CS205060B2 - Method of and apparatus for cooling splitting gases - Google Patents

Description

Vynález se týká způsobu výměny tepla, zvláště ke chlazení štěpných plynů, přičemž proudící médium k výměně tepla přenáší své teplo na jiné ' proudící médium k výměně tepla prostřednictvím pomocného média.

Takový proces výměny tepla se . již delší dobu používá u tepelných výměníků pro jaderné . elektrárny (viz Liquid-Metals Handbook, Sodium Na-K Supplement, Atomic Energy Commission-Department of the Navy, Washington, D. C. z 1. 7. 1955). Výměna tepla se zde děje mezi kapalným Na a NaK, popřípadě mezi NaK a ' vodou prostřednictvím pomocného média kapalného kovu, přičemž jako pomocné médium je používána rtuť. Rtuť má vedle své funkce jako médium pro přenos tepla úkol chránit personál' obsluhy před nebezpečím, které může vzniknout při průniku média v trubkách tepelného výměníku, pokud by zde přišla obě média k výměně tepla do. přímého . styku. Aby byl tento úkol splněn, je u známých tepelných výměníků nutné udržovat pracovní náplň pomocného média trvale na maximálním plnicím stavu, aby nikdy nemohlo dojít k přímému styku mezi médii pro tepelnou výměnu.

Tento proces známý z jaderné techniky však neposkytuje možnost regulovat teplosměnný výkon aparátu. Proto je pro ostat2 ní pročosy tepelné výměny, 'zvláště k chlazení horkých štěpných plynů nevhodný.

Štěpné plyny se vyrábějí známým způsobem termickým . štěpením. uhlovodíků v přítomnosti inertního plynu (vodní páry, kysličníku . uhličitého ' atd.), hydropyrolýzou s výhodou těžších uhlovodíků' v přítomnosti vodíku, který se na reakci podílí nebo ' také katalytickým štěpením a je potřeba je' po. provedené reakci ochladit. Přitom dochází na' horkých plochách tepelného výměníku k více nebo méně intenzívní tvorbě ropného koksu, což způsobuje nutnost aparát čas od času dekarbonizovat.

Sklon štěpných plynů k tvorbě ropného koksu ' a tím i interval nutného procesu deka-rbonizace ' přitom závisí na použitém výchozím· produktu (nafta, plynový olej). Protože známé procesy tepelné výměny neumožňují regulaci výkonu výměny tepla, nebylo' při použití těchto' procesů ke chlazení ' štěpných plynů možné optimalizovat dobu ' provozu aparátu' mezi požadovanými postupy dekarbonizace v závislosti na zpracovávaném produktu.

Z' toho vyplývá, že v tomto případě použití' není' možné provádět dekarbonizaci tepelných výměníků tzv. procesem „on-line-decoking“ bez předchozího vypuštění chladicí vody. Dekarbonizace procesem „on-li205060 ne-decorking“ se provádí známým způsobem spálením, popřípadě zplyněním koksu se směsí vzduch — vodní pára nebo také pouze vodní parou při vysoké teplotě, přičemž dochází ke zplynění, popřípadě spálení ropného koksu usazeného na vyhřívaných plochách. Procesem „on-line-decoking“ se obchází jinak velmi časově náročné mechanické čištění tepelných výměníků, které zásadně vyžaduje otevření výměníků demontáží plynových závěrů. U jednoho tepelného výměníku pracujícího známým způsobem byly vysokotlaké části aparátu a části, které jsou ve styku s vodou při použití způsobu „on-line-decoking“ v důsledku dobré tepelné vodivosti pomocného média vystaveny velmi vysokým teplotám, což vedlo к poškození aparátu v důsledku zničení ochranné vrstvy z magnetitu (FesOi) na vodní straně aparátu.

Vynález sl klade za cíl úkol vytvořit způsob a zařízení výše jmenovaného druhu, které umožní regulaci teplosměnného výkonu a kromě toho je vhodné к provádění dekarbonizace teplcsměnných ploch způsobem „on-line-decoking“ při použití aparátu к chlazení horkých štěpných plynů, aniž by bylo třeba předem vypustil chladicí vodu.

Tento úkol se řeší způsobem výměny tepla podle vynálezu, jehož podstata je, že pracovní náplň pomocného média pro výměnu tepla se mění připouštěním nebo odčerpáváním tohoto média.

Jako pomocné médium je možné používat každé vhodné médium pro přenos tepla, zvláště kapalné kovy. Výhodné jsou nízkotající kovy, obzvláště slitiny těžkých kovů.

Odčerpá-li se pomocné médium, zmenší se tak účinná topná, popřípadě chladicí plocha, jejíž velikost je určující pro výkon výměny tepla aparátu. Naproti tomu při připuštění pomocného média do aparátu se zvětší účinná topná, popřípadě chladicí plocha, což vyvolá zvýšení výkonu tepelné výměny. Tímto způsobem je možné regulovat výkon tepelné výměny v závislosti na charakteru právě zpracovávaných produktů. Použije-li se proces ke chlazení štěpných plynů, je tak možné teplotu na straně výstupu plynu upravit podle sklonu štěpných plynů ke karbonizaci s cílem dosáhnout trvale co možná dlouhé doby provozu mezi procesy dekarboniza се. К dekarbonizaci aparátu se v tomto případě pomocné médium zcela odčerpá, takže již prakticky nedochází к žádnému přenosu tepla na trubky protékané chladicí vodou. Potom se teplosměnné plochy vyhřejí pomocí páry nebo směsí vodní pára — vzduch, čímž dojde ke zplynění, popřípadě spálení usazeného ropného koksu. Části aparátu protékané vodou přitom nejsou vystaveny vysokým teplotám, takže je odstraněna možnost poškození aparátu zničením ochranné vrstvy na vodní straně. Tímto způsobem je možné provádět dekarbonizaci bez předchozího vypuštění chladicí vody, takže lze vel. . ...........

mi rychle provést změnu procesu z chlazení na dekarbonizaci.

Pracovní náplň pomocného média je možné podle vynálezu rychle a jednoduchým způsobem měnit. Pomocné médium se odčerpá účinkem tlaku a připouští se přirozeným spádem. Tím je zaručena rychlá regulace výkonu výměny tepla.

К provádění navrženého způsobu vynález dále předpokládá zařízení tvořené tepelným výměníkem, sestávající z trubek pro výměnu tepla, které jsou protékány nebo obtékány médiem pro výměnu tepla a které jsou vně, popřípadě uvnitř obklopeny pomocnými prvky pro přenos tepla, které jsou protékány nebo obtékány jiným médiem pro přenos tepla a jsou opatřeny náplní pro přenos tepla podle vynálezu, jehož podstatou je, že je možné pomocné prvky spojovat pomocí napouštěcího nebo vypouštěcího ventilu se zásobníkem pomocného média tak, aby bylo možno měnit jejich pracovní náplň.

Podle dalšího návrhu vynálezu je možno pomocné prvky pro přenos tepla připojit na zdroj tlaku. Zásobník pomocného média je umístěn výše než pomocné prvky pro přenos tepla. Pomocné médium pro přenos tepla je možno vytlačit z pomocných prvků prostřednictvím tlakového zdroje, například dusíkové baterie. Přítok pomocného média se děje na základě přirozeného spádu, který je vytvořen mezi nádobou zásobníku a mezi pomocnými prvky.

Navržená konstrukce umožňuje rozličné provedení pomocných prvků, které podle potřeby mohou obklopovat jednotlivé trubky tepelného výměníku nebo také více trubek. V jedné účelné sestavě provedení se předpokládá, že trubky tepelného výměníku jsou uspořádány v řadách obklopených pomocnými prvky pro přenos tepla ve tvaru desek. V jiném provedení procesu podle vynálezu je každá trubka tepelného výměníku obklopena koaxiálním, pomocným prvkem pro přenos tepla tvaru trubky. V rámci vynálezu je také možné používat jako trubky pro přenos tepla tzv. vetknutých trubek.

Dále bude vynález blíže objasněn na několika příkladech provedení. Na výkresech značí:

obr. 1 trubkový tepelný výměník ke chlazení štěpných plynů s výše umístěným zásobníkem pomocného média a s dusíkovou baterií pro připouštění a odčerpávání pomocného média ve schematickém znázornění;

obr. 2 podélný řez tepelným výměníkem podél čáry II—II na obr. 1;

obr. 3 příčný řez tepelným výměníkem podél čáry III—III na obr. 2;

obr. 4 pomocný prvek pro přenos tepla tepelného výměníku podle obr. 1 až 3, znázorněný v podélném řezu;

obr. 5 řez pomocným prvkem pro přenos tepla podél čáry V—V na obr. 4, obr. 6 jiná forma provedení pomocného prvku pro přenos tepla konstrukce trubka v trubce, znázorněná v podélném řezu;

obr. 7 řez pomocným prvkem podél čáry VII—VII na obr. 6;

obr. 8 další forma provedení pomocného prvku pro tepelný výměník konstrukce vetknuté trubky, znázorněná rovněž v podélném řezu;

obr. 9 řez pomocným prvkem pro přenos tepla podél čáry IX—IX na obr. 8;

obr. 10 pomocný prvek pro přenos tepla, pro- žárni.cový kotel znázorněný v podélném řezu.

Zařízení podle obr. 1 sestává z chladiče 1 štěpných plynů, který je potrubím 2 a 3 spojen s parním bubnem 4 a potrubím 5 a 6 se zásobníkem 7 kapalného kovu. Tento- zásobník 7 je -opatřen zařízením 8 pro ohřev, vyhřívaným parou nebo elektricky, které udržuje kov v zásobníku v kapalném -stavu.

V potrubí 5 a 6 se nacházejí vpouštěcí ventil 9 a vypouštěcí ventil 10. Mezi chladičem 1 štěpného plynu a vpouštěcím ventilem 9 je odbočka 11 potrubí, v níž je zabudován uzavírací ventil 12. Odbočka 11 potrubí vede k dusíkové baterii 13, která slouží jako zdroj tlaku a je naplněna stlačeným plynným . dusíkem.

Chladič 1 štěpných plynů -sestává z pláště 14, vstupní plynové komory 15 a výstupní plynové komory 16 (viz obr. 2 a 3). Ve vnitřním prostoru pláště 14 je uspořádáno několik řad trubek pro výměnu tepla a každá řada trubek je -obklopena pomocným· prvkem 18 pro přenos tepla, deskového tvaru.

Jak vyplývá z obr. 4 a 5, jsou trubky 17 pro výměnu tepla svými konci zavařeny do rozváděče 20a a 20b. Sběrač a rozváděč jsou bočně vyvedeny z pomocných prvků 18 a mají zde navařeny příruby 21, spojené přes kompenzátor 22 's panelovým dílem pomocných - prvků 18. Tyto jsou dále opatřeny vstupním hrdlem 23 a vypouštěcím- hrdlem 24, přičemž vstupní hrdla 23 jsou přes rozváděč 25 spojena -s potrubím 5 a vypouštěcí hrdla 24 jsou přes sběrač 26 'spojena s potrubím 6.

Sběrače 19a a 19b a rozváděče 20a a 20b jsou ve spojení s potrubím 2, popřípadě 3, přes hlavní -sběrač 27a a 27b, popřípadě hlavní rozváděč 28a a 28b.

Štěpný plyn určený ke chlazení vstupuje do - vnitřního- prostoru tepelného výměníku vstupním hrdlem 15 plynu, obtéká - zde pomocné prvky 18 pro přenos tepla deskového tvaru -a opět vystupuje výstupním hrdlem 16 plynu. Zároveň protéká chladicí voda z parního bubnu 4 potrubím 2, hlavním rozváděčem 28a a 28b a rozváděči 20a a 20b do chladicích trubek 17, protéká jimi a potom ve formě -směsi vody a páry pokračuje -sběrači 19a a 19b, hlavním -sběračem 27a a 27b a potrubím 3 opět zpět do parního bubnu

4.

Pomocné prvky 18 pro přenos tepla mají náplň z kapalného kovu, která vyplňuje -meziprostor mezi pomocnými prvky 18 a vod- ními chladicími trubkami 17 a představují velmi dobré tepelně vodivostní spojení mezi chladicími trubkami 17 a deskovými tělesy pomocných prvků 18, kolem kterých proudí plyn.

Výměna tepla mezi horkými štěpnými plyny a chladicí vodou se tedy děje prostřednictvím náplně kapalného kovu. Jako kapalný kov -se zde používá nízkotající kov, výhodně slitiny těžkých kovů.

Teplosměnný výkon zařízení - je m-ožno^ regulovat změnou stavu pracovní náplně pomocných prvků 18 pro přenos tepla. Má-li se například teplosměnný výkon snížit, odčerpá se část náplně - vypouštěcím hrdlem 24, kdy při uzavřeném' vpouštěcím ventilu 9 se otevře vypouštěcí ventil 10 a náplň se vytlačí tlakem z dusíkové baterie 13 přepojením uzavíracího ventilu 12. Tímto způsobem -se zmenší aktivní vyhřívaná, popřípadě chladicí plocha pomocných prvků 18 pro přenos tepla, popřípadě chladicích trubek 17, a to má za následek snížení teplosměnného výkonu zařízení. Jestliže se má naopak teplosměnný výkon zvýšit, potom se do pomocných prvků 18 pro přenos tepla přivede kapalný kov ze zásobníku 7. To se provede otevřením ventilů 9 -a ID při uzavřeném ventilu 12, takže v důsledku přirozeného spádu přitéká kapalný kov ze zásobníku 7 do níže položených pomocných prvků 18 pro přenos tepla. Doplňování kapalného kovu je možno- také provádět -tlakem s pomocí vhodného zdroje tlaku.

K dekarbonizaci zařízení způsobem „on-line-decoking“ -se kapalný - kov z pomocných prvků 18 pro přenos tepla úplně odčerpá, takže nadále prakticky nedochází k žádnému transportu tepla od deskových těles pomocných prvků 18 pro přenos tepla ke chladicím trubkám. Nato -se pomocné prvky 18 pro přenos tepla vyhřejí parou nebo směsí vodní páry a vzduchu, takže dojde ke zplynění, popřípadě spálení ropného koksu uloženého na vyhřívaných plochách pomocných prvků 18 pro přenos tepla. Přitom zůstává chladicí voda v chladicích -trubkách, které se tak udržují -na nízké teplotě. Desková tělesa pomocných prvků 18 pro přenos tepla, která jsou vystavena vysokým teplotám, se -s výhodou vyrábějí z tepelně -odolných slitin.

Chladicí trubky 17 se oproti tomu mohou vyrábět - z uhlíkové oceli nebo nízkolegovaného materiálu.

V případě provedení podle obr. 6 a 7 sestávají pomocné prvky 18 pro přenos tepla z trubek 39 z tepelně odolného -materiálu, které jsou -obklopeny vodními chladicími trubkami a na obou koncích jsou svařeny s polokulovitými komorami 31 a 32. Kapalný kov zde vyplňuje - mezikruží mezi trubkami 17 a 30 a duté prostory v komorách na obou koncích.

V případě provedení podle obr. 8 a 9 jsou chladicí trubky 17 provedeny jako vetknuté trubky -sestávající z plášťové trubky 34 a vnitrní trubky 35. Pomocné prvky 18 pro přenos tepla jsou stejně jako v případě provedení podle obr. 6 a 7 vytvořeny z trubek 30, které obklopují vetknuté trubky 17 a na jednom konci jsou svařeny s komorou 31. Na opačném konci jsou pomocí spojovacího potrubí 39 a 'sběrného potrubí 40 spojeny se sběračem 36 a odvodním potrubím 6 kapalného kovu. Chladicí voda proudí do vniknutých trubek 17 přes rozdělovači trubku 37, která je spojena s vnitřní trubkou 35. Tvořící se směs vodní páry a vody potom proudí prstencovou spárou mezi 'trubkami 34 a 35 do sběrače 36 a odtéká výstupním hrdlem 38. Tímto provedením je možno eliminovat problémy vznikající . s tepelnou roztažností bez použití kompenzátorů nebo podobných pomocných zařízení.

V provedení podle bodu 10 se jedná o kotel žárnicového typu, sestávající z kotlových trubek 41, které jsou na obou koncích svařeny se základní deskou 42 a 43. V kotlových trubkách 41 · jsou umístěny zasunuté trubky 44 z tepelně odolného materiálu, kterými prochází kouřové plyny a zároveň slouží 'jako pomocné prvky pro přenos tepla.

Claims (8)

1. PREDMÍT

   1. Způsob výměny tepla, zvláště ' pro chlazení štěpných plynů, kde proudící teplosměnné médium předává své teplo na jiné proudící teplosměnné médium prostřednictvím pomocného média, vyznačený tím, že se regulace teplosměnného výkonu provádí změnou stavu plnění pomocného teplosměnného média připouštěním nebo odpouštěním média.
2. 2. Způsob podle bodu 1, vyznačený tím, že se jako pomocné teplosměnné médium používá kapalný kov.
3. 3. Způsob podle bodů 1 a 2, vyznačený tím, že se pomocné médium odčerpává pomocí tlaku a připouští se přirozeným spádem.
4. 4. Zařízení k provádění způsobu podle bodů 1 až 3, tvořené tepelným výměníkem, sestávajícím z teplosměnných trubek, které jsou přetékány nebo' obtékány jedním teplosměnným médiem a jsou obklopeny zvnějšku, popřípadě zevnitř pomocnými prvky pro přenos tepla, které jsou obtékány, popřípadě protékány jiným teplosměnným médiem a jsou opatřeny náplní pomocného mé

   Kotlové trubky 41 a kouřové trubky 44 jsou navzájem 'spojeny navařenými přírubami 45 a 46 a kompenzátory 47 a prostor mezi oběma trubkami je vyplněn kapalným kovem, sloužícím jako pomocné médium pro' přenos tepla. Kapalný kov je- možno přivádět a odvádět hrdly 48 a 49. Pomocné prvky 18‘“ jsou vytvořeny stejně jako' v příkladu provedení podle obr. 4 a 5, přičemž zde je topná plocha na straně vnitřních trubek a chladicí plocha na straně vnějších trubek.

   Navržený způsob výměny tepla, popřípadě navržené zařízení k provádění tohoto způsobu je možno využít nejen jako' chladič, nýbrž také jako vyvíječ páry, jehož výkon je možno regulovat změnou stavu pracovní náplně kapalného kovu v pomocných prvcích 18, 18‘, 18“ a 18‘“ pro přenos tepla.

   Navrhované zařízení podle vynálezu je možno použít jako' regulovatelný tepelný výměník pro libovolné kombinace médií a libovolný směr tepelného toku. K řízení stavu náplně lze používat magnetické ventily nebo podobné ovládací prvky. Proudění plynu může být také opačného směru, tzn. směrem zespoda vzhůru, bez změny postupu.

   YNÁLEZU dia, vyznačené tím, že pomocné prvky (18, 18‘, 18“, 18‘“) pro přenos tepla jsou ke změně stavu své náplně spojeny se zásobníkem (7) pomocného média přes vpouštěcí ' a vypouštěcí ventily (9, 10).
5. 5. Zařízení podle bodu 4, vyznačené tím, že pomocné prvky (18, 18‘, 18“, 18‘“) pro přenos tepla jsou připojitelné na zdroj (13) tlaku a zásobník (7) pomocného média je umístěn výše, než pomocné prvky (18, 18*, 18“, 18‘“) pro přenos tepla.
6. 6. Zařízení podle bodů 4 a 5, vyznačené tím, že teplosměnné trubky (17) jsou uspořádány v řadách, které jsou obklopeny vždy jedním pomocným prvkem (18) pro přenos tepla, deskového tvaru.
7. 7. Zařízení podle bodů 4 a 5, vyznačené tím, že každá teplosměnné trubka (17, 41) je obklopena koaxiálním pomocným prvkem (18‘, 18“, 18‘“) pro přenos tepla, trubkovitého tvaru.
8. 8. Zařízení podle bodu 4 až 7, vyznačené tím, že teplosměnné trubky (17) jsou provedeny jako vetknuté trubky.