steigrohren 2 geleitet wird.
  • Es sei darauf hingewiesen, daß ein Ausweichsystem 27,28,29 mit dem gleichen Effekt in Wärmetauschern mit interner Zirkulation von Wirbelbettpartikeln verwendet werden kann, wie in EP-B-0 0650 333 beschrieben.
  • Eine Variante dieses Ausweichsystems ist in Fig. 3 dargestellt. In dem die Steigrohre 2 aufweisenden Behälter list ein Fallrohr 15' für die interne Zirkulation von Wirbelbettpartikeln angeordnet. In dem Wirbelbett ist ein internes Ausweichrohr 30 vorhanden, das ein extern betätigbares Regelventil 31 aufweist, wobei das Ausweichrohr 30 an seinem oberen Ende oberhalb des Wirbelbetts und an seinem unteren Ende in dem Unterkasten 3 unterhalb der unteren Verteilerplatte 5 endet. Auf diese Weise wird ein regelbarer Teil des Volumendurchflusses des zu behandelnden Mediums, das über die Zuführleitung 20 zugeführt wird, nicht durch das Wirbelbett geleitet, sondern direkt über die Ausweichleitung 30 von dem Unterkasten 3 zu den Einlaßteilen 6 der Steigrohre 2 geführt.
  • Wenn der Zirkulationsvorgang in dem Fallrohr 15 abgeschaltet wird, können sich Verunreinigungen, beispielsweise Kristalle aus dem Fluid oder aus den Steigrohren 2 entfernte Schmutzablagerungen, auf dem darin vorhandenen gepackten Bett ansammeln, das sich üblicherweise in die Trennvorrichtung 12 erstreckt. Es ist erwünscht, daß diese Verunreinigungen so weit wie möglich entfernt werden, auch während einer inaktiven Zirkulation in dem Fallrohr 15. Eine Möglichkeit hierfür ist in Fig. 2 dargestellt. Das in dem Falkohr 15 vorhandene gepackte Bett erstreckt sich in die Trennvorrichtung und auf diesem schweren gepackten Bett befindet sich eine Lage aus Verunreinigungen. Um diese leichtere Schicht von dem schweren Bett zu trennen, kann das Absperrventil 25 in der Leitung 24 geöffnet werden, wodurch eine Aufwärtsströmung durch das in der Trennvorrichtung 12 gebildete gepackte Bett erzeugt wird. Infolge dieser Strömung werden die relativ leichten Verunreinigungen von dem schweren gepackten Bettmaterial "gewaschen" oder es findet ein Sortiervorgang dahingehend statt, daß der leichtere Schmutz auf dem schweren gepackten Bettmaterial liegen bleibt. Das Aufbauen dieser Schmutzschicht kann durch Anordnen eines Saugrohres 30a in der Trennvorrichtung 12 verhindert werden, wobei das Saugrohr 30a vorzugsweise mit einer kleinen Pumpe verbunden ist. Gegebenenfalls kann dieser Schmutz auch unter Verwendung des Druckunterschieds in der Trennvorrichtung 12 ausgebracht werden.

Claims (3)

1. Vorrichtung zur Durchführung eines physikalischen und/oder chemischen Verfahrens, beispielsweise ein Wärmetauscher, mit einem Behälter, der mit aufwärts gerichteten Rohren versehen ist, die an ihren oberen und unteren Enden in Rohrplatten aufgenommen sind und in offener Verbindung mit einem Oberkasten und einem Unterkasten stehen, wobei im Unterkasten mindestens eine Verteilerplatte zur Unterstützung eines aus kornigem Material bestehenden Wirbelbetts angeordnet ist, das durch ein über eine Speiseleitung zugeführtes, zu behandelndes bzw. erhitzendes Medium in einem quasi-stationären Wirbelzustand gehalten werden kann, welches Medium über die in und über dem Wirbelbett mit Öffnungen versehenen Rohre in den Oberkasten strömen kann, wahrend Wirbelbettpartikel mitgerissen werden, welche Vorrichtung ferner mit Mitteln zur Zurückführung von Wirbelbettpartikeln vom Oberkasten zum Unterkasten versehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß eine Umlaufleitung (27, 28, 29) mit einstellbarer Strömungsgeschwindigkeit vorgesehen ist, und zwar derart, daß ein Teil des über die Speiseleitung (21) zugeführten Mediums direkt über das Wirbelbett gebracht werden kann und durch die sich über dem Wirbelbett befindenden Öffnungen (7) in die Rohre (2) strömen kann.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Speiseleitung (21) sich in eine in den Unterkasten (3) unter der unteren Verteilerplatte (5) mündende Leitung (21A) und eine an eine den Unterkasten (3) des Behälters (1) umgebende Ringleitung (29) angeschlossene schließbare Ausweichleitung (27, 28) teilt, welche Ringleitung (29) einen Teil des zu behandelnden Mediums über eine Reihe von Anschlußpunkten dem oberen Ende des Einlaßkastens (3) über dem Wirbelbett zuführen kann.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im Innern des Behälters (1) eine interne Ausweichleitung (30) mit einem extern wirksamen Steuerbventil (31) angeschlossen ist, deren offenes oberes Ende sich über dem Wirbelbett befindet, während das offene untere Ende sich im Unterkasten (3) unterhalb der unteren Verteilerplatte (5) befindet.
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