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Wärmeaustauscher für unter Druck stehende Wärmeaustauschmittel zur
Durchführung chemischer Prozesse Es ist bei Wärmeaustauschern zur Durchführung chemischer
Prozesse bekannt, die einzelnen Elemente in Form von Blechtaschen auszubilden, die
von dem einen Wärmeaustauschmittel durchströmt werden, während außen das andere
Wärmeaustauschmittel geführt wird. Man baut in diesem Falle die Elemente, die die
Form von flachen, rechteckigen Taschen haben, in gleichmäßigen "Zwischenräumen auf
und umschließt diese durch einen leichten Blechkörper, der das zweite Wärmeaustauschmittel
führt. Die Verwendung derartiger Apparate ist jedoch auf Wärmeaustauschmittel beschränkt,
die im wesentlichen ohne Druck arbeiten. Bei Druckunterschieden zwischen den beiden
Wärmeaustauschmitteln stößt diese Bauart auf Schwierigkeiten, weil die Taschen zu
schwer «-erden und auch die Wände der sie umgebenden Kammern versteift werden müssen,
und zwar um so mehr, je größer die wärmeaustauschenden Flachen ausgebildet werden.
Die vorliegende Erfindung bezweckt daher, einen Wärmeaustauscher für unter Druck
stehende Wärmeaustauschmittel zur Durchführung chemischer Prozesse, die mit einer
Aufheizung oder Abkühlung von' Gasen oder Dämpfen verbunden sind, z. B. für Kontaktöfen
zur Synthese von Kohlemwasserstoffen, wie Benzin, Paraffin u. dgl., zu schaffen.
Sie besteht darin, daß Wärmeaustauschelemente in Form von das eine Wärmeaustauschmittel
(Kühlwasser) führenden, nebeneinanderliegenden flachen Taschen mit gekrümmten Wärmeaustauschwänden
von einem Innenzylinder, in welchem sich das eine Wärmetaustauschmittel (Kühlwasser)
befindet, ausgehen und außen von einer Kammer in Form eines zvlindrischen Kessels
begrenzt werden.
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Wärmeaustauscher mi t gekrümmten Wär meaustauschwänden sind bekannt.
Diese sind ringförmig ausgebildet und konzentrisch zueinander gelagert. Die Erfindung
hat gegenüber diesen bekannten Wärtneaustauschern
den Vorteil, daß
sämtliche Taschen von cinern Raum, der in der '-Mitte angeordnet ist, zugänglich
sind und mit dem Wärmeaustauschmittel gleichzeitig beschickt werden können. Außerdem
sind bei der Erfindung sämtliche Taschen von gleicher Breite ausgebildet, während
bei den bekamiten Wärmeaustauschern infolge der konzentrischen Ineinanderordnung
die äußeren Taschen einen größeren Umfang und deswegen einen größeren Ouerschnitt
besitzen als die inneren Taschen. Auch ist es wesentlich, daß bei der Erfindung
das Gegenstromprinzip Anwendung finden kann. Bei den bekannten Einrichtungen dagegen
wird das Gleichstrom- oder Querstromprinzip angewendet.
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Bei der Einrichtung nach der Erfindung kann die Krümmung der Taschen
verschieden sein und ihre Anordnung so erfolgen, daß die mit der geeigneten Krümmung
versehenen Wände über-all um den gleichen Abstand von der benachbarten Taschenwand
abstehen. Letzteres ist besonders für Wärmeaustauscher wesentlich, bei denen es
nicht allein auf die Erhöhung oder Erniedrigung der Temperatur als solche ankommt,
sondern bei denen das Abkühlen oder Aufheizen einen Teil eines chemischen Prozesses
bildet, wie er beispielsweise bei Kontaktöfen zur Synthese von Kohlenwasserstoffen,
wie Benzin, Paraffin u. dgl., vorkommt. Solche Prozesse erfordern einen genau umgrenztenTemperaturaustausch.
bei dem die Gleichmäßigkeit der Gasabkühlung, deren Geschwindigkeit und der staufreie
Vorgang eine wesentliche Rolle spielen, die für das Endprodukt eine ausschlaggebende
Bedeutung hat. Aus diesem Grunde werden gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung
die Taschen, von dem Innenzylinder ausgehend, nach Evolv enten geformt ausgebildet
und in der vom anderen Wärmeaustauschrnittel bespülten Kammer so zueinander angeordnet,
daß jede ihrer den Wärmeaustausch vermittelnden Flächen überall den gleichen Abstand
von der benachbarten Taschenwand hat. Dadurch ergeben sich sowohl in den Taschen
als auch in ihren Zwischenräumen für jedes Wärmeaustauschmittel gleichbleibende
Querschnitte für alle durchgelegten achspara11eleir Ebenen und in allen I3öhenlagen
sowie ein raumsparender Gesamtaufbau des Wärmeaustauschers in Form eines druckfesten
Kessels mit angesetzten gewölbten Böden. Letztere enthalten die Zu- und Ableitungsräume
für die beiden Wärmeaustauschmittel, ermöglichen das Ausbauen der Taschen, und besonders
wesentlich ist eine leichte Erneuerung der für die Synthese zwischen den Taschen
einzufüllenden Kontaktmasse, Die Zeichnungen stellen ein für die Benzinsynthese
bestimmtes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung mit Evolventen gebogenen
Taschen in einer kesselförmigen Kammer dar, und zwar zeigen Abb. i eine schematische
Darstellung eines Längsschnittes durch den Wärmeaustauscher, Alb. a einen durch
die Taschen geführten Ouerschnitt zur Darstellung nach Abb. i, Abb.3 einen vergrößert
herausgezeichneten Teil des Schnittbildes nach Abb. a, Abb.:I eine abgeänderte Ausführungsform
der Taschenversteifung im Schnitt.
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Der Wärrneaustauscher besteht aus dein die Kammer bildenden zylindrischen
Kessel i, der unten zu einem druckfesten Boden z gewölbt ist, an dem sich die Abzugs-
und Reinigungsöffnungen befinden, von denen die letztere durch einen Deckel 3 verschließbar
ist. Oben wird der Kessel i durch einen mittels der Flanschen 5 abschraubbaren Deckelboden
gasdicht abgeschlossen, der oben eine verschließbare öffnung6 für den zylindrischen
Stutzen 7 besitzt, durch den das als Kühlmittel dienende Wasser ein- und nachgefüllt
wird. Der übrige Raum S des Bodens .1, welcher den Sammelraum für das dein Wärmeaustauscher
zugeführte Gas bildet, ist mit entsprechenden Zuführungsanschlüssen versehen, welche
das Gas in diesen kauen leiten, von wo aus es durch den mittleren, die Wärmeaustauschelemente
enthaltenden Teil des Kessels i nach unten strömt. Der Kessel z und die Böden z,
4 sind entsprechend den jeweiligen Druckverhältnissen geformt und bemessen.
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Die Wärmeaustauschelemente werden durch eine Reihe von nebeneinander
angeordneten Taschen gebildet, welche aus je zwei parallel verlaufenden zylindrischen
Blechen i@i und 1 2 (Abb. 3) bestehen, deren Erzeugende parallel zur Kesselachse
verläuft. Der zwischen den Blechen i i und 12 befindliche Hohlraum 13 wird an den
äußeren Enden und an der Ober-und Unterseite durch ein eingeschweißte Flacheisenstück
1I verschlossen. Das Flacheisenstück 14 liegt hierbei etwas innerhalb der Außenkante
der Bleche 11, 1?, so daß einfach der dadurch gebildete U-förmige Eirschnitt mit
dein Schweißmaterial 15 ausgefüllt zu werden braucht. Flacheisen dieser Art sind
beim dargestellten Wärmeaustauscher an den äußeren seitlichen Enden der Taschen
io und oben und unten vorgesehen. An den inneren seitlichen Enden sind die Taschenbleche
11, 12 nach den benachbarten Taschen io abgebogen (Teile 16), mit deren Blechen
fest verbunden (Schweißnaht 17), so daß durch die Bleche aller Taschen io im Innern
der Kamrnern i ein Hohlraum IS gebildet wird, welcher mit den Taschenräumen 13 in
Verbindung steht und das die Gase abkühlende Wärmeaustauschmittel (Kühlwaser) enthält.
Der Hohlraum i,' ist unten durch einen Boden
19 gegen den
Kesselraum abgeschlossen und steht oben mit dem vorhin beschriebenen Ein-und Nachfüllstutzen7
in Verbindung, welcher mittels eines Flansches 2o die obere Öffnung des Wasserraumes
18 abdeckt. Die Verbindung dieses Raumes 18 mit den Taschenräumen 13 ist nicht die
ganze Taschenhöhe durchgehend offen, vielmehr werden die Innenseiten der Taschen
io im mittleren - Teil durch angeschweißte Flacheisen 2o' gegen den Wasserraum 18
abgedeckt, so daß nur am oberen und am unteren Ende jeder Tasche io eine Übertrittsöffnung
2 1 für das Kühlwasser verbleibt. Dieses entwickelt infolge der Temperaturunterschiede
einen selbsttätigen Umlauf, bei dem das Wasser in den Taschenräumen 13 aufsteigt,
oben in den Wasserraum 18 eintritt, in diesem fällt und unten durch die Öffnungen
2i wieder in die Taschen io eintritt. Die verbrauchten Wassermengen können durch
das Rohr 7 nachgefüllt werden, desgleichen kann auch der Boden i9 mit Ableitungsrohren
versehen sein.
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Die Form des Hohlraumes 18 ist entsprechend der Form der Kammer i
zylindrisch, so daß alle Taschen io von gleicher Länge ausgebildet werden können.
Die Wände i i und 12 der Taschen io sind so zueinander angeordnet, daß gleiche Querschnitte
in der Durchgangsrichtung sich ergeben, so daß man an allen achsparallelen Schnitten
der Wand mit einer gleichen Wärmeaufnahmefähigkeit des eingeschlossenen W ärmeaustaüschmittels
rechnen kann. Um dabei auch den Abstand der- Erzeugenden der Taschenwände i i bzw.
12 von den Wänden 12 bzw. i i der benachbarten Taschen io gleichzuhalten, sind diese
nach Evolventen gebogen, welche vom Hohlraum i8 als Grundkreis dieser Kurven ausgehen,
also einen annähernd radialen Wasserein- und -austritt vom Hohlraum 18 zu den Taschen
io ergeben und sich bis zur Kammer-oder Kesselwand i erstrecken. Diese Sonderform
der die Taschen versteifenden Krüminung ergibt daher auch in den Taschenzwischenräumen
22 gleiche Abstände der Wände i i, 12 in den einzelnen achsparallelen Tangentialebenen,
so daß Wärmestauungen an einzelnen Stellen vermieden -werden. Die Zwischenräume
22 werden für den hier vorliegenden Prozeß der Synthese von Kohlenwasserstoffen
mit einer den Umwandlungsvorgang beeinflussenden Kontaktmasse ausgefüllt, durch
welche das wärmeabgebende Mittel strömt und für die es ebenfalls wesentlich ist,
daß übermäßige örtliche Temperaturerhöhungen vermieden werden. Die Kontaktmasse
wird bei abgenommenem Deckel q. oben eingefüllt und am unteren Ende der Taschen
io durch verstellbare Klappen gehalten. Die Klappen lassen dem Gas freien Durchzug
und «-erden beim Erneuern der Kontaktmasse geöffnet, so daß die verbrauchte Kontaktmasse
in den Bodenraum fallen und durch die öffnung des Deckels 3 entfernt werden kann.
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Der gleichmäßige Fluß in den Taschenhohlräumen 13 kann noch durch
eingelegte Drähte oder Drahtgewebe gefördert werden, welche in der Strömungsrichtung
angeordnet werden. Die beiden Wärmeaustauschmittel stehen je nach Art des chemischen
Prozesses und nach dem gewünschten Endprodukt unter mehr oder weniger großen Drücken,
und zwar werden die Drücke in der Regel verschieden sein, zumal der in den Taschen
io auftretende Druck, der sehr erheblich sein und den Gasdruck übersteigen kann,
wegen der Dampfbildung nicht unerhebliche Ausmaße erreicht. Bei größeren Druckunterschieden
zwischen den Räumen der beiden Wärmeaustauschmittel, für welche die Festigkeit der
gekrümmten Wände nicht mehr ausreichend erscheinen, erhalten daher diese noch zusätzliche
Versteifungen, von denen eine in Abb. 4 dargestellt ist. Hierbei wird die Druckfestigkeit
der Taschen io durch an beiden Blechen i i und 12 eingepreßte Buckel 23 und 24 erhöht,
welche an den Innenseiten aufeinanderliegen und dort durch elektrische Widerstandsschweißung,
Punkt 25, miteinander verbunden werden. Für den Fall, daß für bestimmte Vorgänge
eine durch diese Buckel hervorgerufene stellenweise Anhäufung von Material und Kontaktmasse
den Ablauf des Prozesses beeinträchtigen würde, kann die in Abb. 3 angedeutete Anordnung
getroffen werden, bei der in die Taschenzwischenräume 22 Wellbleche 26 von besonders
druckfester Wellenform (vgl. die Darstellung in. Abb. 3) eingelegt werden, deren
Erzeugende parallel zur Strömungsrichtung der Gase liegt, die sich zweckmäßig über
die ganze Taschenhöhe erstreckt. Die Wellbleche 26 werden durch die Krümmung der
Taschen gespannt und sitzen in dieser Lage in den Masseräumen 22 fest. Auch die
Verfestigung der Taschen io gegen äußere Drücke kann auf diese Weise vorgenommen
werden; deren Wellbleche 27 dürfen jedoch nur so lang sein, daß oben und unten Räume
in den Taschen io in Höhe der Ein- und Austrittsöffnungen 2 i zum zylindrischen
Hohlraum 18 frei bleiben, wobei zur Erhaltung der Höhenlage ein Anheften der Wellbleche
27 an die Taschenwände i i, 12 zweckmäßig ist. An Stelle der Trägerwellbleche 26,
27 können auch andere Konstruktionselemente, z. B. gasdurchlässige Geflechte aus
Rund- und Profildrähten, verwendet werden, falls die Unterteilung des Raumes 26
durch abgeschlossene Vollbleche für die Durchführung des Abkühlungsprozesses nachteilig
ist.