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Rücklaufkondensator und Verdampfer eines Zweisäulenapparates für die
Zerlegung verflüssigter Gase Gunt Zerlegen verflüssigter Luft in Sauerstoff und
Stickstoff @#-i rd allgemein der sog. 7###e1sätilenapparat angeblendet. Er besteht
aus zwei IZektitiziersäulen, \%,elche unmittelbar übereinander angeordnet' sind.
1)ie untere Säule arbeitet mit Überdruck, weshalb sie Hochdrucksäule genannt wird,
und die obere Säule heißt \ iederdrucksäule, weil sie unter :ltniospliärendrtick
steht. Diese I)ruckabstufnng gestattet, den Dampf, der am Kopfe der Hochdruckkolonne
als Stickstoff entweicht, zur Verdampfung des Sauerstoffes am Fuße der Niederdrucksäule
zii verwenden. Matt gelangt damit zu einer der genialsten Lösungen auf dem Gehiete
der W,irmeaustauscbapparate, indem der Rücklaufkondensator der Hochdrucksäule, in
welchem der dampfförmige Stickstoff kondensiert werden muß, gleichzeitig die Destilliereinrichtung
der Niederdrucksäule darstellt.
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Die konstruktive Gestaltung dieses Wärmeaustauschers ist in Bild r
schematisch gezeigt. In den Rohrböden a und b sind die Wärmeaustauschrollte c befestigt.
Über dem Rohrboden b ist zur :11)schließung des Stickstoffraumes gegenüber dem Sauerstoffraum
ein Deckel d angeordnet. Der Mantel der Hochdrucksäule ist mit e und der Mantel
der Niederdrucksäule mit f bezeichnet. Der Stickstoffdampf strömt von unten in das
Innere der Rohre und kondensiert dort. Das Kondensat tropft
aus
den Rohren in die Hochdrucksäule zurück. Außen sind die Rohre von flüssigem Sauerstoff
umgeben, dessen Siedetemperatur unter Beachtung der Drücke tiefer liegt als die
Kondensationstemperatur des Stickstoffes. Deshalb siedet der Sauerstoff, dessen
Dämpfe in die Niederdruckkolönne hochsteigen. Diese weitverbreitete Anordnung hat
zwei Nachteile: Der in die Rohre strömende Stickstoffdampf hindert das gebildete
Kondensat am Abströmen. Ferner hat der flüssige Sauerstoff auf der Außenseite der
Rohre keinen Umlauf, welcher für die Erzielung hoher Wärmedurchgangszahlen erforderlich
ist und deshalb bei anderen Destilliereinrichtungen stets verlangt wird. Diese beiden
Nachteile werden mit einem Schlage vermieden, wenn der Wärrneaustauscher so umgedreht
wird, daß man den Aufbau des Bildes 2 erhält. Nunmehr befindet sich der Stickstoff
außerhalb der Rohre und der Sauerstoff in den Rohren. Damit diesem der Selbstumlauf
ermöglicht wird, ist zwischen den beiden Rohrböden a und b nach dem
Vorbilde des bekannten Robert-Verdampfers in der Mitte ein weites Fallrohr angeordnet.
Durch dieses kann die Flüssigkeit nach unten fallen und in den engen Rohren c infolge
der Beheizuug nach oben sich bewegen. Der Stickstoff kann jetzt innerhalb des Mantels
f der Hochdrucksäule allseitig auf der Außenseite der Rohre zuströmen, während der
Sauerstoffdampf in die Niederdruckkolonne mit dem Mantel e hochsteigt. Aber auch
diese Bauweise hat noch schwerwiegende Nachteile.
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"Zunächst ergibt sich infolge der großen erforderlichen Rohrlänge
von beispielsweise 2 m eine große Manteloberfläche, die sich in Kälteverlusten und
in damit verbundenen hohen Energieverbräuchen ausv"irkt. Die Wärmeaustauschfläche
und die Rohrlängen sind aber bedingt durch die Wärmeübergangszahlen auf beiden Seiten
der Rohre. Ausschlaggebend ist dabei die Wärmeübergangszahl auf der Seite des flüssigen
Sauerstoffes. Sie wird nur dann groß, wenn ein starker Flüssigkeitsumlauf in den
Rohren stattfindet. Es ist jedoch bekannt, claß dieser nur dann sich einstellt,
wenn die Temperaturverteilung so liegt, daß sich bereits im unteren Teil der Rohre
Dampfblasen bilden, welche nach dem Prinzip der Mammutpumpc die Flüssigkeit nach
oben fördern. Bei der Luftzerlegung liegt aber in bezug auf die Voraussetzungen
für einen Flüssigkeitsumlauf ein einmaliger Sonderfall vor, den zu erkennen für
die Beseitigung der genannten Nachteile entscheidend ist. Bei den allgemein angewendeten
Rohrlängen -ist in den senkrechten Rohren ein Umlauf nicht gewährleistet. Das gesamte
Temperaturgefälle ist nämlich sehr klein. Es beträgt bekanntlich rund 4° C, so daß
ein Teil- !, gefälle zwischen innerer Rohrwand und Flüssigkeit von etwa 2° C in
Frage kommt. Im unteren Teil der Rohre steht aber die Flüssigkeit nicht unter dem
Druck im Dampfraum über der Flüssigkeit, sondern unter einem Druck, welcher der
Summe aus dem Dampfraumdruck und dem statischen Druck der Flüssigkeitssäule zwischen
dem unteren Teil der Rohre und Fl,üssigkeitsoberfläche gleich ist. Bei einer Höhe
von 2 m ergibt sich eine Erhöhung der Siedetemperatur von rund 2,4° C. Aus ihr und
dem genannten Teilgefälle geht hervor, daß die Dampfblasenbildung im unteren Teil
der Rohre, welche für den Flüssigkeitsumlauf Bedingung ist, nicht zustande kommt.
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Gegenstand der Erfindung ist eine Einrichtung, mit welcher es möglich
ist, diesen Nachteil unter Beibehaltung der äußeren zylindrischen Form des Zweisäulenapparates
zu vermeiden und gleichzeitig die Bauhöhe sowie die Apparateoberfläche zu verringern.
Sie besteht darin, daß die Rohre spiralig gebogen und deren Enden mit den Rohrböden
befestigt werden. Bild 3 zeigt den Wärmeaustauscher gemäß der Erfindung, in welchem
die erwähnten Spiralrohre mit c bezeichnet und der verständlichen Darstellung wegen
in geringer Zahl wiedergegeben sind: Der Boden a und der Boden
b mit dem Deckel d sind jetzt in einem Abstand angeordnet, der durch die
Länge des Fallrohres g gegeben ist. Er kann beispielsweise ein Fünftel des ursprünglichen
Wertes von 2 m betragen, so daß die Erhöhung der Siedetemperatur im unteren Teil
der Rohre von 2,1q.° C auf o,3° C erniedrigt wird. Damit ist aber die Dampfbildung
sichergestellt und däs Aufsteigen des Dampf-Flüssigkeits-Gemisches in den Spiralrohren
c gewährleistet. Nur dadurch wird bekanntlich die hohe Wärmeübergangsza'hl erzielt.
Es kommt hinzu, daß durch die Erniedrigung des statischen Flüssigkeitsdruckes auch
das für die Wärmeübertragung wirksame Temperaturgefälle zwischen innerer Rohrwand
und Flüssigkeitsmasse erhöht wird, weil letztere vor allem im unteren Teil der Rohre
weniger überhitzt wird. Damit ist die Vergrößerung der Wärmedurchgangszahl und durch
sie eine Verkleinerung der Wärmeaustauschfläche sowohl durch die Erhöhung der Umlaufgeschwindigkeit
als auch des wirksamen Temperaturgefälles bedingt.
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In Bild 3 bedeuten e und f wieder die zylindrischen Mäntel der Niederdruck-
und Hochdrucksäule. Bei einer Vergrößerung des Durchmessers des zylindrischen Mantels
um die spiraligen Rohre über denjenigen des Säulendurchmessers hinaus ist zu bedenken,
daß der Querschnitt der Säule mit dem Quadrat des Durchmessers, die Zylinderoberfläche
aber nur mit der ersten Potenz des Durchmessers wächst. Die Erniedrigung des Abstandes
der Einwalzböden ist also vor allem schon im Hinblick auf die Kälteverluste von
Vorteil.
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Es ist grundsätzlich möglich, auch mit senkrecht angeordneten geraden
Rohren den Umlauf sicherzustellen, indem deren Länge entsprechend klein, z. B. ein
Fünftel der üblichen Länge von 2 m gewählt 'wird und die Rohre selbst in die Böden
a und b (s. Bild 2) eingesetzt werden. Dabei ergeben sich aber im Vergleich zu den
Spiralrohren gemäß Bild 3 zwei Nachteile: Die Zahl der Verbindungsstellen zwischen
Boden und Rohr wächst auf ein Vielfaches und damit auch die Möglichkeit zu Undichtheiten.
Ferner ist die Geschwindigkeit, mit welcher die Flüssigkeit in und durch die schrägspiraligen
Rohre
in geringerer Zahl strömt, größer als diejenige in den kurzen und senkrechten Rohren
in größerer Anzahl. Von diesem Vorteil wird beim Bau von Verdampfapparaten in der
chemischen Industrie mittels langer schräg liegender gerader Rohre selbst dann Gebrauch
gemacht, wenn genügend große Temperaturgefälle für den Umlauf zur Verfügung stehen,
so daß die Flüssigkeit im unteren Teil der Rohre auch dann zum Sieden kommt, wenn
die gleich langen Rohre senkrecht angeordnet wären. Die Übertragung der schrägen
langen Rohre auf den Sonderfall kleinster Temperaturgefälle bei der Luftzerlegung,
wo bei der Anordnung senkrechter langer Rohre in deren unterem Teil die Flüssigkeit
nicht siedet, wäre bereits fortschrittlich und erfinderisch. Indessen würden die
schriigen geraden Rohre in der Kältetechnik zu einer Vergrößerung der Apparateoberfläche
führen. Deshalb liefert der weitere Schritt zu den Spiralrohren die beste Lösung.
Aber auch die Anwendung senkrechter kurzer Rohre beim Sonderfall kleinster Temperaturgefälle
bei der Luft- oder Gaszerlegung zum Zweck des Erzwingens des Siedens derFlüssigkeit
im unteren Teil der Rohre führt zu bisher unbekannten Vorteilen. Aus den angeführten
Zahlen ist zu schließen, daß diese Vorteile praktisch ins Gewicht fallen, wenn die
Rohrlänge i m nicht übersteigt.