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Rohrbündelreaktor zur Ausführung von endo-und exothermen Reaktionen mit Zwangsumlauf
Die Erfindung betrifft einen Rohrbündelreaktor zur Ausführung von endo-und exothermen Reaktionen mit Zwangsumwälzung des die Rohre umspülenden Wärmeübertragungsmittels einer neben dem Wärmetauscher angeordneten Fördereinrichtung, wobei die Anströmung der den Gesamtquerschnitt annähernd ausfüllenden Rohre durch etwa quer zur Rohrachse angeordnete und durchbrochene Leitbleche beeinflussbar ist.
Es sind Reaktionsapparate grosser Leistung mit einem um ein zentrales Leitrohr angeordneten Rohrbündel bekannt, bei denen das die Rohre umspülende Medium mittels einer im Leitrohr angeordneten Fördereinrichtung umgewälzt wird. Ferner ist im Leitrohr ein Wärmetauscher angeordnet, dessen Anschlüsse aus dem Apparat im zentralen Bereich herausgeführt sind.
Das zu beaufschlagende Rohrbündel enthält häufig mehrere tausend einzelne Rohre, an deren Dichtschweissungen besondere Anforderungen gestellt werden.
Der Einsatz hochwirksamer Katalysatoren in solchen Apparaten bringt es mit sich, dass der zur Gewährleistung des Wärmetransportes erforderliche Durchsatz des von der Fördereinrichtung durch das zentrale Leitrohr zu führenden Mediums erheblich gesteigert werden muss. Der Wärmetauh über den äusseren Mantel des Apparats ist vernachlässigbar klein. Dieser Umstand führt beim Bau von Reaktoren höherer Leistung zwangsläufig zunächst zu einer Vergrösserung des Leitrohrquerschnittes mit dem darin befindlichen Wärmetauscher und demzufolge zu einer kleineren Querschnittsfläche für das Rohrbündel.
Da anderseits der maximale Durchmesser des Apparates durch seine Transportmöglichkeit begrenzt ist, gehen die Überlegungen dahin, für einen vorgegebenen maximalen Durchmesser des Reaktors ein Maximum an Leistung zu erzielen. Für die bekannte Bauweise mit zentralem Leitrohr ergibt sich somit eine nicht überschreitbare konstruktive Grenze.
Es sind zwar in anderem Zusammenhang bereits Wärmetauscherapparate mit Zwangsumlauf eines der wärmetauschenden Medien bekannt, bei denen die Fördereinrichtung ausserhalb des Rohrbündels angeordnet ist. Bei diesen Apparaten bleibt aber eine möglichst gleichmässige Beaufschlagung des Rohrbündels ausser Betracht, die für Rohrbündelreaktoren im Sinne des gewünschten Reaktionsablaufes und eines Maximums an Ausbeute bzw. an Produktqualität gefordert wird. Bei einem Reaktor soll jedes
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ist umso schwerer zu erfüllen, als davon auszugehen ist, dass sich der Temperaturverlauf im Einzelrohr über eine längere Betriebsdauer hinweg aufgrund der unvermeidlichen Alterung des Katalysators verändert.
Der Erfindung liegt demzufolge die Aufgabe zugrunde, einen zur Ausführung von chemischen Reaktionen geeigneten Rohrbündelreaktor zu schaffen, der unter Berücksichtigung der Transportmöglichkeit bei grösstmöglicher Reaktionsleistung eine gleichmässige Beaufschlagung jedes
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Einzelrohres mit Wärmeübertragungsmitteln gleicher Temperatur, Menge und Geschwindigkeit gewährleistet.
Ferner soll der Leistungsbedarf der Fördereinrichtung für das Wärmeübertragungsmittel bei guter Wartungsmöglichkeit ein Minimum betragen.
Für die Lösung der gestellten Aufgabe müssen folgende Überlegungen berücksichtigt werden :
Der Wärmeübergang ist zwar bei quer angeströmten Rohren höher als bei axialer Strömung, jedoch ist die wesentlichere Forderung nach gleicher Temperatur des Wärmeübertragungsmittels an der gleichen Stelle jedes einzelnen Rohres wegen des angestrebten Reaktionsablaufes im Rohrinneren nur mit einer hinreichend gleichmässigen axialen Strömung zu erfüllen.
Bei der konstruktiven Lösung der gestellten Aufgabe wird ausgegangen von einem Rohrbündelreaktor bekannter Art mit Zwangsumwälzung des die Rohre umspülenden Wärmeübertragungsmittels einer neben dem Wärmetauscher angeordneten Fördereinrichtung, wobei die Anströmung der den Gesamtquerschnitt annähernd ausfüllenden Rohre durch etwa quer zur Rohrachse angeordnete und durchbrochene Leitbleche beeinflussbar ist.
Erfindungsgemäss wird ein solcher Apparat zur Erfüllung der oben gestellten Forderungen dadurch verbessert, dass der Mantel des Rohrbündelreaktors von je einer Ringleitung für die Zu-und Abführung des von der aussenliegenden Fördereinrichtung herangeführten Wärmeübertragungsmittels umgeben ist, wobei der Reaktormantel in der Höhe der Ringleitungen Öffnungen besitzt, die auf seinem Umfang verteilt sind und dass die etwa quer zur Rohrbündelachse liegenden Leitbleche Durchbrechungen von bemessener summierter Quershnittsfläche aufweisen, die einzelne oder gruppenweise nebeneinanderliegende Rohre des Bündels allseitig umgeben.
Nach einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass die über den Gesamtquerschnitt hinweg angeordneten Leitbleche mit einzelnen Durchbrechungen gleichbleibenden Durchmessers und mit von aussen nach innen kleiner werdender Blechstärke ausgeführt sind.
Nach einem andern Merkmale der Erfindung kann die summierte Querschnittsfläche der Durchbrechungen in den Leitblechen von aussen nach innen zunehmen.
Ein weiteres Merkmal der Erfindung besteht darin, dass in der Nähe der den gesamten Rohrbündelquerschnitt ausfüllenden Leitbleche mit gleich grosser Bemessung sämtlicher Durchbrechungen weitere ebene Leitbleche von kleinerer Gesamtfläche mit in sich gleichbleibend grossen Durchbrechungen angeordnet sind, wobei die den Leitblechen benachbart angeordneten Leitbleche vo kleinerer Fläche als Kreisringflächen ausgebildet sein können, deren Aussendurchmesser etwa dem Innendurchmesser des Mantels gleich ist.
Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden ausführlichen Beschreibung in Verbindung mit den Zeichnungen.
Gemäss Fig. 1 und dem entsprechenden Querschnitt in Fig. 2 nimmt das Bündel--l--der mit Katalysator gefüllten Rohre annähernd den ganzen vom Mantel--2--des Wärmetauschers umschlossenen Raum ein. Der Kühler-3-für das Wärmeübertragungsmittel mit Fördereinrichtung --3a-- ist ausserhalb des Wärmetauschers angeordnet. Das Wärmeübertragungsmittel wird vom Kühler - durch eine ausserhalb des Wärmetauschermantels-2-angeordnete Ringleitung-4-
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Rohrbündel--l--umgebenden Raum gedrückt.
Ein nahe dem unteren Rohrboden--8-- eingebautes Leitblech--5--, das den gesamten vom Mantel --2-- umhüllten Querschnitt einnimmt, enthält eine Vielzahl von Durchbrechungen--10--, die so bemessen sind, dass das Wärmeübertragungsmittel mit einer Geschwindigkeit, die über den ganzen Querschnitt des Rohrbündels gleich ist, längs des Rohrbündels--l--bis zum oberen Leitblech --6-- strömt. Nach Passieren der Durchbrechungen--10--des Leitbleches--6--tritt das Wärmeübertragungsmittel durch die Öffnungen-12-im Mantel-2-in die obere Ringleitung --7-- ein und wird von dort zum Kühler--3-zurückgeführt.
Die Öffnungen--9--im Mantel--2--in der Höhe der Ringleitung --4-- sind so zu bemessen, dass die Summe des Druckverlustes aus der Einströmung in die Ringleitung und dem Durchtritt durch die Öffnungen für alle Stromfäden konstant ist. Es wird dadurch das Wärmeübertragungsmittel auf den ganzen Umfang des Mantels--2--gleichmässig verteilt und sein gleichmässiger radialer Eintritt in das Rohrbündel gewährleistet. Für den Austritt des
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Mantels--2--ingleicher Weise.
Die Zu-bzw. Abführung des Wärmeübertragungsmittels durch die ausserhalb des Mantels-2-
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angeordneten Ringleitungen-4 und 7-ist auch insofern besonders günstig, als dann den jeweils grössten Strömungsmengen des Wärmeübertragungsmittels die grössten Durchtrittsquerschnitte zwischen den Leitblechen--5 bzw. 6--und den Rohrböden--8 bzw. 14--zur Verfügung stehen.
Die Durchbrechungen--10--in den Leitblechen--5 und 6--sind so zu bemessen, dass die Summe der Druckverluste aus der Querströmung durch das Rohrbündel vor bzw. nach dem Passieren
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weiter innen liegende Stromfäden konstant ist. Es strömen dann zwischen den Leitblechen--5 und 6-durch gleiche Flächen des Rohrbündelquerschnitts gleiche Mengen des Wärmeübertragungsmittels.
Werden ebene Leitbleche--5 bzw. 6--verwendet, so erhält man für jeden Stromfaden den gleichen Druckverlust aus der Querströmung von aussen nach innen und der Strömung durch die Durchbrechung --10--, wenn man die Einzelflächen der Durchbrechungen entweder im errechneten Masse von auen nach innen grösser werdend ausführt oder bei gleich gross ausgeführten Durchbrechungen die Stärke der Leitbleche aussen grösser als in der Nähe der Reaktorachse bemisst bzw. im zentralen Bereich.
Es kann anderseits auch der Abstand des Leitbleches--5--vom benachbarten Rohrboden - in radialer Richtung so bemessen sein, dass der Druckverlust der zwischen diesen Elementen gegebenen Querströmung durch das Rohrbündel von aussen nach innen bis zu den Durchbrechungen - für jeden Stromfaden konstant ist. Daraus folgt, dass dieser Abstand in radialer Richtung gegebenenfalls unterschiedlich zu bemessen ist.
Etwa das gleiche Ergebnis erhält man, wenn man die Rohrteilung von aussen nach innen zunehmen lässt. Es ist also in dieser Ausführungsform die Rohrteilung aussen kleiner als in der
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Strömung des Wärmeübertragungsmittels längs der Rohre--13--an jeder Stelle wieder gleich ist. Für den Austritt des Wärmeübertragungsmittels durch die Durchbrechungen--10--des oberen Leitbleches --6-- gilt dann diese Vorschrift für den Abstand zwischen Leitblech und dem oberen Rohrboden-11-sinngemäss.
In einer praktischen Ausführungsform mit unterschiedlich bemessenem Abstand zwischen den Leitblechen--5 bzw. 6--und den benachbarten Rohrböden--8 bzw. 11--verformt man die Leitbleche entweder kegelförmig oder kalottenförmig.
Zwischen den verformten Leitblechen--5 bzw. 6--können über die Rohrlänge hinweg zusätzlich ebene Leitbleche mit entsprechenden Durchbrechungen --10-- in den Wärmetauscher eingebaut sein, um die gewünschte axiale Strömung an den Rohren gegebenenfalls nochmals zu beeinflussen.
In den Fig. 3 und 4 sind zweckmässige Formen der Durchbrechungen in den Leitblechen-5 und 6-wiedergegeben. Diese Durchbrechungen --10-- werden vorzugsweise so ausgeführt, dass um die einzelnen Rohre-13-des Rohrbündels-l-Ringspalte entstehen. Die Grösse der Ringspaltfläche wird je nach Lage des Rohres im Gesamtquerschnitt des Rohrbündels so bemessen, dass der an dieser Stelle erforderliche Druckverlust erreicht wird.
Erfordert die Strömung des Wärmeübertragungsmittels Durchbrechungen --10-- von solcher Grösse, dass entweder die zwischen den einzelnen Ringspalten verbleibenden Werkstoffstege für die Festigkeit der Leitbleche nicht mehr ausreichen oder die erforderliche Durchbrechungsfläche durch Ringspalte um Einzelrohre nicht mehr erreicht werden kann, so wird die Durchbrechung so ausgeführt, dass sie gemäss Fig. 4 gruppenweise zwei oder mehrere nebeneinanderliegende Einzelrohre allseitig umgibt.
Im Rahmen der Erfindung sind zum Ausgleich der unterschiedlichen Druckverluste an aussenliegenden und mehr zentral liegenden Einzelrohren des Rohrbündels--l--weitere konstruktive Ausführungen möglich. Neben den den gesamten Rohrbündelquerschnitt ausfüllenden Leitblechen--5 und 6--mit gleichgrosser Bemessung sämtlicher Durchbrechungen --10-- können im Sinne dieses Ausgleichs weitere ebene Leitbleche von kleinerer Gesamtfläche mit an sich gleichbleibend grossen Durchbrechungen angeordnet sein. Vorzugsweise sind diese zusätzlichen Leitbleche mit kleinerer Fläche als Kreisringflächen mit einer entsprechenden Anzahl von Durchbrechungen-10-ausgebildet, deren Aussendurchmesser etwa dem Innendurchmesser des Apparatemantels gleich ist.
Es ergibt sich dann beim Durchtritt der Stromfäden durch weiter aussen liegende Durchbrechungen--10--der gleiche Druckverlust wie im zentralen Bereich des Rohrbündels mit entsprechend längeren Stromfäden.
In den Fig. 5 und 6 ist diese Ausführungsform des Reaktors schematisch wiedergegeben.
Die Querschnitte der Öffnungen --9-- in der Höhe der Eintrittsringleitung --4-- und entsprechend diejenigen der Öffnungen --12-- in der Höhe der Austrittsringleitung-7-nehmen
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Wärmeübertragungsmittels in die bzw. aus der Ringleitung bis zur gegenüberliegenden Seite des Mantelumfangs zu.
Ein nahe dem unteren Rohrboden--8--angeordnetes Leitblech--5--, das den Gesamtquerschnitt des Rohrbündels--l--ausfüllt und weitere vorzugsweise parallel dazu angeordnete Leitbleche --5'und 5"--, die als Kreisringe ausgebildet sind, haben eine Anzahl von in sich gleichbleibend grossen Durchbrechungen--10, 10' und 10"--, die so bemessen sind, dass das Wärmeübertragungsmittel mit einer Geschwindigkeit, die über den ganzen Querschnitt des Rohrbündels gleich ist, längs des Rohrbündels --1-- bis zu den oberen Leitblechen-6, 6' und 6"--strömt.
Zweckmässig sind die Durchbrechungen--10, 10' und 10"--ausser mit gleicher Fläche auch geometrisch formgleich, d. h. kongruent ausgeführt.
Nach Passieren der Durchbrechungen der Leitbleche-6, 6' und 6"--tritt das
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Die Öffnungen-9-im Mantel-2-in der Höhe der Ringleitung --4-- sind so bemessen, dass die Summe des Druckverlustes aus der Strömung in der Ringleitung und dem Durchtritt durch die öffnungen für alle Stromfäden gleich ist. Es wird dadurch das Wärmeübertragungsmittel auf den ganzen Umfang des Mantels --2-- verteilt und sein gleichmässiger radialer Eintritt in das Rohrbündel gewährleistet. Für den Austritt des Wärmeübertragungsmittels durch die oberen Öffnungen - -12-- des Mantels --2-- in die Ringleitung--7--gilt diese vom messbaren Druckverlust abgeleitete Querschnittsbemessung in gleicher Weise.
Die Durchbrechungen-10, 10' und 10"--in den Leitblechen-5, 5', 5" und 6, 6', 6"-- sind so zu bemessen, dass die Summe der Druckverluste aus der Querströmung durch das Rohrbündel - und der Strömung durch die Durchbrechungen-10, 10' und 10"--für alle Stromfäden gleich ist. Es strömen dann zwischen den Leitblechen--5, 5' und 5"und 6, 6' und 6"--durch gleiche Flächen des Rohrbündelquerschnittes gleiche Mengen des Wärmeübertragungsmittels.
Die Anpassung an die über das gesamte Rohrbündel hinweg unterschiedlichen Druckverluste kann auch in dieser Ausführung durch Verändern der wirksamen Länge der an einem Einzelrohr aufeinanderfolgenden Durchbrechungen --10-- ausgeführt werden. Praktisch erfolgt dies so, dass bei gleichgrossen Querschnittsflächen der Durchbrechungen--10--die summierte Stärke aller Leitbleche stufenweise von aussen nach innen kleiner gemacht wird. Es können z. B. die kreisringförmigen Leitbleche --5'und 5" und 6'und 6"-- unmittelbar auf die Leitbleche-5 bzw. 6-aufgeschweisst sein.
Die stufenweise von aussen nach innen verringerte Blechstärke ist dabei wieder so zu bemessen, dass die Summe der Druckverluste aus der Querströmung durch das Rohrbündel --1-- und die Strömung durch die Durchbrechungen --10-- für sämtliche Stromfäden gleich ist.
Sofern bei der Ausführung eines solchen Rohrbündelwärmetauschers mit gleich grossen
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zusätzlich anbringen. In diesem Fall besitzen die Leitbleche--5 bzw. 6--je Flächeneinheit eine von aussen nach innen zunehmende Anzahl von Durchbrechungen.
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