DE69400918T2 - Vorrichtung zur durchführung von physikalischen und/oder chemischen verfahren, zum beispiel ein wärmetauscher - Google Patents

Vorrichtung zur durchführung von physikalischen und/oder chemischen verfahren, zum beispiel ein wärmetauscher

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Description

  • Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Durchführung eines physikalischen und/oder chemischen Verfahrens, beispielsweise einen Wärmetauscher, mit einem Behälter, der mit aufwärts gerichteten Rohren versehen ist, die an ihren oberen und unteren Enden in Rohrplatten aufgenommen sind und in offener Verbindung mit einem Oberkasten und einem Unterkasten stehen, wobei im Unterkasten mindestens eine Verteilerplatte zur Unterstützung eines aus körnigem Material bestehenden Wirbelbetts angeordnet ist, das durch ein über den Unterkasten zugeführtes und durch die Rohre strömendes, zu behandelndes bzw. erhitzendes Medium in einem quasi-stationären Wirbelzustand gehalten werden kann, wobei die Vorrichtung ferner mit Mitteln zur Zurückführung von Wirbelbettpartikeln vom Oberkasten zum Unterkasten in Form eines Falkohrs versehen ist, das außerhalb des Behälters angeordnet ist und an seinem oberen Ende durch eine Trennvorrichtung mit dem Oberkasten verbunden ist, und dessen unteres Ende durch Ein- und Ausschalten in Verbindung mit dem Unterkasten des Behälters gebracht werden kann.
  • Eine solche Vorrichtung ist in GB-A-2 087 534 offenbart. Bei der aus Fig. 3 dieser Veröffentlicnung bekannten Vorrichtung ist in das Fallrohr eine Ventilanordnung eingebaut, die aus einem oberen und einem unteren konischen Ventilteil besteht, die durch einen sich in Längsrichtung des Fallrohres erstreckenden Ventilschaft miteinander verbunden sind. Der Durchlaß des Falkohres ist entweder durch das obere oder das untere Ventilteil geschlossen. Befindet sich das untere Ventilteil in der Schließstellung, sammelt sich eine Menge von Wirbelbettpartikeln an diesem Ventilteil an, bis das Gewicht dieser Menge so hoch wird, daß das Ventilteil in seine Öffnungsstellung nach unten gedrückt wird, wodurch gleichzeitig das obere Ventilteil in die Schließstellung gedrückt wird. Durch das Öffnen des unteren Ventilteils strömt die daran angesammelte Menge von Wirbelbettpartikeln in Richtung des Unterkastens des Behälters davon. Infolgedessen ist das untere Ventilteil unbelastet, wobei die Ventilanordnung derart ausgebildet ist, daß nach dem Abfließen einer bestimmten Menge von Wirbelbettpartikeln das untere Ventilteil sich wieder in Richtung auf die höhere Schließstellung bewegt, wie dies auch das mit diesem über den Ventilschaft verbundene obere Ventilteil ausführt, so daß an dieser Stelle angesammelte Wirbelbettpartikel in Richtung auf das geschlossene untere Ventilteil fallen. Auf diese Weise wird eine zyklische, intermittierende Rezirkulation der Wirbelbettpartikel erreicht. Die Praxis hat gezeigt, daß die Auf- und Abbewegung der durch den Ventilschaft verbundenen Ventilteile sprunghaft erfolgen kann, wodurch nachteilige Stoßwirkungen auf die Vorrichtung oder Vibrationen in der Vorrichtung erzeugt werden. Weitere Probleme können aufgrund der Tatsache auftreten, daß die beiden Ventilteile in einer abrasiven Umgebung arbeiten, d.h. die Wirbelbettpartikel können einen schnellen und frühzeitigen Verschleiß und Austausch der Ventilteile und deren Sitze erforderlich machen. Die intermittierende Arbeit führt ferner zu einer geringen Zirkulationskapazität der Wirbelbettpartikel, wodurch wiederum die Verwendung mehrerer Fallrohre erforderlich werden kann.
  • Es ist die Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung des zuvor beschriebenen Typs zu schaffen, welche die zuvor genannten Nachteile überwindet. Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das untere Ende des Fallrohrs in einen Sammelbehälter mündet, der durch eineverteilerplatte in einen oberen Abschnitt und einen unteren Abschnitt geteilt ist, wobei der untere Abschnitt durch eine Leitung schließbar an die Speiseleitung für das zu behandelnde Medium angeschlossen ist und das untere Ende des Falkohrs in den oberen Abschnitt mündet, der über eine Leitung an denunterkasten des Behälters angeschlossen ist.
  • Auf diese Weise wird eine Vorrichtung erzielt, die ein kontinuierliches Rückführen von Wirbelbettpartikeln vom Oberkasten zum Unterkasten ermöglicht, indem die im oberen Bereich des Sammelbehälters befindlichen Wirbelbettpartikel durch das über den unteren Abschnitt zugeführte Medium in den Unterkasten des Behälters verbracht wird. Die relevanten Prozeßparameter können an dem Fallrohr mit bekannten und verfügbaren Geräten auf einfache Weise gemessen werden. Durch das Absperren der Mediumversorgung zum unteren Bereich kann der Wärmetauscher auch ohne Rezirkulation von Wirbelbettpartikeln betrieben werden, wodurch eine Rückkehrposition gegeben ist, die von Benutzern üblicherweise gewünscht wird. Durch das Absperren der Mediumversorgung hört der dadurch erzeugte Fluidisierungseffekt auf, wodurch die Wirbelbettpartikel in dem oberen Abschnitt unmittelbar beginnen, eine kompaktere Masse zu bilden, sodaß der Rückfluß in den Unterkasten des Behälters unterbrochen wird. Dies beinhaltet ferner den Zusammenbruch der Säule aus Wirbeistrompartikeln, wodurch sozusagen ein "Anhalten" des Rezirkulationskreislaufs bewirkt wird.
  • Unter bestimmten Umständen kann es beim Sperren der Mediumzufhhr zum unteren Abschnitt dazu kommen, daß die Rezirkulation nicht stoppt, da sich eine natürliche Zirkulationsströmung in der Vorrichtung bildet. In diesem Fall ist gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung vorzugsweise eine zwischen der Trennvorrichtung und der Zuflihrleitung vorgesehene und parallel zum Fallrohr verlaufende Ausweichleitung mit einem Absperrventil angeordnet ist. Durch Zuführen von Medium am oberen Ende des Falkohres werden die Wirbelbettpartikel in der Trennvorrichtung gehalten und die bereits in dem Fallrohr enthaltenen Wirbelbettpartikel werden kompaktiert, so daß eine gegebenenfalls vorhandene natürliche Zirkulation gestoppt wird. Diese Zufhhr von Medium kann in Fällen ohne natürliche Zirkulation dazu verwendet werden, die Rezirkulation von Wirbelbettpartikeln schneller zu stoppen als in dem Fall, in dem die Mediutuzuhr nur im unteren Abschnitt des Sammelbehälters unterbrochen wird.
  • Weitere ausführliche Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind in den Unteransprüchen enthalten.
  • Ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird im folgenden unter Bezugnahme auf die zugehörigen Zeichnungen näher beschrieben. Die Zeichnungen zeigen:
  • Fig. 1 - einen Wärmetauscher mit externer Wirbelbettpartikelzirkulation; und
  • Fig. 2 - ein Detail der in der Vorrichtung gemäß Fig. 1 verwendeten Trennvorrichtung.
  • Fig. 1 zeigt einen Wärmetauscher, bestehend aus einem Behälter 1, in dem eine Reihe von Steigrohren 2 angeordnet ist, welche an ihren oberen und unteren Enden in Rohrplatten aufgenommen sind. Über der oberen Rohrplatte ist ein Oberkasten 4 angeordnet, in den die Steigrohre 2 münden, während unter der unteren Rohrplatte ein Unterkasten 3 angeordnet ist, in dem eine oder mehrere Verteilerplatten 5 zum Unterstützen eines aus granularem Material bestehenden Wirbelbetts angeordnet sind. An den unteren Enden weisen die Steigrohre 2 jeweils ein Einlaßteil 6 auf, in dem Öffnungen 7 vorgesehen sind. Auf der oberen Rohrplatte oder in geringem Abstand von dieser ist eine Drosselplatte 9 angeordnet, die mit Öffnungen 8 versehen ist, welche mit den Öffnungen der Steigrohre 2 fluchten, jedoch einen Durchmesser aufweisen, der kleiner als der Innendurchmesser der Steigrohre 2 ist. Im Oberkasten 4 ist eine Auslaßöffnung 10 angeordnet, mit der eine Auslaßleitung 11 verbunden ist, während das zu bearbeitende oder zu erhitzende Medium dem Unterkasten 3 über eine Leitung 21, 21A zugeführt wird. Selbstverständlich weist der Behälter 1 zwischen der oberen und der unteren Rohrplatte einen Einlaß- und einen Auslaßstutzen zum jeweiligen Zuführen und Auslassen des Heizmediums in den Wärmetauscher und aus diesem auf. Der Wärmetauscher kann selbstverständlich auch als Kühlvorrichtung verwendet werden. Der zuvor beschriebene Behälter 1 entspricht der bekannten Vorrichtung nach EP-B-0 065 333, wobei die Fallrohre der bekannten Vorrichtung weggelassen wurden.
  • Das externe Rezirkulationssystem für Wirbelbettpartikel und -fluid besteht aus einer mit der Auslaßleitung 11 verbundenen Trennvorrichtung 12. Am unteren Ende der Trennvorrichtung 12 ist ein Fallrohr 15 angeordnet, dessen unteres Ende in einen Sammelbehälter 16 mündet, welcher durch eine Verteilerplatte 17 in einen unteren Abschnitt 18 und einen oberen Abschnitt 19 unterteilt ist. Der untere Abschnitt 18 ist über eine Leitung 20 mit der Zuführleitung 22 für das zu behandelnde oder zu erhitzende Medium verbunden. In der Leitung 20 ist ein Absperrventil 23 angeordnet. Der obere Abschnitt 19 des Sammelbehälters 16 ist über eine oder mehrere Leitungen 25A mit dem Unterkasten 3 des Behälters 1 zum Zuführen von Wirbelbettpartikeln aus dem Sammelbehälter 16 zurück in diesen verbunden. In jeder Leitung 25A ist ein Absperrventil 26 angeordnet. Die Zuführleitung 22 ist ferner mit dem Unterkasten 3 des Behälters 1 durch die Leitung 21, 21A verbunden.
  • In der Trennvorrichtung 12 ist ein Rohr 13 angeordnet, das mit einer Auslaßleitung 14 zum Abführen des von dem Wärmetauscher 1 erhitzten Mediums verbunden ist. Ein Teil dieses Mediums endet, zusammen mit rezirkulierten Wirbelbettpartikeln, in dem Fallrohr 15.
  • Parallel zum Fallrohr 15 ist eine Ausweichleitung 24 mit einem Absperrventil 25 angeordnet. Die Leitung 24 verbindet das untere Ende der Trennvorrichtung 12 mit der Zuführleitung 20.
    • Betrieb der erfindungsgemäßen Vorrichtung
  • Bei eingeschalteter externer Rezirkulation - die Absperrventile 26, 23 sind offen, das Absperrventil 25 in der Leitung 24 ist geschlossen - arbeitet die Vorrichtung wie folgt:
  • Der größere Teil des zu behandelnden Mediums, der über die Zuführleitung 22 zugeführt wird, endet über die Leitung 21, 21A in dem Einlaßkasten 3 des Behälters 1 unter der unteren Verteilerplatte 5. Das zugeführte Medium strömt durch das auf der unteren Verteilerplatte liegende Wirbelbett, wodurch das Wirbelbett in einen fluidisierten Zustand gebracht wird. In dem und durch das Wirbelbett, wird das zugeführte Medium über die Steigrohre 2 gleichmäßig verteilt, wobei sich in den Steigrohren ebenfalls Wirbelbettpartikel befinden. Das zwischenzeitlich behandelte, erhitzte oder gekühlte Fluid endet, über die engen Öffnungen 8 in der Drosselplatte 9, zusammen mit aus den Steigrohren 2 ausgegebenen Wirbelbettpartikeln, im Oberkasten 4 und anschließend, über die Auslaßöffnung 10 und die Leitung 11, in der Trennvorrichtung 12, wobei ein Teil des behandelten Fluids über das Rohr 13 in die Leitung 14 abgesaugt wird, während Wirbelbettpartikel und ein Teil des behandelten Fluids über die Trennvorrichtung 12 in dem externen Fallrohr 15 und werden über dieses Fallrohr 15 in den oberen Abschnitt 19 des Sammelbehälters 16 geleitet. Über die Leitung 20 und das offene Absperrventil 23 endet ein Teil des Hauptstroms, der über die Leitung 22 zugeführt wird, im unteren Abschnitt 18 und anschließend, über die Verteilerplatte 17, im oberen Abschnitt 19. Dieser Teil des Hauptstroms nimmt die in dem oberen Abschnitt 19 vorhandenen Wirbelbettpartikel in die Leitungen 25A mit, über welche die derart rezirkulierten Partikel in dem Wirbelbett im Behälter 1 ankommen.
  • Die relevanten Prozeßparameter können auf einfache Weise an dem Fallrohr mittels bekannter Geräte gemessen werden. Wesentlich ist die Temperatur des Fallrohrs 15, der Volumendurchfluß in dem Fallrohr und die darin auftretende Druckdifferenz.
    • Abschalten des Rezirkulationssystems
  • Wenn die externe Zirkulation der Wirbelbettpartikel angehalten werden soll, wird das Absperrventil 23 in der Leitung 20 geschlossen, so daß der Hauptstrom in den Oberkasten 3 des Wärmetauschers 1 ausschließlich über die Leitung 21, 21A geleitet wird. Die in den Steigrohren 2 durch den Hauptstrom mitgenommenen Wirbelbettpartikel sammeln sich in dem Fallrohr 15 und in dem Sammelbehälter 16, aus dem sie nunmehr aufgrund des geschlossenen Absperrventils 23 nicht ausgelassen werden. Im oberen Abschnitt 19 des Sammelbehälters 16 und im Fallrohr 15 wird ein gepacktes Bett aus Wirbelbettpartikeln gebildet. Im Verlauf der Zeit stoppt die Zirkulation der Wirbelbettpartikel. Dieser Vorgang kann beschleunigt werden, in dem nicht nur das Absperrventil 23 geschlossen, sondern auch das Absperrventil 25 geöffnet wird, so daß ein Teil des Hauptstroms über die Leitung 24 zum unteren Ende der Trennvorrichtung 12 geleitet wird, wodurch die Wirbelbettpartikel in der Trennvorrichtung 12 zurückgehalten werden. Falls erforderlich, können auch die Absperrventile 26 geschlossen werden. Im Verlauf der Zeit findet die Rezirkulation der Wirbelbettpartikel nicht länger statt und der Wärmetauscher 1 arbeitet als "normaler" Wärmetauscher, wobei das zu behandelnde oder zu erhitzende Medium erhitzt wird und Schmutz sich auf der Innenfläche der Steigrohre ablagern kann, bis, nach einem durch Versuche bestimmten Zeitraum, die Rezirkulation erneut eingeschaltet wird.
  • Wenn eine ausgeschaltete Rezirkulationsvorrichtung über einen längeren Zeitraum verwendet wird, kommt es in dem Sammelbehälter 16 oder im Fallrohr 15 zu einer Komprimierung der Wirbelbettpartikel. Das derart gebildete gepackte Bett kann möglicherweise zu Problemen führen, wenn das externe Rezirkulationssystem erneut eingeschaltet wird. Um ein leichteres Abführen des gepackten Betts zu ermöglichen, kann an dem Fallrohr 15 ein Schwingmotor angeordnet werden. Das Fallrohr 15 kann ferner in Durchflußrichtung geringfügig divergierend ausgebildet sein. Anstatt das Fallrohr selbst divergierend auszubilden, kann in dem zylindrischen Fallrohr 15 eine Stange angeordnet werden, die in Durchflußrichtung geringfügig konisch ist und mittels eines Motors in Schwingungen versetzt werden kann. Auf diese Weise kann bei einem dicht gepackten Bett die Inbetriebnahme der Zirkualtionsvorrichtung erleichtert werden.
    • Begrenzung der Durchflußraten in dem oder durch das Wirbelbett
  • Für eine geeignete Verteilung von Fluid und Wirbelbettpartikeln über die Steigrohre 2 ist es erwünscht, ein ausreichend schweres Partikelbett zu haben, d.h. ein Wirbelbett mit einer Porosität von ungefähr 65%. Wenn der Volumendurchfluß in den Leitungen 21, 21A zunimmt, ist es möglich, daß die Mediumrate über den Verteilerplatten 5 zu hoch wird, wodurch sämtliche Partikel des Wirbelbetts von dem Unterkasten 3 weggeblasen würden. Um ein aktives Wirbelbett selbst bei großen Volumendurchflüssen aufrechtzuhalten, wird ein Teil des Volumendurchflusses vorzugsweise über eine Ringleitung 29 geführt, die sich auf der Höhe der Einlaßteile 6 der Steigrohre 2 befindet und in der Lage ist, über eine Reihe von Verbindungspunkten einen Teil des zugefürten Volumendurchflusses zur Oberseite des Unterkastens 3 über dem Wirbelbett zu leiten. Über eine Nebenleitung 27 mit einem darin angeordneten Absperrventil 28 ist die Ringleitung 29 mit der Hauptzufhhrleitung 21, 22 verbunden. Auf diese Weise wird ein wesentlich geringerer Volumendurchfluß zu dem Unterkasten 3 geleitet, so daß ein gut verwirbeltes Bett über den Verteilerplatten 5 aufrecht erhalten werden kann und ferner eine niedrigere Eintrittsgeschwindigkeit des Mediums in die Einlaßteile 6 der Steigrohre 2 erreicht wird. Die Beschleunigung des Fluids in den Steigrohren 2 erfolgt nunmehr durch den über die Ringleitung 29 zugeführten Volumendurchfluß, der über die Öffnungen 7 in den Einlaßteilen 6 zu den Steigrohren 2 geleitet wird.
  • Wenn der Zirkulationsvorgang in dem Fallrohr 15 abgeschaltet wird, können sich Verunreinigungen, beispielsweise Kristalle aus dem Fluid oder aus den Steigrohren 2 entfernte Schmutzablagerungen, auf dem darin vorhandenen gepackten Bett ansammeln, das sich üblicherweise in die Trennvorrichtung 12 erstreckt. Es ist erwünscht, daß diese Verunreinigungen so weit wie möglich entfernt werden, auch während einer inaktiven Zirkulation in dem Fallrohr 15. Eine Möglichkeit hierfür ist in Fig. 2 dargestellt. Das in dem Fallrohr 15 vorhandene gepackte Bett erstreckt sich in die Trennvorrichtung und auf diesem schweren gepackten Bett befindet sich eine Lage aus Verunreinigungen. Um diese leichtere Schicht von dem schweren Bett zu trennen, kann das Absperrventil 25 in der Leitung 24 geöffnet werden, wodurch eine Aufwärtsströmung durch das in der Trennvorrichtung 12 gebildete gepackte Bett erzeugt wird. Infolge dieser Strömung werden die relativ leichten Verunreinigungen von dem schweren gepackten Bettmaterial "gewaschen" oder es findet ein Sortiervorgang dahingehend statt, daß der leichtere Schmutz auf dem schweren gepackten Bettmaterial liegen bleibt.
  • Das Aufbauen dieser Schmutzschicht kann durch Anordnen eines Saugrohres 30 in der Trennvorrichtung 12 verhindert werden, wobei das Saugrohr 30 vorzugsweise mit einer kleinen Pumpe verbunden ist. Gegebenenfalls kann dieser Schmutz auch unter Verwendung des Druckunterschieds in der Trennvorrichtung 12 ausgebracht werden.

Claims (6)

1. Vorrichtung zur Durchführung eines physikalischen und/oder chemischen Verfahrens, beispielsweise ein Wärmetauscher, mit einem Behälter, der mit aufwärts gerichteten Rohren versehen ist, die an ihren oberen und unteren Enden in Rohrplatten aufgenommen sind und in offener Verbindung mit einem Oberkasten und einem Unterkasten stehen, wobei im Unterkasten mindestens eine Verteilerplatte zur Unterstützung eines aus körnigem Material bestehenden Wirbelbetts angeordnet ist, das durch ein über den Unterkasten zugeführtes und durch die Rohre strömendes, zu behandelndes bzw. erhitzendes Medium in einem quasi-stationären Wirbelzustand gehalten werden kann, wobei die Vorrichtung ferner mit Mitteln zur Zurückführung von Wirbelbettpartikeln vom Oberkasten zum Unterkasten in Form eines Fallrohrs versehen ist, das außerhalb des Behälters angeordnet ist und an seinem oberen Ende durch eine Trennvorrichtung mit dem Oberkasten verbunden ist, und dessen unteres Ende durch Ein- und Ausschalten in Verbindung mit dem Unterkasten des Behälters gebracht werden kann, dadurch gekennzeichnet, daß das untere Ende des Falkohrs (15) in einen Sammelbehälter (16) mündet, der durch eine Verteilerplatte (17) in einen oberen Abschnitt (19) und einen unteren Abschnitt (18) geteilt ist, wobei der untere Abschnitt (18) durch eine Leitung (20) schließbar an die Speiseleitung (22) für das zu behandelnde Medium angeschlossen ist und das untere Ende des Fallrohrs (15) in den oberen Abschnitt (19) mündet, der über eine Leitung (25A) an den Unterkasten (3) des Behälters (1) angeschlossen ist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß parallel zum Fallrohr (15) zwischen der Trennvorrichtung (12) und der Speiseleitung (22) eine Umlaufleitung (24) mit Absperrventil (25) angeordnet ist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß am Fallrohr (15) ein Schwingmotor angeordnet ist.
4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Querschnitt des Falkohrs (15) in Durchströmungsrichtung geringfügig divergierend ist.
5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß im Fallrohr (15) eine in Strömungsrichtung geringfügig konisch verlaufende Stange angeordnet ist, die durch einen Motor in Schwingungen versetzt werden kann.
6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß in der Trennvorrichtung (12) ein Saugrohr (30) zur Abfünung von darin gesammelten Verunreinigungen angeordnet ist.
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