DE3411675A1

DE3411675A1 - Vorrichtung zum waerme- und stoffaustausch zwischen zwei oder mehr stroemungsfaehigen medien

Info

Publication number: DE3411675A1
Application number: DE19843411675
Authority: DE
Inventors: Josef Hubert 5203 Much Schick
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1984-03-27
Filing date: 1984-03-27
Publication date: 1985-10-10
Also published as: EP0177519A1; WO1985004470A2; JPS61501523A; DE8409717U1; WO1985004470A3; AU4213785A

Description

Vorrichtung zum Wärme- und Stoffaustausch zwischen zwei oder
mehr strömungsfähigen Medien Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Wärme- und Stoffaustausch zwischen zwei oder mehr strömungsfähigen Medien zum Wärmetausch oder zum Einleiten einer Reaktion zwischen den Medient mit einer Zu- und einer Ableitung für das eine und einer Zu- und einer Ableitung für das andere Medium und mindestens zwei sich umschließenden Rohren, von denen das eine an die eine und das andere an die andere Zu- und Ableitung angeschlossen ist.
Wärmetauscher sind in zahlreichen Ausführungsformen bekannt.
Bei einer Ausführungsform sind zwei Rohre konzentrisch zueinander angeordnet. Das Kühl- oder Heizmedium wird durch den Ringraum zwischen den beiden Rohren durchgeleitet. Das einen höheren Druck aufweisende Medium wird durch das innere Rohr geführt. In manchen Fällen wird das innere Rohr auch mit Längsrippen versehen. Das gegenseitige Abdichten der von den beiden Rohren umschlossenen Räume erfordert bei den bekannten Wärmeaustauschern einen hohen Aufwand. Insbesondere ist dabei an die auf die Stirnseiten der Rohre aufgesetzten Flansche zu denken.
Der Aufwand steigt, wenn die durch den Wärmetauscher durchgeführten Medien unter einem hohen Druck stehen, hohe Temperaturen aufweisen oder die Drücke und Temperaturen der beiden Medien stark voneinander abweichen.
Hiervon ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Wärmetauscher oder allgemein eine Vorrichtung der eingangs genannten Gattung so auszubilden, daß sich die Räume, durch die die verschiedenen Medien durchgeführt werden, leicht gegeneinander abdichten lassen. Insbesondere soll auch eine Vorrichtung geschaffen werden, durch die die Medien nicht nur getrennt voneinander durchgeführt, sondern in der sie auch miteinander reagieren können.
Ausgehend von einer Vorrichtung der eingangs genannten Gattung ergibt sich die Lösung für diese Aufgabe nach der Erfindung dadurch, daß das innere Rohr mit seinen beiden Enden durch das äußere Rohr durchgeführt ist und mit seinen Enden über dieses übersteht, die Zu- und Ableitungen unter einem im wesentlichen rechten Winkel zu den Rohren verlaufen, ein Paar Zu- und Ableitungen auf die Enden des inneren Rohres und ein Paar Zu- und Ableitungen auf die Enden des äußeren Rohres aufgesetzt sind, an den Aufsetzstellen Öffnungen entsprechend den Rohrdurchmessern in den Zu- und Ableitungen vorgesehen und die Rohre damit mit den Zu- und Ableitungen verbunden sind und sämtliche Durchführungs- und Verbindungsstellen verschlossen sind.
Wie bekannt läuft bei dieser Konstruktion das innere durch das äußere Rohr durch. Dabei tritt es durch die auf das äußere Rohr aufgesetzten Zu- und Ableitungen durch. Nur an diesen Durchtritts- oder Durchführungsstellen müssen die von den beiden Rohren umschlossenen Räume gegeneinander abdgedichtet werden.
Dies ist einfach und läßt sich im allgemeinen durch Schweißen ausführen. Die Erfindung bringt den weiteren Vorteil, daß die Vorrichtung eine einfache geometrische Form aufweist und bezogen auf die Fläche, über die die von den beiden Rohren umschlossenen Räume miteinander in Berührung stehen, nur einen geringen Raumbedarf hat. Dies ermöglicht, daß die auf die erfindungsgemäße Weise angeordneten Rohre in noch zu erläuternder Weise unter Bildung von Registern nebeneinander angeordnet werden und auf vielfältige Weise parallel zueinander und in Reihe miteinander verbunden werden können. Die Vorrichtungen können auch horizontal, vertikal oder auch in Schräglage angeordnet werden.
Uberraschenderweise hat sich gezeigt, daß die erfindungsgemäße Vorrichtung nicht nur zum Wärme-, sondern auch zum Stoffaustausch zwischen zwei oder mehr Medien verwendet werden kann.
Bei einer ersten Betrachtung ergeben sich zehn verschiedene Einsatzgebiete: Gruppe 1: Doppelrohr-Wärmeaustauscher; Rippenrohr-Wärmeaustauscher; Drei- und Mehrfach-Wärmeaustauscher; Platten-Wärmeaustauscher.
Gruppe 2: Abgaskühler; Luftkühler; Querrohrkühler; Würzkühlapparate; Kondensatoren; Rückflußkondensatoren.
Gruppe 3: Verdampfer; Steilrohrverdampfer; Mehrstufenverdampfer; Fallfilmverdampfer; Verdampfer für empfindliche Güter; Niederdruck-Dampferzeuger.
Gruppe 4: Apparate für: Extraktion, Destillation, Rektifikatio Entgasung.
Gruppe 5: Eindicker; Vorkonzentratoren; Sterilisatoren.
kruppe 6: Wärmerückgewinnung; Lösemittelrückgewinnung.
Gruppe 7: Kerzenfilter; Ultrafiltration; Füllkörperkolonnen; Katalysereaktoren; Ionenaustauscher; Niederdruck-Kontaktöfen; Desodorierer.
Gruppe 8: Chloratelektrolyse; Perchloratelektrolyse; Gastrennung; Therinodiffusion; Fremdgasdif fusion; Isotopenanreicherung.
Gruppe 9: Luftzerlegung; Seewasserentsalzung.
Gruppe 10: Brennstoffzellen; Differenzdruckelektrolyse; Bioreaktoren.
Am Beispiel der in der Zeichnung schematisch dargestellten Ausführungsformen wird die Erfindung nun weiter beschrieben. In der Zeichnung ist: Fig. 1 eine Darstellung der Grundform der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einem inneren und einem äußeren Rohr und den an diese angeschlossenen Zu- und Ableitungen, Fig. 2 die Darstellung von Querschnitten mit unterschiedlichen Arten der Ausbildung der Rohre und der Anordnung von Rippen zum Erhöhen des Wärmeaustauschs, Fig. 3 die Aufsicht auf mehrere nebeneinande##angeordnete und ein Register bildende innere und äußere Rohre, wobei dieses Register zusammen mit anderen einen Block bildet, Fig. 4 eine Ansicht entlang der Schnittlinie 4 - 4 in Fig. 3 und teilweise in anderem Maßstab von mehreren durch Parallelverbindung zu einem Block zusammengefaßten Registern, Fig. 5 eine andere Darstellung von mehreren zu einem Block zusammengefaßten Registern, Fig. 6 die Darstellung von mehreren in Reihe miteinander verbundenen Registern, Fig. 7 eine Darstellung ähnlich Fig. 1 von mehr als zwei ineinanderliegenden und einen Mehrfach-Wärmeaustauscher bildenden Rohren, Fig. 8 eine Teilansicht von zwei ineinanderliegenden und einen Fallfilmverdampfer bildenden Rohren, Fig. 9 die Darstellung eines Fallfilmverdampfers mit Kühlung, Fig.10 die Darstellung eines Verdampfers mit Rücklauf, Fig.11 eine Ansicht, teilweise im Schnitt, einer Elektrolyse-Zelle, Fig.12 ein Schnitt entlang der Schnittlinie 12 - 12 in Fig. 11 durch drei filterpressenartig angeordnete Register, Fig.13 ein Teilschnitt durch einen Rahmen unter besonderer Darstellung einer die Rohre gegeneinander isolierenden Manschette, Fig.14 ein Teilschnitt durch eine Elektrolysezelle, Fig.15 eine Darstellung, teilweise im Schnitt, einer für die Wasserelektrolyse verwendbaren Elektrolysezelle, Fig.16 eine Darstellung der Grund-Ausführungsform nach Fig. 1, wobei das innere und das äußere Rohre durch Platten gebildet werden, Fig.17 die Darstellung einer Hintereinanderschaltung von mehreren einzelnen Registern, Fig.18 die Darstellung der Vorrichtung bei Verwendung als Reaktor, Fig.19 eine Teilansicht der Vorrichtung nach Fig. 18 in vergrö-Bertem Maßstab, Fig.20 eine Teil-Darstellung von drei ineinanderliegenden Rohren zur Verwendung als Kerzenfilter, Fig.21 die Darstellung, teilweise im Schnitt, von mehreren ineinander liegenden Rohren zur Verwendung als Katalyse-Reaktor und Fig.22 die Darstellung von ineinanderliegenden Rohren bei Verwendung als Bioreaktor.
Fig. 1 zeigt das Prinzip der Vorrichtung mit dem inneren Rohr 30 und dem dieses konzentrisch umgebenden äußeren Rohr 32. Das innere Rohr 30 steht über das äußere Rohr 32 über. Mit seinen beiden Enden ist es an Zu- oder Ableitungen 34 angeschlossen.
Die beiden Enden des äußeren Rohres 32 sind an Zu- oder Ableitungen 36 angeschlossen. Diese Zu- und Ableitungen 34 und 36 verlaufen im allgemeinen unter 900 zu dem inneren und dem äußeren Rohr 30 und 32. Sie können jedoch auch andere Winkel mit diesen einschließen. Die Zu- und Ableitungen 36 sind an Stellen 38 auf das äußere Rohr 32 aufgesetzt. Diese Aufsatzstellen 38 müssen abgedichtet sein. Im allgemeinen reicht es aus, die Zu-und Ableitungen 36 auf die Enden des äußeren Rohres 32 auf zuschweißen. Das innere Rohr 30 ist durch Öffnungen 40 der Zu-und Ableitungen 36 durchgeführt. Auch diese Durchführungsstellen müssen abgedichtet werden. Auch hier reichen Schweißnähte im allgemeinen aus. Fig. 1 zeigt, daß die Grundform der Vorrichtung geometrisch einfach und sogar rotationssymmetrisch ist und wenig Platz beansprucht. Dies ermöglicht den im folgenden beschriebenen Zusammenbau zu Registern und Blöcken.
Fig. 2 zeigt verschiedene Ausgestaltungen der beiden Rohre insbesondere bei Verwendung in einem Wärmetauscher. Im allgemeinen sind die beiden Rohre 30 und 32 massiv bzw. undurchlässig. Fig.
2 zeigt jedoch auch eine Ausführungsform, bei der das innere Rohr 30 porös ist. Ein solches Rohr wird zum Stoffaustausch, bei der Durchführung von Reaktionen, zur Elektrolyse und dergleichen verwendet. Fig. 2 zeigt weiter die Anordnung von Längsrippen 42 auf dem inneren Rohr 30. Hierdurch wird der Wärmeübergang verbessert. Fig. 2 zeigt weiter die Anordnung von spiralförmigen Rippen 44 auf dem äußeren Rohr 32. Über diese Rippen 44 kann die gesamte Vorrichtung mit im Querstrom zugeführter Luft gekühlt werden, falls sie zu exothermen Reaktionen eingesetzt wird. Bei dieser Ausführungsform weist das innere Rohr 30 zusätzlich noch Längsrippen 42 auf. Fig. 2 zeigt weiter noch eine Ausführungsform, bei der lediglich das äußere Rohr 32 spiralförmige Rippen 44 aufweist. Bei der Verwendung dieser in Fig. 2 schematisch dargestellten Ausführungsformen zum Wärmetausch kann das zu kühlende Medium wahlweise durch das innere Rohr 30 oder durch das äußere Rohr 32 durchgeleitet werden. Dabei kann in das innere Rohr 30 oder den Zwischenraum zwischen dem inneren Rohr 30 und dem äußeren Rohr 32 zusätzlich ein kühlendes Medium eingeleitet werden. Bei Hintereinanderschaltung von mehreren Vorrichtungen gemäß Fig. 1 kann auch im Gegenstrom gekühlt werden. Hierzu wird das zu kühlende Medium zuerst durch das innere Rohr 30 und anschließend durch den Ringraum zwischen den beiden Rohren geleitet oder umgekehrt. Dies empfiehlt sich, wenn das zu kühlende Medium aus chemischen oder verfahrenstechnischen Gründen nur langsam abgekühlt werden soll. Entsprechendes gilt, wenn das Medium langsam aufgeheizt werden soll. Die in Fig. 2 gezeigte Ausführungsform mit porösem inneren Rohr wird zum Beispiel als Kerzenfilter eingesetzt. Das zu filtrie-Medium Medium wird entweder durch das innere oder durch das äu- Berge Rohr eingeleitet. Bei dieser Filtration kann das äußere Rohr 32 zusätzlich beheizt oder gekühlt werden. Die Vorrichtung wirkt dann sowohl als Filter als auch gleichzeitig als Wärmetauscher. Erwähnt sei noch, daß die beiden Medien die beiden Rohre 30 und 32 sowohl in gleicher als auch in entgegengesetzter Richtung durchströmen können. Bei Anordnung der beiden Rohre in einem Gehäuse kann noch ein drittes Medium am Wärmeaustausch teilnehmen. Dies kann im Gleich-, Gegen- oder Kreuzstrom eingeleitet werden.
Fig. 3 zeigt ein sich aus mehreren Ausführungsformen nach Fig.
1 zusammensetzendes Register. Mehrere innere und äußere Rohre 30 bzw. 32 sind gemeinsam an Zu- und Ableitungen 34 und 36 angeschlossen. Diese führen zu Sammelleitungen 46 und 48. Diese verlaufen senkrecht zur Zeichenebene. Mehrere Register der in Fig. 3 gezeigten Art können hintereinander angeordnet und an die gleichen Sammelleitungen 46 und 48 angeschlossen werden.
Dies wird noch im folgenden erläutert. Fig. 5 zeigt einen solchen Block. Mehrere Register sind nebeneinander angeordnet und gemeinsam an Sammelleitungen 46 und 48 angeschlossen. Damit ergeben sich Blöcke beliebiger Größen. Diese können in zwei Achsen liegend und in einer Achse stehend angeordnet werden. Fig.
6 zeigt die Serienschaltung mehrerer Register. In der oberen Hälfte der Figur wird ein Querschnitt durch das obere und in der unteren Hälfte ein Querschnitt durch die untere Zu- und Ableitung gezeigt. Die einzelnen Register sind durch Bogenstücke 50 verbunden. Die beiden Seiten oder Enden von auf diese Weise zusammengesetzten Wärmetauschern können wahlweise so geschal tet werden, daß die an einem Wärmeaustausch beteiligten Medien im Gleich- oder Gegenstrom zueinander fließen. Die Anzahl der in einem Register vorhandenen Rohre, ihr Durchmesser und die Anzahl der in Serie geschalteten Register werden je nach dem Einsatz festgelegt.
Fig. 7 zeigt eine Ausführungsform mit mehr als zwei konzentrisch umeinander angeordneten Rohren. Im inneren Rohr 30 ist zusätzlich ein weiteres Rohr 52 mit einer zusätzlichen Zu- und Ableitung 54 angeordnet. Das äußere Rohr 32 wird von einem zusätzlichen weiteren Rohr 52 mit einer zusätzlichen weiteren Zu-und Ableitung 54 umschlossen. Bei diesem Mehrfach-Wärmeaustauscher können vier gleiche oder auch verschiedene Medien gleichzeitig am Wärmeaustausch teilnehmen. Dieser Wärmetauscher wird auch zum langsamen Erwärmen oder Abkühlen von empfindlichen Medien eingesetzt. Hierzu werden die Zu- und Ableitungen 34, 36 und 54 außerhalb des Registers so zusammengeschaltet, daß die Medien die Rohre bzw. Register wahlweise im Gleich- oder Gegenstrom durchfließen. Die Register können auch so zusammengeschaltet werden, daß die Zwischenräume zwischen den einzelnen Rohren von innen nach außen oder auch umgekehrt durchströmt werden.
Fig. 8 zeigt eine Ausführungsform zur Anwendung als Fallfilmverdampfer. Das innere Rohr 30 steht ein Stück in die Zu- und Ableitung 34 hinein. Genau genommen, steht es in diesem bis zur Höhe des zu verdampfenden Mediums. Das obere Ende des inneren Rohres 30 kann dabei mit Flüssigkeitsverteilern ausgerüstet werden. Das zu verdampfende und im unteren Teil der Zu- und Ableitung 34 zugeführte Medium läuft über den oberen Rand des inneren Rohres 30 über und an dessen Innenwand herab. Dabei entsteht ein Fallfilm.
Dieser kann durch ein durch das äußere Rohr 32 durchgeleitetes Heizmedium beheizt werden. Die Brüden sammeln sich im oberen Teil der Zu- und Ableitung 34. Sie können einem Register, das als Kondensator arbeitet, zugeführt werden.
Fig. 9 zeigt einen Fallfilmverdampfer mit Kühlung. Im Vergleich zu Fig. 8 ist ein weiteres zusätzliches Rohr 52 durch das innere Rohr 30 durchgeführt. Sein oberes Ende mündet in eine Zu- und Ableitung 54. Wie bei dem Fallfilmverdampfer nach Fig. 8 kann ein Heizmedium durch das äußere Rohr 32 durchgeleitet werden.
Zusätzlich wird ein Kühlmedium durch das weitere Rohr 52 durchgeleitet. Damit kann ein Gemisch von Stoffen verdampft werden.
Bestandteile mit höherem Siedepunkt werden im Dampfraum 56 des inneren Rohres 30 zur Kondensation gebracht und laufen an der Außenwand des weiteren Rohres 52 nach unten zurück. Dieser Fallfilmverdampfer mit Kühlung ermöglicht verschiedene Möglichkeiten zum Durchführen von bestimmten chemischen Reaktionen, Verdampfungs- oder Destillationsprozessen.
Fig. 10 zeigt einen Verdampfer mit Rücklauf. Ein Heizmedium wird durch das weitere Rohr 52 durchgeleitet. Das zu verdampfende Medium wird durch das innere Rohr 30 zugeführt. Dieses weist Öffnungen 58 auf. Damit läuft die Dicklauge in das äußere Rohr 32 über. Die Brüden sammeln sich in der Zu- und Ableitung 36 und können seitlich aus den Registern abgezogen bzw.
einem weiteren als Kondensator arbeitenden Register zugeführt werden.
Fig. 11 zeigt eine als Elektrolysezelle arbeitende Ausführungsform. Hierzu werden die bereits beschriebenen Register rahmenförmig nach der Art von Filterpressenrahmen mit Kunststoff ausgegossen bzw. in einen Kunststoff-Rahmen 60 eingesetzt. In diesen Rahmen 60 sind die Zu- und Ableitungen 34 und 36 eingeformt. Über diese wird der Elektrolyt zu- und abgekühlt. Die inneren und äußeren Rohre 30 und 32 wirken als Kathode und Anode. Dabei können entweder die Außenwände der inneren Rohre 30 oder die Innenwände der äußeren Rohre 32 mit einem Katalysator beschichtet werden. Über die Sammelleitungen 46 wird ein Kühlmittel zugeleitet. Über die Sammelleitungen 48 wird der Elektrolyt zugeführt. Die Elektroden sind bei 62 und 64 eingezeichnet. Fig. 12 zeigt einen Schnitt durch drei Filterpressen-artig angeordnete Rahmen. Die einzelnen Rahmen oder Register sind durch Endwände 66 voneinander getrennt. Dadurch ergibt sich eine Reihenschaltung der einzelnen Register. Ohne die Endwände 66 sind die einzelnen Register bzw. Elektrolysezellen parallel geschaltet. Diese Schaltung betrifft nur Elektrolyt- und Kühlmittelkreislaufe. Wahlweise kann der Elektrolyt in Reihe und das Kühlmittel parallel eingeführt werden oder umgekehrt. Diese Schaltungsart ist für Elektrolyseprozesse, bei denen ein Produkt angereichert wird, von Bedeutung.
Fig. 13 zeigt, wie die beiden die Elektroden bildenden Rohre 30 und 32 gegeneinander isoliert sind. Hierzu umschließt eine aus einem Isoliermaterial bestehende Manschette 68 das innere Rohr 30. Sie isoliert dieses gegenüber der Zu- und Ableitung 36 und dem äußeren Rohr 32. Die Zu- und Ableitungen 34 und 36 sind in einen Kunststoff-Rahmen 70 eingeschlossen. ~~~ ~~~~~~~~ Fig. 14 zeigt die Anwendung der Erfindung als elektrochemisches Brennstoffelement. Das innere und das äußere Rohr 30 und 32 sind über einem Teil ihrer Länge porös ausgebildet. Das innere Rohr 30 bildet die Anode und das äußere Rohr 32 bildet die Kathode. Über den die äußeren Rohre 32 umschließenden Raum wird Sauerstoff bzw. Luft zugeleitet. Der Elektrolyt wird über die Zu- bzw; Ableitung 36 zugeführt. Der Brennstoff wird in die inneren Rohre 30 eingeleitet und fließt über die eingezeichnete Zu- bzw. Ableitung 34 ab. Die Rohre 30 und 32 sind über die Manschetten 68 gegeneinander isoliert. Die Spannung wird an den Elektroden 62 und 64 abgegriffen. Sie sind unmittelbar an die Zu- und Ableitungen 34 und 36 angeschlossen.
Fig. 15 zeigt eine weitere Ausführungsform einer Elektrolysezelle. Im gezeigten Beispiel dient diese zur Wasserelektrolyse.
Die beiden Rohre 30 und 32 bilden die Elektroden und eine besteht aus einem porösen Werkstoff. An der Manschette 68 ist ein# nach unten ragender Mantel 74 befestigt. Er taucht in den Elektrolyt ein und verhindert eine Vermischung der Elektrolysegase.
Es sei nun angenommen, daß das innere Rohr 30 die Anode und das äußere Rohr 32 die Kathode bildet. Der Elektrolyt wird in den Zwischenraum zwischen den beiden Rohren 30 und 32 von unten eingeleitet. Er sammelt sich in der eingezeichneten Ableitung 36. Katholyt und Wasserstoff werden außerhalb der Elektrolysezelle getrennt. Im inneren Rohr 30 wird ein niedrigerer Druck als im äußeren Rohr 32 aufrecht erhalten. Der Druckunterschied' soll dabei über dem durch das innere Rohr 30 entstehenden Druckverlust sein. Damit kann der an der Anode entstehende Sauerstoff durch das poröse innere Rohr 30 durchtreten und über die eingezeichnete Ableitung 34 abgeleitet werden. Gleichzeitig kann der Anolyt durch das poröse innere Rohr 30 durchtreten und nach unten abfließen. Der Mantel 74 taucht in den Elektrolyt ein und verhindert, daß sich die bei der Elektrolyse entstehenden Gase vermischen.
Fig. 16 zeigt eine Abwandlung der in Fig. 1 gezeigten Grundform der Erfindung. Die beiden Rohre 30 und 32 haben nicht mehr kreisrunden Querschnitt, sondern werden durch Pla#tten 76 und 78 gebildet. Bei Verwendung als Wärmetauscher ergeben sich dadurch größere Wärmeübertragungsflächen.
Fig. 17 zeigt eine Ausführungsform, bei der mehrere Register mit einfachen Mitteln hintereinandergeschaltet sind. Hierzu werden zuerst eine beliebige Anzahl von inneren und äußeren Rohren nebeneinander angeordnet und über ihre Zu- und Ableitungen 34 und 36 miteinander verbunden. Dadurch entsteht ein einziges großes Register. Nun wird die in Fig. 17 unten liegende Zuleitung 34 für die inneren Rohre 30 an einer Stelle unterbrochen. An der gleichen Stelle wird die in Fig. 17 oben liegende Ableitung 36 für die äußeren Rohre 32 unterbrochen. Dies führt dazu, daß die einzelnen Register in Reihe gelegt und von den am Wärmeaustausch beteiligten Medien im Gegenstrom durchflossen werden. Dies wird durch die Pfeile angezeigt.
Die Figuren 18 und 19 zeigen eine Ausführungsform, die als Reaktor zum Durchführen chemischer Prozesse verwendet wird. Das innere Rohr 30 ist mit einem Festbettkatalysator 82 gefüllt. Dieser wird durch eine gelochte Stütze 80 gehalten, die in der unteren Zu- und Ableitung 34 angeordnet ist. Statt des Festbettkatalysators kann das innere Rohr 30 auch mit einem Ionenaustauscher oder Füllkörpern gefüllt sein. Damit kann die Vorrichtung die Funktionen eines Reaktors für katalytische Prozesse, die Funktion eines Ionenaustauschers oder einer Füllkörpersäule übernehmen. Dabei bleibt es derteweiligen Reaktion überlassen, bis zu welcher Höhe das innere Rohr 30 angefüllt wird. Zur Unterstützung der Reaktionen kann ein Heiz- oder Kühlmedium durch das äußere Rohr 32 durchgeleitet werden. Dabei kann das äußere Rohr 32, wie in Fig. 18 angedeutet, das innere Rohr nur auf einem Teil von dessen Länge umschließen. Wie ausgeführt, wird die Füllmasse 82 des inneren Rohres 30 durch die Stütze 80 gehalten.
Die Füllmasse 82 wird durch eine Öffnung in der oberen Zu- und Ableitung 34 eingegeben und kann durch eine Öffnung in der unteren Zu- und Ableitung 34 nach Verbrauch herausgenommen werden.
Bei einer geeigneten Schaltung der Zu- und Ableitungen 34 kann die Füllmasse 82 rückgespült werden.
Fig. 20 zeigt eine als Filter wirkende Ausführungsform. Das innere Rohr 30 ist porös und bildet ein Kerzenfilter. Es ist auswechselbar und von außen zugänglich. Das innere Rohr 30 ist über einen Flansch 84 mit der oberen Seite der unteren Zu- und Ableitung 34 verbunden. Durch die obere Zu- und Ableitung 34 ist es vollständig durchgeführt. Uber einen Flansch 86 ist es mit der Außenwelt verbunden. Bei Einleitung des zu filtrierenden Mediums in die untere Zu- und Ableitung 34 strömt dieses über den Flansch 84 in den innenraum des inneren. Rohres 30 ein. Bei Einleitung des zu filtrierenden Mediums in die obere Zu- und Ableitung 34 strömt es in das äußere Rohr 32 ein und durchläuft das poröse innere Rohr 30 dann von außen nach innen. Damit ergibt sich eine Filtration von innen nach außen oder umgekehrt. Durch das weitere Rohr 52 kann ein Kühl- oder Heizmedium durchgeführt werden.
Bei Stoffen, deren Viskosität mit steigender Temperatur abnimmt, wird beheizt. Dadurch wird die Filtration erleichtert. Die Vorrichtung wirkt damit gleichzeitig als Filter und Wärmetauscher.
Bei geeigneter Schaltung der Zu- und Ableitungen 34 kann das Filter, das heißt das porös ausgebildete innere Rohr 30, rückgespült werden. Bei Austausch des porös ausgebildeten inneren Rohres 30 gegen eine auf ein Stützrohr aufgelegte Membrane kann die Vorrichtung auch. zur Ultrafiltration eingesetzt werden.
Fig. 21 zeigt eine insbesondere für katalytische Reaktionen ausgebildete Ausführungsform. Das innere Rohr 30 ist mit Katalysatormasse 82 gefüllt. Diese wird von der Stütze 80 gehalten. Ein flüssiger Reaktionsteilnehmer wird von oben durch die obere Zu-und Ableitung 34 eingegeben. Ein gasförmiger Reaktionsteilnehmer wird über eine Düse 88 in die untere Zu- und Ableitung 34 eingegeben. Durch das äußere Rohr 32 wird ein kühlendes oder heizendes Medium durchgeleitet. Die Länge und Durchmesser des inneren und des äußeren Rohres 30 und 32 richten sich nach der Reaktion. Hiervon hängt auch die Zahl der zu einem Register zusammengeschlossenen Rohre ab.
Fig. 22 zeigt eine für biologische Prozesse einsetzbare Ausführungsform. Hierzu gehören das biologische Reinigen von Abwässern, die Oxidation flüssiger Stoffe, Begasungsprozesse aller Art und die Herstellung von Einzellerproteinen. Das Besondere dieser Ausführungsform liegt darin, daß die inneren Rohre 30 nicht in einer unteren Zu- und Ableitung enden, sondern unter Bildung von Bögen 90 haarnadelförmig gebogen und durch die untere Zu-und Ableitung 36 der äußeren Rohre 32 durchgeführt sind. In den aufsteigenden Asten der Bögen 90 sind Düsen 88 angeordnet. Das zu begasende Medium wird durch die obere Zu- und Ableitung 34 der inneren Rohre 30 eingeleitet. Es strömt in Pfeilrichtung nach unten. Durch das durch die Düsen 88 eingeleitete Gas erhält es einen Auftrieb und strömt in Pfeilrichtung nach oben.
Durch die Düsen 88 wird zum Beispiel Luft, Sauerstoff oder auch ein anderer gasförmiger Reaktionsteilnehmer eingeleitet. Mehrere der in Fig. 22 gezeigten Rohre können zu einem Register zusammengeschlossen werden. Eine solche Anordnung erlaubt eine kontinuierliche Prozeßführung. Am Ende eines Registers kann dann ein hochkonzentriertes Produkt abgenommen werden. Durch die äußeren Rohre 32 wird ein Kühl- oder Heizmedium durchgeleitet. Bei exothermen Prozessen wird ein Kühlmedium durchgeleitet. Bei endothermen Prozessen oder bei der Oxidation von Stoffen, welche bei Normaltemperatur eine hohe und mit steigender Temperatur abnehmende Viskosität aufweisen, wird ein Heizmedium durch die äußeren Rohre 32 durchgeleitet. Eine besondere Anwendung findet diese Ausführungsform bei der synthetischen Herstellung von Fett säuren, beispielsweise für die kontinuierliche Oxidation von Paaffinen. Hierbei kann das erste Register durch überhöhte Temperaturen (Temperaturschock) die Reaktion einleiten. Die weiteren Register können dann mit niedrigeren Temperaturen betrieben werden. Die Anlage läßt sich auch für die Halogenierung von Stoffen verwenden. Ebenso kann sie zur kontinuierlichen Desodorierung, beispielsweise von Fetten und Ölen, eingesetzt werden.
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Claims

Patentansprüche 1. Vorrichtung zum Wärme- und Stoffaustausch zwischen zwei oder mehr strömungsfähigen Medien zum Wärmetausch oder zum Einleiten einer Reaktion zwischen den Medien mit einer Zu- und einer Ableitung für das eine und einer Zu- und einer Ableitung für das andere Medium und mindestens zwei sich umschliet Benden Rohren, von denen das eine an die eine und das andere an die andere Zu- und Ableitung angeschlossen ist, dadurch gekennzeichnet, daß das innere Rohr (30) mit seinen beiden Enden durch das äußere Rohr (32) durchgeführt ist und mit seinen Enden über dieses übersteht, die Zu- und Ableitungen (34, 36) unter einem im wesentlichen rechten Winkel zu den Rohren (30, 32) verlaufen, ein Paar Zu- und Ableitungen (34): auf die Enden des inneren Rohres (30) und ein Paar Zu- und Ableitungen (36) auf die Enden des äußeren Rohres (32) aufgesetzt sind, an den Aufsetzstellen (38) öffnungen (40) entsprechend den Rohrdurchmessern in den Zu- und Ableitungen (34, 36) vorgesehen und die Rohre (30, 32) damit mit den Zu-und uns Ableitungen (34, 36) verbunden sind und sämtliche Durchführungs- und Verbindungsstellen verschlossen sind.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere sich jeweils umschließende innere und äußere Rohre (30, 32) parallel zueinander nebeneinander angeordnet und gemeinsam unter Bildung eines Registers an zwei Paare von Zu- und Ableitungen (34, 36) angeschlossen sind und daß an je ein Ende jeder Zu- und Ableitung (34, 36) eine Sammelleitung (46, 48) angeschlossen ist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß meh rere Register nebeneinander angeordnet und die Sammelleitungen (46, 48) durch Bogenstücke (50) unter Bildung einer Serienschaltung miteinander verbunden sind.
4. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die inneren und äußeren Rohre (30, 32) und ihre Zu- und Ableitungen (34, 36) aus einem elektrisch leitenden Material ausgebildet sind, die inneren und äußeren Rohre (30, 32) Elektroden darstellen und die Zu- und Ableitungen (34, 36) an je einen Pol einer Spannungsquelle angeschlossen sind.
5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Rohre (30, 32) in einem aus einem chemisch inerten und elektrisch isolierenden Material bestehenden Rahmen (60) eingebettet sind, der die äußeren Rohre (32) umschließende Raum als Kühlmittelkanal ausgebildet ist und an eine Kühlmittelzufuhr oder -umwälzung angeschlossen ist.
6. Vorrichtung nach Anspruch 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß eine oder beide der sich gegenüberliegenden Wände der inneren und der äußeren Rohre (30, 32) mit einem Katalysator beschichtet ist.
7. Vorrichtung nach Anspruch 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß an den Durchführungsstellen des inneren Rohres (30) durc die Zu- und Ableitung (36) des äußeren Rohres (32) jeweils eine Manschette (68) aus einem elektrisch isolierenden Material angeordnet ist.
8. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die inneren und äußeren Rohre (30, 32) aus einem porösen Material ausgebildet und in einem aus einem chemisch inerten und elektrisch isolierenden Material bestehenden Rahmen 170) ein gebettet sind.
9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Zu- und Ableitungen (34, 36) aus einem elektrisch leitenden Material bestehen, an den Durchführungsstellen des inneren Rohres (30) durch die Zu- oder Ableitung (36) des äußeren Rohres (32) jeweils eine Manschette (68) aus einem elektrisch isolierenden Material angeordnet ist, der die äußeren Rohre (32) umschließende Raum als Zuleitung für ein Reaktionsgas ausgebi-ldet ist und je eine Elektrode (62, 64) an eine Zu-oder Ableitung (34, 36) der inneren wie auch der äußeren Rohre (30, 32) angeschlossen ist.
10. Vorrichtung nach Anspruch 8 und 9, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Register parallel nebeneinander angeordnet zu einem Block zusammengefaßt und die Stromanschlüsse der einzelnen Register elektrisch parallel oder in Reihe geschaltet; sind.
11. Vorrichtung nach irgendeinem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß das innere oder das äu-Bere Rohr (30, 32) aus einem porösen Material ausgebildet ist.
12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß das innere Rohr (30) aus einem porösen Material ausgebildet ist und die an der oberen Durchführungsstelle des inneren Rohres (30) durch die Zu- oder Ableitung (3 ) des äußeren Rohres (32) vorgesehene Manschette (68) einen nach unten ge-! richteten und das innere Rohr (30) mit Abstand umschließenden Mantel (74) au#eist.
13. Vorrichtung nach irgendeinem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß das innere und das äußere re re Rohr (30, 32) aus sich mit Abstand gegenüberliegenden und parallel parallel zueinander verlaufenden Platten (76, 78) gebildet sind, die Zu- und Ableitungen (34, 36) entlang der Ober- und Unterkanten dieser Platten (76, 78) verlaufen und auf diese aufgesetzt und die Platten (76, 78) des inneren und äußeren Rohres (30, 32) seitlich verschlossen sind.
14. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Rohre (30, 32, 52) als innere und äußere Rohre umeinander angeordnet und an ihren Enden mit Zu- und Ableitungen (34, 36, 54) verbunden sind.
15. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß das innere Rohr (30) ein Stück in die auf sein oberes Ende aufgesetzte Zu- oder Ableitung (34) hineinsteht.
16. Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß ei weiteres Rohr (52) in dem inneren Rohr (30) verläuft und durch die auf dessen oberes Ende aufgesetzte Zu- oder Ableitung (34) durchgeführt und auf sein oberes Ende selbst eine Zu- oder Ableitung (54) angeschlossen ist.
17. Vorrichtung nach Anspruch 15 und 16, dadurch gekennzeichnet, daß das äußere Rohr (32) an eine Quelle für ein Heizmedium angeschlossen ist.
18. Vorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß das weitere Rohr (52) an eine Quelle für ein Heiz- oder ein Kühlmedium angeschlossen ist.
19. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß bei Anordnung von mehreren Registern die Zuleitungen zu den inneren und äußeren Rohren (30, 32) des ersten Registers an deren sich gegenüberliegenden Enden angeschlossen sind, so daß diese im Gegenstrom durchströmt werden, die Ableitungen von den inneren und äußeren Rohren (30, 32) des ersten Registers zu den Zuleitungen der inneren und äußeren Rohre des nächsten nSchsten Registers am jeweils gleichen Ende führen, so daß auch dessen Rohre im Gegenstrom durchströmt werden usw.
20. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß auf dem äußeren Rohr Rippen zur besseren Wärmeableitung vorgesehen sind.
21. Vorrichtung nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß auf dem äußeren Rohr spiralförmig um dieses umlaufende Rippen vorgesehen sind.
22. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß auf' dem inneren Rohr (30) zur besseren Wärmeableitung Rippen (42? vorgesehen sind. - Fig. 2 -123.
Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die die Zu- und Ableitungen (34, 36) einzelner Register verbindenden Leitungen Bogenstücke (50) sind. - Fig. 6 -124.
Vorrichtung nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 23, dadurch gekennzeichnet, daß ein inneres Rohr (30) im Bereich der Zu-' und Ableitung des es umschließenden Rohres (32) eine Öffnung (58) (58J aufweist.
25. Vorrichtung nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 24, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Register nach Art von Filterprest sen zusammengefaßt und die Sammelleitungen durch Endwände (66) voneinander abgetrennt sind. - Fig. 12 -
26. Vorrichtung nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, daß die Endwände (66) teilweise aufgebrochen sind. - Fig. 12 -
27. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 26, dadurch gekennzeichnet, daß in der unteren Zu- und Ableitung (34) des inneren Rohres (30) eine dessen offenes unteres Ende verschließende, Öffnungen aufweisende Stütze (80) angeordnet ist. - Fig. 19 -
28. Vorrichtung nach Anspruch 27, dadurch gekennzeichnet, daß das innere Rohr (30) mit einem Katalysator (82) gefüllt ist.

- Fig. 18 -
29. Vorrichtung nach Anspruch 27, dadurch gekennzeichnet, daß das innere Rohr (30) mit Füllkörpern (82) gefüllt ist.

- - Fig. 18 -
30. Vorrichtung nach Anspruch 27, dadurch gekennzeichnet, daß das äußere Rohr (32) das innere Rohr (30) nur auf einem kleineren Teil von dessen Länge umschließt. - Fig. 18 -
31. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 30, dadurch gekennzeichnet, daß das innere Rohr (30) porös ausgebildet und mit seinem Ende durch die Zu- und Ableitung (34) des es umschließenden Rohres (32) bis zur Außenwelt durchgeführt ist und mit seinem anderen Ende in die Zu- und Ableitung (34) des es umschließenden Rohres (32) einmündet und dieses gegenüber dieser Zu- und Ableitung (34) verschlossen ist.

- Fig. 20 -
32. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 31, dadurch gekennzeichnet, daß in der unteren Zu- und Ableitung des inneren Rohres (30) eine Düse (88) angeordnet ist. - Fig. 21 -
33. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 32, dadurch gekennzeichnet, daß die in einem Register benachbarten inneren Rohre (30) durch Bögen (90) verbunden sind. - Fig. 22 -
34. Vorrichtung nach Anspruch 33, dadurch gekennzeichnet, daß in das untere Ende jedes zweiten inneren Rohres (30) eine Düse (88) (3B) eingesetzt ist. - Fig. 22 -
35. Verwendung der Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 34 als Wärmetauscher.
36. Verwendung der Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 34 als Kondensator.
37. Verwendung der Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 34 als Kühlvorrichtung.
38. Verwendung der Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 34 als Verdampf Verdampfer.
39. Verwendung der Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 34 als Apparat für Extraktion, Destillation, Rektifikation oder Entgasung.
40. Verwendung der Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 34 als Apparat zum Eindicken, zur Vorkonzentration oder zur Sterilisation.
41. Verwendung der Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 34 als Apparat für die Wärmerückgewinnung oder Lösemittelrückgewinnung.
42. Verwendung der Vorrichtung nach den Ansprüchen 1bis 34 als Kerzenfilter, zur Ultrafiltration, als Füllkörperkolonne, als Katalysereaktor, als Ionenaustauscher, als Niederdruckkontaktofen oder als Desodorierer.
43. Verwendung der Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 34 als Apparat zur Chloratelektrolyse, zur Perchloratelektrolyse, zur Gastrennung, zur:Thermodiffusion, zur Fremdgasdiffusion oder zur Isotopenanreicherung.
44. Verwendung der.Vorfichtung# dën Ansprüchen 1 bis 34 als Apparat zur Luftzerlsegungqoder zur Seewasserentsalzung.
45. Verwendung der Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 34 als Brennstoffzelle, zur Differenzdruckelektrolyse oder als Bioreaktor.