DES0031025MA - - Google Patents
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Description
BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND
Tag der Anmeldung: 8. November 1952 Bekanntgemacht am 17. Mai 1956
DEUTSCHES PATENTAMT
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 iooo0 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.
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In vielen Fällen muß. außerdem diese Abkühlung sehr rasch erfolgen, um «in Weiterwaehsen der
Teilchen und damit eine Qualitätsverschlechterung des Produktes zu verhindern.
Dem Verwendungszweck der hergestellten Oxyde entsprechend sind die Teilchen von sehr geringer
JKorngröße, welche im allgemeinen wesentlich unter ι μ Hegt. 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 Kühloberfläche 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 Mantel 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 Kühl vorsprängen
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 Querschnittes
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 Kühlvorsprümge 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 Wärmeübergangszahlen zu erreichen, wird man die Vorrichtung
daher so ausbilden, daß die KühlvoTsprünge 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 Kühlvorsprünge 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 sodarin überraschenderweise gefunden, ,
daß beim Durchgang der Aerosole durch den erfmdungsgemäßen Kühlapparat eine starke Agglomeration
auch seiner feiner Teilchen stattfindet, und daß man diese Agglomerationswifkung dadurch
erhöhen kann, daß man die Tourenzahlen benachbarter Trommeln um einen kleinen Betrag voneinander
verschieden hält (beispielsweise bei der
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einen um 5 bis 25 % 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
nachherige Trennung der Staubteile von den Gasen.
Die Agglomerations wirkung wird an folgenden Vergleichsbeispielen erläutert:
Ein heißes Reaktionsgas der Titanchloridzersetzung mit einem Gehalt von etwa 500 g TiO2/m3
(berechnet auf normalen Druck und Temperatur) wurde durch einen Röhrenkühler geleitet und darin
auf etwa ioo° C abgekühlt. Dieses Gas wurde durch einen Staubabscheider in Form eines Zyklons
geleitet, welcher nur etwa 40 % des im Gas enthaltenen Ti O2 abschied. Ein Reaktionsgas gleicher
Zusammensetzung und Temperatur wurde zunächst in einem Kühler nach der Erfindung ebenfalls auf
etwa· iop° 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 Schleuderwirkung 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 Elektrofilter]!.
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 Ge'häusewandung zu schleudern, um sie schon in der Trommel aus dem Gas abztt-
6,0 trennen.
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 Drehtrommeln einer zweiten Ausführungsform im Horizontalschnitt,
Fig. s 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.' ioo ·
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 (beispiels- -weiseN2).
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 autf der Längsseite der Trommeln diesen eng an. In senkrechter Richtung
zu diesem Querschnitt dagegen verläuft die Ge-
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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 Kühlsc'heiben darf natürlich
nicht so groß sein, daß sich die Scheiben der beiden Trommeln während ihres Laufes berühren.
Die 'zylindrischen Küihltrommeln der Fig. 5 und 6
sind mit schräg gestellten auf Zylinderkreisen an^- geordneten 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 bestehen 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 Kuhltrommeln 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)
- PATENTANSPRÜCHE:i. Vorrichtung zur Kühlung suspensionshaltiger Gase unter gleichzeitiger Agglomeration der in, ihnen enthaltenen Suspension, bestehend aus einem stillstehenden und mit Gas-ZU-unld -aibleituinigein 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 Mäntel eine größere Zahl von in Form von Kühlvorspirüngen ausgebildeten Wär.meaustauschvorrichtungen 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. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß dais Gehäuse annähernd auf der Höhe eines Querschnittes, auf welchem mindestens zwei Drehachsen von Drehtrommeln. liegen, sowohl der Stirnseite als auch den auf 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. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Drehtrommeln zylinderförmig ausgebildet und mit ringförmigen Kühlscheiben versehen sind.
- 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. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die ringförmigen Kühlscheiben mit radialen Schlitzen versehen sind.
- 6. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlvorsprünge in Form von Turbinenschaufeln ausgebildet sind.
- 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. 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.Angezogene Druckschriften: .
Osterreichische Patentschrift Nr. 134 175.'Hierzu 1 Blatt Zeichnungen© 609 526/230' 5. 56
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