Vorrichtung zum Wärme- und Stoffaustausch zwischen zwei oder mehr strömungsfähigen MedienDevice for heat and mass exchange between two or more flowable media
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Wärme- und Stoff- austausch zwischen zwei oder mehr stromungsfähigen Medien zum Wärmetausch oder zum Einleiten einer Reaktion zwischen den Medien mit einer Zu- und einer Ableitung für das eine und ei¬ ner Zu- und einer Ableitung für das andere Medium und minde¬ stens zwei sich umschließenden Rohren, von denen das eine an die eine und das andere an die andere Zu- und Ableitung ange¬ schlossen ist.The invention relates to a device for heat and material exchange between two or more flowable media for heat exchange or for initiating a reaction between the media with an inlet and an outlet for one and an inlet and an outlet for the other Medium and at least two surrounding tubes, one of which is connected to one and the other to the other inlet and outlet.
Wärmetauscher sind in zahlreichen Ausführungsfor en bekannt. Bei einer Ausführungsform sind zwei Rohre konzentrisch zuein¬ ander 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 bekann¬ ten Wärmeaustauschern einen hohen Aufwand. Insbesondere ist dabei an die auf die Stirnseiten der Rohre aufgesetzten Flan¬ sche zu denken. Der Aufwand steigt, wenn die durch den Wärme¬ tauscher durchgeführten Medien unter einem hohen Druck ste¬ hen, hohe Temperaturen aufweisen oder die Drücke und Tempe¬ raturen der beiden Medien stark, voneinander abweichen*'.Heat exchangers are known in numerous designs. In one embodiment, two tubes are arranged concentrically to one another. The cooling or heating medium is passed through the annular space between the two pipes. The medium with a higher pressure is passed through the inner tube. In some cases the inner tube is also provided with longitudinal ribs. The mutual sealing of the spaces enclosed by the two tubes requires a great deal of effort in the known heat exchangers. In particular, one should think of the flanges placed on the end faces of the tubes. The effort increases if the media passed through the heat exchanger are under a high pressure, have high temperatures or the pressures and temperatures of the two media differ greatly from one another * '.
Hiervon ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Wärmetauscher oder allgemein eine Vorrichtung der ein¬ gangs 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 Me¬ dien nicht nur getrennt voneinander durchgeführt, sondern in der sie auch miteinander reagieren können.Proceeding from this, the object of the invention is to design a heat exchanger or generally a device of the type mentioned at the outset in such a way that the spaces through which the various media are carried out can be easily sealed off from one another. In particular, should a device is also created by means of which the media are not only carried out separately from one another, but in which they can also react with one another.
Ausgehend von einer Vorrichtung der eingangs genannten Gat¬ tung ergibt sich die Lösung für diese Aufgabe nach der Er¬ findung 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 ent¬ sprechend den Rohrdurchmessern in den Zu- und Ableitungen vorgesehen und die Rohre damit mit den Zu- und Ableitungen verbunden sind und sämtliche Durchführungs- und Verbindungs¬ stellen verschlossen sind.Starting from a device of the type mentioned at the outset, the solution to this problem according to the invention results from the fact that the inner tube is passed with its two ends through the outer tube and its ends protrude beyond it, the feed and Discharges run at a substantially right angle to the pipes, a pair of supply and discharge lines are placed on the ends of the inner pipe and a pair of supply and discharge lines are placed on the ends of the outer pipe, openings at the mounting points corresponding to the pipe diameters in the supply and discharge lines are provided and the pipes are connected to the supply and discharge lines and all lead-through and connection points are closed.
Wie bekannt läuft bei dieser Konstruktion das innere durch das äußere Rohr durch. Dabei tritt es durch die auf das äu¬ ßere Rohr aufgesetzten Zu- und Ableitungen durch. Nur an diesen Durchtritts- oder Durchführungsstellen müssen die von den beiden Rohren umschlossenen Räume gegeneinander abgedich¬ tet 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 Fläch , 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 wer¬ den können. Die Vorrichtungen können auch horizontal, verti¬ kal oder auch in Schräglage angeordnet werden.
Überraschenderweise hat sich gezeigt, daß die erfindungsge¬ mäße Vorrichtung nicht nur zum Wärme-, sondern auch zum Stoffaustausch zwischen zwei oder mehr Medien verwendet werden kann.As is known, the inner tube runs through the outer tube in this construction. It passes through the supply and discharge lines placed on the outer pipe. The spaces enclosed by the two pipes only have to be sealed off from one another at these passage or passage points. This is simple and can generally be done by welding. The invention has the further advantage that the device has a simple geometric shape and has only a small space requirement with respect to the area over which the spaces enclosed by the two tubes are in contact with one another. This enables the tubes arranged in the manner according to the invention to be arranged next to one another in a manner yet to be explained with the formation of registers and to be connected to one another in a variety of ways and in series. The devices can also be arranged horizontally, vertically or also in an inclined position. Surprisingly, it has been shown that the device according to the invention can be used not only for heat exchange, but also for mass transfer between two or more media.
Bei einer ersten Betrachtung ergeben sich zehn verschiedene Einsatzgebiete:At first glance, there are ten different areas of application:
Gruppe 1 Doppelrohr-Wärmeaustauscher; Rippenrohr-Wärmeaus¬ tauscher; Drei- und Mehrfach-Wärmeaustauscher; Platten-Wärmeaustauscher.Group 1 double tube heat exchanger; Finned tube heat exchanger; Triple and multiple heat exchangers; Plate heat exchangers.
Gruppe 2: Abgaskühler; Luftkühler; Querrohrkühler; Würz¬ kühlapparate; Kondensatoren; Rückflußkondensato¬ ren.Group 2: exhaust gas coolers; Air cooler; Cross tube cooler; Würz¬ cooling apparatus; Capacitors; Reflux condensers.
Gruppe 3: Verdampfer; Steilrohrverdampfer; Mehrstufenver- dampfer; Fallfilmverdampfer; Verdampfer für emp¬ findliche Güter; Niederdruck-Dampferzeuger.Group 3: evaporators; Steep tube evaporator; Multi-stage evaporator; Falling film evaporator; Evaporators for sensitive goods; Low pressure steam generator.
Gruppe 4: Apparate für: Extraktion, Destillation, Rektifi¬ kation, Entgasung.Group 4: Apparatus for: extraction, distillation, rectification, degassing.
Gruppe 5 Eindicker; Vorkonzentratoren; Sterilisatoren.Group 5 thickeners; Preconcentrators; Sterilizers.
Gruppe 6 Wärmerückgewinnung; Lösend.ttelrückgewinnung.Group 6 heat recovery; Solvent recovery.
Gruppe 7 Kerzenfilter; Ultrafiltration; Füllkörperkolon¬ nen; Katalysereaktoren; Ionenaustauscher; Nieder¬ druck-Kontaktöfen; Desodorierer.Group 7 candle filters; Ultrafiltration; Packed columns; Catalytic reactors; Ion exchanger; Low-pressure contact furnaces; Deodoriser.
Gruppe 8: Chloratelektrolyse; Perchloratelektrolyse; Gas¬ trennung; Thermodiffusion; Fremdgasdiffusion; Isotopenanreicherung.Group 8: chlorate electrolysis; Perchlorate electrolysis; Gas separation; Thermal diffusion; Foreign gas diffusion; Isotope enrichment.
Gruppe 9: Luftzerlegung; Seewasserentsalzung. Gruppe 1O: Brennstoffzellen; Differenzdruckelektrolyse; Bio¬ reaktoren.Group 9: air separation; Desalination. Group 10: fuel cells; Differential pressure electrolysis; Bio-reactors.
Am Beispiel der in der Zeichnung schematisch dargestellten Ausführungsformen wird die Erfindung nun weiter beschrieben. In der Zeichnung ist:The invention is now further described using the example of the embodiments shown schematically in the drawing. In the drawing is:
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. 1 shows the basic form of the invention Device with an inner and an outer tube and the feed and discharge lines connected to them,
Fig. 2 die Darstellung von Querschnitten mit unterschiedli¬ chen Arten der Ausbildung der Rohre und der Anord¬ nung von Rippen zum Erhöhen des Wärmeaustauschs,2 shows cross sections with different types of tube design and arrangement of fins to increase heat exchange,
Fig. 3 die Aufsicht auf mehrere nebeneinander angeordnete und ein Register bildende innere und äußere Rohre, wobei dieses Register zusammen mit anderen einen Block bildet,3 shows the top view of a plurality of inner and outer tubes arranged next to one another and forming a register, this register forming a block together with others,
Fig. 4 eine Ansicht entlang der Schnittlinie 4 - 4 in Fig.4 shows a view along the section line 4 - 4 in FIG.
3 und teilweise in anderem Maßstab von mehreren durch Parallelverbindung zu einem Block zusammengefaßten Registern,3 and partly on a different scale of several registers combined by a parallel connection to form a block,
Fig. 5 eine andere Darstellung von mehreren zu einem Block zusammengefaßten Registern,5 shows another representation of several registers combined to form a block,
Fig. 6 die Darstellung von mehreren in Reihe miteinander verbundenen Registern,6 shows the representation of several registers connected in series,
Fig. 7 eine Darstellung ähnlich Fig. 1 von mehr als zwei in¬ einanderliegenden und einen Mehrfach-Wärmeaustauscher bildenden Rohren,7 shows a representation similar to FIG. 1 of more than two tubes lying one inside the other and forming a multiple heat exchanger,
Fig. 8 eine Teilansicht von zwei ineinanderliegenden und ei¬ nen Fallfilmverdampfer bildenden Rohren,8 shows a partial view of two tubes lying one inside the other and forming a falling film evaporator,
'Fig. 9 die Darstellung eines Fallfilmverdampfers mit Kühlung, 'Fig. 9, the representation of a falling-film evaporator with cooling,
Fig.10 die Darstellung eines Verdampfers mit Rücklauf,10 the representation of an evaporator with return,
Fig.11 eine Ansicht, teilweise im Schnitt, einer Elektroly¬ se-Zelle,
Fig.12 ein Schnitt entlang der Schnittlinie 12 - 12 in Fig. 11 durch drei filterpressenartig angeordnete Regi¬ ster,11 shows a view, partly in section, of an electrolysis cell, 12 shows a section along the section line 12-12 in FIG. 11 through three registers arranged in the manner of a filter press,
Fig.13 ein Teilschnitt durch einen Rahmen unter besonderer Darstellung einer die Rohre gegeneinander isolieren¬ den Manschette,13 shows a partial section through a frame with a special representation of a sleeve isolating the tubes from one another,
Fig.14 ein Teilschnitt durch eine Elektrolysezelle,14 shows a partial section through an electrolysis cell,
Fig.15 eine Darstellung, teilweise im Schnitt, einer für die Wasserelektrolyse verwendbaren Ξlektrolysezelle,15 shows a representation, partly in section, of an electrolysis cell that can be used for water electrolysis,
Fig.16 eine Darstellung der Grund-Ausführungsform nach Fig. 1 , wobei das innere und das äußere Rohr durch Plat¬ ten gebildet werden -16 shows a representation of the basic embodiment according to FIG. 1, the inner and the outer tube being formed by plates.
Fig.17 die Darstellung einer Hintereinanderschaltung von mehreren einzelnen Registern,17 shows a series connection of several individual registers,
Fig.18 die Darstellung der Vorrichtung bei Verwendung als Reaktor,18 the representation of the device when used as a reactor,
Fig.19 eine Teilansicht der Vorrichtung nach Fig. 18 in ver¬ größertem Maßstab,19 shows a partial view of the device according to FIG. 18 on an enlarged scale,
Fig.20 eine Teil-Darstellung von drei ineinanderliegenden Rohren zur Verwendung als Kerzenfilter,20 shows a partial representation of three tubes lying one inside the other for use as candle filters,
Fig.21 die Darstellung, teilweise im Schnitt, von mehreren ineinanderliegenden Rohren zur Verwendung als Kata¬ lyse-Reaktor und21 shows the representation, partly in section, of a plurality of tubes lying one inside the other for use as a catalytic reactor and
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 Ab¬ leitungen 34 und 36 verlaufen im allgemeinen unter 90° zu dem inneren und dem äußeren Rohr 30 und 32. Sie können je¬ doch 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 aufzuschweißen. Das innere Rohr 30 ist durch Öffnungen 40 der Zu- und Ableitun¬ gen 36 durchgeführt. Auch diese Durchführungsstellen müssen abgedichtet werden. Auch hier reichen Schweißnähte im all¬ gemeinen aus. Fig. 1 zeigt, daß die Grundform der Vorrich¬ tung geometrisch einfach und sogar rotationssymmetrisch ist und wenig Platz beansprucht. Dies ermöglicht den im folgen¬ den beschriebenen Zusammenbau zu Registern und Blöcken.22 shows the representation of tubes lying one inside the other when used as a bioreactor. 1 shows the principle of the device with the inner tube 30 and the outer tube 32 concentrically surrounding it. The inner tube 30 projects beyond the outer tube 32. With its two ends, it is connected to supply or discharge lines 34. The two ends of the outer tube 32 are connected to supply or discharge lines 36. These supply and discharge lines 34 and 36 generally run at 90 ° to the inner and outer tubes 30 and 32. However, they can also include other angles with them. The supply and discharge lines 36 are placed on the outer tube 32 at points 38. These attachment points 38 must be sealed. In general, it is sufficient to weld the supply and discharge lines 36 onto the ends of the outer tube 32. The inner tube 30 is passed through openings 40 in the feed and discharge lines 36. These implementation points must also be sealed. Here too, weld seams are generally sufficient. 1 shows that the basic shape of the device is geometrically simple and even rotationally symmetrical and takes up little space. This enables the assembly into registers and blocks described below.
Fig. 2 zeigt verschiedene Ausgestaltungen der beiden Rohre, insbesondere bei Verwendung in einem Wärmetauscher. Im all¬ gemeinen sind die beiden Rohre 30 und 32 massiv bzw. undurch¬ lässig. 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 Vor¬ richtung mit im Querstrom zugeführter Luft gekühlt werden, falls sie zu exothermen Reaktionen eingesetzt wird. Bei die¬ ser Ausführungsform weist das innere Rohr 30 zusätzlich noch Längsrippen 42 auf. Fig. 2 zeigt weiter noch eine Ausfüh-
rungsform, bei der lediglich das äußere Rohr 32 spiralförmi¬ ge 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. Da¬ bei kann in das innere Rohr 30 oder den Zwischenraum zwi¬ schen dem inneren Rohr 30 und dem äußeren Rohr 32 zusätz¬ lich ein kühlendes Medium eingeleitet werden. Bei Hinter¬ einanderschaltung 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 an¬ schließend 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 fil¬ trierende Medium wird entweder durch das innere oder durch das äußere Rohr eingeleitet. Bei dieser Filtration kann das äußere Rohr 32 zusätzlich beheizt oder gekühlt werden. Die Vorrichtung wirkt dann sowohl als Filter als auch gleichzei¬ tig als Wärmetauscher. Erwähnt sei noch, daß die beiden Me¬ dien die beiden Rohre 30 und 32 sowohl in gleicher als auch in entgegengesetzter Richtung durchströmen können. Bei An¬ ordnung der beiden Rohre in einem Gehäuse kann noch ein drittes Medium am Wärmeaustausch teilnehmen. Dies kann im Gleich-, Gegen- oder Kreuzstrom eingeleitet werden.Fig. 2 shows different configurations of the two tubes, particularly when used in a heat exchanger. In general, the two tubes 30 and 32 are solid or impermeable. However, Fig. 2 also shows an embodiment in which the inner tube 30 is porous. Such a tube is used for mass transfer, in carrying out reactions, for electrolysis and the like. 2 further shows the arrangement of longitudinal ribs 42 on the inner tube 30. This improves the heat transfer. FIG. 2 further shows the arrangement of spiral ribs 44 on the outer tube 32. Via these ribs 44, the entire device can be cooled with air supplied in cross flow if it is used for exothermic reactions. In this embodiment, the inner tube 30 additionally has longitudinal ribs 42. 2 further shows an embodiment. Form in which only the outer tube 32 has spiral ribs 44. When using these embodiments, which are shown schematically in FIG. 2, for heat exchange, the medium to be cooled can optionally be passed through the inner tube 30 or through the outer tube 32. A cooling medium can additionally be introduced into the inner tube 30 or the intermediate space between the inner tube 30 and the outer tube 32. If several devices according to FIG. 1 are connected in series, cooling can also be carried out in countercurrent. For this purpose, the medium to be cooled is first passed through the inner tube 30 and then through the annular space between the two tubes or vice versa. This is recommended if the medium to be cooled should only be cooled slowly for chemical or procedural reasons. The same applies if the medium is to be heated up slowly. The embodiment shown in FIG. 2 with a porous inner tube is used, for example, as a candle filter. The medium to be filtered is introduced either through the inner or through the outer tube. In this filtration, the outer tube 32 can be additionally heated or cooled. The device then acts both as a filter and at the same time as a heat exchanger. It should also be mentioned that the two media can flow through the two tubes 30 and 32 both in the same direction and in the opposite direction. If the two tubes are arranged in a housing, a third medium can also participate in the heat exchange. This can be initiated in cocurrent, countercurrent or crossflow.
Fig. 3 zeigt ein sich aus mehreren Ausführungsformen nach Fig. 1 zusammensetzendes Register. Mehrere innere und äuße¬ re 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 ne¬ beneinander 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 Serien¬ schaltung 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 ge¬ schaltet werden, daß die an einem Wärmetausch beteiligten Medien im Gleich- oder Gegenstrom zueinander fließen. Die Anzahl der in einem Register vorhandenen Rohre, ihr Durch¬ messer und die Anzahl der in Serie geschalteten Register wer¬ den je nach dem Einsatz festgelegt.FIG. 3 shows a register composed of several embodiments according to FIG. 1. A plurality of inner and outer pipes 30 and 32 are jointly connected to supply and discharge lines 34 and 36. These lead to collecting lines 46 and 48. These run perpendicular to the plane of the drawing. A plurality of registers of the type shown in FIG. 3 can be arranged in series and on the same bus lines 46 and 48 be connected. This will be explained in the following. Fig. 5 shows such a block. Several registers are arranged next to each other and connected together to collecting lines 46 and 48. This results in blocks of any size. These can be arranged lying in two axes and standing in one axis. 6 shows the series connection of several registers. In the upper half of the figure, a cross section through the upper and in the lower half a cross section through the lower supply and discharge lines is shown. The individual registers are connected by elbows 50. The two sides or ends of heat exchangers assembled in this way can optionally be switched so that the media involved in a heat exchange flow in cocurrent or countercurrent to one another. The number of pipes present in a register, their diameter and the number of registers connected in series are determined depending on the application.
Fig. 7 zeigt eine Ausführungsform mit mehr als zwei konzen¬ trisch 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 Mehr¬ fach-Wärmeaustauscher können vier gleiche oder auch verschie¬ dene Medien gleichzeitig am Wärmeaustausch teilnehmen. Die¬ ser Wärmetauscher wird auch zum langsamen Erwärmen oder Ab¬ kühlen von empfindlichen Medien eingesetzt. Hierzu werden die Zu- und Ableitungen 34, 36 und 54 außerhalb des Regi¬ sters 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.7 shows an embodiment with more than two tubes arranged concentrically around one another. A further tube 52 with an additional feed and discharge line 54 is additionally arranged in the inner tube 30. The outer tube 32 is surrounded by an additional further tube 52 with an additional further inlet and outlet 54. With this multiple heat exchanger, four identical or different media can participate in the heat exchange at the same time. This heat exchanger is also used for slow heating or cooling of sensitive media. For this purpose, the supply and discharge lines 34, 36 and 54 are interconnected outside the register in such a way that the media flow through the pipes or registers either in cocurrent or in countercurrent. The registers can also be interconnected so that the spaces between the individual tubes are flowed through from the inside to the outside or vice versa.
Fig. 8 zeigt eine Ausführungsform zur Anwendung als Fallfilm-
Verdampfer. 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 Innen¬ wand herab. Dabei entsteht ein Fallfilm. Dieser kann durch ein durch das äußere Rohr 32 durchgeleitetes Heizmedium be¬ heizt werden. Die Brüden sammeln sich im oberen Teil der Zu- und Ableitung 34. Sie können einem Register, das als Kondensator arbeitet, zugeführt werden.8 shows an embodiment for use as falling film Evaporator. The inner tube 30 is a bit into the inlet and outlet 34. Strictly speaking, it is up to the level of the medium to be evaporated. The upper end of the inner tube 30 can be equipped with liquid distributors. The supplied to be evaporated and in the lower part of the inlet and outlet 34 medium passes over the upper edge of 'the inner tube 30 via and on the inside wall of down. This creates a falling film. This can be heated by a heating medium passed through the outer tube 32. The vapors collect in the upper part of the feed and discharge line 34. They can be fed to a register that works as a capacitor.
Fig. 9 zeigt einen Fallfilmverdampfer mit Kühlung. Im Ver¬ gleich 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 Sie¬ depunkt werden im Dampfraum 56 des inneren Rohres 30 zur Kondensation gebracht und laufen ah der Außenwand des wei¬ teren Rohres 52 nach unten zurück. Dieser Fallfilmverdamp¬ fer mit Kühlung ermöglicht verschiedene Möglichkeiten zum Durchführen von bestimmten chemischen Reaktionen, Verdamp- fungs- oder Destillationsprozessen*.Fig. 9 shows a falling film evaporator with cooling. In comparison to FIG. 8, a further additional tube 52 is passed through the inner tube 30. Its upper end opens into an inlet and outlet 54. As with the falling film evaporator according to FIG. 8, a heating medium can be passed through the outer tube 32. In addition, a cooling medium is passed through the further tube 52. This allows a mixture of substances to be evaporated. Components with a higher boiling point are condensed in the vapor space 56 of the inner tube 30 and run back down the outer wall of the further tube 52. This falling film evaporator with cooling enables various options for carrying out certain chemical reactions, evaporation or distillation processes *.
Fig. 10 zeigt einen Verdampfer mit Rücklauf. Ein Heizmedium wird durch das weitere Rohr 52 durchgeleitet. Das zu ver¬ dampfende 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 Ausfüh¬ rungsform. Hierzu werden die bereits beschriebenen Regi¬ ster rahmenförmig nach der Art von Filterpressenrahmen mit Kunststoff ausgegossen bzw. in einen Kunststoff-Rahmen 60 eingesetzt. In diesen Rahmen 60 sind die Zu- und Ableitun¬ gen 34 und 36 eingeformt, über diese wird der Elektrolyt zu- und abgeführt. Die inneren und äußeren Rohre 30 und 32 wirken als Kathode und Anode. Dabei können entweder die Au¬ ßenwände der inneren Rohre 30 oder die Innenwände der äuße¬ ren 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 filterpressenartig angeordnete Rahmen. Die einzelnen Rahmen oder Register sind durch End¬ wände 66 voneinander getrennt. Dadurch ergibt sich eine Rei¬ henschaltung der einzelnen Register. Ohne die Endwände 66 sind die einzelnen Register bzw. Elektrolysezellen parallel geschaltet. Diese Schaltung betrifft nur Elektrolyt- und Kühlmittelkreisläufe. Wahlweise kann der Elektrolyt in Rei¬ he und das Kühlmittel parallel eingeführt werden oder umge¬ kehrt. Diese Schaltungsart ist für Elektrolyseprozesse, bei denen ein Produkt angereichert wird, von Bedeutung.Fig. 10 shows an evaporator with return. A heating medium is passed through the further tube 52. The medium to be evaporated is fed through the inner tube 30. This has openings 58. So that the thick liquor overflows into the outer tube 32. The vapors collect in the supply and discharge lines 36 and can be withdrawn from the side of the registers or fed to another register working as a capacitor. 11 shows an embodiment working as an electrolysis cell. For this purpose, the registers already described are cast in the form of a frame in the manner of filter press frames with plastic or inserted into a plastic frame 60. The supply and discharge lines 34 and 36 are molded into this frame 60, and the electrolyte is supplied and discharged via these. The inner and outer tubes 30 and 32 act as cathode and anode. Either the outer walls of the inner tubes 30 or the inner walls of the outer tubes 32 can be coated with a catalyst, and a coolant is fed in via the manifolds 46. The electrolyte is supplied via the collecting lines 48. The electrodes are shown at 62 and 64. Fig. 12 shows a section through three frames arranged like a filter press. The individual frames or registers are separated from one another by end walls 66. This results in a series connection of the individual registers. Without the end walls 66, the individual registers or electrolysis cells are connected in parallel. This circuit only affects electrolyte and coolant circuits. Alternatively, the electrolyte can be introduced in series and the coolant can be introduced in parallel or vice versa. This type of circuit is important for electrolysis processes in which a product is enriched.
Fig. 13 zeigt, wie die beiden die Elektroden bildenden Rohre 30 und 32 gegeneinander isoliert sind. Hierzu umschließt ei¬ ne 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 Ableitun¬ gen 34 und 36 sind in einen Kunststoff-Rahmen 70 eingeschlos¬ sen.13 shows how the two tubes 30 and 32 forming the electrodes are insulated from one another. For this purpose, a sleeve 68 consisting of an insulating material encloses the inner tube. 30. It insulates it from the inlet and outlet line 36 and the outer tube 32. The inlet and outlet lines 34 and 36 are enclosed in a plastic frame 70.
Fig. 14 zeigt die Anwendung der Erfindung als elektrochemi¬ sches 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
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 Brenn¬ stoff wird in die inneren Rohre 30 eingeleitet und fließt über die eingezeichnete Zu- bzw. Ableitung 34 ab. Die Roh¬ re 30 und 32 sind über die Manschetten 68 gegeneinander isoliert. Die Spannung wird an den Elektroden 62 und 64 ab¬ gegriffen. Sie sind unmittelbar an die Zu- und Ableitungen 34 und 36 angeschlossen.14 shows the application of the invention as an electrochemical fuel element. The inner and outer tubes 30 and 32 are porous over part of their length. Inner tube 30 forms the anode and outer tube 32 the cathode, via the space surrounding the outer tubes 32, oxygen or air is supplied. The electrolyte is supplied via the feed or discharge line 36. The fuel is introduced into the inner tubes 30 and flows out via the inlet or outlet line 34 shown. The tubes 30 and 32 are insulated from one another via the sleeves 68. The voltage is tapped off at electrodes 62 and 64. They are directly connected to the feed and discharge lines 34 and 36.
Fig. 15 zeigt eine weitere Ausführungsform einer Elektroly¬ sezelle. Im gezeigten Beispiel dient diese zur Wasserelek¬ trolyse. Die beiden Rohre 30 und 32 bilden die Elektroden, und eine besteht aus einem porösen Werkstoff. An der Man¬ schette 68 ist ein nach unten ragender Mantel 74 befestigt. Er taucht in den Elektrolyt ein und verhindert eine Vermi¬ schung der Elektrolysegase. Es sei nun angenommen, daß das innere Rohr 30 die Anode und das äußere Rohr 32 die Katho¬ de bildet. Der Elektrolyt wird in den Zwischenraum zwischen den beiden Rohren 30 und 32 von unten eingeleitet. Er sam¬ melt sich in der eingezeichneten Ableitung 36. Katholyt und Wasserstoff werden außerhalb der Elektrolysezelle getrennt. Im inneren Rohr 30 wird ein niedrigerer Druck als im äuße¬ ren Rohr 32 aufrecht erhalten. Der Druckunterschied soll dabei über dem durch das innere Rohr 30 entstehenden Druck¬ verlust sein. Damit kann der an der Anode entstehende Sauer¬ stoff durch das poröse innere Rohr 30 durchtreten und über die eingezeichnete Ableitung 34 abgeleitet werden. Gleich¬ zeitig 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.15 shows a further embodiment of an electrolysis cell. In the example shown, this is used for water electrolysis. The two tubes 30 and 32 form the electrodes, and one is made of a porous material. A jacket 74 projecting downward is fastened to the cuff 68. It dips into the electrolyte and prevents the electrolysis gases from mixing. It is now assumed that the inner tube 30 forms the anode and the outer tube 32 the cathode. The electrolyte is introduced into the space between the two tubes 30 and 32 from below. It collects in the line 36 shown. Catholyte and hydrogen are separated outside the electrolysis cell. A lower pressure is maintained in the inner tube 30 than in the outer tube 32. The pressure difference should be above the pressure loss created by the inner tube 30. In this way, the oxygen produced at the anode can pass through the porous inner tube 30 and be discharged via the drawn-in line 34. At the same time, the anolyte can pass through the porous inner tube 30 and flow downwards. The jacket 74 is immersed in the electrolyte and prevents the gases generated during the electrolysis from mixing.
Fig. 16 zeigt eine Abwandlung der in Fig. 1 gezeigten Grund¬ form der Erfindung. Die beiden Rohre 30 und 32 haben nicht mehr kreisrunden Querschnitt, sondern werden durch Platten
76 und 78 gebildet. Bei Verwendung als Wärmetauscher erge¬ ben sich dadurch größere Wärmeübertragungsflachen.FIG. 16 shows a modification of the basic form of the invention shown in FIG. 1. The two pipes 30 and 32 no longer have a circular cross section, but are instead made of plates 76 and 78 formed. When used as a heat exchanger, this results in larger heat transfer areas.
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 Ab¬ leitungen 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 Regi¬ ster in Reihe gelegt und von den am Wärmeaustausch beteilig¬ ten Medien im Gegenstrom durchflössen werden. Dies wird durch die Pfeile angezeigt.17 shows an embodiment in which several registers are connected in series with simple means. For this purpose, any number of inner and outer "tubes are first arranged side by side and on their inflow and Ab¬ lines 34 and 36 connected together. This creates a single large register. The supply line 34 for the inner tubes 30, which is at the bottom in FIG. 17, is now interrupted at one point. At the same point, the derivation 36 at the top in FIG. 17 for the outer tubes 32 is interrupted. The result of this is that the individual registers are placed in series and the media involved in the heat exchange flow through them in countercurrent. This is indicated by the arrows.
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 ge¬ füllt. 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 ei¬ nem Ionenaustauscher oder Füllkörpern gefüllt sein. Damit kann die Vorrichtung die Funktionen eines Reaktors für kata- lytische Prozesse, die Funktion eines Ionenaustauschers oder einer Füllkörpersäule übernehmen. Dabei bleibt es der jewei¬ ligen 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 Füllmas¬ se 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 herausge¬ nommen werden. Bei einer geeigneten Schaltung der Zu- und Ableitungen 34 kann die Füllmasse 82 rückgespült werden.FIGS. 18 and 19 show an embodiment which is used as a reactor for carrying out chemical processes. The inner tube 30 is filled with a fixed bed catalyst 82. This is held by a perforated support 80, which is arranged in the lower inlet and outlet 34. Instead of the fixed bed catalyst, the inner tube 30 can also be filled with an ion exchanger or packing. The device can thus take over the functions of a reactor for catalytic processes, the function of an ion exchanger or a packed column. It is left to the respective reaction up to which height the inner tube 30 is filled. A heating or cooling medium can be passed through the outer tube 32 to support the reactions. The outer tube 32 can, as indicated in FIG. 18, enclose the inner tube only over a part of its length. As stated, the filling mass 82 of the inner tube 30 is held by the support 80. The filling compound 82 is entered through an opening in the upper inlet and outlet 34 and can through an opening in the lower feed and discharge line 34 can be taken out according to consumption. With a suitable connection of the supply and discharge lines 34, the filling compound 82 can be backwashed.
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 unte¬ ren Zu- und Ableitung 34 verbunden. Durch die obere Zu- und Ableitung 34 ist es vollständig durchgeführt, über einen Flansch 86 ist es mit der Außenwelt verbunden. Bei Einlei¬ tung des zu filtrierenden Mediums in die untere Zu- und Ab¬ leitung 34 strömt dieses über den Flansch 84 in den Innen¬ raum des inneren Rohres 30 ein. Bei Einleitung des zu fil¬ trierenden Mediums in die obere Zu- und Ableitung 34 strömt es in das äußere Rohr 32 ein und durchläuft das poröse in¬ nere 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 durchge¬ führt werden. Bei Stoffen, deren Viskosität mit steigender Temperatur abnimmt, wird beheizt. Dadurch wird die Filtra¬ tion 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 Aus¬ tausch des porös ausgebildeten inneren Rohres 30 gegen eine auf ein Stützrohr aufgelegte Membrane kann die Vorrichtung auch zur Ultrafiltration eingesetzt werden.20 shows an embodiment acting as a filter. The inner tube 30 is porous and forms a candle filter. It is interchangeable and accessible from the outside. The inner tube 30 is connected to the upper side of the lower inlet and outlet line 34 via a flange 84. It is completely passed through the upper inlet and outlet line 34, and is connected to the outside world via a flange 86. When the medium to be filtered is introduced into the lower inlet and outlet line 34, it flows through the flange 84 into the interior of the inner tube 30. When the medium to be filtered is introduced into the upper inlet and outlet line 34, it flows into the outer tube 32 and then passes through the porous inner tube 30 from the outside inwards. This results in filtration from the inside out or vice versa. A cooling or heating medium can be passed through the further pipe 52. Heating is used for substances whose viscosity decreases with increasing temperature. Filtration is thereby facilitated. The device thus acts simultaneously as a filter and heat exchanger. With a suitable connection of the supply and discharge lines 34, the filter, that is to say the porous inner tube 30, can be backwashed. When the porous inner tube 30 is replaced by a membrane placed on a support tube, the device can also be used for ultrafiltration.
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 gas¬ förmiger 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 durchgelei¬ tet. Die Länge und der Durchmesser des inneren und des äuße¬ ren Rohres 30 und 32 richten sich nach der Reaktion. Hiervon hängt auch die Zahl der zu einem Register zusammengeschlos¬ senen Rohre ab.21 shows an embodiment designed in particular for catalytic reactions. The inner tube 30 is filled with catalyst mass 82. This is held by the support 80. A liquid reactant is entered from above through the upper inlet and outlet 34. A gaseous reactant is introduced into the lower inlet and outlet line 34 via a nozzle 88. Through the outside A cooling or heating medium is passed through tube 32. The length and the diameter of the inner and outer tubes 30 and 32 depend on the reaction. The number of pipes connected to a register also depends on this.
Fig. 22 zeigt eine für biologische Prozesse einsetzbare Aus¬ führungsform. 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 inne¬ ren 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 Ästen 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 Auf¬ trieb 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 zusammenge¬ schlossen werden. Eine solche Anordnung erlaubt eine konti¬ nuierliche Prozeßführung. Am Ende eines Registers kann dann ein hochkonzentriertes Produkt abgenommen werden. Durch die äußeren Rohre 32 wird ein Kühl- oder Heizmedium durchgelei¬ tet. Bei exothermen Prozessen wird ein Kühlmedium durchge¬ leitet. 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. Ei¬ ne besondere Anwendung findet diese Ausführungsform bei der synthetischen Herstellung von Fettsäuren, beispielsweise für die kontinuierliche Oxidation von Paraffinen. Hierbei kann das erste Register durch überhöhte Temperaturen (Temperatur-
schock) die Reaktion einleiten. Die weiteren Register kön¬ nen dann mit niedrigeren Temperaturen betrieben werden. Die Anlage läßt sich auch für die Halogenierung von Stoffen verwenden. Ebenso kann sie zur kontinuierlichen Desodorie- rung, beispielsweise von Fetten und ölen, eingesetzt werden,
22 shows an embodiment that can be used for biological processes. This includes the biological purification of waste water, the oxidation of liquid substances, fumigation processes of all kinds and the production of single-cell proteins. The special feature of this embodiment is that the inner tubes 30 do not end in a lower inlet and outlet, but are bent in a hairpin shape to form arches 90 and are passed through the lower inlet and outlet 36 of the outer tubes 32. Nozzles 88 are arranged in the ascending branches of the arches 90. The medium to be gassed is introduced through the upper inlet and outlet 34 of the inner tubes 30. It flows down in the direction of the arrow. The gas introduced through the nozzles 88 gives it buoyancy and flows upwards in the direction of the arrow. Air, oxygen or another gaseous reactant, for example, is introduced through the nozzles 88. Several of the tubes shown in FIG. 22 can be combined to form a register. Such an arrangement allows continuous process control. A highly concentrated product can then be removed at the end of a register. A cooling or heating medium is passed through the outer tubes 32. A cooling medium is passed through in exothermic processes. In the case of endothermic processes or in the oxidation of substances which have a high viscosity at normal temperature and a viscosity which decreases with increasing temperature, a heating medium is passed through the outer tubes 32. This embodiment finds particular application in the synthetic production of fatty acids, for example for the continuous oxidation of paraffins. Here, the first register can be affected by excessive temperatures (temperature shock) initiate the reaction. The further registers can then be operated at lower temperatures. The system can also be used for halogenating substances. It can also be used for continuous deodorization, for example of fats and oils,