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Vorrichtung zum Wärmeaustausch Die chemische Technik steht häufig
vor der Aufgabe, Gase und Flüssigkeiten, die alle oder zum Teil korrodierend wirken,
unter Wärmezu- oder -abführung in einen chemischen oder physikalischen Austausch
zu bringen. Ein bekanntes Beispiel hierfür ist die Absorption gasförmiger Salzsäure
durch Wasser. Zur Lösung dieses Problems sind bereits viele Wege vorgeschlagen und
teils auch praktisch beschritten worden. So sind bereits Salzsäurekühler, welche
die hohe Wärmeleitfähigkeit des flüssigkeitsdicht gemachten Graphits ausnutzen,
vorgeschlagen worden, die aber bisher nur in der Form von Schlangenkühlern, sogenannten
Kaskadenkühlern, und von einheitlichen Rohrbündelkühlern benutzt wurden.
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Es wurde gefunden, daß sich ein besonders wirksamer Kühler für die
Salzsäureabsorption und ähnliche mit einem Wärmeaustausch verbundene Vorgänge herstellen
läßt, wenn man bei einer aus Rohrbündeln in mehreren Einzelschüssen bestehenden
Kolonne aus gas- und flüssigkeitsdichtem Graphit den flüssigen Anteil des zu kühlenden
bzw. zu erwärmenden Systems durch einen am oberen Ende jedes Einzelschusses angebrachten
Boden und durch schlitzförmige Öffnungen, die an jedem, oben verschlossenen Kühlerrohr
oberhalb dieses Bodens seitlich angebracht sind, über den Querschnitt jedes einzelnen
Schusses gleichmäßig verteilt.
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Ein solcher Kühler besteht aus mehreren kurzen, übereinander angeordneten,
als Rohrbündelaustauscher gestalteten Schüssen; in der als Prinzipskizze ausgeführten
Abb, i sind nur zwei Rohrbündelschüsse A und B dargestellt. Die oberen Enden der
einzelnen
Rohre j edes Schusses sind so ausgebildet, daß das am Kopf der Säule bei C zugegebene,
der Absorption der Salzsäure dienende Wasser die Innenwände der Kühlerrohre gleichmäßig
als dünner Film benetzt. Es ist dabei Vorsorge getroffen, daß die aus den oberen
Schüssen ablaufende Flüssigkeit nicht unmittelbar in die Kühlerrohre der darunterliegenden
Schüsse fließen kann, sondern sich jeweils auf den oberen Rohrböden bei D und E
der Einzelschüsse sammelt und von da wieder gleichmäßig über die gesamten Rohre
verteilt. Diese gleichmäßige Verteilung sowie die filmartige Ausbildung der gesamten
herabrieselnden Flüssigkeit auf der Innenwandung der Rohre wird dadurch erreicht,
daß man zur Verhinderung des freien Durchfallens der Flüssigkeitstropfen auf die
oberen Rohrenden Abschlußdeckel F aufsetzt und in die oberen Rohrenden eingekerbte,
zweckmäßig ausgestaltete Verteilerschlitze G vorsieht, von denen mehrere auf dem
Umfang jedes einzelnen Kühlerrohres angebracht sind. Auf diese Weise wird ein optimaler
Energieaustausch zwischen der behandelten Flüssigkeit und dem Kühlwasser erzielt.
Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, die schlitzförmigen seitlichen Öffnungen der
Einzelrohre gemäß Abb. 2 so zu gestalten, daß sie nicht einfache keilförmige Schlitze
darstellen, sondern daß sich an das untere Ende der keilförmigen Einbuchtung L eine
rechteckige Aussparung M anschließt.
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Es empfiehlt sich, die Berührung zwischen dem zu absorbierenden Gas
und dem Flüssigkeitsfilm, besonders in den Teilen der Apparatur, in denen die Konzentration
des Gases bereits niedrig geworden ist, dadurch inniger zu gestalten, daß man Füllringe,
deren Abmessungen im Verhältnis zum Rohrquerschnitt größer als üblich sind, von
denen z. B. ein Ring in Querlage etwa den Querschnitt eines Rohres ausfüllt, in
das Innere der Rohre einfüllt, wie bei A gezeigt ist. Diese Füllringe leiten durch
Umlenkung und Wirbelung die Gase zur Wand hin. Wie Versuche gezeigt haben, wird
diese Wirkung erzielt, ohne daß der Flüssigkeitsfilm in nennenswertem Maße durch
die Füllringe ins Innere des Rohres abgelenkt wird. Wie das Verhältnis zwischen
den Schüssen mit und ohne Füllringfüllung gewählt wird, hängt hierbei von dem Gehalt
an nicht absorbierbaren Gasen, von dem zur Verfügung stehenden Druckgefälle und
ähnlichen Faktoren ab.
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Das Gas kann sowohl im Gleichstrom als auch im "Gegenstrom zu der
Flüssigkeit geführt werden. In jedem Falle sorgen die zwischen den einzelnen Rohrschüssen
befindlichen Zwischenräume in. Verbindung finit den Schlitzen G und den Deckeln
F an den oberen Enden der einzelnen Kühlerrohre für eine gleichmäßige Verteilung
des Gases, das z. B. beim Arbeiten im Gegenstrom am unteren Ende der Kolonne bei
H eintritt.
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Das Kühlwasser kann durch die einzelnen Schüsse entweder in Hintereinander-
oder in Parallelschaltung geleitet werden.
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Die Verhältnisse, wie sie am Beispiel der Salzsäurekühler geschildert
wurden, treten bei einer großen Anzahl anderer Prozesse, bei denen Gas und Flüssigkeit
unter Wärmeentwicklung oder Wärmebindung in Wechselwirkung treten, auf. Soll die
Anordnung zui Erwärmung von, Flüssigkeiten, die mit Gasen reagieren sollen, dienen,
so muß in den äußeren Mantel an Stelle des Kühlwassers Dampf oder eine Heizflüssigkeit
eingeleitet werden.
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Der als Werkstoff für die beschriebene Anordnung benutzte gas- und
flüssigkeitsdichte Graphit wird durch eine an sich bekannte Imprägnierung mit Kunstharzen,
insbesondere solchen auf Phenol-Formaldehyd-Basis, erhalten. Er ist seiner guten
Bearbeitbarkeit, seiner Korrosionsbeständigkeit und seiner hohen Wärmeleitzahl wegen
besonders für die vorliegenden Zwecke geeignet.
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Es sind schon Anordnungen von Rohrbündelkühlern, die aus Einzelschüssen
aus Porzellan bestehen, vorgeschlagen worden; diese unterscheiden sich aber von
der Anordnung gemäß der Erfindung grundsätzlich dadurch, daß bei ihnen die gleichmäßige
Verteilung der herabrieselnden Flüssigkeit über den Kühlerquerschnitt und die Ausbildung
des fallenden Filius über sämtliche Einzelrohre bei der dort gewählten Formgebung
nicht möglich ist.
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Es sind ferner aus Einzelschüssen bestehende Rohr-Bündelschüsse an
sich bekannt, welche jedoch gleichfalls, entsprechend ihrem andersartigen Verwendungszweck,
nicht für die gleichmäßige Verteilung einer herabrieselnden Flüssigkeit über den
Rohrbündel querschnitt und die Ausbildung des fallenden Films über sämtliche Einzelrohre
eingerichtet sind.
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Es sind zwar einzelne Elemente der Kombination, aus denen sich die
erfindungsgemäß vorgeschlagene Vorrichtung zusammensetzt, bekannt. Jedoch erzielt
man die vorteilhaften Wirkungen insbesondere hinsichtlich des Wärmeaustausches erst
mit der Kombination, wie sich aus den folgenden beiden Beispielen ergibt.
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Beispiel i Anordnung: Die Graphitapparatur besteht aus vier übereinandergestellten
Rohrbündelschüssen mit je 1,5 m2 Kühlfläche (insgesamt 6 m2 Kühlfläche) nebst zugehörigem
Ober- und Unterteil für die Zu- und Abführung der beteiligten Gase und Flüssigkeiten.
Die HCl-Gase werden, über das Unterteil eintretend, im Gegenstrom zu dem über das
Oberteil aufgegebenen Absorptionswasser geführt. Die Fertigsalzsäure wird über das
Unterteil abgezogen.
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Kennwerte: HCl Gehalt der zu absorbierenden Gase -94,2 Volumprozent
HCl, Eintrittstemperatur der HCl-Gase 78,5°, Eintrittstemperatur des Kühlwassers
2o°, Konzentration der Fertigsalzsäure 35 Gewichtsprozent 'H Cl, Temperatur der
Fertigsalzsäure bei Austritt aus dem Kühler 52°.
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Erzielte Leistung: 274oo kg Fertigsalzsäure finit 35 Gewichtsprozent
HCl pro Tag bzw. g 6oo kg H Cl (ioo°/oig) pro Tag bzw. 66,7 kg HCl (ioo°/oig) pro
Stunde j e Quadratmeter Kühlfläche.
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Beispiel 2 Anordnung: Wie in Beispiel i; jedoch mit dem Unterschied,
daß die eine lichte Weite von 37 nun besitzenden Rohre des obersten Rohrbündelschusses
mit
in Querlage angeordneten Füllringen von 25 mm Länge und 25 mm Außendurchmesser gefüllt
sind.
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Kennwerte: HCl-Gehalt der zu absorbierenden Gase g1 Volumprozent HCl,
Eintrittstemperatur der HCl-Gase 30°, Eintrittstemperatur des Kühlwassers 14°, Konzentration
der Fertigsalzsäure 37,5 Gewichtsprozent HCl, Temperatur der Fertigsalzsäure bei
Austritt aus dem Kühler 3g°.
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Erzielte Leistung: 30100 kg Fertigsalzsäure mit 37,5 Gewichtsprozent
H Cl pro Tag, bzw. 1129o kg HCl (ioo%ig) pro Tag bzw. 78,4 kg HCl (ioo%ig) pro Stunde
je Quadratmeter Kühlfläche.