Przedmiotem wynalazku jest sposób posredniej wymiany ciepla pomiedzy gazem zawierajacym czastki ciala stalego lub ciecza zawierajaca czastki ciala stalego, a wewnetrznymi scianami wymien¬ nika oraz wymiennik ciepla do posredniej prze¬ ponowej wymiany ciepla gazów lub cieczy zawie¬ rajacych czastki ciala stalego.Znany sposób oziebiania goracego gazu lub mie¬ szaniny gazowej polega na przeponowej wymianie ciepla w wymienniku. Jednakze oziebianie gazu zawierajacego czastki ciepla 'stalego latwo osa¬ dzajace sie na sciankach wymiennika jest trud¬ ne do przeprowadzenia. W wielu sposobach czast¬ ki ciala stalego osadzaja sie na powierzchniach wymiennika ciepla tworzac warstwy izolacyjne, które w istotny sposób przeszkadzaja w przeni¬ kaniu ciepla.Znane sa« równiez sposoby usuwania ze scian wymiennika ciepla czastek ciala stalego osadzo¬ nych na nich, na przyklad sposób polegajacy na ciaglym lub okresowym obstukiwaniu scianek, skrobaniu lub przedmuchiwaniu ciecz lub gaz za¬ wierajacymi czesciowe domieszane czastki ciala stalego.W tym ostatnim sposobie, ziarna ciala stalego zdmuchiwane lub scierane ze scian wymienników ciepla, powoduja to, ze w ten sposób oczyszczane wymienniki ciepla maja krótki zywot.Znany sposób wymiany ciepla gazów lub cieczy zawierajacych czastki ciala stalego przebiega na- II stepujace- Goracy gaz zawierajacy czastki Ti02 ochladza sie w symetrycznym osiowo i chlodzonym woda wymienniku ciepla, zaopatrzonym w obra¬ cajacy sie wolno skrobak. Wymiennik ciepla po¬ siada powierzchnie wymiany ciepla równa okolo 1,4 m2. Gaz doprowadza sie równolegle do po¬ wierzchni wymiany ciepla. Skrobak .jest zrobiony z aluminium i jest chlodzony woda.Po krótkim czasie trwania prób wartosc wspól¬ czynnika przenikania ciepla k spadla do 2,84 kcal/m2 godz. °G.Po trzech dniach prowadzenia procesu otwiera sie wymiennik ciepla. Odleglosc miedzy powierz¬ chnia wymiany ciepla i skroibakiern calkowicie wypelniona jest Ti02. Poza tym, obrzeza chlodzo¬ nego woda skrobaka sa do tego stopnia znisz¬ czone, ze skrobak nadaje sie do wymiany.Celem Wynalazku jest wyeliminowanie wyzej wymienionych wad i niedogodnosci.Cel ten osiagnieto dzieki opracowaniu sposobu i wymiennika ciepla do posredniej wymiany cie¬ pla pomiedzy gazem zawierajacym czastki ciala stalego lub cieczy, a scianami tego wymiennika.Sposób wedlug wynalazku polegajacy na tym, ze przeznaczony do chlodzenia lub ogrzewania gaz zawierajacy czastki ciala stalego lub ciecz zawie¬ rajaca czastki ciala stalego wprowadza sie w spo¬ sób ciagly do osiowo-symetrycznego wymiennika ciepla, charakteryzuje sie tym, ze do wymienni¬ ka ciepla, oddzielnie od gazu zawierajacego czast- 93 93193 3 ki ciala stalego lub cieczy zawierajacej czastki ciala stalego wprowadza sie czynnik przepluku¬ jacy i kieruje sie go na jego wewnetrzne po¬ wierzchnie tak, aby strumienie czynnika prze¬ plukujacego rozdzielaly gaz lub ciecz zawieraja-"" ce. czastki ciala stalego, przeplukiwaly wewnetrz¬ ne powierzchnie scian wymiennika ciepla, i unie¬ mozliwialy osadzanie sie na nich czastek ciala stalego.Wymiennik ciepla wedlug wynalazku majacy postac cyklonu, charakteryzuje sie tym, ze jest zaopatrzony w palak nadmuchowy dobrany odpo- * wiednio do ksztaltu wymiennika ciepla, zaopatrzo¬ ny w otwory skierowane w strone powierzchni wymiany.ciepla.Zgodnie ze sposobem wedlug wynalazku mozna w przedstawionym wymienniku ciepla chlodzic goracy gaz zawierajacy latwo przylegajace do scian czastki ciala stalego, przy czym chlodzenie mozna prowadzic w sposób ciagly bez obnizania wymiany ciepla w porównaniu z gazem zawiera¬ jacym czastki ciala stalego i bez nadmiernego zu¬ zywania urzadzenia do oczyszczania.Przykladem zastosowania chlodzenia goracej mieszaniny gazu lub czastek ciala stalego jest chlodzenie produktów reakcji prowadzonej w fa¬ zie pomiedzy metalem lub halogenkiem metalu, takim jak chlorek tytanu, cynku, chromu, cyrko¬ nu, krzemu, zelaza lub glinu i zawierajacym tlen gazem, w temperaturze od okolo 8W do 150iO°C.Gazy reakcyjne stanowia w szczególnosci halogen¬ ki, na przyklad: chlor przy pewnym udziale gazu obojetnego jak azot i/lub tlenek wegla i tlen.Zgodnie ze sposobem wedlug wynalazku mozli¬ we jest wytracenie z goracej mieszaniny poreak¬ cyjnej czastek ciala stalego bez zadnych trudnosci, mimo iz oczyszczone czastki, które czesciowo sa stosowane jako pigmenty, czesto bezposrednio po reakcji, z niejasnych jeszcze przyczyn wykazuja silna sklonnosc do przywierania i przylepiania sie do powierzchni scian wymiennika. W zwiaz¬ ku z tym prolponuje sie sposób, w którym obni¬ zenie temperatury mieszaniny gazu i czastek cia¬ la stalego odbywa sie poprzez dodanie zimnego gazu.Jednakze dodanie duzej ilosci zimnego gazu po¬ ciaga za soba wzrost kosztów urzadzen do oczy¬ szczania gazu i kosztów produkcji, wobec czego zimnego gazu nalezy dodawac w nieznacznych ilo¬ sciach.Dzieki regularnemu przeplukiwaniu oziebianych powierzchni gazem zgodnie ze sposobem wedlug wynalazku, sciany wymiennika sa oczyszczane z czastek ciala stalego. Duza zaleta sposobu we¬ dlug wynalazku jest równiez mozliwosc wymiany ciepla w ruchu ciaglym.Poza tym unika sie scierania obrzezy palaka, przebiegajacych w przyblizeniu równolegle do po¬ wierzchni wymiany ciepla. Dzieki temu, ze mie¬ szanine gazu i czastek doprowadza sie do wymien¬ nika ciepla stycznie do powierzchni wymiany cie¬ pla oraz, ze powoduje to ruch wirowy strumie¬ nia gazu, uzyskuje sie duza szybkosc wymiany ciepla. Korzystnie jest, jesli ruch wirowy palaka, przeplywu strumienia mieszaniny gazu i czastek ciala stalego oraz przeplyw czynnika przeplukuja- 931 4 cego zachodzi mniej wiecej w jednym kierunku.Jesli czynnik przeplukujacy jest doprowadzany w kierunku wirowania, to wtedy przeznaczona do oczyszczania sciana wymiennika"'ciepla zostaje w ~ znacznym stopniu uwolniona od czastek ciala sta¬ lego, zanim obracajacy sie palak obrzezem swym nie dosiegnie tej sciany. Najkorzystniejsze jest do¬ prowadzenie gazu pluczacego pojedynczymi stru- mieniami, na przyklad poprzez dysze, otwory lub szczeliny, aby ilosc doprowadzanego gazu przeplu¬ kujacego utrzymac na mozliwie niskim poziomie.Doprowadzanie gazu ^przeplukujacego ukosnie wzgledem powierzchni oziebianej jest korzystniej¬ sze, poniewaz dzialanie czyszczace pojedynczymi strumieniami jest silniejsze niz przy pionowo wy¬ dmuchiwanych strumieniach.Szczególna zaleta sposobu i wymiennika wedlug wynalazku polega na tym, ze mozna uzyskac wy¬ soki wspólczynnik, wymiany ciepla dla goracych 2« mieszanin gazu zawierajacych czastki ciala sta-" lego, które to czastki ciala stalego w innych wymiennikach ciepla, na skutek osadzania sie na scianach wymiennika, po dluzszym czasie jego pra¬ cy powoduja obnizenie sie tego wspólczynnika..Nastepna szczególna zaleta w porównaniu z in¬ nymi znanymi sposobami polega na tym, ze do chlodzenia potrzebne sa stosunkowo niewielkie ilosci gazu, dzieki czemu mozna znacznie zmniej¬ szyc koszt wykonania wymiennika ciepla oraz ko- szty jego eksploatacji. Inna szczególna zaleta spo¬ sobu i wymiennika ciepla wedlug wynalazku po¬ lega na tym, ze w celu oczyszczenia powierzch¬ ni wymiany ciepla nie potrzeba doprowadzac do wymiennika ciepla zadnych czastek ciala stalego, które moglyby obnizyc jakosc usuwanych z gazu czastek ciala stalego.Jeszcze inna szczególna zaleta wynalazku pole¬ ga na tym, ze nie zuzywa sie lub w malym stop¬ niu obrotowy palak. Dalsze szczególne zalety wy- 40 nalazku polegaja na tym, ze wymiana ciepla mo¬ zliwa jest równiez przy wysokich temperaturach i ze mozliwa jest dodatkowa obróbka czastek ciala stalego takze przy wysokich temperaturach, oraz ze mozna korzystnie wplywac na odpylanie w 45 przylaczonych aparatach.Przedmiot wynalazku jest blizej wyjasniony na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia wymien¬ nik ciepla wedlug wynalazku w przekroju osio¬ wym, fig. 2 — wycinek wymiennika ciepla w po- 50 wiekszemu w przekroju poprzecznym wedlug linii A—A z fig. 1, fig. 3 — wymiennik ciepla z fig. 1 z odprowadzeniem czastek ciala stalego przez górny otwór wyladowczy.Wymiennik ciepla przedstawiony na fig. 1 jest zaopatrzony w metalowe sciany 3 i 4 oraz prze¬ wody doprowadzajace i odprowadzajace do wne¬ trza 2 wymiennika ciepla goracy gaz, zawieraja¬ cy czastki ciala stalego. Miedzy tymi scianami 3 i 4 przeplywa medium chlodzace doprowadzane 60 i odprowadzane przez krócce 5. Oziebiona mie¬ szanina gazu z czastkami ciala stalego opuszcza wymiennik ciepla przewodem 6. Gaz przepluku¬ jacy 8 wydmuchiwany jest przez umieszczony we wnetrzu wymiennika wolno obracajacy sie palak 7, 65 polaczony z nie pokazanym na rysunku napedem. v5 Gaz ten wydmuchiwany jest przez otwory wy¬ konane w palajku 7, skierowane w strone ozie¬ bianej powierzchni. Kierunefc obrotu palaka 7 wskazuje strzalka 9. Palak 7 przedstawiony jest w postaci rury o przekroju kolowym z wewnetrz¬ na przestrzenia 10, do której doprowadzany jest gaz przeplukujacy, i z otworami 11, przez które gaz pluczacy wydmuchiwany jest ukosnie w sto¬ sunku do powierzchni 4 przeznaczonych do oczy¬ szczania. Strzalka 12 pokazuje kierunek wiruja¬ cego gazu przeplywajacego przez wymiennik ciejpla.Kat a jest zawarty pomiedzy osia srodkowa otworu 11 dla gazu przeplukujacego z linia prze¬ chodzaca przez os obrotu palaka 7 i os symetrii rurowego palaka (fig. 2), przy czym linia laczaca tworzy z osia symetrii palaka kat 9*0° (fig. 1).Kat a jest w pewnym stopniu miara natrafiania strumienia gazu pluczacego na wewnetrzna po¬ wierzchnie wymiennika w stosunku do obrzeza palaka.W nastepstwie prawie prostopadlego nadmuchu gazu na sciany mozliwe jest niedostateczne oczy¬ szczanie scian z czastek ciala stalego przed do¬ siegnieciem ich ^ przez obrzeze palaka i wtedy obrzeze to jest wówczas narazone na silne scie¬ ranie.Doprowadzenie gazu przeplukujacego w kierun¬ ku w przyblizeniu prostopadlym lub przeciwnym do kierunku obrotu palaka, oznaczone na fig. 2 przez (—a) nie jest przy nieznacznym osadzeniu sie czastek ciala stalego szczególnie szkodliwe.Jednakze przeprowadzone doswiadczenie wykazu¬ je iz korzystniejsze jest doprowadzanie gazu prze¬ plukujacego w kierunku obrotu palaka 7. Najko¬ rzystniejszy kat a ma wartosc pomiedzy +60° a -45°.Poza tym zaobserwowano, ze przy zbyt duzej odleglosci pomiedzy otworami doprowadzajacymi gaz przeplukujacy a powierzchniami wewnetrzny¬ mi sciany 2 gaz przeplukujacy, na skutek roz¬ szerzania strumienia padajacego na sciane, osiaga mniejsza predkosc i przez to dzialanie tego stru¬ mienia, a tym samym przeplukiwanie scian 2 zo¬ staje zmniejszone.Przy zmniejszonej ilosci gazu przeplukujacego wymagane jest doprowadzenie gazu pojedynczymi strumieniami. W tym wypadku korzystnie jest gdy gaz przeplukujacy doprowadza sie pod ka¬ tem (3 (fig. 1). Kat p jest zawarty pomiedzy prze¬ cinajaca sie wzdluzna osia palaka 7, która jest przewaznie równolegla do powierzchni wymiany ciepla, a osia srodkowa pojedynczych otworów, która okresla kierunek gazu pluczacego.Przedstawiony na fig. 3 wymiennik ciepla ma otwór wyladowczy 14 do odprowadzania czastek ciala stalego. Oczyszczone czastki ciala stalego, na skutek duzej burzliwosci przeplywu gazu przy scianach, w wiekszej czesci znowu dostaja sie do strumienia gazu i opuszczaja wymiennik ciepla poprzez polozony u góry króciec 6.Wskutek duzej burzliwosci przeplywu nastapic moze w tym ukladzie zlepianie lub aglomeracja czastek ciala stalego. Ponadto, przy niektórych sposobach korzystne jest doprowadzenie do wne- 3 931 6 trza wymiennika ciepla poprzez króciec 13^ do¬ datkowego materialu, przewaznie w stanie plyn¬ nym lub gazowym, na przyklad w celu dodattoo- wej obróbki czastek w wysokich temperaturach.Poza tytm mozliwe jest zwiekszenie skutecznosci oddzielania czastek ciala stalego od gazu w przy¬ laczonym do wymiennika ciepla odpylaczu, po¬ przez doprowadzenie niewielkiej ilosci wody, ko¬ rzystnie w postaci pary wodnej z parowego' agre- gatu i przez to uzyskanie intensywniejszego zle¬ piania sie lub aglomeracji czastek ciala stalego.Wybcr gazu pluczacego, doprowadzanego po¬ przez palak 7 jest dobierany odpowiednio do da¬ nego sposobu oczyszczania. Gaz przeplukujacy, po- . is winien byc tak dobrany, aby wobec gazu zawie¬ rajacego czastki ciala stalego i wobec materialów z których wykonano wymiennik ciepla i dolaczo¬ ne aparaty, zachowywal sie jak gaz obojetny. Przy niektórych sposobach korzystne jest uzywanie do tego celu oczyszczonego i oziebionego gazu wtcr- nego pochodzacego z reakcji.Na sciany wymiennika ciepla i na palak 7 na¬ daja sie glównie metale.Te same prawidlowosci obowiazuja zarówno przy oziebianiu goracych mieszanin gazów i czastek ciala stalego przez posrednia wymiane ciepla z oziebionymi scianami wymiennika ciepla jak i dla ogrzewania zimnej mieszaniny gazów i czastek ciala stalego na drodze przeponowej wymiany ciepla z ogrzewanymi scianami wymiennika cie- pla. Zatem sposcb wedlug wynalazku nadaje sie wiec do zastosowania w przeponowej wymianie ciepla zarówno z oziebianymi jak i ogrzewanymi scianami wymiennika.Sposób wedlug wynalazku oraz wymiennik cie- pla wedlug wynalazku mozna stosowac równiez w przypadku mieszaniny cieczy i czastek ciala stalego, przy czym takze tutaj czynnik przeplu¬ kujacy doprowadzany jest poprzez wirujacy palak.Dzieki temu mozna utrzymac sciany w;r.iieiinl:a * ciepla w stanie praktycznie wolnym od osadów.Jako medium przeplukujace wprowadza sie tutaj obok gazu równiez i ciecz. Przewaznie jednak spo¬ sób wedlug wynalazku znajduje zastosowanie przy chlodzeniu lub ogrzewaniu gazu zawierajacego 45 czastki ciala stalego. W zasadzie wystarcza, gdy palak porusza sie wolno. Korzystna i wystarcza¬ jaca predkosc obwodowa poruszania sie palaka zawiera sie w granicach od 0,1 do 20 m/sek. Ilosc gazu i predkosc gazu przeplukujacego mozna w ro kazdym przypadku bardzo latwo dostosowac do wymagan danego procesu.Przyklad. Ciekly czterochlorek tytanu (TiCl4) doprowadzany z predkoscia 60 1/godz. poddano odparowaniu, nastepnie przegrzewaniu, po czym 55 doprowadzono go w temperaturze 450°C do reak¬ tora. Jednoczesnie doprowadzono do strefy reak¬ cji reaktora mieszanine gazowa tlenu i azotu i ogrzana do ia0O°C za pomoca luku elektrycz¬ nego, kierujac ja w strefe reakcji prostopadle 60 do strumienia TiCl4. Zgodnie z równaniem TiCl4 + Oz - Ti02 + 2C12 powstal dwutlenek tytanu (Ti02) i chlor (Cl2).Poprzez dodatkowe doprowadzenie gazu obojet- 65 nego i chloru w wyniku posredniej wymiany cie-93 7 pla z chlodzonymi scianami reaktora i przewodu rurowego, ochladza sie gaz zawierajacy Ti02 do temperatury 825°C i wprowadza stycznie do po¬ wierzchni wymiennika ciepla zgodnie z fig. 1 i 2.Zewnetrzne sciany wymiennika ciepla chlodzi sie woda. Sciany od strony gazu wykonane sa z ni¬ klu. Palaik wykonany jest w postaci rury niklo¬ wej z otworami o srednicy 3 mm. Palak nie po¬ siada chlodzenia i jest chlodzony tylko przez stru¬ mienie gazu. Odleglosc pomiedzy obrzezem pala- ka i metalowa sciana wynosi 20 mim.Predkosc obwodowa palaka w jego górnej cy¬ lindrycznej czesci wynosila 1,3 m/sek. Predkosc gazu przeplukujacego wyplywajacego z otworów wynosila 51 m/sek. Jako gazu przeplukujacego uzy¬ to azotu w ilosci 60 m3/godz. Ilosc czastek ciala stalego (TiC2) znajdujacych sie w goracym gazie wynosila okolo 90 g w m3 przy temperaturze 825°C. Wielkosc powierzchni chlodzacej wynosila 1,5 m2. Sredni czas przebywania mieszaniny gazu i czastek ciala stalego w wymienniku ciepla wy¬ nosil 0,7 sekundy. Wartosc wspólczynnika wy¬ miany ciepla k wynosila k= 18,4 kcal/m2.C°.godz.Wymiennik ciepla pracowal 50i0 godzin, nie wy¬ kazujac zmian wartosci wspólczynnika przenikania ciepla i widocznych uszkodzen palaka.Wspólczynnik wymiany ciepla zostal obliczony wedlug wzoru, stosowanego powszechnie przy pro¬ jektowaniu wymienników ciepla.Q = k • F • Atm gdzie: Q — odprowadzana ilosc ciepla, k — wspólczynnik wymiany ciepla, F — powierzchnia wymiany ciepla, Aim — srednia róznica temperatur.Wspólczynnik przenikania ciepla k mozna wy¬ znaczyc na podstawie równania: a.x Aj K2 An a2 gdzie: alf2— wspólczynniki przenikania ciepla na strone czynnika chlodzacego wzglednie czynnika chlodzonego, Oj ,2 • • • n- grubosci poszczególnych warstw scia¬ ny pomiedzy czynnikiem chlodzacym, a czynnikiem chlodzonym, kj,2 • • • n- przewodnictwo cieplne warstw scian znajdujacych sie pomiedzy czynnikiem chlodzacym i czynnikiem chlodzonym.W typowych wymiennikach ciepla z metalowy¬ mi scianami wartosc <5/A na skutek wysokiej prze¬ wodnosci cieplnej metali i nieznacznej grubosci 931 8 warstwy metalowej scianki wymiennika ciepla maja stosunkowo niewielki wplyw na wartosc wspólczynnika wymiany ciepla (k) w porównaniu z wplywem wspólczynnika przenikania ciepla. Dla- tego dazy sie czesto do zwiekszenia wartosci wspól¬ czynnika wymiany ciepla. Jedna z mozliwosci osiagniecia tego jest zwiekszanie predkosci czyn¬ ników wymiany ciepla.Jesli jednak na powierzchniach wymiany ciepla tworza sie warstwy dodatkowe na skutek osa¬ dzania sie na tych powierzchniach czastek ciala stalego, zwlaszcza niemetalowych, to wtedy na skutek niskich wartosci ich przewodnictwa ciepl¬ nego wymiana ciepla zalezy takze w znacznym stopniu od grubosci tych warstw. PL