NO138007B - Varmeutveksler for gass-faststoff-blandinger - Google Patents

Description

Oppfinnelsen vedrører en varmeutveksler for indi-

rekte varmeutveksling -mellom en faststoffholdig gass og veggene av varmeutveksleren, hvoedsakelig for avkjøling av varme, faststoff holdige gasser.

Det er Icjent at varme gasser eller gassblandinger

kan avkjøles ved indirekte varmeutveksling i varmeutvekslere. Imidlertid er det vanskelig å avkjøle varme gasser/faststoff-blanding-holdige- faste stoffer som viser en tendens til å av-

sette seg på veggene. Flere fremgangsmåter har den ulempe at faste partikler akkumulerer på varmeutvekslingsoverflåtene,

hvor de danner isolerende lag som sterkt hindrer varmeoverføring.

Det er forskjellige fremgangsmåter for å fjerne

faste avsetninger fra. vegger, eksempelvis ved å banke veggene kontinuerlig eller i intervaller. Det er.også kjent at veggene kan renses ved hjelp av skrapere eller ved å blåse dem med individuelle stråler av væsker eller gass inneholdende små mengder av hårde faste partikler. Forholdsregler av denne type er bare effektive til en begrenset grad. I noen tilfeller er det faste material forurenset av de faste partikler som blåses inn eller ved slitasje, eller det anvendte rensesystem har bare en be-

grenset anvendelsestid.

Oppfi-nelsens gjenstand er å tilveiebringe en varmeutveksler for varmeutveksling med gass/faststoff-blandinger som drives enkelt uten avsetning på varmeutveksleren på grunn av at faststoff bygger opp.

Disse og andre hensikter og fordeler oppnås ifølge oppfinnelsen ifølge hvilke en faststoffholdig gass som skal av-kjøles eller oppvarmes innføres i en varmeutveksler og et spyle-- medium innføres i varmeutveksleren separat fra den faststoffholdige gass, idet spylemediet rettes i vinkel til veggen og

sveiper rundt veggen, hvorved veggen holdes vesentlig fri for faste avsetninger.

Oppfinnelsen vedrører altså et apparat for indirekte varmeutveksling mellom en gass/faststoffblanding og en varmeutvekslende overflate, hvor varmeutveksleren har i det vesentlige sirkulært tverrsnitt samt innretninger .for innføring/ utføring av gass/faststoffblanding i varmeutveksleren, idet apparatet er karakterisert ved at en roterbar arm (7) er anordnet inne i varmeutveksleren, hvilken arm (7) er utstyrt med åpninger (11) rettet mot overflaten av varmeutvekslere .samt anordning (10) for innføring av et spylemedium i armen, idet spylemediet spyler vedhengende faststoffer fra overflaten av varmeutveksleren når armen (7) roterer.

Ved hjelp av dette apparat er det mulig å avkjøle varme gasser som inneholder faste stoffer med en tendens til å henge ved veggene uten noen vesentlig reduksjon irarmeutveksler sammenlignet med faststoffrie gasser under permanent drift og uten noen slitasje som påvirker hjørnene av den roterbare rensearm.

Et eksempel for anvendelse av apparatet ifølge oppfinnelsen er avkjøling av varm gass/faststoffblandinger av den type som dannes under gassfasereaksjoner, mellom metall eller metalloidhalogenider, f.eks. klorider av titan, silisium, sir-konium, jern, sink, krom eller aluminium og oksygenholdige gasser- ved temperaturer i området fra ca. 800 - ca. 1500°C. Reaksjonsgassene består i det vesentlige av halogener, eksempelvis klor og en viss del av inerte gasser som nitrogen og/eller oksyder av karbon og oksygen. Ved hjelp av fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen er det mulig uten noen av de overnevnte vanskelig-heter å utfelle varmgass/faststoffblandingen enskjønt de fine partikler som i noen tilfeller benyttes som pigmenter, viser en markert tendens til å klebe sammen og henge ved umiddelbart etter reaksjonen av grunner som ennu ikke er blitt fullt forklart. I forbindelse med varmgass/faststoffblandinger av denne type

er det gjentatt blitt foreslått å nedsette temperaturene bare ved tilsetning av kaldgass. Uheldigvis er virkningen av tilsetning av relativt store mengder kaldgass ad omkostningene under drift av den etterfølgende gassrenseapparatur og også de generelle driftsomkostninger øket tilsvarende således at det er best å tilsette kaldgass i minst mulige mengder. På grunn av

det faktum at avkjølingsoverflåtene blir regulært spylt ifølge oppfinnelsen forblir veggene vesentlig fri for faste stoffer. Følgelig er det mulig å oppnå høye varmeoverføringsverdier, også under permanent drift. I tillegg, kantene av rensearmen, som er ment å danne en vesentlig parallell linje til varmeut-vekslingsoverf la-ten, beskyttes mot slitasje. I en foretrukket utførelsesform er det mulig med tangentiell innføring av gass/ faststoff-blandi-ng inn i varmeutveksleren og ved hjelp av den roterende strøm som frembringes på denne måte å oppnå høye

. hastigheter ved utveksli-ngsoverflåtene. Det er fordelaktig

for rotering av rensearmen roterlng av gass/faststoff-strømmen og tilsetning av spylemediet og finner sted i det vesentlige i samme retning.. Hvis spylegassen tilsettes i rotasjonsretningen (= vinkelen a) blir veggene som skal renses for en stor del befridd for faste stoffer før den ytre kant av rensearmen når .denne overflate.

Spylegassen innføres fortrinnsvis i form av individuelle stråler, f.eks. gjennom dyser., utboringer eller hull for å nedsette mengden av spylegass. I denne forbindelse er det fordelaktig å rette spylegassen skjevt mot avkjølingsoverflåtene, fordi i dette tilfellet, er renseeffekten av en individuell stråle større enn den er i tilfellet hvor strålen rettes perpendikulært på varmeutvekslingsoverflaten (= vinkel 6). Vinklene a og forklares nærmere i forbindelse med omtalen av figurene 1 og 3, hvor

figur 1 viser skjematisk et lengdesnitt gjennom en utførelse av apparatet ifølge oppfinnelsen.

Figur•2 er et delsnitt i en forstørret målestokk

langs linjen. A-A på figur 1 og

figur 3 er et.skjematisk lengdesnitt gjennom en

annen utførelsesform av apparatet.

Referansetallet som benyttes på figurene har følg-ende betydning: 1, 5, 6, 13 og lk er innløp- og utløpsrør, 7 er en rensearm, 2 er det indre som en helhet, 3 og 4 er vegger og 11 er en åpning.

Som vist på figur 1 innføres en varm, faststoffholdig gass i det indre 2-av varmeutveksleren gjennom et innløps-rør som fortrinnsvis er anordnet tangentielt. Varmeutveksleren er vesentlig sirkulær i tverrsnitt, dvs. symmetrisk rundt den longitudinelle akse og består normalt av metallvegger 3 og H, hvorimellom det sirkulerer et avkjølingsmedium som strømmer inn og ut gjennom rørforbindelser 5. Den avkjølte gass/faststoff-blanding- forlater varmeutveksleren gjennom et rørutløp 6. Spylegass 8 blåses på den side av avkjølingsoverflaten 4 som er imot den varme gasstrøm gjennom åpninger i en rensearm 7 som roterer langsomt inne i varmeutveksleren og er forbundet til et ikke -vist drev. En fordelaktig fremgangsmåte -for å blåse avkjølings-overflaten er vist på figur 2 som er tegnet i en større måle-, stokk enn figur 1. Pilen 9 indikerer retningen av rotasjonen av rensearmen 7. Rensearmen 7 er vist som å ha et rørformet tverrsnitt med indre rom 10 for innføring av spylegass og med . åpninger 11, hvorigjennom spylegassen blåses på skrå mot av-kj ølingsoverf låtene H som skal renses. Pilen 12 indikerer rotasjonsretningen av den roterende gasstrøm når gassen roterer når den strømmer gjennom varmeutveksleren.

Vinkelen a er vinkelen mellom den sentrale akse av åpningen 11 for spylegass og forbindelseslinjen gjennom rotasjons-aksen av rensearmen og gjennom sentralaksen av den rørformede arm (figur.2), denne forbindelseslinje danner en vinkel på 90° med sentralaksen av rensearmen (figur 1). Denne vinkelen a er et tilnærmet•mål for intervallet mellom punktet hvor spylegassen berører veggen og den ytre kant av rensearmen. Hvis spylegassen blåses vesentlig perpendikulært mot veggen, vil veggen ikke ha blitt tilstrekkelig befridd for faste stoffer før den når den ytre kant av rensearmen, med det resultat at kanten av rensearmen utsettes for tungslitasje.

Enskjønt, i tilfeller hvor faststoffavsetningen er minimal, er det uten skade at innføring av spylegassen vesentlig perpendikulært eller i en retning motsatt den hvori rensearmen roterer (betegnet (-a) på figur 2), har prøver vist at det er av større fordel i de fleste tilfeller å innføre spylegassen i rensearmens rotasjonsretning. Vinkelen a er fortrinnsvis mellom ca. +60° og -45°, spesielt ca. +15 til +60°.

Det er også funnet at hvis mellomrommet mellom ut-løpsåpningen og veggen er for stor har spylegassen undergått en reduksjon i strømningsgrad på grunn av spredning, ved den tid den når veggen, med det resultat at spyleeffekten er nedsatt. Følgelig er mellomrommet vanligvis mindre enn ca. 15 cm og fortrinnsvis mindre enn ca. 5 cm.

For å redusere mengden av spylegass kan det være nødvendig å innføre spylegassen i form av individuelle strømmer. I dette tilfellet er det fordelaktig i tillegg å innføre spylegassen i en vinkel 6 (figur 1). Vinkelen 8 er vinkel for den

.longitudinelle akse .av rensearmen, som primært strekker seg

parallelt til varmeutvekslingsoverflaten, skjærer sentralaksen av den individuelle åpning for spylegassen.

Figur 3 viser en annen utførelse, hvori grovere partikler av faststoff., som er blitt adskilt kan samtidig ut-

tømmes gjennom et utløp 14. De fine partikler av faststoff føres for en stor del tilbake i gasstrømmen under virkning av intens turbulens langs veggene og forlater varmeutveksleren gjennom det øvre utløp 6.

Ved denne anordning kan faststoff agglomerere

under virkningen av intens turbulens. I tillegg er det for-

delaktig i noen "frem<g>an<g>s<m>åter å innføre stoffer, fortrinnsvis i flytende eller gassform, til det indre gjennom innløpet 13,

for f.eks. å muliggjøre faste stoffer og etterbehandles ved for-høyede temperaturer.

Det er også mulig å øke adskillelsen av faste

stoffer i etterfølgende separator ved innføring av små mengder vann, fortrinnsvis i dampform, å øke agglomereringen av fine faststoffpartikler.

Typen av spylegass som innføres gjennom rensearmen

er avhengig av den spesielle prosess. Det er best å utvelge spylegassen således at den oppfører seg lik en inertgass med hensyn til den faststoffholdige gass, de faste stoffer og materi-alet i varmeutveksleren og etterfølgende apparatur. I noen fremgangsmåter er det fordelaktig å benytte renset og avkjølt recyklert gass fra reaksjonen.

Veggene av varmeutveksleren og rensearmen utføres

vanligvis av metall.

Avkjølingen av varmgass/faststoffblandingen ved indirekte varmeutveksling med avkjølte vegger styres etter samme prinsipp som oppvarmning av kaldgass/faststoffblandinger ved

. indirekte varmeutveksling med oppvarmede vegger. Det er klart

at fremgangsmåten er generelt anvendbar for indirekte varmeutveksling ved avkjølte eller oppvarmede vegger.

Apparatet ifølge oppfinnelsen kan også lett anvendes

på væske/faststoffblandinger, i hvilket tilfelle spylemediet inn-føres igjen gjennom en roterende rensearm. På denne måte kan veggene holdes i det vesentlige fri for avsetninger. I tilfellet

til gasser kan væsker også benyttes som spylemedium i slike tilfeller.

I de fleste tilfeller er det tilstrekkelig for rensearmen å. rotere langsomt. En periferisk hastighet på rensearmen på ca. 0,1 til 20 meter/sekund, fortrinnsvis 0,5 til 5 meter/sekund er både fordelaktig og tilstrekkelig." Mengden og strømningsgraden av gassen kan lett tilpasses til den spesielle fremgangsmåte.

De spesielle fordeler ved apparatet ifølge oppfinnelsen er følgende: 1) Det er mulig å oppnå høye spesifikke varme-over-føringsverdier, selv i de tilfeller varmgass/faststoffblandinger hvis faststoff-bestanddeler i andre varmeutvekslere ville gi grunn til kraftig nedsetning i varmeoverføring på permanentbasis ved avsetning på kjøleoverflåtene. 2) Det er bare relativt små mengder kaldgass som er nødvendig for avkjøling sammenlignet med andre vanlige fremgangsmåter. Som et resultat er det mulig å redusere apparatomkost-ninger og driftsomkostninger i det følgende apparat. 3) Rensing av varmeutvekslingsoverflater innbefatter ikke innføring av faste partikler som uheldig kunne påvirke kvaliteten av det faste stoff som utskilles. 4) Den roterende rensearm utsettes for liten eller ingen slitasje. 5) Varmeutveksling er mulig selv ved høye temperaturer av gass/faststoffblandingen. 6) De faste stoffer kan etterbehandles ved forhøyede temperaturer.

I tillegg kan adskillelsen i en hvilken som helst nedadgående strømapparatur påvirkes heldig.

Oppfinnelsen skal forklares nærmere ved hjelp av noen eksempler.

E ksempel 1.

60 liter/time av flytende titantetraklorid (TiCllj) ble fordampet, overopphetet og innført i en reaktor ved en temperatur på 450°C. Samtidig ble en gassblanding av oksygen og nitrogen, oppvarmet i en lysbue til omtrent l800°C, innført i reaksjonen av reaktoren perpendikulært til strømmen av TiCl^. Titandioksyd (Ti02)" og klor (CI2) ble dannet overensstemmende med reaksjonsligningen:

Ved tilsetning av inerte gasser og klor og ved indirekte varmeutveksling med de avkjølte vegger ved den nedre ende av reaktoren"og med rør, ble-den Ti02-holdige gass av-kjølet til 825°C og innført tangentielt i en varmeutveksler av den type som er vist på figurene 1 og 2. De ytre vegger av varmeutveksleren ble vannavkjølt. Veggene som vendte mot gassen besto av nikkel.- Rensearmen hadde form av et nikkelrør og var utformet med utboringer med 3 mm diameter som åpninger. Rensearmen var ikke utstyrt med et vannavkjølingssystem og ble bare avkjølt av gassen som strømmet gjennom den. Avstanden mellom den ytre kant av rensearmen og metallveggen var 20 mm. Den perifere hastighet av rensearmen i den øvre sylindriske seksjon gikk opp til 1,3 meter/sekund. Den grad hvor spyling fremkom fra borehullene gikk opp til 51 meter/sekund. Nitrogen ble innført som rensegass ved en mengde på 60 m^/time. De faste stoffer som var inneholdt i varmegassen gikk opp til omtrent 90 g Ti02 pr. m-5 gass (ved en temperatur på 825°C).

Varmeutveksleren hadde et avkjølingsoverflate-areal på 1,5 m . Den gjennomsnittlige oppholdstid av gassfaststoffblandingen i varmeutveksleren var 0,7 sekunder. Varme-overføringsgraden k ble funnet til å gå opp til

.Deretter ble varmeutveksleren drevet under vanlige betingelser for en total prøveperiode på 500 timer uten noen vesentlig forandring i varmeoverføringsgrad og uten noe tegn på alvorlig slitasje på rensearmen.

Varmeoverføringsgraden k ble bestemt overensstemmende med følgende ligning som vanligvis benyttes véd konstruk-sjon av varmeutvekslere (fveks. VDI-varmeatlas, VDI-Verlag Dusseldorf 1963,. ark A4, A5,,Cbl):

hvor

Q er mengden av varme som skal omdannes,

k er lik varmeoverføringsgrad,

F er avkjølingsoverflateareal,

Atm er gjennomsnittlig temperaturdifferens.

Følgelig kan overføringsgraden k uttrykkes overensstemmende med følgende ligning:

hvor

al 2 = varmeoverføringskoeffisient på den kjølende side eller på den side av mediet som skal avkjøles,

<§•, - n = veggtykkelse av lag mellom avkjølings-J- y CL • • •

midlet og medium som skal avkjøles,

A- L, ydo ... • = termisk ledningsevne av lagene mellom avkjølingsmidlet og medium som skal avkjøles.

I normal varmeutvekslere med metallvegger er 6/A-verdien ulik varmeoverføringskoeffisientene, bare av minimal innvirkning på varmeoverføringsgraden både med hensyn til den høye ledningsevne av metaller og med hensyn til den minimale lagtykkelse. Derfor er det tilstrekkelig mange tilfeller å sikte på en høy varmeoverføringskoeffisient, eksempelvis ved å velge maksimal strømningsgrad.

Imidlertid, hvis lag dannes på overføringsoverflåt-ene gjennom avsetning av faststoff, er varmeutveksling også bestemt i en vesentlig grad av tykkelsen av det vedhengende lag på bekostning av lave termisk-overføringsverdier, spesielt i tilfellet av ikke-metalliske faststoffer.

Eksempel 2. (Sammenligningseksempel).

Samme apparat og samme prøvebetingelser som i eksempel 1 ble benyttet for fremstilling av titandioksyd. De varme Ti02-holdige gasser ble avkjølet i en annen symmetrisk vannavkjølt varmeutveksler med en langsomt roterende skraper. Varmeutveksleren hadde et varmeutvekslingsoverflateareal på omtrent 1,4 m .

Gassen var ikke innført tangentialt. I tillegg ble det ikke innført spylegass gjennom skraperen. Skraperen var fremstilt av aluminium og var vannavkjølt.

Etter en kort prøveperiode falt varmeoverførings-graden k til 2,84 k cal/m<2> pr. time °C.

Varmeutveksleren ble åpnet etter 3 dagers under-søkelse. Mellomrommet mellom utvekslingsoverflaten og skraperen var fullstendig fylt med Ti02- I tillegg hadde den ytre kant av den vannavkjølte skraper :blitt ødelagt så alvorlig ved slitasje at skraperen måtte skiftes.

Det kan selvsagt foretas modifikasjoner uten å overskride oppfinnelsens ramme slik den fremgår av kravene.

Claims (1)

1. Apparat for indirekte varmeutveksling mellom en gass/faststoffblanding og en varmeutvekslende overflate, hvor varmeutveksleren har i det vesentlige sirkulært tverrsnitt, samt innretninger for innføring/utføring av gass/faststoff-blanding i varmeutveksleren, karakterisert ved at en roterbar arm (7) er anordnet inne i varmeutveksleren, hvilken arm (7) er utstyrt med åpninger (11) rettet mot overflaten av varmeutvekslere samt anordning (10) for innføring av et spylemedium i armen, idet spylemediet spyler vedhengende faststoffer fra overflaten av varmeutveksleren når armen (7) roterer.