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Verfahren und Einrichtung zur kontinuierlichen Abscheidung von Sublimationsprodukten aus heissen Trägergasen
Es sind Verfahren und Einrichtungen bekannt, die es ermöglichen, sublimierfähige Produkte aus heissen
Trägergasen, gegebenenfalls Reaktionsgasen, dadurch abzuscheiden, dass man das Gas durch Röhren- kühler leitet, wobei sich die Sublimate bei Zustandsbedingungen oberhalb des Tripelpunktes im Druck-
Temperatur-Diagramm erst in flüssiger Form abscheiden, um dann durch Unterkühlung auf den Rohren zu erstarren, während sie bei Zustandsbedingungen unterhalb des Tripelpunktes unmittelbar vom dampf- förmigen Zustand in die feste Phase übergehen. Die auf den Aussenflächen der Kühlrohre angelagerten festen Stoffe können durch Beheizung abgeschmolzen und mittels Wannen, die unterhalb der Wärme- austauschelemente angeordnet sind, gesammelt und abgeführt werden.
Diese Verfahren werden in der chemischen Industrie, beispielsweise bei der Gewinnung von Maleinsäure-Anhydrid oder Phthalsäure-Anhydrid, aus den bei der katalytischen Oxydation von Benzol bzw.
Naphthalin entstehenden Reaktionsgasen angewendet.
Da das Auskristallisieren der Feststoffe aus den heissen Reaktionsgasen während des Abscheidungsbzw. Kristallisationsprozesses zu einer immer dichter werdenden Belegung der Kühlrohre führt, ist es nach einer gewissen Beladungszeit im Hinblick auf die hiedurch bedingte, erhebliche Verschlechterung des Wärmetaustausches notwendig, den Abscheider aus dem Kristallisationsprozess herauszunehmen, um die Aussenflächen der Elemente bzw. Kühlrohre im Zuge eines nachfolgenden Abschmelzprozesses, d. h. einer Beheizung der Elemente mit einem Heizmedium, wieder für eine erneute Kristallisation aufnahmefähig zu machen. Während dieser Zeit ist es im Interesse einer kontinuierlichen Arbeitsweise notwendig, den Reaktionsgasstrom in einen weiteren Gaskühler zu leiten, dessen Kühlrohre durch einen vorausgegangenen Abschmelzprozess gerade freigeworden sind.
Diese Betriebsweise, bei welcher jeweils mehrere Abscheider wechselweise mit dem Reaktionsgas beaufschlagt werden müssen, ist betriebstechnisch ausserordentlich nachteilig und erfordert zudem einen beträchtlichen apparativen Aufwand, der nicht nur teuer in der Anschaffung, sondern auch umständlich hinsichtlich seiner Überwachung und Steuerung ist.
Erfindungsgemäss lassen sich die vorerwähnten Nachteile dadurch vermeiden, dass unter Verwendung mehrerer in einem liegenden Abscheidergehäuse in Richtung des dieses etwa horizontal durchströmenden Trägergases hintereinander geschalteter und unabhängig voneinander wechselweise an das Heiz- bzw.
Kühlmittel anschliessbarer Elemente, innerhalb des gleichen Abscheiders ohne Unterbrechung des Trägergasstromes auf einem Teil der Elemente Sublimat abgelagert und gleichzeitig von einem andern Teil der Elemente das bereits abgelagerte Sublimat abgeschmolzen und abgeleitet wird. Die Erfindung geht hiebei von der Überlegung aus, dass es durch die im wesentlichen horizontale Führung des Trägergasstromes durch ein liegendes Abscheidergehäuse hindurch, innerhalb welchem in Längsrichtung im Abstand voneinander eine grössere Anzahl voneinander unabhängig an das Heiz- bzw.
Kühlmittel anschliessbare Elemente in vertikalen Ebenen hintereinander angeordnet ist, möglich ist, innerhalb des gleichen Abscheiders aus dem kontinuierlichen Trägergasstrom das Sublimat abzuscheiden und gleichzeitig, d. h. ohne Unterbrechung des Kristallisationsprozesses, an den jeweils ausreichend mit Feststoffen belegten Elementen das Abschmelzen vorzunehmen.
Da die der Eintrittsseite für das heisse Trägergas zunächst gelegenen Elemente im Regelfall in stärkerem Masse und früher als die der Austrittsseite des Gehäuses zugekehrten Elemente mit Feststoffen belegt werden, kann der Abschmelzprozess nach einer gewissen Betriebszeit bei den der Eintrittsseite zunächst gelegenen Elementen beginnen und in Richtung auf das austrittsseitige Ende des Gehäuseabscheiders fortschreiten, während gleichzeitig bei den bereits abgeschmolzenen Elementen erneut mit der Beladung begonnen wird.
Bei Anwendung dieses Prinzips ist es ohne weiteres möglich, zusätzlich mittels einer Gruppe an der Eintrittsseite des Gehäuses für das Reaktionsgas angeordneter und in einen eigenen Kühlkreislauf eingeschalteter Elemente die Abscheidung eines Teils des Abscheidungsproduktes in flüssiger Form durch Kondensation vorzunehmen, indem diese der Abscheidung des Sublimats gewissermassen vorgeschalteten Elemente in einem Temperaturbereich gekühlt werden, der über dem Festpunkt des Abscheidungsproduktes liegt. In den anschliessenden Elementen wird durch Unterschreitung des Tripel- bzw. Unter-
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kühlungspunktes der Sublimationsdruck- bzw. der Übersättigungskurve des Abscheidungsproduktes eine
Abscheidung in fester kristalliner Form bewirkt. Dieses Verfahren kann mit Vorteil bei der Abscheidung von Stoffen mit niedrigem Erstarrungspunkt, z. B.
Maleinsäure-Anhydrid, angewendet werden.
Die wirtschaftliche Überlegenheit des Verfahrens gegenüber dem bekannten Verfahren liegt nicht nur in dem erheblich geringeren apparativen Aufwand und der wesentlich einfacheren Beherrschung und Über- wachung des Kristallisationsprozesses, sondern darüber hinaus in einem wärmewirtschaftlich günstigeren
Betriebsablauf, da nunmehr die jeweils beladenen Elemente bzw. Elementengruppen ohne Beeinträchtigung der übrigen nur teilweise beladenen Elemente durch kurzzeitiges Aufheizen abgeschmolzen werden können, sobald die Ablagerung eine Schichtstärke erreicht hat, bei welcher zufolge der Behinderung des Wärme- austauschs der Abscheidungseffekt nachlässt.
Da hiebei anderseits stets sämtliche Wärmeaustauschelemente im Betriebssinn, d. h. entweder der Ablagerung oder dem Abschmelzen dienen, wird ein nahezu optimaler
Ausnutzungsgrad des Abscheiders erreicht, der ohne die Merkmale der Erfindung nicht möglich wäre.
Das Verfahren gemäss der Erfindung lässt sich dadurch noch verbessern, dass das jeweilige Zu- bzw.
Abschalten des Heiz-bzw. Kühlmittelstromes an den Elementen nicht von Hand, sondern durch automatisch gesteuerte Regel- bzw. Absperrorgane bewirkt wird. Die Steuerung kann hiebei zeitabhängig, beispielsweise mittels Schaltuhren, oder auch temperaturabhängig, d. h. thermisch mittels Thermoelementen od. dgl. erfolgen.
Zweckmässig wird für das Heiz- und Kühlmittel das gleiche Medium, u. zw. vorzugsweise ein flüssiges Medium, insbesondere Öl, verwendet.
Die Schaltung kann in verschiedener Weise erfolgen. Unter Verwendung eines gemeinsamen Kreislaufs für das Heiz- und Kühlmittel, an den die Elemente des Abscheiders in Parallelschaltung angeschlossen werden, besteht eine vorteilhafte Möglichkeit darin, das Medium in einem zentralen Durchlauf-Kühler rückzukühlen, während die Aufheizung des Mediums in den Heizperioden durch jeweils jedem Element gesondert zugeordnete und in deren Zweigleitung eingeschaltete Einzel-Erhitzer erfolgt, die getrennt geregelt bzw. zu-oder abgeschaltet werden.
Eine andere, in manchen Fällen vorzuziehende Schaltung besteht darin, dass unter Verwendung je eines getrennten Heiz- und Kühlmittelkreislaufs, an deren Zuund Ableitungen die Elemente ebenfalls in Parallelschaltung angeschlossen sind, die Rückkühlung des Mediums innerhalb des Kühlmittelkreislaufs durch einen zentralen Kühler und das Aufheizen des Mediums innerhalb des Heizmittelkreislaufs durch einen diesem zentral zugeordneten Erhitzer erfolgt.
Für die Rückkühlung des Mediums werden zweckmässig kühlwasserbeaufschlagte Durchlauf-Kühler verwendet, doch können mit Vorteil auch andere bekannte Oberflächenkühler sowie Luftkühler verwendet werden. Die Erhitzer können dampfbeheizt oder auch mit elektrischer Energie betrieben werden, wobei sich die letztere Möglichkeit besonders für eine vollautomatische Steuerung des Abscheiders eignet. Die mit elektrischer Energie betriebenen Erhitzer können nach verschiedenen bekannten Systemen arbeiten, wobei sowohl induktiv- als auch widerstandsbeheizte Heizelemente Verwendung finden können.
Die Abscheider selbst bestehen zweckmässig aus im Querschnitt rechteckig oder quadratisch ausgebildeten, in einer Achse langgestreckten Gehäusen, in denen die im Abstand hintereinander angeordneten Elemente in Vertikalebenen verlagert sind. Selbstverständlich ist es aber auch möglich, im Querschnitt runde Gehäuse zu verwenden. Die einzelnen Rohre der Elemente sind zweckmässig waagrecht gerichtet, wobei sie entweder in Schlangenanordnung hintereinandergeschaltet sind oder unter teilweiser Parallelschaltung derart, dass sie an den Enden der Elemente gruppenweise in Verteiler-bzw. Sammelkammern
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Abscheiders im Längsschnitt, Fig. 5 eine andere Ausführungsform eines Abscheiders für ein Produkt mit ebenfalls verhältnismässig niedrigem Erstarrungspunkt, z. B. Naphthalin.
In den Zeichnungen sind das Abscheidergehäuse mit 1, die Wärmeaustauschelemente mit 2 und die Sammelwannen mit 3 bezeichnet. Der Pfeil x gibt die Richtung des eintretenden heissen Reaktionsgases und der Pfeil y am gegenüberliegenden Ende des Abscheidergehäuses 1 den Austritt des von dem Abscheidungsprodukt befreiten Reaktionsgases an.
Gemäss Fig. l sind innerhalb des liegenden und des im Querschnitt etwa quadratisch ausgebildeten, in einer Achse langgestreckten Abscheidergehäuses 1 mit Abstand fünf getrennte Wärmeaustauschelemente 2 hintereinander geschaltet. Die Wärmeaustauschelemente 2 durchsetzen den gesamten Querschnitt des Abscheidergehäuses in vertikaler Ebene. Die sowohl in Strömungsrichtung des Reaktionsgases als auch in vertikaler Ebene zueinander gestaffelt angeordneten Rohrreihen jedes Elementes sind im wesentlichen waagrecht orientiert und als Rundrohre 2 a mit aussen aufgesetzten, runden Querrippen 2 b ausgerüstet, die das Ablagern des Sublimats erleichtern.
Wie aus Fig. l ersichtlich, sind die Elemente 2 an ihrer Unterseite im Querschnitt mit einem winkelförmig ausgebildeten Blech 2 c versehen, das das Ablaufen des von den Rohren während der Abschmelzperiode abtropfenden Sublimats in die benachbarten Wannen 3 begünstigt. Sowohl an der Oberseite als auch an der Unterseite sind die Elemente derart geführt, dass sie schubladenartig nach einer Gehäuseseite hin aus diesen herausgezogen und ausgewechselt werden können.
Die Führungsleisten am oberen Ende sind mit 4 a und die Führungsleisten am unteren Ende mit 4 b bezeichnet.
Die Rohre jedes Elementes sind im Falle der Ausführungsform gemäss Fig. 1 (wie in Fig. 2 dargestellt) gruppenweise parallel geschaltet und an den Enden in den Boden von Verteiler- bzw. Sammelkammern eingeschweisst, so dass der die Elemente beaufschlagende Heiz-bzw. Kühlmittelstrom die Rohre gruppenweise nacheinander durchströmt.
An der Verteiler- bzw. Sammelkammer Ja bzw. 6 a sind die Zu- bzw. Ableitungsstutzen 5 und 6 vorgesehen, die jeweils bei sämtlichen Elementen an der gleichen Seite des Gehäuses angeordnet sind.
Wie aus Fig. 1 ersichtlich, sind die Sammelwannen 3 doppelwandig ausgebildet, bzw. an der Aussenseite der Wandung mit aufgeschweissten Heizkanälen ausgerüstet, die eine ständige Beheizung ermöglichen und dadurch ein Erstarren des Sublimats in den Sammelwannen vor der Ableitung über die Ablaufleitung 7 vermeiden. Die Ablaufleitung 7 ist ebenfalls doppelwandig ausgebildet, wobei der Ringraum mit dem gleichen, auch die Heizkanäle der Sammelwannen beaufschlagenden Heizmedium, vorzugsweise Heiss-Öl, beaufschlagt ist.
Die Wirkung des Abscheiders gemäss Fig. 1 ist folgende : Das gemäss Pfeil x an der Eintrittsseite des Abscheiders eintretende heisse Trägergas trifft bei Inbetriebnahme der Anlage auf die Wärmeaustausch- elemente 2, die zu diesem Zeitpunkt sämtlich mit Kühlöl beaufschlagt sind. In dieser Betriebsphase sind
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Ventile des Heizmittelkreislaufs geschlossen. Hiebei wird das durch die Pumpe 10 zwangsläufig umgewälzte und in dem kühlwasserbeaufschlagten Durchlauf-Kühler 11 auf die erforderliche Kühltempertaur gehaltene Kühlöl über die den Ventilen 8 zugeordneten Leitungsabschnitte der Parallelschaltung von unten her durch die Elemente gefördert und am oberen Ende durch die den Ventilen 8 a zugeordneten Leitungsabschnitte der T-Stücke in den Kühlmittel-Rücklauf zurückgefördert.
Sobald die in Strömungsrichtung des heissen Reaktionsgases zunächst liegenden Elemente eine genügende Beschichtung aufweisen bzw. die Schichtstärke so gross ist, dass ein wirksamer Abscheidungseffekt nicht mehr erzielt wird, werden die Elemente von der Eintrittsseite des Gehäuses nacheinander durch Schliessen der Ventile 8 und 8 a und gleichzeitiges Öffnen der Ventile 9 und 9 a an den Heissölkreislauf angeschlossen, der durch die Pumpe 12 umgewälzt und durch den dampfbeaufschlagten Durchlauf-Erhitzer 13 ständig aufgeheizt wird. Bereits bei kurzzeitiger Beaufschlagung der Elemente mit Heissöl beginnt das sich an der Aussenfläche der Elemente bzw. im Bereich zwischen den Rippen der Rohre abgelagerte Sublimat zu schmelzen und in die Sammelwanne 3 abzutropfen.
Nach dem vollständigen Abschmelzen der Elemente werden die Ventile 8, 8 a bzw. 9, 9 a wieder umgesteuert, woraufhin eine neue Beladungsperiode beginnt. Der Vorteil dieser Konstruktion liegt darin, dass je ein getrennter Kühl- und Heizmittelstrom benutzt wird und mithin der durch den Wechsel zwischen Beheizung und Abkühlung der Elemente eintretende Wärmeverlust verhältnismässig gering ist. Dieses Prinzip findet vorzugsweise für die Abscheidung von Phthalsäure-Anhydrid Anwendung.
Wie aus Fig. 1 ersichtlich, ist das Heizsystem für die Beheizung der Sammelwannen 3 sowie der Ablaufleitung 7 unmittelbar an den von dem Erhitzer 13 ständig auf die erforderliche Heiztemperatur gehaltenen Heizmittelkreislauf, u. zw. in Parallelschaltung angeschlossen, wobei die Wannen sowie die Abflussleitung 7 hintereinander geschaltet sind. Die jeweilige Einmündung des Heizmediums in die Heizkanäle der Wanne ist mit 3 a und der Ablaufstutzen am anschlussseitigen Stirnende der Elemente mit 3 b bezeichnet. 3e bedeuten jeweils an beiden Stirnseiten der Wannen. 3 vorgesehene, durch einen Blindflansch verschliessbare Anschlussstutzen, durch die Reinigungsgeräte zum Putzen bzw. Reinigen der Wanne eingeführt werden können (vgl. Fig. 2). Die Ventile 14 und 15 ermöglichen die Drosselung bzw.
Zu- und Abschaltung des Heizsystems für die Wannen und das Ventil 16 den Abschluss der Abflussleitung 7. 17 ist das Absperrventil auf der Dampfeintrittsseite des Durchlauf-Erhitzers 13.
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Mit 1 a ist die eintrittsseitige Anschlusshaube und mit 1 b die austrittsseitige Anschlusshaube des Ab- scheidergehäuses bezeichnet. Die den Hauben zugeordneten Anschlussflanschen dienen für den Anschluss des Abscheiders an das Leitungssystem für das Trägergas.
Die in Fig. 4 dargestellte Abwandlung der Ausführungsform gemäss Fig. 1 besteht darin, dass innerhalb des Gehäuses 1 in Strömungsrichtung des Reaktionsgases vor den der Abscheidung des Sublimats dienenden
Elementen 2, 3 grundsätzlich gleich ausgebildete Elemente 18 vorgeschaltet sind, die in Parallelschaltung an einen eigenen Kühlöl-Kreislauf angeschlossen sind, der durch eine Pumpe 19 zwangsbewegt wird und in den zwecks Rückkühlung des Kühlöls ein Öl-Luftkühler 20 eingeschaltet ist, welcher mit einem durch einen Ventilator 20 a zwangsbewegten Luftstrom arbeitet.
Bei diesem mit Vorteil für die Abscheidung von
Maleinsäure-Anhydrid aus Trägergasen dienenden System kann auf einen zusätzlichen Heissöl-Kreislauf bzw. die Einschaltung von Erhitzern bei einem Teil der Kühlelemente verzichtet werden, da diese lediglich in einem oberhalb des Festpunktes von Maleinsäure-Anhydrid, nämlich etwa 53 C liegenden Temperatur- bereich arbeiten, hiebei das Reaktionsgas aber mit etwa 100 C in den Abscheider eintritt. Die ersten drei Elemente 18 werden mit einem Kühlöl von zirka 510 C beaufschlagt, das sich beim Durchtritt durch die Elemente auf zirka 53 C erwärmt. Das Reaktionsgas erfährt beim Durchtritt durch die Rippenrohre der ersten drei Elemente eine Abkühlung auf zirka 55 C.
Während der Abkühlung wird der Sättigungszustand des Reaktionsgases erreicht und das Anhydrid entsprechend dem Verlauf seiner Dampfdruckkurve an den gekühlten Rohren abgeschieden. Da der Festpunkt von Maleinsäure-Anhydrid bei zirka 53 0 C liegt und diese Temperatur auf der Gasseite der ersten drei Elemente nicht unterschritten wird, läuft das Anhydrid im flüssigen Zustand in die den Elementen zugeordneten Sammelwannen ab, von denen es abgezogen werden kann.
In den nachfolgenden sechs Elementen 2 wird das Reaktionsgas von zirka 55 C auf zirka 30 C weiter abgekühlt, während sich das Kühlöl des entsprechenden Kühlölkreislaufs von zirka 18 C auf zirka 220 C erwärmt. Die Abscheidung des Anhydrids erfolgt nach Unterschreitung der Temperatur des Tripelpunktes bzw. des Unterkühlungspunktes entsprechend der Sublimationsdruckkurve des MaleinsäureAnhydrids, d. h. das ablaufende Anhydrid scheidet sich nunmehr in fester kristalliner Form auf den Rohren ab.
Bei dem wiederum in erster Linie für ein Produkt mit niedrigem Erstarrungspunkt, z. B. Naphthalin, bestimmten Abscheider gemäss Fig. 5 ist ein anderes Prinzip angewendet, bei welchem die wiederum in Strömungsrichtung des Reaktionsgases hintereinander geschalteten, vertikal angeordneten Elemente aus in vertikaler Ebene schlangenförmig hintereinander geschalteten Rohrreihen bestehen und bei welchem die Elemente 21, die selbstverständlich in Abweichung von der Zeichnung auch aus mehr als jeweils nur einer Rohrreihe bestehen können, unter Verzicht auf T-Stücke und Ventile unmittelbar parallel in die Zu- bzw.
Abströmleitung des Kühlöl-Kreislauis eingeschaltet sind. Als Kühler ist wiederum ein mit Kühlwasser beaufschlagter Durchlauf-Rückkühler 22 benutzt, welchem eine Umwälzpumpe 23 nachgeschaltet ist.
Der Durchlaufkühler ist derart zu bemessen, dass er die beim kurzfristigen Aufheizen zugeführte Wärme mit abführen kann. Um hiebei das wechselweise Beheizen der Elemente 21 zu ermöglichen, sind in die Zweigleitungen 24 zwischen der Kühlöl-Zuleitung 25 und den unteren Anschlussstutzen der Elemente je ein für jedes Element gesonderter Erhitzer 26 eingeschaltet, wobei die Erhitzer als Durchlauf-Erhitzer ausgebildet und mit Dampf beheizt sind. Sämtliche Erhitzer 26 des Abscheiders oder etwaiger weiterer Abscheider sind an eine gemeinsame Dampfzu- und Dampfableitung 27 a bzw. 27 bunter Zwischenschaltung von Regelventilen 28 angeschlossen.
Die Erhitzer 26 können in Abweichung von der dargestellten Ausführungsform mit Vorteil auch elektrisch beheizt sein.
Mit 29 ist die Rückleitung für das aufgewärmte Kühlöl und mit 30 ein an das Ablaufrohr 7 angeschlossener, ebenfalls beheizter Auffangbehälter bezeichnet.
Bei sämtlichen vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispielen sind die für die Umsteuerung des Heiz- bzw. Kühlmittelstroms sowie für die Ein- und Ausschaltung bzw. Drosselung der Erhitzer 26 (vgl. Ausführungsform gemäss Fig. 5) bestimmten Ventile sowohl von Hand bedienbar als auch-u. zw. vorzugsweise-automatisch gesteuert.
Die automatischesteuerung kann elektromagnetisch auf thermischem Wege, d. h. temperaturabhängig, oder zeitabhängig mittels einer Schaltuhr erfolgen, wobei in allen Fällen die automatische Steuerung derart ausgerichtet ist, dass die Elemente fortschreitend nacheinander entweder nach einer bestimmten Beladungszeit oder bei Unterschreitung bestimmter Temperaturen, die eine mangelnde Kühlwirkung, d. h. eine zu dicke Schichtstärke, anzeigen, selbsttätig statt mit dem Kühlöl mit Heissöl beaufschlagt werden sowie-umgekehrt-wiederum nach Ablauf einer bestimmten Abschmelzzeit oder bei Erreichen eines bestimmten Temperaturbereichs selbsttätig im Sinne der erneuten Beaufschlagung mit Kühlöl umgesteuert werden.
Bei Verwendung geeignet ausgebildeter Elemente, die jeweils nur an den beiden Seitenwänden des Gehäuses die Mündungen der einzelnen Rohre verbindende, leicht lösbare Kammerdeckel aufweisen, kann bei Anwendung des Schaltprinzips gemäss Fig. 5 auf die Einschaltung der Erhitzer 26 in die Zweigleitungen verzichtet werden, indem als Widerstandsheizkörper ausgebildete stab- oder rohrförmige Heizelemente während des kurzzeitigen Abschmelzprozesses nach dem Abschalten der Kühlölzuleitung in die einzelnen Rohre der Elemente eingeschoben werden, die nach Beendigung des Abschmelzprozesses wieder entfernt werden, um nach Verschliessen der Kammern mit der Zuleitung des Kühlöls eine erneute Aufladungs-
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periode einzuleiten.
Da die Elemente jeweils fortschreitend nacheinander für den Abschmelzprozess aufgeheizt werden, sind nur wenige solcher elektrisch-widerstandsbeheizter Heizstäbe erforderlich, um einen ununterbrochenen Kristallisationsvorgang innerhalb eines einzigen Abscheiders aufrecht zu erhalten.
Selbstverständlich steht es der Erfindung und insbesondere der hiedurch erzielten Wirkung grund- sätzlich nicht entgegen, wenn etwa aus bautechnischen Gründen an Stelle eines bei grossen Abscheidungs- mengen verhältnismässig gross ausfallenden Wärmeaustauschers mehrere Abscheider neben- oder über- einander angeordnet werden, sofern diese derart hintereinander geschaltet sind, dass der Trägergasstrom die Abscheider nacheinander durchströmt.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Verfahren zur kontinuierlichen Abscheidung von Sublimationsprodukten aus heissen Trägergasen, z. B. Maleinsäure-Anhydrid, bei welchem das Sublimat innerhalb eines mit Wärmeaustauschelementen ausgerüsteten Abscheidergehäuses durch Beaufschlagung der Elemente mit einem Kühlmittel aus dem
Trägergas abgeschieden und durch Beaufschlagung der Elemente mit einem Heizmittel von diesen abge- schmolzen und über beheizte Sammelwannen abgeleitet wird, dadurch gekennzeichnet, dass unter Ver- wendung mehrerer in einem liegenden Abscheidergehäuse in Richtung des dieses etwa horizontal durch- strömenden Trägergases hintereinander geschalteter und unabhängig voneinander wechselweise an das Heiz- bzw.
Kühlmittel anschliessbarer Elemente (2, 18, 21) innerhalb des gleichen Abscheiders (1) ohne
Unterbrechung des Trägergasstroms auf einem Teil der Elemente Sublimat abgelagert und gleichzeitig von einem andern Teil der Elemente das bereits abgelagerte Sublimat abgeschmolzen und abgeleitet wird.
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Process and device for the continuous separation of sublimation products from hot carrier gases
Processes and devices are known which make it possible to produce sublimable products from hot
Carrier gases, optionally reaction gases, to be separated out by passing the gas through a tube cooler, the sublimates being at conditions above the triple point in the pressure
Separate the temperature diagram in liquid form first, and then solidify on the pipes due to supercooling, while under conditions below the triple point they pass directly from the vaporous state into the solid phase. The solid substances deposited on the outer surfaces of the cooling tubes can be melted off by heating and collected and removed by means of troughs which are arranged below the heat exchange elements.
These processes are used in the chemical industry, for example in the production of maleic anhydride or phthalic anhydride, from the catalytic oxidation of benzene or
Naphthalene resulting reaction gases applied.
Since the solids crystallize out of the hot reaction gases during the separation or Crystallization process leads to an increasingly dense occupancy of the cooling tubes, it is necessary after a certain loading time in view of the resulting considerable deterioration in the heat exchange to remove the separator from the crystallization process in order to remove the outer surfaces of the elements or cooling tubes in the course of a subsequent melting process , d. H. heating the elements with a heating medium to make them receptive again for renewed crystallization. During this time, in the interests of continuous operation, it is necessary to pass the reaction gas stream into a further gas cooler, the cooling tubes of which have just been cleared by a previous melting process.
This mode of operation, in which several separators have to be alternately charged with the reaction gas, is extremely disadvantageous from an operational point of view and also requires a considerable amount of equipment, which is not only expensive to purchase but also cumbersome in terms of its monitoring and control.
According to the invention, the above-mentioned disadvantages can be avoided by using several separator housings in a horizontal position in the direction of the carrier gas flowing through it, one behind the other and independently of one another.
Coolant of connectable elements, deposited within the same separator without interruption of the carrier gas flow on part of the elements sublimate and at the same time the already deposited sublimate is melted and diverted from another part of the elements. The invention is based on the consideration that the essentially horizontal guidance of the carrier gas flow through a horizontal separator housing, within which a larger number of heating or cooling systems are independently connected in the longitudinal direction at a distance from one another.
Coolant connectable elements are arranged one behind the other in vertical planes, it is possible to separate the sublimate from the continuous carrier gas stream within the same separator and at the same time, d. H. without interrupting the crystallization process, to melt the elements that are sufficiently covered with solids.
Since the elements initially located on the inlet side for the hot carrier gas are generally covered with solids to a greater extent and earlier than the elements facing the outlet side of the housing, the melting process can begin after a certain operating time with the elements located next to the inlet side and move towards the end of the housing separator on the outlet side, while at the same time the loading of the already melted elements is started again.
When using this principle, it is easily possible to separate some of the deposition product in liquid form by condensation by means of a group of elements arranged on the inlet side of the housing for the reaction gas and switched into a separate cooling circuit, by which, to a certain extent, the deposition of the sublimate Upstream elements are cooled in a temperature range which is above the fixed point of the deposition product. In the following elements, by falling below the triple or lower
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the cooling point of the sublimation pressure or the supersaturation curve of the deposition product
Deposition in solid crystalline form causes. This method can be used with advantage in the deposition of substances with a low solidification point, e.g. B.
Maleic anhydride.
The economic superiority of the process compared to the known process lies not only in the considerably lower expenditure on apparatus and the considerably simpler control and monitoring of the crystallization process, but also in a more favorable thermal economy
Operating sequence, since the respectively loaded elements or element groups can now be melted by brief heating without impairing the remaining, only partially loaded elements, as soon as the deposit has reached a layer thickness at which the deposition effect diminishes as a result of the obstruction of the heat exchange.
Since, on the other hand, always all heat exchange elements in the operational sense, i. H. serve either for the deposition or the melting, an almost optimal one becomes
Achieved degree of utilization of the separator, which would not be possible without the features of the invention.
The method according to the invention can be further improved in that the respective supply or
Switching off the heating or The flow of coolant to the elements is not effected by hand, but by automatically controlled regulating or shut-off devices. The control can be time-dependent, for example by means of time switches, or also temperature-dependent, i. H. Thermally by means of thermocouples or the like.
The same medium, u., Is expedient for the heating and cooling medium. Zw. Preferably a liquid medium, in particular oil, is used.
The circuit can be done in various ways. By using a common circuit for the heating and cooling medium, to which the elements of the separator are connected in parallel, there is an advantageous possibility of re-cooling the medium in a central through-flow cooler, while the medium is being heated by each during the heating periods Element separately assigned and switched on in their branch line individual heaters takes place, which are regulated or switched on or off separately.
Another circuit, which is preferable in some cases, is that using a separate heating and coolant circuit, to whose inlet and outlet lines the elements are also connected in parallel, the recooling of the medium within the coolant circuit by a central cooler and the heating of the medium takes place within the Heizmittelkreislauf by a centrally assigned heater.
For the recooling of the medium, flow coolers charged with cooling water are expediently used, but other known surface coolers and air coolers can also be used with advantage. The heaters can be steam-heated or operated with electrical energy, the latter option being particularly suitable for fully automatic control of the separator. The heaters operated with electrical energy can work according to various known systems, both inductive and resistance heated heating elements can be used.
The separators themselves expediently consist of housings with a rectangular or square cross-section, elongated in an axis, in which the elements arranged one behind the other are displaced in vertical planes. Of course, it is also possible to use housings that are round in cross section. The individual tubes of the elements are expediently aligned horizontally, whereby they are either connected in series in a serpentine arrangement or with partial parallel connection in such a way that they are arranged in groups at the ends of the elements in distribution or. Collection chambers
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Separator in longitudinal section, FIG. 5 shows another embodiment of a separator for a product with a relatively low solidification point, e.g. B. naphthalene.
In the drawings, the separator housing is denoted by 1, the heat exchange elements by 2 and the collecting trays by 3. The arrow x indicates the direction of the incoming hot reaction gas and the arrow y at the opposite end of the separator housing 1 indicates the exit of the reaction gas freed from the deposition product.
According to FIG. 1, five separate heat exchange elements 2 are connected in series at a distance within the horizontal separator housing 1 and the separator housing 1, which is approximately square in cross section and elongated in an axis. The heat exchange elements 2 penetrate the entire cross section of the separator housing in the vertical plane. The tube rows of each element, which are staggered both in the direction of flow of the reaction gas and in the vertical plane, are oriented essentially horizontally and are equipped as round tubes 2a with round transverse ribs 2b on the outside, which facilitate the deposition of the sublimate.
As can be seen from Fig. 1, the elements 2 are provided on their underside in cross section with an angular sheet metal 2c, which favors the drainage of the sublimate dripping from the tubes during the melting period into the adjacent tubs 3. Both on the upper side and on the underside, the elements are guided in such a way that they can be pulled out of the housing in the manner of a drawer towards one side of the housing and exchanged.
The guide bars at the top are denoted by 4 a and the guide bars at the bottom by 4 b.
In the case of the embodiment according to FIG. 1 (as shown in FIG. 2), the tubes of each element are connected in parallel in groups and welded at the ends into the bottom of the distribution or collecting chambers, so that the heating or cooling chamber acting on the elements. Coolant flow flows through the tubes in groups one after the other.
On the distribution or collection chamber Ja or 6a, the inlet and outlet nozzles 5 and 6 are provided, each of which is arranged on the same side of the housing for all elements.
As can be seen from Fig. 1, the collecting trays 3 are double-walled or equipped with welded-on heating channels on the outside of the wall, which enable constant heating and thereby prevent the sublimate in the collecting trays from solidifying before it is discharged via the drain line 7. The drain line 7 is also double-walled, the annular space being acted upon with the same heating medium, preferably hot oil, which also acts on the heating channels of the collecting troughs.
The effect of the separator according to FIG. 1 is as follows: The hot carrier gas entering according to arrow x on the inlet side of the separator hits the heat exchange elements 2 when the system is started up, all of which are charged with cooling oil at this point in time. Are in this operating phase
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Valves of the heating medium circuit closed. The cooling oil, which is inevitably circulated by the pump 10 and held to the required cooling temperature in the cooling water-charged through-flow cooler 11, is conveyed through the elements from below via the line sections of the parallel circuit assigned to the valves 8 and at the upper end through the elements assigned to the valves 8 a Line sections of the T-pieces returned to the coolant return.
As soon as the elements initially lying in the flow direction of the hot reaction gas have a sufficient coating or the layer thickness is so great that an effective separation effect is no longer achieved, the elements are removed from the inlet side of the housing one after the other by closing valves 8 and 8 a and simultaneously Open the valves 9 and 9 a connected to the hot oil circuit, which is circulated by the pump 12 and continuously heated by the steam-operated continuous heater 13. Even when the elements are briefly exposed to hot oil, the sublimate deposited on the outer surface of the elements or in the area between the ribs of the tubes begins to melt and drip off into the collecting tank 3.
After the complete melting of the elements, the valves 8, 8 a and 9, 9 a are reversed again, whereupon a new loading period begins. The advantage of this construction is that a separate flow of coolant and heating medium is used and therefore the heat loss caused by the change between heating and cooling of the elements is relatively low. This principle is preferably used for the separation of phthalic anhydride.
As can be seen from Fig. 1, the heating system for heating the collecting trays 3 and the drain line 7 is directly connected to the heating medium circuit, which is constantly kept at the required heating temperature by the heater 13, and the like. zw. Connected in parallel, the tubs and the drain line 7 being connected in series. The respective confluence of the heating medium into the heating channels of the tub is denoted by 3 a and the outlet nozzle on the connection-side end of the elements is denoted by 3 b. 3e mean on both end faces of the tubs. 3 provided connection pieces that can be closed by a blind flange, through which cleaning devices for cleaning or cleaning the tub can be introduced (cf. FIG. 2). The valves 14 and 15 allow throttling or throttling.
The heating system for the tubs is switched on and off and the valve 16 closes the drain line 7. 17 is the shut-off valve on the steam inlet side of the continuous flow heater 13.
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1 a denotes the inlet-side connection hood and 1 b denotes the outlet-side connection hood of the separator housing. The connection flanges assigned to the hoods are used to connect the separator to the line system for the carrier gas.
The modification of the embodiment according to FIG. 1 shown in FIG. 4 consists in the fact that inside the housing 1, in the direction of flow of the reaction gas, upstream of the sublimate used for the deposition
Elements 2, 3 basically identically designed elements 18 are connected upstream, which are connected in parallel to a separate cooling oil circuit, which is forcibly moved by a pump 19 and in which an oil-air cooler 20 is switched on for the purpose of recooling the cooling oil, which with a through a fan 20 a forced air flow works.
With this with advantage for the deposition of
Maleic anhydride from the carrier gas system can be dispensed with an additional hot oil circuit or the activation of heaters for some of the cooling elements, as these only work in a temperature range above the fixed point of maleic anhydride, namely about 53 C. , but the reaction gas enters the separator at around 100 ° C. The first three elements 18 are exposed to a cooling oil of approx. 510 C, which heats up to approx. 53 C as it passes through the elements. The reaction gas is cooled to about 55 C when it passes through the finned tubes of the first three elements.
During the cooling, the saturation state of the reaction gas is reached and the anhydride is deposited on the cooled tubes according to the course of its vapor pressure curve. Since the fixed point of maleic anhydride is around 53 0 C and the gas side of the first three elements does not fall below this temperature, the anhydride runs off in the liquid state into the collecting tanks assigned to the elements, from which it can be drawn off.
In the following six elements 2, the reaction gas is further cooled from approx. 55 C to approx. 30 C, while the cooling oil of the corresponding cooling oil circuit is heated from approx. 18 C to approx. 220 C. The anhydride is deposited after the temperature falls below the triple point or the supercooling point in accordance with the sublimation pressure curve of the maleic anhydride, i.e. H. the draining anhydride is now deposited in solid crystalline form on the pipes.
In turn, primarily for a product with a low freezing point, e.g. B. naphthalene, certain separator according to FIG. 5, another principle is used, in which the again in the flow direction of the reaction gas in series, vertically arranged elements consist of serpentine rows of tubes in the vertical plane and in which the elements 21, which of course in deviation from the drawing can also consist of more than just one row of pipes, dispensing with T-pieces and valves directly in parallel into the inlet and outlet
The outflow line of the cooling oil circuit are switched on. A once-through recooler 22 charged with cooling water is used as the cooler, which is followed by a circulation pump 23.
The through-flow cooler is to be dimensioned in such a way that it can also dissipate the heat supplied during brief heating. In order to enable the elements 21 to be heated alternately, a separate heater 26 for each element is switched on in the branch lines 24 between the cooling oil supply line 25 and the lower connection pieces of the elements, the heaters being designed as continuous flow heaters and heated with steam are. All heaters 26 of the separator or any other separators are connected to a common steam supply and steam discharge line 27 a or 27 with the interposition of control valves 28.
In a departure from the embodiment shown, the heater 26 can advantageously also be heated electrically.
29 with the return line for the heated cooling oil and 30 with a connected to the drain pipe 7, also heated collecting container.
In all of the exemplary embodiments described above, the valves intended for reversing the heating or coolant flow and for switching the heater 26 on and off or throttling (cf. embodiment according to FIG. 5) can be operated by hand as well as-u. between preferably-automatically controlled.
The automatic control can be electromagnetically thermally, i. H. temperature-dependent, or time-dependent by means of a timer, in all cases the automatic control is designed in such a way that the elements progressively one after the other either after a certain loading time or when falling below certain temperatures, which means a lack of cooling effect, i. H. too thick a layer thickness indicate that hot oil is automatically applied instead of the cooling oil and - vice versa - again after a certain melting time or when a certain temperature range is reached automatically reversed in the sense of renewed application of cooling oil.
When using suitably designed elements, each of which has easily detachable chamber covers connecting the mouths of the individual tubes only on the two side walls of the housing, when the switching principle according to FIG. 5 is used, the heater 26 does not need to be switched on in the branch lines Resistance heating elements, rod-shaped or tubular heating elements, are inserted into the individual tubes of the elements during the brief melting process after the cooling oil supply has been switched off, which are removed again after the melting process has ended, in order to allow renewed charging after the chambers with the supply of cooling oil have been closed.
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initiate period.
Since the elements are each heated progressively one after the other for the melting process, only a few such electrically resistance-heated heating rods are required in order to maintain an uninterrupted crystallization process within a single separator.
It goes without saying that the invention and in particular the effect achieved by it are fundamentally not opposed if several separators are arranged next to or above one another for structural reasons instead of a heat exchanger which is relatively large with large amounts of separation, provided that they are connected in series are that the carrier gas stream flows through the separators one after the other.
PATENT CLAIMS:
1. Process for the continuous separation of sublimation products from hot carrier gases, e.g. B. maleic anhydride, in which the sublimate within a separator housing equipped with heat exchange elements by applying a coolant to the elements
Carrier gas is separated and melted off by applying a heating medium to the elements and discharged via heated collecting tanks, characterized in that using several in a horizontal separator housing in the direction of the carrier gas flowing through this approximately horizontally in series and independently of one another alternately to the heating or
Coolant connectable elements (2, 18, 21) within the same separator (1) without
Interruption of the carrier gas flow deposited on a part of the elements sublimate and at the same time the already deposited sublimate is melted and diverted from another part of the elements.