DE1009647B - Roehrenwaermeaustauscher - Google Patents

Description

DEUTSCHES

Die Erfindung betrifft einen Röhrenwärmeaustauscher, der sich besonders zum Wärmeaustausch zwischen Gasen oder Dämpfen bei hohen Temperaturunterschieden und hohen Drücken eignet.

Infolge des hohen Widerstandes, den Gasfilme der Wärmeübertragung entgegensetzen, weisen Gas-gegen-Gas-Wärmeaustauscher oft erhebliche Temperaturunterschiede zwischen den Rohren und dem Mantel auf. Um zu hohe Spannungen infolge verschiedener Wärmeausdehnung zu vermeiden, werden solche Wärmeaustauscher vorzugsweise mit beweglichen Rohrbündeln ausgebildet, die sich innerhalb des Mantels verhältnismäßig frei ausdehnen können. Eine solche Ausführung ist jedoch unbrauchbar, wenn einer der Gasströme suspendierte Feststoffteilchen enthält, da diese eine übermäßige Korrosion der für diese Bauart charakteristischen gekrümmten Rohre verursachen würden. In solchen Fällen muß man daher Wärmeaustauscher mit geraden Rohren verwenden, die gewöhnlich mittels Rohrplatten an beiden Enden an dem Mantel befestigt sind. Wenn die Temperaturdifferenz zwischen den beiden Gasströmen einen Wert von etwa 55° übersteigt, können in solchen Wärmeaustauschern infolge verschiedener Wärmeausdehnung übermäßige Spannungen auftreten, sofern nicht besondere Vorsichtsmaßregeln getroffen werden.

Gewöhnlich hilft man diesem Übelstand durch Ausdehnungsverbindungen oder dadurch ab, daß man verschiedene Teile aus Werkstoffen mit verschiedenen Ausdehnungskoeffizienten herstellt. Die letztere Möglichkeit, die von der Wahl geeigneter Metalle oder Legierungen abhängt, ist vom chemischen und vom wirtschaftlichen Gesichtspunkt aus nur sehr beschränkt anwendbar. Andererseits sind Ausdehnungsverbindungen bei Drücken oberhalb etwa 3,4 atü unbrauchbar, weil sie nicht nur auf die verschiedene Ausdehnung der miteinander verbundenen Teile, sondern auch auf den Druck in dem System ansprechen. Aus diesem Grund kann bei hohen Drücken eine aus einer einzelnen flachen Scheibe bestehende Ausdehnungsverbindung die Wärmeausdehnung nur in geringem Maß absorbieren.

Es besteht daher die Aufgabe, einen Dampf-Wärmeaustauscher zu schaffen, der ohne Ausdehnungsverbindungen oder andere kostspielige Einrichtungen arbeitet und einen Wärmeaustausch zwischen mit Feststoffteilchen beladenen Gasströmen von stark unterschiedlichen Temperaturen bei hohen Drücken ermöglicht, ohne beträchtlichen thermischen Spannungen ausgesetzt zu sein. Das Bedürfnis nach einem solchen Wärmeaustauscher besteht insbesondere bei der Wirbelschichthydroformierung von Schwerbenzin, wo die heißen Produktdämpfe mitgerissene feine Katalysatorteilchen enthalten und bei hohen Drücken mit verhält-

Anmelder:

Esso Research and Engineering Company_r Elizabeth, N. J. (V. St. A.)

Vertreter: E. Maemecke, Berlin-Iichterfelde West,

und Dr. W. Kühl, Hamburg 36, Esplanade 36 a,

Patentanwälte

Beanspruchte Priorität:
V. St. v. Amerika vom 20. Februar 1953

nismäßig kühlen Dämpfen, z.B. der Benzinbeschikkung oder Kreislaufgas, in Wärmeaustausch gebracht werden müssen, die mindestens um 110°, häufig sogar bis zu 390° kälter sind als die Produktdämpfe.

Der Röhrenwärmeaustauscher nach der Erfindung besitzt einen zylindrischen Außenmantel und ein ausziehbares Rohrbündel, dessen Rohre in gegenüberliegenden Rohrplatten befestigt sind und in an den Enden des Wärmeaustauschers angebrachten Sammelräumen für die Zu- und Abfuhr des durch die Rohre strömenden Wärmeaustauschmittels 'münden, wobei das Rohrbündel von einem Innenmantel umgeben ist, der kürzer als der Abstand zwischen den Rohrplatten ist und zusammen mit dem Außenmantel einen Ringraum bildet, durch den das die Rohre umspülende Wärmeaustauschmittel abströmt.

Derartige Wärmeaustauscher sind an sich bereits bekannt. Bei der bekannten Ausführungsform wurde jedoch der eine der beiden Gasströme unmittelbar in den Ringraum zwischen dem Außenmantel und dem Innenmantel geleitet und mußte, bevor er mit dem Rohrbündel in Berührung kam, diesen Ringraum seiner ganzen Länge nach durchströmen. Bei starken Temperaturunterschieden zwischen beiden Gasen führt dies dazu, daß der von dem eintretenden Gas vor Beginn des Wärmeaustauschs durchspülte Außenmantel einen starken Temperaturunterschied gegen das Rohrbündel aufweisen muß, so daß thermische Spannungen auftreten, und mit einem der oben angegebenen Hilfsmittel gearbeitet werden muß, die durch die vorliegende Erfindung vermieden werden sollen.

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Die Erfindung löst nun diese Aufgabe dadurch, daß bei einem Wärmeaustauscher der oben gekennzeichneten Art die Zu- und Abfuhr des die Rohre umspülenden Wärmeaustauschmittels an dem Ende des Röhrenwärmeaustauschers erfolgt, an dem das die Rohre durchströmende Wärmeaustauschmittel das Rohrbündel verläßt. Hierdurch wird erreicht, daß das die Rohre umspülende Wärmeaustauschmittel erst nach Beendigung des Austauschvorganges den Ringraum zwischen Außen- und Innenmantel seiner Länge nach durchströmt, so daß der Außenmantel praktisch auf die gleiche Temperatur gebracht wird wie das Rohrbündel.

Die Erfindung wird an Hand der Zeichnung näher erläutert.

Fig. 1 ist ein Längsschnitt durch einen typischen Wärmeaustauscher gemäß der Erfindung;

Fig. 2 ist ein Querschnitt nach der Linie II-II von Fig. 1. ·

Innerhalb des zylindrischen Außenmantels 1 ist ein Rohrbündel angeordnet, das aus einer Vielzahl von Rohren 2 besteht, die zwischen Rohrplatten 3 und 4 gehalten werden. Wenigstens eine dieser Platten, z. B. die Platte 4, soll einen so kleinen Durchmesser haben, daß sie nicht nur durch den Mantel 1, sondern auch durch die am Mantel 1 befestigte zylindrische Leitfläche 10 hindurchgeht. Eine solche Ausbildung gestattet, das ganze Rohrbündel aus dem Mantel herauszuziehen, um es im Bedarfsfall säubern oder ausbessern zu können. Die Endteile 5 und 6, der Mantel und das Rohrbündel können auf beliebige Weise miteinander verbunden, z. B. an ihren Flanschen durch Bolzen aneinander befestigt sein. Die Öffnungen 7 und 8 dienen zur Zu- bzw. Ableitung des die Rohre 2 umspülenden Austauschmittels, während die Öffnungen 15 und 16 zur Zu- bzw. Ableitung des die Rohre 2 durchströmenden Austauschmittels dienen.

Die konzentrische Leitfläche oder Zwischenwand 10 bildet ein wesentliches Merkmal der Erfindung. Sie bewirkt, daß das kühle Austauschmittel nicht in unmittelbare Berührung mit der seitlichen Mantelwand 1 kommt. Die Zwischenwand 10 kann eine zylindrische Hülse bilden, die mittels einer festen waagerechten Grundfläche 11 an der Mantelwand 1 angeschweißt oder anderweitig befestigt sein kann. Die Leitfläche 10 ist derart angeordnet, daß das kühle Austauschmittel durch die Öffnung 7 unmittelbar in den Mantel 1 eintreten, nach dem Wärmeaustausch jedoch nur auf dem Wege über die freie Kante der Leitfläche 10 hinweg zur Austrittsöffnung 8 gelangen kann, wobei es den ganzen Ringraum zwischen der Leitfläche 10 und der Mantelwandung 1 seiner Länge nach durchströmen muß. Es sind jedoch auch andere gleichwertige Ausbildungen möglich. So kann z. B. die zylindrische Leitfläche 10 bis zur Rohrplatte 4 reichen und an den Endflansch derselben angeschweißt sein. Die Leitfläche 10 bildet dann mit dem herausnehmbaren Rohrbündelaggregat ein Stück, und die Rohrplatte 4 kann in diesem Fall bis zur Mantelwand 1 reichen. Wenn sich die Zwischenwand 10 nach unten bis zur Rohrplatte 4 erstreckt, muß das Eintrittsrohr 7 natürlich auch durch die Zwischenwand 10 hindurchgehen, um das Austauschmittel unmittelbar in den Hauptteil des Mantels gelangen zu lassen.

\¥eiterhin kann es zur gleichmäßigeren Verteilung der Austauschmittel im Wärmeaustauscher zweckmäßig sein, seitlich versetzte, waagerechte, ebene Leitflächen 17 in senkrechten Abständen von etwa 15 bis 20 cm anzuordnen. Diese Leitflächen 17 können in an sich bekannter Weise einen Teil des Rohrbündels bilden, wobei die Rohre 2 durch sie hindurchgehen. Ebenso kann es auch zweckmäßig sein, die Verteilung des Austauschmittels über die Mantelwand dadurch zu verbessern, daß in dem Ringraum zwischen der zylindrischen Zwischenwand 10 und dem Außenmantel Umlenkbleche angeordnet werden. Zu diesem Zweck können z. B. quer verlaufende gelochte Scheiben oder Gitter 18 oder schraubenlinienförmig verlaufende Leitflächen od. dgl. verwendet werden, und in diesem Fall können die Leitflächen gleichzeitig auch zur mechanischen Abstützung und zur Versteifung des freien Endes der zylindrischen Zwischenwand 10 dienen.

Bei einer typischen technischen Ausführungsform kann die seitliche Mantelwand 1 etwa 7,60 m hoch sein und einen Innendurchmesser von etwa 114 cm haben; Die Zwischenwand 10 kann einen Abstand von etwa 13 bis 76 mm von der Mantel wand 1 haben, was zum Teil vom Durchmesser des Behälters und der Menge des durch den Mantel hindurchgehenden Gases abhängt. Im allgemeinen ist es zweckmäßig, den Querschnitt des Ringraumes so zu bemessen, daß dieser Raum annähernd das gleiche Fassungsvermögen wie die Rohrleitungen hat, welche mit den Öffnungen 7 und 8 des Austauschers verbunden sind. Die Höhe der Zwischenwand 10 kann ungefähr 7,3 m betragen; es können jedoch je nach den besonderen Bedingungen auch andere Höhen innerhalb des ungefähren Bereiches von 60 bis 98°/o der Höhe der seitlichen Mantelwand gewählt werden. Je mehr sich das \^Aerhältnis der Zwischenwandhöhe zur Mantelwandhöhe dem Wert 1 nähert, desto höher wird die mittlere Temperatur der Mantelwand, wenn das Wärmeaustauschmittel im Mantelraum erhitzt und dasjenige in den Röhren gekühlt wird. Wenn daher die mittlere Röhrentemperatur verhältnismäßig niedrig ist, so kann es vorzuziehen sein, mit einer verhältnismäßig kurzen Zwischenwand zu arbeiten, weil sonst die mittlere Mantelwandtemperatur in bezug auf die mittlere Röhrentemperatur unerwünscht hoch steigen könnte.

Bei der beschriebenen typischen Einheit kann die Rohrplatte 4 einen Durchmesser von ungefähr 109 cm haben, damit sie beim Herausnehmen durch die Zwischenwand 10 frei hindurchgeht. Die Rohrplatte 3 kann natürlich wesentlich größer sein, z. B. einen Durchmesser von etwa 150 cm haben, so daß sie einen Flanschteil bildet, der sich zur Befestigung an einem entsprechenden Flansch des Mantels 1 und des Kopfoder Endteiles 5 eignet. Zwischen den Rohrplatten 3 und 4 können z. B. 375 Röhren von je 38 mm Außendurchmesser angeordnet sein.

DieMantelwand 1 ist vorzugsweise von einer Wärmeisolierschicht z. B. aus Calciumsilicat- oder Mineralwolleblöcken umgeben, um die Wärmeverluste möglichst gering zu halten. Ebenso kann die Zwischenwand 10 eine Wärmeisolierschicht enthalten, um einen Wärmeverlust aus dem Ringraum an die kühleren Teile des Mantelraumes zu verhindern; jedoch ist dies von untergeordneter Bedeutung.

In den meisten Fällen kann der Wärmeaustauscher gemäß der Erfindung vollständig aus dem hierfür üblichen Kohlenstoffstahl bestehen, ohne daß es erforderlich ist, teure Legierungen zum Ausgleich verschiedener Ausdehnungen zu verwenden. Beispielsweise können der Mantel und die anderen Hauptbauteile aus Kohlenstoffstahl von etwa 25 mm Dicke hergestellt werden, während die Zwischenwand 10 aus Stahl von etwa 3 mm Dicke bestehen kann. Natürlich können auch andere Metalle in gleicher Weise verwendet werden, insbesondere wenn dies die chemische Zusammensetzung eines oder mehrerer der Wärmeaustausch-

mittel verlangt. Wenn beispielsweise die wasserstoffreichen, heißen Produktdämpfe des Hydroformierverf ahrens durch die Röhren des Wärmeaustauschers geleitet werden, kann es ratsam sein, die Röhren und Platten aus einer Stahllegierung mit einem Gehalt von 5°/o Chrom und 0,5% Molybdän herzustellen und die Eintrittsöffnung 5 mit einer dünnen Chromauskleidung zu versehen.

Zur weiteren Erläuterung wird nachstehend die Arbeitsweise eines Wärmeaustauschers gemäß der Erfindung beim Wärmeaustausch zwischen einem kühlen Strom von Kreislaufgas und einem heißen Strom von Produktdämpfen bei einem Hydroformierverfahren beschrieben. Das Kreislaufgas kann z. B. bei etwa 104° durch die Eintrittsöffnung 7 in den Mantel des Wärmeaustauschers mit einer Geschwindigkeit von etwa 1600 000 m³ je 24 Stunden eingeführt werden, während die Produktdämpfe, die etwas Katalysatorstaub enthalten, bei etwa 482° (entsprechend einer Metalltemperatur von etwa 443°) mit einer Geschwindigkeit von etwa 2 300 000 m³ je 24 Stunden durch den Einlaß 15 in die Röhren des Wärmeaustauschers eingeführt werden. Beim Durchgang durch das Rohrbündel 2 werden die Produktdämpfe auf etwa 377° (entsprechend einer Metalltemperatur von 288°) abgekühlt, so daß die mittlere Metalltemperatur der Röhren etwa 365° beträgt. Das Kreislaufgas strömt allmählich durch den Mantelraum um die Leitflächen 17 herum, bis es in der Nähe der Rohrplatte 3 eine Temperatur von etwa 370° erreicht, wonach es über die Zwischenwand 10 hinweg praktisch auf seiner Höchsttemperatur, abgesehen von geringen Wärmeverlusten an den Mantelraum, durch den Ringraum hindurch zur Auslaßöffnung 8 strömt. Auf diese Weise wird infolge der erfindungsgemäßen Anordnung der Leitfläche 10 die Mantelwand 1 praktisch vollständig auf einer Metalltemperatur von etwa 370° gehalten, während die mittlere Metalltemperatur der Röhren etwa 365° beträgt.

Infolgedessen ist die Wärmeausdehnung der Rohre praktisch die gleiche wie die des sie umgebenden Mantels, und es können sich keine nennenswerten Spannungen ausbilden. Würde man dagegen die Zwischenwand 10 fortlassen und entsprechend der üblichen Praxis die Auslaßöffnung 8 in die Nähe des oberen Endes des Mantels 1 verlegen, dann wurden sich die Mantelwandtemperaturen von etwa 104° an der Stelle des Eintrittes des kühlen Kreislaufgases bis etwa 370° an der Stelle, an der das Kreislaufgas sich auf seiner höchsten Temperatur befindet, erstrecken. Dies würde eine mittlere Manteltemperatur von nur etwa 238° ergeben, und infolgedessen würde sich der Mantel viel weniger ausdehnen als die Rohre, die eine mittlere Temperatur von etwa 365° haben. Die sich daraus ergebenden Spannungen der Bauteile würden natürlich unzulässig sein. Da das System vorzugsweise bei Drücken oberhalb 14 atü und oft bis zu 35 atü betrieben wird, können Ausdehnungsverbindungen oder andere zur Verhinderung thermischer Spannungen dienende Vorrichtungen hier nicht verwendet werden.

An der hier nur beispielsweise beschriebenen Ausführungsform des Wärmeaustauschers können im Rahmen der Erfindung verschiedene Abänderungen vorgenommen werden. So kann es z. B. von Vorteil sein, falls die mittlere Temperatur der Röhren niedriger ist als die maximal erreichbare Temperatur des Mantelmediums, mit einer kürzeren Zwischenwand zu arbeiten, deren geschlossenes Ende in einem größeren Abstand von dem Kaltgaseinlaß 7 angeordnet wird. Dadurch wird die Wandtemperatur im unteren Teil des Mantels herabgesetzt, so daß die mittlere Mantelwandtemperatur der mittleren Röhrentemperatürinäherkommt. '-..'■

Weiterhin kann man eine ähnliche Wirkung, wie sie durch die konzentrische Anordnung der Zwischenwand 10 zwischen der Mantelwand und den Röhren erreicht wird, z. B. auch in der Weise erzielen, daß man einen üblichen, mit festen Rohren und Mantel versehenen Wärmeaustauscher· mit einer Hülle umgibt und die aus dem Mantel des Wärmeaustauschers austretenden Gase durch diese äußereΉϋΐΐε strömen läßt. Ein solche Ausführungsform ist der in den Figuren wiedergegebenen praktisch völlig gleichwertig; in diesem Fall würde allerdings das Bezugszeichen 10 sich auf die seitliche Wand des eigentlichen Mantels beziehen, während das Bezugszeichen 1 der Außenwandung der zusätzlichen Heizhülle entsprechen würde. Eine weitere Möglichkeit zum Erhöhen der Mantelwandtemperatur auf den gewünschten Wert besteht darin, die Mantelwand mit einer Heizhülle zu umgeben, die die erforderliche Wärme aus einer unabhängigen Wärmequelle erhält. So kann unter Bezugnahme auf Fig. 1 der Ringraum zwischen der Mantelwand 1 und der Zwischenwand 10 auch als völlig getrennte Heizhülle ausgebildet sein. In diesem! Falle wird das die Röhren umspülende Austauschmittel unmittelbar aus dem eigentlichen Mantelraum mit Hilfe einer Austrittsleitung abgezogen, die mit dem Mantelraum in der Nähe der Rohrplatte 3 in Verbindung steht, während der Ringraum einen getrennten Einlaß und Auslaß für den Umlauf von hochgespanntem Wasserdampf, Biphenyl, Quecksilber oder einem anderen unabhängigen Heizmittel aufweist. Statt durch Umlauf eines strömenden Wärmeträgers kann die Heizhülle auch elektrisch erhitzt werden. Jedoch läßt sich eine solche unabhängig beheizte Hülle im allgemeinen beträchtlich weniger wirtschaftlich ausführen und betreiben als die in den Figuren dargestellte »sich selbst heizende« Hülle.

Die gleiche Ausführungsform kann natürlich auch dazu verwendet werden, das die Röhren umspülende Austauschmittel zu kühlen und das die Röhren durchströmende Austauschmittel zu erhitzen. In jedem Fall verläuft der Strom in den Röhren im Gegenstrom zu dem Strom im Mantel.

Claims (5)

Patentansprüche

1. Röhrenwärmeaustauscher mit zylindrischem Außenmantel und ausziehbarem Röhrenbündel, dessen Rohre in gegenüberliegenden Rohrplatten befestigt sind und in an den Enden des Wärmeaustauschers angebrachten Sammelräumen für die Zu- und Abfuhr des durch die Rohre strömenden Wärmeaustauschmittels münden, wobei das Röhrenbündel von einem Innenmantel umgeben ist, der kürzer als der Abstand zwischen den Rohrplatten ist und zusammen mit dem Außenmantel einen Ringraum bildet, durch den das die Rohre umspülende Wärmeaustauschmittel abströmt, dadurch gekennzeichnet, daß die Zu- und Abfuhr des die Rohre umspülenden Wärmeaustauschmittels an dem Ende des Röhrenwärmeaustauschers erfolgt, an dem das die Rohre durchströmende Wärmeaustauschmittel das Röhrenbündel verläßt.

2. Röhrenwärmeaustauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Länge des Innenmantels 60 bis 90% und der Abstand zwischen

dem Innen- und Außenmantel 0,16 bis 1% der Länge der Rohre beträgt.

3. Röhrenwärmeaustauscher nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchmesser der einen der Rohrplatten kleiner als der Innendurchmesser des Innenmantels ist.

4. Röhrenwärmeaustauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Ringraum schraubenlinienförmige oder ringförmige, mit Löchern versehene, an dem Innen- und

befestigte

Leitflächen angebracht

Außenmantel
sind.

5. Röhrenwärmeaustauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Innenfläche des Innenmantels mit einer Schicht aus wärmedämmendem Material überzogen ist.

In Betracht gezogene Druckschriften: Deutsche Patentschrift Nr. 845 052; französische Patentschrift Nr. 813 803.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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