FESTSTOFFWÄRMEAUSTAUSCHERMODUL

GEBIET DER ERFINDUNG

[0001 ] Die Erfindung befindet sich auf dem Gebiet der Verfahrenstechnik und betrifft ein Wärmeaustauschermodul sowie einen Wärmeaustauscher, der mehrere dieser Module aufweist, für die Behandlung von rieselfähigem Schüttgut.

STAND DER TECHNIK

[0002] Wärmeaustauscher zählen zu den wichtigsten Bauteilen im Bereich der Verfahrens- technik. Sie können dabei unterschiedlichen Zwecken dienen, insbesondere vielfältigste Substrate kühlen, erwärmen oder sogar trocknen. Wärmeaustauscher werden häufig nach der Natur der zu behandelnden Substrate unterschieden, nämlich ob es sich um Gase, Flüssigkeiten oder Feststoffe handelt. Während Gase und Flüssigkeiten naturgemäß ausgezeichnete Strömungseigenschaften aufweisen, trifft dies für Feststoffe gerade nicht zu. Um Fest- Stoffe einem Wärmeaustausch unterwerfen zu können, ohne sie dazu aufzuschmelzen, müssen sie rieselfähig sein. D.h. es kommen nur solche Stoffe in Betracht, die von Natur aus eine Korngrößenverteilung aufweisen, die die Stoffe rieseln, rutschen oder gleiten lassen oder die durch Zerkleinerungsschritte entsprechend zugerichtet werden.

[0003] Naturgemäß ist die Behandlung von solchen rieselfähigen Schüttgütern aus Sicht des Anlagenbauers besonders ambitioniert, da mit Durchmesser und Form der Substrate ein Verstopfen der Anlagen jederzeit eintreten kann. Konventionelle Festgut(platten)wärme- tauscher müssen zudem mit sauberen Wärm- oder Kühlmedien betrieben werden, um eine Verstopfung der Austauscher zu verhindern. Dies verteuert die Verfahren zusätzlich, zumal in der Regel für die Erwärmung Brüden eingesetzt werden, die zuvor noch kondensiert und gereinigt werden müssen.

[0004] Wärmeaustauscher für rieselfähiges Schüttgut sind a us dem Stand der Technik hinreichend bekannt. So werden beispielsweise in den internationalen Patentanmeldungen WO 2007 128104 AI und WO 2013 163752 AI sowie der europäischen Patentanmeldung EP 2995898 A2 (SOLEX) Anlagen beschrieben, bei der die Trocknung des Schüttgutes, das über eine große Aufgabefläche der Schwerkraft folgend aufgegeben wird, über parallel zueinander angeordneten Wärmeaustauscherplatten erfolgt. Nachteilig ist hier, dass das Schüttgut viel zu rasch die Wärmeaustauschzonen durchläuft, so dass die Anlage eine große Höhe aufweisen muss, um ausreichenden Wärmeaustausch zu erzielen.

[0005] Ein ganz ähnliches Modul mit den gleichen Nachteilen ist Gegenstand der kanadi- sehen Patentanmeldung CA 2851781 AA (SOLEX). Eine Kombination aus zueinander parallel angeordneten Wärmeaustauscherrohren und -platten ist Gegenstand der beiden Patentanmeldungen CA 2857852 AA und US 2016 025417 AA (SOLEX).

[0006] Dabei ist jedoch zu berücksichtigen, dass Plattenwärmetauscher bezogen auf das Raumvolumen gegenüber Rohrbündelwärmetauschern zwar die größere Heizfläche aufwei- sen, aber einen schlechteren Wärmeaustausch zeigen, da das Schüttgut nicht wie im Rohrbündelwärmetauscher von Rohrreihe zu Rohrreihe neu gemischt wird.

[0007] Aus der DE 19643699 Cl (BABCOCK) ist ein Schachtkühler bekannt, bei dem das Schüttgut der Schwerkraft folgend auf eine Prallplatte rieselt und dann über einen Stabrost auf eine Anordnung von versetzt angeordneten Kühlrohren mit quadratischem Profil. Der Wärmetauscher zeichnet sich insbesondere dadurch aus, dass er im Bereich der Kühlrohre keine feste Wandung aufweist, sondern die außen befindlichen Kühlrohre mit Flügeln ausgestattet sind, die in Richtung des Kühlerinneren geneigt sind, so dass das Schüttgut nicht herausfallen kann. Dadurch wird das Problem gelöst, dass sich die Wandungen durch den Kontakt mit dem heißen Schüttgut nicht verziehen können und den Kühler teilweise blockie- ren. Diese Konstruktion ist indes sehr aufwendig und auch deshalb von Nachteil, weil der Kühler nicht abgeschlossen ist und daher Emissionen ungeregelt an die Umgebung abgegeben werden.

[0008] Ein alternativer Schachtkühler wird in US 3,705,620 (KAYATZ) beschrieben. Das Schüttgut rieselt dabei über Bündel von Wärmeaustauscherschlangen zum Auslass.

[0009] Gegenstand der US 3,866,673 (PAVLOV) ist ein Wärmeaustauscher zur Kühlung von Erzschlacken, indem jedoch keine Kühlrohre, sondern Kühlschlangen eingesetzt werden. Eine ähnliche Vorrichtung mit einer Heizschlange wird in DE 10 2009 054 354 B3 (SORG) offenbart; hier geht es jedoch um das Entwässern und Erwärmen von Mischungen für die Herstellung von Glas.

[0010] Aus Ingenieurssicht wäre es jedoch bevorzugt, statt die Brüden für die Erwärmung von Wasser zu verwenden, welches dann seinerseits als Wärmeaustauschflüssigkeit eingesetzt wird, diese selbst einzusetzen. Auf diese Weise könnte die Wärme direkt genutzt und ein Wärmeaustausch auf höherem Niveau erreicht werden. Bislang scheitert dies jedoch daran, dass die Brüden im Austauscher teilweise kondensieren, was zu Korrosionsschäden, Anbackungen und Verstopfungen führen kann, die dann zu erheblichen Stillstandzeiten für Wartung, Reparatur und Reinigung führen.

[0011 ] Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung hat daher darin bestanden, Feststoffwärmeaustauscher für rieselfähige Schüttgüter zur Verfügung zu stellen, die frei von den geschilderten Nachteilen sind. Insbesondere sollten die Bauteile eine hohe Effizienz aufweisen, d.h. pro Volumeneinheit eine gegenüber dem Stand der Technik verbesserte Wärmetauscherleistung aufweisen, sich an Schüttgüter mit unterschiedlichsten Rieseleigenschaften anpassen lassen, einfach in Wartung und Montage sein sowie den Einsatz unterschiedlicher Heiz- oder Kühlmedien, insbesondere von ungereinigten Brüden zulassen. BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG

[0012] Ein erster Gegenstand der Erfindung betrifft ein Feststoffwärmeaustauschermodul, umfassend oder bestehend aus

(i) einem geschlossenen Gehäuse zur Aufnahme von Wärmeaustauscherrohren;

(ii) einer Vielzahl von Wärmeaustauscherrohren;

(iii) mindestens einem Stoffeinlass;

(iv) mindestens einem Stoffauslass;

(v) Rohrverbindungen zwischen den Wärmeaustauscherrohren zur Versorgung mit Heizoder Kühlmedien,

wobei

(a) die Wärmeaustauscherrohre in Bündel gruppiert und dabei jeweils zueinander versetzt angeordnet sind,

(b) jedes Modul 2 bis 10 Bündel enthält,

(c) jedes Bündel 10 bis 100 Rohre enthält,

(d) jedes Rohr einen rechteckigen oder rhombischen Querschnitt mit abgerundeten Kanten mit den Winkeln α, ß, γ und δ aufweist, wobei für diese Winkel die Auswahlbedingungen gelten

a = 30° bis 120°

ß = 60° bis 150°

Y = 30° bis 120°

δ = 60° bis 150°

mit der Maßgabe, dass die Summe aller Winkel 360° ergibt, und

(e) der Abstand Dl zwischen jeweils zwei benachbarten Wärmeaustauscherrohren in einer Reihe sowie der Abstand D2 zwischen jeweils zwei benachbarten Wärmeaustauscherrohren in zwei benachbarten Reihen unabhängig voneinander zwischen 10 und 100 mm beträgt.

Die eingangs geschilderte Aufgabe wird mit einem Bauteil wie oben beschrieben vollständig gelöst. Anstelle von Platten kommen ausschließlich Wärmeaustauscherrohre zum Einsatz, die in spezieller Weise angeordnet sind, so dass eine Verstopfung der Anlage ausgeschlossen ist. Durch die Kombination von Rohrbeabstandung und Rohrgeometrie ist es erstmals möglich, die Wärmeübertragung mit Hilfe von Brüden durchzuführen, da die auf diese Weise hervorgerufene turbulente Strömung die Geschwindigkeit der Brüden so stark erhöht, dass eine unerwünschte Kondensation unterbleibt und der Wärmeaustausch entsprechend erhöht wird. Auf diese Weise kann das Modul auch geschlossen konstruiert werden, ohne dass die Gefahr besteht, dass sich die Seitenwände durch den Kontakte des heißen Schüttgutes verziehen.

[0013] Der Querschnitt der Rohre sowie ihr Abstand kann an die Natur des Schüttgutes, insbesondere dessen Böschungswinkel und die gewünschten Durchflussmengen, speziell im Hinblick auf den Wandreibungswinkel angepasst werden. Die Rohre können einen runden Querschnitt haben, vorzugsweise sind sie quadratisch oder rhombisch mit Rundungen, die an den Böschungswinkel des Schüttgutes angepasst sind, damit der Feststoff möglichst lange um die Rohre herum fließen kann. Auf diese Weise wird die Zeit für den Wärmeaustausch verlängert, was die Effizienz bezogen auf Wärmeübergang pro Volumeneinheit in signifi kan- ter Weise verbessert. Damit lassen sich Wärmeaustauscher herstellen, die deutlich kompakter als die Vergleichsbauteile aus dem Stand der Technik sind und dennoch höhere Wärmeaustauscherleistungen erbringen.

[0014] FESTSTOFFWÄRMEAUSTAUSCHERMODULE

[0015] Die Wärmeaustauschermodule enthalten die Wärmeaustauscherrohre in Form von mehreren, vorzugsweise 2 bis etwa 5 Bündeln angeordnet. I n jedem Rohrbündel liegen die Rohre in Reihen übereinander angeordnet vor. Vorzugsweise enthalten die Bündel 2 bis etwa 10 und insbesondere etwa 4 bis etwa 6 Reihen mit jeweils etwa 10 bis etwa 50 und insbesondere jeweils etwa 20 bis 50 Rohren wie in Abbildung 1 dargestellt. Bezogen auf die Rohrreihen in den Bündeln liegen die Rohre jeweils auf Lücke zueinander versetzt vor, wie dies in Abbildung 2 wiedergegeben ist. Die Angaben zu Rohren und Rohrbündeln sind als bevorzugte und typische Ausführungsformen zu verstehen. Es ist grundsätzlich möglich, auch größere Anlagen herzustellen, die dann über entsprechend größere Zahlen an Rohren und Rohrbündeln verfügen.

[0016] Der Abstand Dl zwischen jeweils zwei benachbarten Wärmeaustauscherrohren in einer Reihe sowie der Abstand D2 zwischen jeweils zwei benachbarten Wärmeaustauscherrohren in zwei benachbarten Reihen kann unabhängig voneinander etwa 10 und etwa 100 mm und vorzugsweise etwa 40 bis etwa 60 mm betragen (vgl. auch Abbildung 6).

[0017] Die Wärmeaustauscherrohre sind entweder einzeln, vorzugsweise aber bündelweise an einen Verteiler angeschlossen, über den die Heiz- oder Kühlflüssigkeiten eingespeist werden können (s. Abbildung 1, bogenförmige Verbindungen ober- und unterhalb der Rohrbündel; Abbildung 2, kreisförmige Gebilde, die den Anschnitt der Verteiler zeigen sowie Abbildung 4). Dabei können die Rohrbündel jeweils über einen Verteiler gemeinsam betrieben werden; es ist jedoch auch möglich, alle Bündel und damit alle Rohre gemeinsam über einen Haupt- und gegebenenfalls weitere Nebenverteiler mit den Medien zu versorgen.

[0018] Die Wärmeaustauscherrohre können mit Flüssigkeiten, Dämpfen, Gasen, Kühlwasser und entsprechenden Mischungen beheizt oder gekühlt werden. I nsbesondere werden sie jedoch mit ungereinigten Brüden betrieben, was die Durchführung besonders einfach und kostengünstig gestaltet. Auf diese Weise kann auf den Rohrinnenseiten die Kondensations- wärme des Wasserdampfes über 100 °C direkt genutzt werden. Würden die Brüdendämpfe hingegen zur Herstellung von Heißwasser verwendet, ließen sich nur Temperaturen von 60 bis 65 °C erreichen.

[0019] WÄRMEAUSTAUSCHERROHRE

[0020] Auch wenn die Wärmeaustauscherrohre im Sinne der vorliegenden Erfindung einen runden oder ovalen Durchmesser haben können, ist ihr Profil vorzugsweise rechteckig oder rhombisch, wobei die Kanten abgerundet sind, damit das Schüttgut möglichst lange um das Rohr herum fließen kann und der Wärmeaustausch dadurch verlängert wird. [0021 ] Ein weiterer Gegenstand der Erfindung betrifft daher ein Wärmeaustauscherrohr, welches sich dadurch auszeichnet, dass es ein rechtwinkliges oder rhombisches Profil mit den Winkeln α, ß, γ und δ aufweist, wobei für diese Winkel die Auswahlbedingungen gelten a = 30° bis 120°

ß = 60° bis 150°

γ = 30° bis 120°

δ = 60° bis 150°

mit der Maßgabe, dass die Summe aller Winkel 360° ergibt (vgl. Abbildung 6). I n einer ersten bevorzugten Ausführungsform sind die vier Winkel gleich und betragen 90°, in einer zweiten Ausführungsform sind jeweils zwei gegenüberliegende Winkel zum einem etwa 80° und zum anderen etwa 100°. Der Einbau der Rohre in das Modul erfolgt jeweils so, dass die gegenüberliegenden kleineren Winkel des Rohrquerschnitts in Richtung der Flussrichtung weisen.

Der Durchmesser der Wärmeaustauscherrohre (dl) ist wenig kritisch und kann typisch zwi- sehen etwa 20 und etwa 100 mm, vorzugsweise zwischen etwa 30 und etwa 80 mm und insbesondere zwischen etwa 40 und etwa 60 mm liegen. Die Länge der Rohre richtet sich nach den Abmessungen des Wärmetauschermoduls und ka nn zwischen 1 und 20 Metern betragen. Verwendung finden vor allem hoch verschleiß- und korrosionsfeste handelsübliche Stähle und Sonderstähle.

[0022] FESTSTOFFWÄRMEAUSTAUSCHER

[0023] Ein weiterer Gegenstand der Erfindung betrifft einen Feststoffwärmeaustauscher enthaltend oder bestehend aus mindestens zwei, vorzugsweise 3, 4, 5 oder bis zu 10 der oben beschriebenen Module. Eine Darstellung eines Wärmeaustauschers mit fünf Modulen ist in Abbildung 5 wiedergegeben.

[0024] Dabei wird das Schüttgut am Kopf des Wärmeaustauschers, konkret am Kopf des obersten Austauschermoduls aufgegeben (Abbildung 5, oben). Dies kann über ein Schott oder eine Luke erfolgen, beispielsweise durch kontinuierliches Einbringen über ein Förderband. Das Schüttgut kann jedoch ebenfalls über die gesamte zur Verfügung stehende Fläche des Moduls aufgegeben werden. Das Ausbringen des behandelten Schüttgutes erfolgt am Boden des Wärmeaustauschers bzw. des untersten Moduls beispielsweise durch eine Schleuse (Abbildung 5, unten). Es kommen auch andere übliche Austragsförderer in Betracht, deren Anzahl sich nach dem Querschnitt der gewählten Schachtabmessungen richtet.

[0025] Die einzelnen Module sind vorzugsweise über Zwischenkästen mit oder ohne Brü- denabsaugung miteinander verbunden (Abbildung 5, Bauteile zwischen den Modulen), so dass sie angekoppelt und abgekoppelt werden können. Dazu sind sie vorzugsweise über Rollen beweglich und ausfahrbar. Auf diese Weise wird erreicht, dass man ein Modul, das ausgewechselt und gewartet oder repariert werden muss, einfach ausfahren und den Wär- metauscher dennoch weiter betreiben kann. Ebenfalls bevorzugt ist es, die Module mit Neigungswinkel gekippt anzuordnen. Auf diese Weise reinigen sich die Rohre im I nnenraum durch die kondensierten Gase durch Waschung selbst. Die Kondensate werden an den Tiefpunkten gesammelt und abgeführt.

[0026] Es ist weiter ebenfalls vorteilhaft, die Zwischenkästen mit Mannlöchern auszustatten, durch die eine weitere mechanische Reinigung der Rohrbündelwärmetauscher entlang der Rohrgassen - falls erforderlich - erfolgen kann.

[0027] Die gesamte Konstruktion kann unter Verwendung von hoch verschleiß- und korrosionsfesten handelsüblichen- und Sonderstählen hergestellt werden. Die Ausführung kann je nach Materialstärke druckfest sein, auch z.B. 13 bar Überdruck durch die Rohre (Nachweis über die Berechnung mit der Methode Finite Elemente).

GEWERBLICHE ANWENDBARKEIT

[0028] Ein weiterer Gegenstand der Erfindung betrifft ein Verfahren zur Behandlung von rieselfähigem Schüttgut, insbesondere zu dessen Erwärmen oder Kühlen, bei dem man das Gut einem Wärmeaustausch unter Einsatz mindestens eines Feststoffwärmeaustauschermoduls wie vorstehend erläutert unterwirft. Dabei kann Schüttgut eingesetzt werden, welches ausgewählt ist aus der Gruppe, die gebildet wird von Saaten, Sanden und Polymerschroten oder anderen Stoffen bzw. rieselfähigen Schüttgütern, die beheizt oder gekühlt werden sollen.

[0029] Ein letzter Gegenstand der Erfindung betrifft die Verwendung eines Wärmeaustauschermoduls wie vorstehend erläutert zur Behandlung von rieselfähigem Schüttgut.

[0030] Die Erfindung wird nachfolgend an Hand von 6 Zeichnungen näher erläutert ohne sie darauf einzuschränken.

BEISPIELE

[0031 ] BEISPIEL 1

Die Vorwärmung von Rapssaat (mittlerer Durchmesser pro Partikel: ca 2 mm) wurde in einem erfindungsgemäßen Feststoffwärmeaustauscher vom Rohrbündeltyp durchgeführt, der insgesamt 5 Module enthielt und eine Höhe von 20 m aufwies. Jedes Modul enthielt 5 Bündel an Wärmeaustauscherrohren, die pro Bündel versetzt zueinander in jeweils 4 Reihen zu jeweils 20 Rohren angeordnet waren (analog Abbildungen 2 und 3). Der Durchmesser der Rohre betrug 51 mm, die Abstände Dl und D2 jeweils 43 mm. Die Rohre selbst wiesen ein rhombisches Profil auf, mit den folgenden Winkeln:

a = 80°

ß = 100°

Y = 80°

δ = 100°

Das Schüttgut wies bei der Aufgabe auf den Wärmeaustauscher eine Temperatur von 25 °C und eine Feuchte von 9 Gew.-% auf. Der Austauscher wurde mit ungereinigten Brüden (aus der Saatkonditionierung und Schrottrocknung sowie Brüdenwasser mit einer Temperatur von ca. 60 °C betrieben. Am Auslass wies das Schüttgut eine Temperatur von 50°C und eine Restfeuchte von 8 Gew. -% auf.

[0032] BEISPIEL 2

Die Vorwärmung von gebrochenen Sojabohnen (größte Länge: ca 6 mm) wurde in einem erfindungsgemäßen Feststoffwärmeaustauscher vom Rohrbündeltyp durchgeführt, der ins- gesamt 5 Module enthielt und eine Höhe von 20 m aufwies. Jedes Modul enthielt 5 Bündel an Wärmeaustauscherrohren, die pro Bündel versetzt zueinander in jeweils 4 Reihen zu jeweils 20 Rohren angeordnet waren (analog Abbildungen 2 und 3). Der Durchmesser der Rohre betrug 51 mm, die Abstände Dl und D2 jeweils 43 mm. Die Rohre selbst wiesen ein rhombisches Profil auf, mit den folgenden Winkeln:

α = 80°

ß = 100°

γ = 80°

δ = 100°

Das Schüttgut wies bei der Aufgabe auf den Wärmeaustauscher eine Temperatur von 25 °C und eine Feuchte von 8 Gew.-% auf. Der Austauscher wurde mit ungereinigten Brüden (aus der Saatkonditionierung und Schrottrocknung sowie Brüdenwasser mit einer Temperatur von ca. 100 °C betrieben. Am Auslass wies das Schüttgut eine Temperatur von 50°C und eine Restfeuchte von 7,5 Gew.-% auf. BESCHREIBUNG DER ABBILDUNGEN

Abbildung 1

Vertikaler Schnitt durch ein Wärmeaustauschermodul mit 4 Rohrgruppen. Die Flussrichtung des Schüttgutes verläuft von rechts nach links.

Abbildung 2

Horizontaler Schnitt durch ein Wärmeaustauschermodul mit 5 Rohrgruppen. Die Flussrich- tung des Schüttgutes verläuft von rechts nach links.

Abbildung 3

1 Bündel mit 4 Rohrgruppen. Dargestellt ist ferner das Profil eines Wärmeaustauscherrohres.

Abbildung 4

Detail des Verteilerkopfes Abbildung 5

Anordnung von 5 Wärmeaustauschermodulen in einem Verbund. Abbildung 6

Querschnitt einer Anordnung von 3 Wärmeaustauscherrohren in zwei benachbarten Reihen