DE1501541A1 - Waermeaustauschelement - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Wärmeaustauschelement zur Verwendung bei der Kondensation von gasförmigen Medien. Das Element enthält eine Anzahl von Wärmeaustauschlamellen, von denen jede zwei miteinander vereinigte Lamellenabschnitte enthält, die zweckmässig zusammengeschweisst oder mittels Dichtungen vereinigt sind, wobei die Wärmeaustauschlamellen Wärmeübertragungsflächen darstellen und mit ihren vertikalen Seitenrändern so Seite an Seite angeordnet sind, dass einer oder mehrere Durchflusskanäle für das zu kondensierende Medium zwischen einander gegenüberliegenden Wärmeübertragungsflächen entstehen und weiterhin kanalförmige Teile zum Sammeln des in den Durchflusskanälen entstandenen Kondensats gebildet werden.

Solche Wärmeaustauschelemente sind bereits bekannt und sind entweder quadratisch oder rechteckig in ihrer Gestalt und so beschaffen, dass ihre Zuflussränder und Ausflussränder in derselben horizontalen Ebene liegen. Das Wärmeaustauschelement wird besonders auf dem Gebiet der chemischen Technologie verwendet. Bei vielen chemischen Prozessen ist es wünschenswert, ein gasförmiges Medium schnell und gleichmässig zu kühlen und zu kondensieren und das gebildete Kondensat von den Wärmeübertragungsflächen so schnell und wirksam wie möglich abzuführen. Um die Gase schnell zu kühlen, müssen sie mit hoher Geschwindigkeit durch die Kondensationskanäle im Wärmeaustauschelement hindurchgehen und das Volumen der Kanäle muss verhältnismässig klein sein. Die gleichmässige Kühlung eines Gases macht es erforderlich, dass alle Gasteilchen mit derselben Geschwindigkeit über gleich grosse und einheitliche Kühlflächen geführt werden und dass im Wärmeaustauschelement kein sogenannter "toter Raum" entsteht. Für eine wirksame Entfernung des Kondensats ist es erforderlich, dass das Wärmeaustauschelement so ausgestaltet ist, dass das gebildete Kondensat in die kanalförmige Sammelteile geführt wird und dass es nicht frei über die Heizflächen zu der Austrittsöffnung läuft. Die derzeitigen Ausführungsformen des vorbeschriebenen Wärmeaustauschelements haben dieses Erfordernis bis zu einem befriedigenden Ausmass nicht erfüllt, was als Nachteil betrachtet werden muss.

Es hat sich nun herausgestellt, dass dieser Nachteil überwunden oder wenigstens im wesentlichen verringert werden kann, wenn gemäss der Erfindung die Zu- und Abflussränder der Wärmeaustauschlamellen in einer Ebene liegen, die sich nach der Horizontalen neigt. Infolge der Tatsache, dass das Gas in rechten Winkeln zur horizontalen Ebene fliesst und die Kondensatsströme in Bezug auf die horizontale Ebene geneigt sind, treibt der Gasstrom automatisch das in den Kanälen gesammelte Kondensat schräg in Bezug auf seine eigene Fliessrichtung weg.

Gemäss einer Ausführungsform der Erfindung können die Zu- und Abflussränder des Wärmeaustauschelements in Bezug auf die horizontale Ebene geneigt sein.

Gemäss einer anderen Ausführungsform der Erfindung können die Zu- und Abflussränder des Wärmeaustauschelements horizontal aber in Form von Stufen in einer solchen Weise angeordnet sein, dass eine geneigte Zu- und Abflussebene gebildet wird.

Die Erfindung umfasst auch eine chemische Apparatur für Kühl- und Kondensationszwecke und diese Vorrichtung ist aus dem oben beschriebenen Wärmeaustauschelement hergestellt. Hierfür ist es erforderlich, mehrere Wärmeaustauschelemente in einer Säule oder dergl. zum Aufbau eines Wärmeaustauschers anzuordnen.

Ein chemischer Prozess, in welchem es wichtig ist eine schnelle Kühlung und Kondensation von Gasmischungen zu erreichen, ist die Herstellung von Salpetersäure durch katalytische Oxydation von Ammoniak und Absorption der gebildeten nitrosen Gase. Das bei der Oxydation gebildete gasförmige Produkt ist eine Mischung von nitrosen Gasen, elementarem Sauerstoff, Stickstoff und Dampf. Diese Mischungen werden zuerst in einem Dampfgenerator und danach in einem Wärmeaustauscher gekühlt. Während des letztgenannten Kühlprozesses wird ein grosser Teil des Dampfs zur selben Zeit wie die Gase kondensiert, wenn sie sich teilweise im Kondensat lösen und gleichzeitig verdünnte Salpetersäure bilden. Auf diese Weise können die nitrosen Gase so vollständig wie möglich verwendet werden, während die Salpetersäure im Gegenstrom gebildet werden muss. Auf diese Weise wird auch die höchste Konzentration der hergestellten Säure erhalten. Wenn man das Kondensat gleichzeitig Salpetersäure bilden lässt, wird der Gehalt an nitrosen Gasen in der in den Absorptionsteil des Absorptionsturms eingeleiteten Gasmischung herabgesetzt, was bedeutet, dass die Konzentration der den Turm in derselben Höhe verlassenden Säure ebenfalls verringert wird. Die Oxydation von Stickstoffoxyd (NO) zu Stickstoffdioxyd (NO[tief]2) findet auch während des Kühlprozesses statt, wobei der in der Gasmischung anwesende Sauerstoff verwendet wird. Da es Stickstoffoxyd ist was absorbiert wird, ist es wichtig, dass die Oxydation so dicht wie möglich von der Auslieferungshöhe des Säureprodukts geschieht und dass die Oxydation auf dem niedersten möglichen Minimum gehalten wird, während des Teils des Kühlprozesses, in welchem das Kondensat gebildet wird.

Zum Zwecke der Herstellung einer hochkonzentrierten Salpetersäure ist ein kleinvolumiger Wärmeaustauscher erforderlich, der die Gase so schnell kühlt, dass irgend eine Oxydation im Wärmeaustauscher während der Bildung des Kondensats für das Verfahren unerheblich ist. Ein zusätzliches Erfordernis für einen solchen Wärmeaustauscher besteht darin, das gebildete Kondensat so schnell und so wirksam wie möglich zu entfernen, so dass die nitrosen Gase keine Zeit haben, durch dasselbe absorbiert zu werden.

Es wurde nun gezeigt, dass dieses Erfordernis in einer aussergewöhnlich vorteilhaften Weise mit einer Vorrichtung unter Verwendung des vorbeschriebenen Wärmeaustauschelements zur Kühlung der gebildeten Gasmischung durch Oxydation von Ammoniak verwirklicht werden kann. In diesem Zusammenhang werden mehrere Elemente in geeigneter Weise in Schichten eine über der anderen angeordnet.

Bei der Fraktionierung und der fraktionierten Kondensation ist es wünschenswert den Kühlprozess einer Gasmischung genau zu überwachen, so dass das erhaltene Destillat so gleichmässig wie möglich ist. Dies kann nur in einem Wärmeaustauscher geschehen, in dem jedes Gasteilchen mit derselben Geschwindigkeit über eine Wärmeaustauschfläche derselben Temperatur und Form geführt wird. Ein zusätzliches Erfordernis besteht darin, das gebildete Kondensat so wirksam wie möglich zu entfernen, dass es nicht nach einer Seite fliesst oder Verstopfungen bildet, die den Gasstrom stören könnten. Dies setzt einen Wärmeaustauscher von geringem Volumen und ohne einen "toten Raum" voraus, in dem das Gas aufgehalten wird, und Anordnungen, die das gebildete Kondensat wirksam und gleichmässig über der gesamten Heizfläche entfernen.

Selbst dieses Erfordernis kann in einer aussergewöhnlich vorteilhaften Weise mit Hilfe der Wärmeaustauschelemente gemäss der Erfindung befriedigt werden.

Die beigefügten Zeichnungen zeigen schematisch mehrere Ausführungsformen der Wärmeaustauschlamellen, an denen der Erfindungsgedanke erläutert wird.

Fig. 1 zeigt schematisch die Seitenansicht einer Wärmeaustauschlamelle gemäss der Erfindung schräg weggeschnitten;

Fig. 1 a zeigt schematisch eine Endansicht der Wärmeaustauschlamelle gemäss der Erfindung, in Stufen angeordnet und im rechten Winkel weggeschnitten;

Fig. 2 erläutert schematisch mit Hilfe eines Vertikalschnitts wie die zickzackförmigen Fliesskanäle zwischen den Wärmeaustauschlamellen mit einer gewellten Oberfläche gebildet werden;

Fig. 3 und 4 erläutern verschiedene Arten von Wärmeaustauschelementen, auf welche die Erfindung angewendet werden kann;

Fig. 5 zeigt schematisch wie mehrere Wärmeaustauschelemente in Schichten eine über der anderen in einer Säule zum Aufbau eines Wärmeaustauschers angeordnet sind;

Fig. 6 zeigt wie die kanalartigen Sammelteile für das Kondensat zu einem Ganzen zusammengesetzt sind mit den Wärmeaustauschlamellen in Fig. 2;

Fig. 7 zeigt den Teil eines Wärmeaustauschelements mit kanalartigen Sammelteilen als Ganzes mit den Wärmeaustauschelementen einschliesslich der Wärmeaustauschlamellen; und

Fig. 8 zeigt wie die kanalartigen Sammelteile zwischen zwei Wärmeaustauschelementen angeordnet sind und wie die Führungsteile zur Führung des Stroms des Gaskondensats in die

Kanäle eingerichtet sind.

Unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung zeigt Fig. 1 schematisch eine Wärmeaustauschlamelle, deren beide vertikale Seitenränder mit den Bezugszeichen 1 und 2 bezeichnet sind und von denen jeder Zuflussrand für das zu kühlende Medium durch das Bezugszeichen 3 und jeder Abflussrand für das Kühlmedium mit dem Bezugszeichen 4 bezeichnet ist. Bei den dargestellten Lamellen aus dünnschichtigen Abschnitten als Wärmeübertragungsflächen, die zu Paaren zusammengeschweisst oder durch Dichtungen zusammengefügt sind, sind die Ränder 3 und 4 in Bezug auf die horizontale Ebene geneigt. Auf diese Weise treibt das parallel zu den Seitenrändern 1 und 2 strömende Gas oder Dampf das gebildete Kondensat wirksamer in eine Kondensatfalle, die parallel zum Abflussrand 4 angeordnet ist.

Die Fig. 1 a zeigt schematisch ein Wärmeaustauschelement mit rechtwinkligen in Stufen angeordneten Wärmeaustauschlamellen, bei denen zwei vertikale Seitenränder mit den Bezugszeichen 1a und 2a und die Zuflussfläche für das zu kühlende Medium mit dem Bezugszeichen 3a bezeichnet sind, während die Abflussoberfläche für das zu kühlende Medium mit dem Bezugszeichen 4a bezeichnet ist. Jede der Lamellen des in Fig. 1 a gezeigten Wärmeaustauschelements ist aus zwei verschweissten oder mittels Dichtungen zusammengefügten Lamellenabschnitten zusammengesetzt, die mit Wärmeübertragungsflächen versehen sind, wobei Ränder der genannten Lamellenabschnitte mit rechten Winkeln erhalten werden und die Zufluss- und Abflussebene vermöge der stufenartigen Anordnung der Lamellen geneigt ist.

Fig. 2 zeigt schematisch im Vertikalschnitt, wie die Wärmeaustauschlamellen durch Pressen gewellter Platten hergestellt werden können und wie durch Versetzung der Lamellen 5 und 6 in Bezug auf 7 und 8 zickzackförmige Spalte 9 und 10 von gleichförmigem Bereich für das zu kondensierende Medium erhalten werden. Die Innenkanäle jeder Wärmeaustauschlamelle sind für das Kühlmedium vorgesehen, das parallel oder in Reihe innerhalb jeder Lamelle geführt werden kann. Der untere Rand ist in Bezug auf eine Ebene in rechten Winkeln zur Zeichnung in der in Fig. 1 dargestellten Weise geneigt.

Fig. 3 zeigt schematisch eine teilweise Schnittansicht von drei Wärmeaustauschlamellen 11, 12 und 13, die Seite an Seite in einer solchen Weise angeordnet sind, dass ein Spalt für das kondensierte Medium zwischen zwei benachbarten Lamellen erscheint. In einer ähnlichen Weise in Bezug auf Fig. 1 ist der Abflussrand auf jeder Lamelle in Bezug auf die Ebene in rechten Winkeln zur Ebene der Zeichnung geneigt oder in der Form von Stufen wie in Fig. 1 a angeordnet. Im Innern einer jeden Lamelle sind Abstandshalter angeordnet, wobei die Abstandshalter so beschaffen sind, dass sie dem Kühlmedium eine bestimmte gewünschte Bewegung nach vorn und hinten in einer Ebene in rechten Winkeln zur Ebene der Zeichnung verleihen.

Fig. 4 zeigt schematisch in einer teilweisen Schnittansicht drei Wärmeaustauschlamellen 15, 16 und 17, die im Abstand voneinander durch aussenliegende als Füllteile bezeichnete Abstandshalter 18 gehalten werden.

Fig. 5 zeigt schematisch die Anordnung einer Anzahl von Wärmeaustauschelementen derselben Art entsprechend den Wärmeaustauschlamellen gemäss Fig. 1 oder in einer rechtwinkligen Anordnung oder in Stufen gemäss Fig. 1 a angeordnet. Diese Elemente sind in Schichten eine über der anderen angeordnet. Das zu kondensierende gasförmige Medium wird am oberen Zuflussrand eingeführt und an den Elementen des Wärmeaustauschers herauf und herabgeführt. Es sind zwei Kondensatfallen zwischen zwei Wärmeaustauschelementen (beispielsweise zwischen 20 und 21 und zwischen 21 und 22) angeordnet, jede parallel zur Abflussebene des genannten Wärmeaustauschelements.

Fig. 6 zeigt Kondensatfallen 23 und Leitplatten 23a, die in einem Stück mit den Wärmeaustauschlamellen gefertigt sind.

Gemäss Fig. 7 sind die Kondensatfallen 24 jeweils in einem Stück mit den entsprechenden Wärmeaustauschlamellen hergestellt.

Fig. 8 zeigt schematisch auf welche Weise die Kondensatfallen zwischen zwei Wärmeaustauschelementen befestigt sind, von denen eines über dem anderen angeordnet ist und von denen jedes Wärmeaustauschlamellen enthält. Eine Lamelle im oberen Element ist mit dem Bezugszeichen 25 und im unteren Element mit 26 bezeichnet. Zwischen dem Wärmeaustauschelement ist eine Anzahl von Kanälen für das Kondensat angeordnet, der rechts angeordnete ist mit dem Bezugszeichen 27 bezeichnet, und Leitplatten 28, auf welche das in den Spalten zwischen den Lamellen 25 gebildete Kondensat fällt und dann in die Fallen 27 abgeleitet wird.

Die Leitplatten und die Kondensatfallen sind zwischen den Abfluss- und Zuflussrändern der Lamellen in einer solchen Weise angeordnet, dass die Gas-Dampf-Kondensatmischung vom oberen Element ohne unnötigen Druckabfall den Spalt in diesem Element verlassen kann und gleichmässig in die Spalte zwischen den Lamellen des folgenden Elements verteilt wird.

Claims (1)

1. Wärmeaustauschelement für Kühlungs- und Kondensationszwecke mit einer Anzahl von Wärmeaustauschlamellen, von denen jede zwei kombinierte Lamellenabschnitte mit Wärmeübertragungsflächen besitzt und die Abschnitte zweckmässig zusammengeschweisst oder mittels Dichtungen zusammengefügt sind, wobei die Lamellen Seite an Seite mit vertikalen Seitenrändern an einem oder mehreren Kanälen für den Strom des zu kondensierenden Mediums angeordnet sind, die zwischen einander gegenüberstehenden Wärmeübertragungsflächen vorhanden und mit kanalartigen Teilen zum Sammeln des in dem Fliesskanal gebildeten Kondensats versehen sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Zu- und Abflussflächen (3, 4) des Wärmeaustauschelements in einer zur Horizontalen liegenden Ebene geneigt sind und dass die Fallen (23, 27, 24) in einer Ebene hauptsächlich parallel zur
<NichtLesbar>

4.) Vorrichtung für Kühl- und Kondensationszwecke aus einer Anzahl von Wärmeaustauschelementen nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Elemente in Schichten eine über der anderen zu einer Säule oder dergl. zur Bildung eines Wärmeaustauschers angeordnet sind.