-
Verfahren und Vorrichtung zum Kühlen wärmeleitender Wandflächen, insbesondere
von Reaktionsräumen, mittels aufgewirbelter feinverteilter fester Wärmeträger Die
Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Kühlen wärmeübertragender Wände beliebiger
Gestalt, insbesondere wärmeleitender Wände chemischer Reaktorren, bei dem von einer
solchen Wand Wärme auf feste Teilchen übertragen wird, die in einem flüssigkeitsähnlichen
Zustand gehalten werden und mit der Wand in-Berührung stehen, sowie auf Vorrichtungen
zur Durchführung des Verfahrens.
-
Bei vielen Prozessen ist es erwünscht, ein Abkühlen der Wärmeübertragungswand
zu bewirken, um die Wand auf einer gewünschten Temperatur zu halten, ohne daß eine
zu. starke örtliche Abkühlung eintritt. Eine gleichmäßige Wandtemperatur erreicht
man bei Röhren von Reaktoren, in denen eine exothermische Reaktion durchgeführt
wird, gewöhnlich dadurch, daß man die Röhren mit einem gemeinsamen Mantel -umgibt
und in diem dadurch gebildeten. Behälter eine aufgewirbelte feinverteilte Masse
fester Wärmeträger vorsieht. Bei einem bekannten Verfahren dieser Art werden die
Röhren dabei von. der sie umgebenden aufgewirbelten ,Mässe
gekühlt,
und der Wärmeträger wird im Schwebezustand zur Kühlung durch einen rohrförmigen
Wärmeaustauscher im Kreislauf geleitet. Dieses System weist neben einem Wärmeaustauscher,
welcher zur Kühlung der heißen Wärmeträger dient, auch einen Verdichter auf, der
Druckgas für die Aufwirbelung des im Behälter befindlichen Wärmeträgers sowie für
seine Zirkulation durch den Wärmeau.stauscher hindurch liefert. Bei dem bekannten
Verfahren ist somit eine erhebliche Kompressionsarbeit zu leisten, um das Druckgas
zu liefern, das benötigt wird, um die Wärmeträger im Schwebezustand zu erhalten.
Einer umfangreichen Apparatur bedarf es bei dem bekannten Verfahren auch, um die
Wärmeträger so kühl zu halten, daß sie die ihnen zugewiesene Kühlwirkung ausüben
können.
-
Um diese Nachteile zu vermeiden, wird gemäß der Erfindung voTgeschtagen,
den Wärmeträger durch Einspritzen von Flüssigkeit zu, kühlen und wenigstens teilweise
durch den dabei entstehenden Dampf im Wirbelzustand zu halten, wobei zur Erzielung
eines gewünschten Temperaturgradienten über die wärmeleitende Wand des Reaktionsraumes
der Wärmeträger im Kreislauf durch zwei vertikale, mit einer gemeinsamen Wand versehene
Kammern .geführt wird, die am oberen und unteren Ende miteinander in Verbindung
stehen und von denen die eine beispielsweise rohrförmige Reaktionsräume mit den
zu kühlenden Wandflächen enthält. Beim Erfindungsgegenstand wird somit durch das
Einspritzen,der Flüssigkeit sowohl das Druckgas - mindestens zu einem erheblichen
Teil - erzeugt als auch die Kühlung der Wärmeträger erzielt.
-
Es ist zwar an sich bekannt, heiße feinverteilte feste Teilchen durch
Einspritzen von Flüssigkeit zu kühlen und den sich bildenden Dampf zum Aufwirbeln
der Teilchen zu verwenden; bei dem bekannten Verfahren bilden die festen Teilchen
jedoch nicht Wärmeträger, die zur Kühlung einer wärmeleitenden Wand dienen, sondern
einen Stoff, der einer Wärmebehandlung unterworfen worden ist und selbst gekühlt
werden soll. Dem bekannten Verfahren fehlt daher auch die Führung der Teilchen im
Kreislauf, die beim Erfindungsgegenstand die gewünschte Temperaturabstufung an der
wärmeleitenden Wand ermöglicht.
-
Bekannt ist auch ein Verfahren und eine Vorrichtung für die Regeneration
von feinverteilten festen Katalysatorteilchen, wobei diese Teilchen zur Erreichung
einer gleichmäßigen Temperatur im Kreislauf durch zwei vertikale, durch eine rohrförmige
Wand getrennte Kammern geführt werden, von denen eine eine Mehrzahl von Schlitzböden
aufweist.
-
Nachdem die Erfindung im vorstehenden allgemein gekennzeichnet worden
ist, wird sie im folgenden an Hand schematischer Zeichnungen an zwei Ausführungsbeispielen
näher erläutert.
-
Fig. i zeigt einen senkrechten Schnitt durch einen gemäß der Erfindung
ausgeführten Reaktionsbehälter; Fig. 2 ist ein Querschnitt längs der Linie 2-2 in
Fig. i ; Fig.3 zeigt einen senkrechten Schnitt durch einen, weiteren abgeänderten
Reaktionsbehälter, und Fig. 4 ist ein Querschnitt längs der Linie 4-4 in Fig. 3.
-
In den Figuren bezeichnet die Bezugsziffer io einen aufrechtstehenden
Mantel, der einen Behälter bzw. eine Kammer bildet, in der sich eine Masse aufgewirbelter
feinverteilter fester Wärmeträger befindet und durch die die senkrechten Reaktionsrohre
i i hindurchgeführt sind, deren wärmeleitende Wände gekühlt werden sollen. Die Rohre
i i bilden zusammen den eigentlichen Reaktionsbehälter, und ihre Enden können derart
in die Stützbleche 12 bzw. 13 eingesetzt sein, daß am Umfang der Rohre eine Abdichtung
gegenüber den Blechen gegeben ist; die Stützbleche 12 und 13 sind mit dem Mantel
io derart verbunden, daß die Verbindungsstellen abgedichtet sind. Mit Hilfe der
Stutzen 15 und 16 wird der zu kühlende Strom, d. h. die eine exothermische Reaktion
durchmachenden .Stoffe, entweder von unten nach oben oder von oben nach unten durch
die Rohre i i geleitet. Der obere Teil des Mantels io ist mittels der Kammer 17
verbunden mit einem zum Trennen von Gasen und festen Teilchen dienenden Zyklon 18
mit tangentialen Eintrittsöffnungen ig, Gasaustrittsleitung 2o und sich nach unten
erstreckenden Fallrohren2i, durch welche die festen Teilchen in die in dem Behälter
io in einem aufgewirbelten flüssigkeitsähnlichen Zustand befindliche Masse zurückgeleitet
werden. Um das Gas einer nutzbringenden Verwertung zuzuführen, können die Gasaustrittsstutzen
2o an eine geeignete Leitung (nicht gezeichnet) angeschlossen sein. Ferner kann
eine normalerweise durch einen Deckel 22 (s. Fig.3) verschlossene Öffnung 23 vorgesehen
sein, die es ermöglicht, das wärmeübertragende Material (z. B. Sand) einzubringen
bzw. zu entfernen oder die Materialmenge zu ergänzen. Der Behälter io (s. Fig. i
:und 2) besitzt ein zentral angeordnetes Rohr 24, welches eine Trennwand bildet,
die den Behälter in eine zentrale Kammer für die nach oben gerichtete Strömung ,und
eine ringförmige Kammer für die nach unten gerichtete Strömung unterteilt. Das Rohr
24 endet ein kurzes Stück vor der oberen Stirnwand des Behälters, so daß zwischen
den oberen. Enden der beiden Kammern eine freie Verbindung besteht. Um zwischen
den beiden Kammern auch am unteren Ende eine Verbindung herzustellen, sind in der
Nähe des unteren Endes des Rohres 24 mehrere Öffnungen 25 vorgesehen.
-
Im unteren Teil der ringförmigen Kammer ist ein Verteiler 26, z. B.
ein aus miteinander verbundenen Rohren gebildeter Rost mit geeigneten Öffnungen,
vorgesehen, dem eine Flüssigkeit, z. B. Wasser, über ein Regelventil 27 mit regelbarer
Geschwindigkeit zugeführt werden kann. Bei einem Temperaturanstieg innerhalb des
Auslaßstutzens 15 betätigt man das Ventil 27, um eine größere Flüssigkeitsmenge
zuzuführen. Gegebenenfalls kann das Ventil für eine automatische Betätigung
eingerichtet
sein. Zu diesem Zweck siehrt man ein Temperaturfühlerelement 28 vor und ordnet zwischen
dem Element 28 und dem Ventil 27 ein Ventilbetätigungselement 29, z. B. einen Temperaturregler,
an, um das Ventil 27 in Abhängigkeit von den Temperaturschwankungen zu betätigen.
-
Ferner können Vorkehrungen getroffen sein, um im Bedarfsfalle, z.
B. während, des Inbetriebsetzens, wenn die festen Teilchen noch nicht ausreichend
erwärmt sind, um die Flüssigkeit zu verdampfen, und/oder wenn der Wärmefluß zu gering
ist, zusätzliches Gas in die ringförmige Kammer einzuleiten. Am Boden der ringförmigen
Kammer ist zu diesem Zweck ein besonderer Verteiler 30 vorgesehen, der dazu
dient, Dampf oder ein anderes durch das Ventil 31 zugeführtes Gas zu verteilen.
-
Im unteren Teil der vom Rohr 24 umgebenen, zentral angeordneten Kammer
für den aufsteigenden Strom sind die Verteiler 32 und 33 für Flüssigkeit bzw. Gas
vorgesehen; diese Verteiler können als einfache Düsen ausgeführt sein, und mindestens
ein Verteiler, vorzugsweise der Gasverteiler, liegt oberhalb der Öffnungen 25. Die
Verteiler 32 und 33 sind mit Regelventilen 34 bzw. 35 ausgerüstet und können mit
den gleichen Zuleitungen, z. B. für Wasser und Dampf, verbundlen sein wie die Ventile
27 bzw. 31.
-
Während des Betriebes leitet man die reagierenden Stoffe durch die
Leitung 16 ein und zieht sie durch die Leitung 15 ab (oder umgekehrt), wobei die
Stoffe durch die Reaktionsrohre i i strömen, die den Reaktionsbehälter bilden. Nachdem
man den Behälter io mit wärmeübertragenden festen Teilchen, z. B. mit gesiebtem
Sand, beschickt hat, kann man anfangs Gas oder Dampf durch die Verteiler
30 bzw. 32 zuführen, um die festen Teilchen in der ringförmigen Kammer bzw.
den zentralen Kammern in einen flüssigkeitsähnlichen Zustand zu überführen. Hierdurch
werden die festen Teilchen in der ringförmigen Kammer in dem aufsteigenden Gas oder
Dampf bis zu dem oberen Niveau 36 in einen Schwebezustand gebracht und kommen mit
;ien wärmeleitenden Wandungen der Rohre i i in Berührung. Durch den im unteren Ende
der zentralen Kammer angeordneten Verteiler 32 wird Gas oder Dampf mit solcher Geschwindigkeit
in die sich in dieser Kammer befindende Masse von feinverteilten festen Teilchen
geführt, daß die, spezifische Masse in der zentralen Kammer geinger ist als in der
ringförmigen Kammer. Die feinverteilten festen Teilchen fangen daher an, durch diese
zwei Kammern zu zirkulieren. Das an der Oberseite der Masse entweichende Gas strömt
durch die Zyklone bzw. Abscheider 18, in denen es von mitgerissenen festen Teilchen
befreit wird, um dann an die Leitung 2o abgegeben zu werden.
-
Wenn die Rohre i i durch die in ihnen befindlichen reagierenden Stoffe
ausreichend erwärmt worden sind, wird durch die Verteiler 26 und 33 Wasser zugeführt.
Die mit den Rohren in Berührung stehenden festen Teilchen der in einem flüssigkeitsähnlichen
Zustand befindlichen Masse werden erwärmt, und das Wasser wird in unmittelbare Berührung
mit den erwärmten festen Teilchen gebracht; hierdurch wird das Wasser veTdampft,
so daß Dampf entsteht, der als Gas .in dem Behälter nach oben steigt und dazu- beiträgt,
den flüssigkeitsähnlichen Zustand aufrechtzuerhalten. Das Wasser kühlt die festen
Teilchen, die ihrerseits Wärme aus den Rohrwandungen aufnehmen.
-
Während der Aufheizzeit kann man ein in der Entnahmeleitung 2o angeordnetkes
Ablaßventil geöffnet halten, um dien Dampf abziehen zu lassen und den Behälter bei
niedrigem oder im wesentlichen bei atmosphärischem Druck zu betreiben, so daß sich
die Verdichtungskosten fiis den durch die Verteiler 30 und 32 zugeführten
Dampf vermindern. Sobald sich die Einrichtung in Betrieb befindet, kann man das
Ablaßventil schließen und den Dampf zu einer geeigneten Kraft- oder Wärmeanlage
leiten, z. B. zu einer Turbine oder einem Wärmeaustauscher, die bzw. der mit einem
beliebigen gewünschten Druck betrieben werden kann. Allerdings soll der Druck in
dem Behälter nicht so hoch sein, daß innerhalb der in einem flüssigkeitsähnlichen
Zustand befindlichen Masse Kondensation eintritt; vorzugsweise wählt man den Druck
genügend' niedrig, so daß der Dampfdruck des Wassers bzw. einer anderen Flüssigkeit
bei der niedrigsten Temperatur der Rohre i i mindestens 20% höher ist als der Druck
im Behälter io an dem Verteiler 26.
-
Die zirkulierenden feinverteilten festen Teilchen treten aus dem oberen
Ende des Rohres 24 aus und gelangen in den sich erweiternden Abschnitt 17, in dem
die meisten Teilchen nach unten in die ring= förmige Fallstromkammer sinken bzw.
sich absetzen. Das Gas strömt zusammen mit dem in der Fal.lstromkammer nach oben
steigenden Gas durch die Leitung i9 in den Abscheider 18 und tritt aus diesem durch
die Leitung 2o aus, um in der bereits beschriebenen Weise verwertet zu werden. Die
durch die Fallstromkammer nach ,unten strömenden Teilchen werden dadurch in einem
flüssigkeitsähnlichen Zustand gehalten, daß man Gas durch dien Verteiler 3,o zuführt
und/oder durch Verdampfen von durch den Verteiler 26 zugeführter Flüssigkeit erzeugt,
wodurch ein guter Wärmeübergang zwischen den Rohren i i und den festen Teilchen
gewährleistet ist. Den gewünschten Temperaturgradienten in der Fallstromkammer erhält
man durch Regeln der Zirkulationsgeschwindigkeit der festen Teilchen mit Hilfe der
Ventile 34 und 35. Sind diese beiden Ventile geschlossen, tritt keine Zirkulation
auf, und die Temperatur ist zwischen einer nur wenig oberhalb der Flüssigkeitszuführung
26 liegenden Stelle und der Oberfläche 36 der in einem flüssigkeitsähnlichen Zustand
befindlichen Masse im wesentlichen gleichmäßig. Führt man durch das Ventil 35 und
den Verteiler 33 mehr Gas zu, dann steigert sich die Zirkulationsgeschwindigkeit
der festen Teilchen, wodurch sich in der Fallstromkammer ein Temperaturgradient
einstellt, so daß es möglich ist, den Grad der Kühlung an verschiedenen, über die
Länge der Reakfinonsrohre
i i verteilten Punkten zu verändern.
Der Temperaturgradient wird um so steiler, je höher die Zirkulationsgeschwindigkeit
wird.
-
Der Verlauf dieses Gradienten innerhalb der in einem flüssigkeitsähnlichen
Zustand befindlichen Masse, die mit den Röhren i i im Berührung steht, richtet sich
nach der Art und Weise, in des die zu verdampfende Flüssigkeit in die Anlage eingeleitet
wird. Wenn man z. B. die gesamte Flüssigkeit am Boden der Fallstromkammer durch
den Verteiler 26 einleitet, wird der untere Teil der Kammer die niedrigste Temperatur
aufweisen. Leitet man jedoch die gesamte Flüssigkeit in den unteren Teil der Steigstromkammer
ein, d- h. dürch den Verteiler 33, zeigt der obere Teil der Masse die niedrigste
Temperatur; in diesem Falle muß man das Gas zum Aufrechterhalten des flüssigkeitsähnlichen
Zustandles durch den Verteiler 30 zuführen, wobei es nicht erforderlich Du
sein braucht, Gas durch den Verteiler 32 einzuleiten, vorausgesetzt, daß sich dieser
unterhakt der Öffnungen 25 befindet. Es ist auch möglich, durch die beiden Verteiler
26 und 33 Flüssigkeit einzuspritzen, um den mittleren Teil der in einem flüssigkeitsähnlichen
Zustand befindlichen Masse auf der höchsten Temperatur zu halten.
-
Ferner kann man die Vorrichtung in der Weise abändern, daß man die
Rohie in der Steigstromkammer unterbringt. Eine solche Anordnung ist in den Fig.
3 und 4 dargestellt, in denen Teile, die den Teilen der bereits beschriebenen Anordnungen
entspreche-n, durch gleiche Bezugsziffern gekennzeichnet sind. In der Kammer, die
die in einem flüssigkeitsähnlichen Zustand befindliche Masse enthält, befindet sich
ein zentral angeordnetes Rohr 37, das eine Trennwand bildet und deren Innenraum
eine Fallstromkammer darstellt. Dieses Rohr erstreckt sich bis zu einem Punkt- unterhalb
des oberen Endes des mit gleichbleibendem Durchmesser ausgeführten Abschnitts des
Behälters io, so daß feste Teilchen aus der bis zum Spiegel 36 reichenden Masse
in das Rohr eintreten können. In der Nähe des unteren Endes des Rohres 37 ist ein
Verteiler bzw. eine Düse 38 angeordnet, die es ermöglicht, ein Gas, z. B. Dampf
oder Luft, einzuleiten, um die Z'vrkulationsgeschwindhgkeit der festen Teilchen
zu regeln. Zum Regeln dieser Gaszufuhr dient ein Ventil 39. Das Rohr 37 endet oberhalb
des Tragbleches 12 für die Rohre i i, :und auf dem Tragblech ist unterhalb des Rohres
37 ein Ablenkkegel bzw. Leitblech 4o angebracht, Um die festen Teilchen in allen
Richtrungen auf dem Boden der das Rohr umgebenden ringförmigen Steigstromkammer
zu verteilen.
-
Die gemäß den Fig. 3 und 4 ausgeführte Vorrichtung arbeitet wie folgt:
Ist das Ventil 39 genügend weit geöffnet, um Du verhindern, daß sich größere Mengen
wärmeübertragender fester Teilchen durch die Fallstromkammer in dem Rohr 37 nach
unten bewegen, dann soll die Temperatur über die ganze Länge der Rohre i i nahezu
gleich sein. Verringert man die Gaszufuhr durch das Ventil 39, bewegen sich die
festen Teilchen durch die Fallstromkammer nach unten und werden durch das Leitblech
4o in den unteren Teil der in einem flüssigkeitsähnlichen Zustand befindlichen Masse
in der ringförmigen Kammer geleitet. Hierdurch wird ein Zirkulieren der festen Teilchen
hervorgerufen, so daß sich in der die Rohre i i berührenden, in einem flüssigkeitsähnlichen
Zustand befindlichen Masse ein Temperaturgradient einstellt.