DE952099C - Vorrichtung zur Kuehlung suspensionshaltiger Gase unter gleichzeitiger Agglomeration der in ihnen suspendierten Teilchen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine auf dem Prinzip der Drehtrommel bestehende Vorrichtung zur Kühlung suspensionshaltiger Gase unter gleichzeitiger Agglomeration der in ihnen suspendierten feinen Teilchen. Insbesondere betrifft sie eine Vorrichtung zur Kühlung von Reaktionsgasen, wie sie bei der pyrogenen Herstellung von Metalloxyden aus flüchtigen Metallen oder Metallverbindungen entstehen.

Es ist bekannt, daß die Kühlung solcher suspensionshaltiger Gase und die Ausscheidung und Abscheidung der Suspension aus den Gasen große technische Schwierigkeiten bereitet. Als Beispiel für derartige Reaktionsgase seien genannt: Die Reaktionsgase der Herstellung von ZnO durch Verbrennung von Zinkdampf mit Luft und die chlorhaltigen Reaktionsgase der pyrogenen Zersetzung von Titanchloriddampf mit Sauerstoff. Da die Reaktionstemperaturen bei solchen Prozessen in der Nähe von 1000⁰ C und höher liegen, erhält man als unmittelbares Reaktionsprodukt ein sehr heißes und stark staubhaltiges Gas. Dieses Gas muß, bevor das feste suspendierte Produkt aus ihm gewonnen werden kann, zuerst abgekühlt werden.

In vielen Fällen muß außerdem diese Abkühlung sehr rasch erfolgen, um «in Weiterwachsen der Teilchen und damit eine Qualitätsverschlechterung des Produktes zu verhindern.

Dem Verwendungszweck der hergestellten Oxyde entsprechend sind die Teilchen von sehr geringer Korngröße, welche im allgemeinen wesentlich unter ι μ liegt. Suspensionen so feiner Teilchen scheiden sich nicht oder sehr langsam aus den Gasen aus. ίο Will man solche, auch Aerosole genannte Teilchen aus den zweckmäßig vorher abgekühlten Gasen abscheiden, so müssen die Teilchen zuerst zu größeren Agglomeraten vereinigt werden, was bisher insbesondere durch Ultraschall oder durch elektrische Hochspannung angestrebt wurde.

Bei der Verwendung von Kühlapparaten normaler Bauart, wie Kühlrohren, Röhrenkühlern usw., treten Schwierigkeiten dadurch auf/ daß sich . an den Wänden der Apparate die Suspension ablagert und dann als Wärmeisolator wirkt und daher den Kühleffekt der Apparate stark herabsetzt. Eine öftere Reinigung der Kühloberfläc'he erweist sich deshalb als notwendig. Man hat sich bisher durch Anbringen von Klopfeinrichtungen oder bewegliehen Abstreifern auf den Kühloberflächen geholfen. Solche Mittel sind aber nur behelfsmäßige Lösung und befriedigen oft auf die Dauer nicht. Durch die erfindungsgemäße Vorrichtung wird nun ein rasches störungsfreies Abkühlen der Gase unter gleichzeitiger Zusammenballung der Aerosolteilchen ermöglicht. Sie besteht aus einem stillstehenden und mit Gaszu- und -ableitungen für das zu kühlende Gas versehenen Gehäuse, in welchem mit Zu- und Ableitungen für das Kühlmittel versehene und mit parallel verlaufenden Drehachsen angeordnete Hohlkörper rotieren, welche senkrecht zur Drehachse verlaufende Wärmeaustauschvorrichtungen tragen und ist dadurch gekennzeichnet, daß die Hohlkörper in Form von hohlen Drehtrommeln ausgebildet sind, deren Mäntel eine größere Zahl von in Form von Kühlvorsprüngen ausgebildeten Wärmeaustauschvorrichtungen tragen, welche derart in einer Reihe auf zueinander im wesentlichen parallel und voneinander mit Zwischenräumen ungefähr senkrecht zu den Trommelachsen stehenden Ebenen angeordnet sind, daß die in einer Schnittebene der einen Trommel liegenden Kühlvorsprünge in' den freien Raum zwischen die in den beiden nächsten Schnittebenen der benachbarten Trommel liegenden Kühlvorsprünge eingreifen. Die in radialer Richtung stehenden Kühlvorsprünge benachbarter Drehtrommeln sind daher in axialer Richtung gegeneinander versetzt angeordnet.

Vorteilhaft ist die Vorrichtung so ausgebildet, daß den Gasen innerhalb des Gehäuses eine zu den Rotationsachsen der Drehtrommeln im wesentlichen senkrechte Strömungsrichtung erteilt wird. Diese bevorzugte Strömungsrichtung der Gase kann z. B. in der Weise erreicht werden, daß das Gehäuse auf der Höhe eines Querschnittes, auf welchem mindestens zwei Achsen von Drehtrommeln liegen, sowohl der Stirnseite als auch den Kühlvorsprüngen auf der Längsseite dieser Trommeln möglichst eng anliegt, dagegen in senkrechter Richtung zu diesem Querschnitt in größerer Entfernung von den Trommeln verläuft, so daß mindestens zwei mit den "Gaszu- bzw. -ableitungen versehene Gasverteilungsbzw, -sammelräume auf beiden Seiten dieses Quer- - schnittes gebildet werden.

Die Kühltrommeln können jede hierzu geeignete Form besitzen, z. B. die eines Zylinders, eines einfachen oder doppelten Kegelstumpfes oder bauchigen Fasses. Die Kühlvorrichtung kann auch mit mehr als zwei Drehtrommeln versehen sein; z. B. können drei Trommeln so angeordnet werden, daß zwei der Trommeln mit ihren Achsen auf der gleichen Ebene liegen, die dritte dagegen mit ihrer zu den Achsen der beiden ersten Trommeln parallelen Achse in der Mitte unterhalb dieser beiden sich befindet. Man kann aber auch drei Trommeln vorsehen, deren Achsen alle in einer Ebene liegen, und dann unterhalb dieser drei Trommeln jeweils in der Mitte zwischen zwei benachbarten oberen Trommeln zwei weitere.

Die radial angeordneten Kühlvonspriinge können die Form von zur Rotationsachse senkrechten oder schwach geneigten Ringscheiben besitzen, wobei die Scheiben auch mit Radialschlitzen versehen sein können. Sie können aber auch die Form von radial angeordneten Schaufeln nach Art der Ventilatoroder Turbinenschaufeln haben.

Es wurde festgestellt, daß der Kühleffekt, d. h. der Wärmeübergang vom Gas an die Kühlflächen, einerseits von der Tourenzahl der Drehtrommel und andererseits von der Gasgeschwindigkeit im freien Querschnitt der Durchgänge zwischen den Trommeln und dem Gehäuse abhängt. Der Wärmeübergang wächst ungefähr proportional mit dieser Gasgeschwindigkeit und ungefähr mit der Quadratwurzel aus der Tourenzahl der Trommeln. Einen geringen Einfluß auf den Wärmeübergang hat offenbar auch der Drehsinn der Trommeln; denn es wurde gefunden, daß bei gleichsinnigem Umlauf benachbarter Trommeln der Wärmeübergang um einige Prozent größer ist als bei gegensinnigem Umlauf der Trommeln. Um hohe Wärmeübergangs zahlen zu erreichen, wird man die Vorrichtung daher so ausbilden, daß die Kühlvorsprünge der Trommeln möglichst eng ineinandergreifen. Zwecks Erhöhung der Gasgeschwindigkeit kann es auch vorteilhaft sein, an der Gehäusewandung feste Rippen anzubringen, welche in die Zwischenräume der Kühl vor sp runge eingreifen.

Bei großer Gasgeschwindigkeit und hohen Tourenzahlen lassen sich so Wärmeübergangszahlen von über 30 kcal/h m²° C, berechnet auf die gesamte Kühlfläche der Drehtrommeln, erreichen. Es wurde sodann überraschenderweise gefunden, daß beim Durchgang der Aerosole durch den erfindungsgemäßen Kühlapparat eine starke Agglomeration auch seiner feiner Teilchen stattfindet, und daß man diese Agglomerationswirkung dadurch erhöhen kann, daß man die Tourenzahlen benachbarter Trommeln um einen kleinen Betrag voneinander verschieden hält (beispielsweise bei der

einen um 5 bis 25 °/o niedriger als bei der anderen) und, bei Anwendung von Ringscheiben als Kühlvorsprünge, die Ringscheiben leicht geneigt zur Achse der Drehtrommeln anordnet. Dadurch wird bewirkt, daß sich der Abstand zwischen den Ringscheiben der beiden Drehtrommeln lokal periodisch zwischen zwei Grenzen ändert. Die hierdurch bewirkte Agglomeration erleichtert wesentlich die niaehherige Trennung der Staubteile von den Gasen.

Die Agglomerationswirkung wird an folgenden Vergleichsbeispielen erläutert:

Ein heißes Reaktionsgas der Titanchloridzersetzung mit einem Gehalt von etwa 500 g Ti O₂/m³ (berechnet auf normalen Druck und Temperatur) wurde durch einen Röhrenkühler geleitet und darin auf etwa 100⁰C abgekühlt.' Dieses Gas wurde durch einen Staubabscheider in Form eines Zyklons geleitet, welcher nur etwa 40% des im Gas enthaltenen TiO₂ abschied. Ein Reaktionsgas gleicher Zusammensetzung und Temperatur wurde zunächst in einem Kühler nach der Erfindung ebenfalls auf etwa ioo° C gekühlt und sodann durch denselben Zyklon geleitet. Der Abscheidungsgrad im Zyklon betrug nun über 90%. Während sich bei der Kühlung im Röhrenkühler nach kurzer Zeit eine mehrere cm dicke Schicht von TiO₂ auf den Rohren ansammelte, blieben nicht nur die Ringscheiben der Drehtrommel ganz frei von Titanoxyd, sondern auch die-Wände des Gehäuses.

Es ist an und für sich bekannt, daß man die Schleuder wirkung einer rotierenden mit Ringscheiben, Schaufeln u. dgl. versehenen Trommel zur Abscheidung von festen Stoffen aus Gasen ausnützt, und es ist auch bekannt, eine rotierende, mit Wasser gekühlte Drehtrommel zur Abscheidung von Teer aus heißen Destillationsgasen unter gleichzeitiger Kühlung der Gase zu verwenden-. Doch arbeiten die bekannten Apparate nur mit einer einzigen Drehtrommel, und erfolgt hier (zum Unterschied zur vorliegenden Vorrichtung) die Gasführung im wesentlichen in axialer Richtung zur Drehtrommel, mit dem Zweck, die Suspension bereits innerhalb der Schleuder vom Gas zu trennen. Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung dagegen wird nicht eine Abscheidung der Suspension vom Gas bereits innerhalb dieser bezweckt, sondern, abgesehen von der Kühlung, nur eine Agglomeration der Einzelteilchen zur Erleichterung der Abtrennung der letzteren in Staubabscheidern bekannter Art, wie Zyklonen oder Elektrofiltern.

Die bekannten Abscheider von festen Teilchen mit Drehtrommeln haben auch den Nachteil, daß sehr feine Teilchen, wie sie in Aerosolen vorliegen, doch nur unvollkommen abgeschieden werden und außerdem ein Anwachsen von Krusten an den Wänden des Gehäuses nicht vermieden wird, da hier mit der Trommel gerade bezweckt wird, die Teilchen gegen die Gehäusewandung zu schleudern, um sie schon in der Trommel aus dem Gas abzutrennen.

Es ist ein Wärmeaustauscher bekanntgeworden, welcher auf rotierenden Hohlwellen senkrecht zu diesen verlaufende Wärmeaustauschvorrichtungen besitzt, welche beim Drehen der Hohlwelle ineinandergreifen; doch sind die Wärmeaustauschvorrichtungen einer Hohlwelle in mehreren sich in der Drehachse der Hohlwelle schneidenden, zu ihr parallel liegenden Ebenen angebracht und stehen daher im wesentlichen senkrecht zur Strömungsrichtung der. Gase. Sie wirken daher als Prall- flächen für die Feststoffe und befördern daher eine Abscheidung der Feststoffe auf den Kühlflächen und damit eine Verkrustung der Vorrichtung.

Die Vorrichtung nach Erfindung eignet sich aber nicht nur zur Kühlung von Aerosolen, sondern auch zur Kühlung von anderen staubhaltigen Gasen, wie z. B. von Hüttengasen usw.

In der Zeichnung sind verschiedene Ausführungsbeispiele der Vorrichtung nach der Erfindung dargestellt, und zwar zeigt

Fig. ι eine Vorrichtung im senkrechten Längsschnitt,

Fig. 2 einen senkrechten Querschnitt nach Linie a~a der Fig. 1,

Fig. 3 einen Horizontalschnitt nach Linie b-b der Fig. 1,

Fig. 4 zwei Drehtrornmeln einer zweiten Ausführungsform im Horizontalschnitt,

Fig. 5 die Enden der Drehtrommeln einer dritten Ausführungsform im Horizontalschnitt,

Fig. 6 die beiden Trommeln der Fig. 5 im vertikalen Querschnitt,

Fig. 7 die Enden der Drehtrommeln einer vierten Ausführungsform im Horizontalschnitt,

Fig. 8 eine Vorrichtung einer fünften Ausführungsform im Horizontalschnitt,

Fig. 9 eine Vorrichtung einer sechsten Ausführungsform im senkrechten Querschnitt.

Bei den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche oder analoge Apparateteile.

Das Gehäuse 1 der in Fig. 1 bis 3 dargestellten Vorrichtung ist oben und unten mit je einem Gaseintrittsstutzen 2 bzw. Austrittsstutzen 3 versehen. Dabei kann aber auch der Stutzen 3 dem Gaseintritt und dann der Stutzen 2 dem Gasaustritt dienen. An den Seitenwänden des Gehäuses sind die beiden Drehtrommeln 4 in den Kugellagern 5 gelagert und werden durch die Scheiben 6 angetrieben. Die Abdichtung der Trommeln gegen die Außenatmosphäre, welche bei der Kühlung schädlicher Gase wie Chlor notwendig ist, geschieht im vorliegenden Fall durch die Labyrinthdichtungen 7 mit Bohrung für Inertgasspülung (beispielsweise N₂). Beide Trommeln sind mit der Zuleitung8 und der Wegleitung 9 für das Kühlmittel, beispielsweise kaltes Wasser, versehen. Die Drehtrommeln besitzen auf ihrem Mantel 10 die Kühlvorsprünge 11 in Form von Ringscheiben, wobei die Ringscheiben der einen Trommel in die Zwischenräume der Kühlscheiben der anderen Trommel bis in die Nähe des Mantels eingreifen. Die Gehäusewand liegt auf der Höhe des Querschnittes, auf welchem die beiden Trommelachsen liegen, sowohl auf der Stirnseite als auch auf der Längsiseite der Trommeln diesen eng an. In senkrechter Richtung zu diesem Querschnitt dagegen verläuft die Ge-

häusewand in größerer Distanz. Dadurch entstehen die beiden Gasverteilungsräume 12 und 13, durch welche das die Vorrichtung durchströmende Gas gleichmäßig auf die Drehtrommeln verteilt und zu möglichst zu den Achsen der Trommeln senkrechter Strömung gebracht wird.

Die Drehtrommeln der Fig. 4 sind mit ringförmigen Kühlscheiben 12 versehen, welche leicht geneigt auf den Mänteln der Trommeln angebracht sind. Die Neigung der Kühlscheiben darf natürlich nicht so groß sein, daß sich die Scheiben der beiden Trommeln während ihres Laufes berühren.

Die 'Zylindrisdien, Kühl trommeln der Fig. 5 und 6 sind mit schräg gestellten auf Zylinderkreisen angeordneten Kühlsegmenten 14 versehen. Dabei sind die Segmente der beiden Trommeln in axialer Richtung versetzt, so daß sie ineinandergreifen, ohne sich beim Lauf der Trommeln zu berühren.

Die Kühlvorsprünge der Trommeln in Fig. 7 be-

ao stehen aus turbinenartigen Schaufeln 15. Eine derartige Ausbildung der Kühlvorsprünge bewirkt, daß die Vorrichtung gleichzeitig auch eine beträchtliche Saug- bzw. Druckwirkung ausübt.

In der Vorrichtung gemäß Fig. 8 bestehen die beiden Kühltrommeln 4 aus mit Ringscheiben 11 versehenen hohlen Kegelstümpfen. Das Gehäuse 1 dieser Vorrichtung trägt an der Innenwandung die festen Rippen 16 zwecks Verminderung des freien Querschnittes.

Fig. 9 zeigt eine Vorrichtung, welche drei Drehtrommeln 4 besitzt, bei welchen die Kühlvorsprünge jeder Trommel in diejenigen der beiden anderen Trommeln eingreifen.

Claims (8)

1. PATENTANSPRÜCHE:

   i. Vorrichtung zur Kühlung suspensionshaltiger Gase unter gleichzeitiger Agglomeration der in ihnen enthaltenen Suspension, bestehend aus einem stillstehenden und mit Gaszu- und -ableitumigein 'für das zu kühlende Gas versehenen Gehäuse, in welchem mit Zu- und Ableitungen für das Kühlmittel versehene und mit parallel verlaufenden Drehachsen angeordnete Hohlkörper rotieren, welche senkrecht zur Drehachse verlaufende Wärmeaustauschvorrichtungen tragen, welche beim Drehen ineinandergreifen, dadurch gekennzeichnet, daß die Hohlkörper in Form von hohlen Drehtrommeln ausgebildet sind, deren Mantel eine größere Zahl von in Form von Kühlvorspirüngen ausgebildeten Wärmeaustauschvorrichtungen tragen, welche derart in einer Reihe auf zueinander im wesentlichen parallel und voneinander mit Zwischenräumen ungefähr senkrecht zu den Trommelachsen stehenden Ebenen angeordnet sind, daß die in einer Schnittebene der einen Trommel liegenden Kühlvorsprünge in den freien Raum zwischen die in den beiden nächsten Schnittebenen der benachbarten Trommel liegenden KühlvorSprünge eingreifen.
2. 2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das. Gehäuse annähernd auf der Höhe eines Querschnittes, auf welchem mindestens zwei Drehachsen von Drehtrommeln liegen, sowohl der Stirnseite als auch den auf 6g der Längsseite dieser Trommeln angeordneten Kühlvorsprüngen möglichst eng anliegt, dagegen in senkrechter Richtung zu diesem Querschnitt in größerer Entfernung von den Trommeln mindestens zwei mit den Gaszu- und -ableitungen versehene Gasverteilungs- bzw. -sammelräume auf beiden Seiten dieses Querschnittes bildet.
3. 3·. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Drehtrommeln zylinderförmig ausgebildet und mit ringförmigen Kühlscheiben versehen sind.
4. 4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die ringförmigen Kühlscheiben gegen die Achsen der Trommeln geneigt angeordnet sind und daß die Tourenzahlen von benachbarten Trommeln um einen kleinen Betrag voneinander abweichen.
5. 5. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die ringförmigen Kühlscheiben mit radialen Schlitzen versehen sind.
6. 6. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlvorsprünge in Form von Turbinenschaufeln ausgebildet sind.
7. 7. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Innenwandung des Gehäuses mit Rippen versehen ist, welche in Zwischenräume der Kühlvorsprünge der Drehtrommeln eingreifen.
8. 8. Verfahren zum Betrieb einer Vorrichtung nach Ansprüchen 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß man unter Einhaltung einer möglichst hohen Tourenzahl der Trommeln die Gase mit einer möglichst hohen Geschwindigkeit durch die Durchgänge zwischen den Trommeln und der Gehäuseinnenwandung strömen läßt.

   In Betracht
   Österreichische ]

   gezogene Druckschriften: 'atentschrift Nr. 134 175.

   Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

   © 609 526/230 5.56 (609 677 11.56)