DE102007001385A1

DE102007001385A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Abkühlung von heißem Gas

Info

Publication number: DE102007001385A1
Application number: DE102007001385A
Authority: DE
Inventors: Sebastian Dr. Muschelknautz; Harald Dr. Ranke; Hanno Tautz
Original assignee: Linde GmbH
Current assignee: Linde GmbH
Priority date: 2006-04-11
Filing date: 2007-01-09
Publication date: 2007-10-18

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Abkühlung von heißem Gas. Der heiße Gasstrom (1) wird über das Kernrohr (2) in die Flüssigkeit (3) geführt. Der Gasstrom (1) kann über die Umlenkkante (2a) oder seitliche Öffnungen im Kernrohr (2b) in die Flüssigkeit austreten. Dabei bilden sich an der Unterkante des Kernrohrs (2a) Wassertropfen und an den seitlichen Öffnungen (2b) kleine Gasblasen. Durch die Kleinblasen und Wassertropfen findet ein intensiver Stoff- und Wärmeaustausch zwischen den Phasen statt, bei dem zumindest ein Teil der Flüssigkeit verdampft. Im Aufstrombereich des Gases (4) findet so eine effektive Abkühlung des Gasstroms statt. Der Abstand (d) zwischen Kernrohr (2) und Mittelrohr (5) ist so gewählt, dass im Aufstrombereich (4) eine Strömungsgeschwindigkeit von über 2 m/s, insbesondere über 4 m/s, gewährleistet ist. Am oberen Ende des Aufstrombereiches (4) wird das Flüssigkeit-Gas-Gemisch um 180° umgelenkt, wobei sich Flüssigkeitstropfen durch Trägheitskräfte überwiegend auf dem Außenrohr (6) abscheiden. Das Gas wird am unteren Ende des Außenrohrs (6) nochmals um 180° umgelenkt, wobei sich auch die restlichen Tropfen abscheiden, und verlässt die Tauchrohrkammer über das Abgasrohr (7). In der Flüssigkeit auftretende Oszillationen werden über die zwei Staubleche (8) gedämpft, deren versetzte Querschnitte Einschub 10 in Aufsicht (10a) und Seitenansicht (10b) zeigt. Die in den Außenraum geförderte Flüssigkeit kann direkt über einen inneren ...

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Abkühlung von heißem Gas, wobei das heiße Gas durch ein in Flüssigkeit getauchtes Kernrohr und ein darüberliegendes Mittelrohr größeren Querschnitts geführt wird, wobei Flüssigkeit mitgerissen und das Gas abgekühlt wird, sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.
Heiße Gase entstehen vielfach in petrochemischen Anlagen, so zum Beispiel bei der Synthesegasherstellung. Synthesegas, ein Gemisch aus Wasserstoff und Kohlenmonoxid, ist ein wichtiger Ausgangsstoff der chemische Industrie, der unter anderem in bei der Herstellung von Methanol oder von höheren Kohlenwasserstoffen über die Fischer-Tropsch Synthese Verwendung findet. Synthesegas kann durch nichtkatalytische partielle Oxidationsverfahren auch aus schwersten Kohlenwasserstoffen wie Schwerölen, Asphalt oder Kohle hergestellt werden. Das Herstellungsverfahren besteht im Wesentlichen aus drei Hauptteilen: dem eigentlichen Vergasungsreaktor, der Synthesegaskühlung und der Rußentfernung. Die im Vergasungsreaktor stattfindende partielle Oxidation ist exotherm. Das gebildete Synthesegas tritt mit einer Temperatur von 1200 bis 1400°C aus dem Reaktor aus und muss danach abgekühlt werden.
Nach dem Stand der Technik werden zur Abkühlung derartig heißer Gase unter anderem Quenchkühler eingesetzt, das heißt das Gas wird über eine direkte Kühlung durch eine Flüssigkeit (üblicherweise Wasser) abgekühlt. In den nach dem Stand der Technik verwendeten Verfahren wird das heiße Gas über ein in Flüssigkeit getauchtes Kernrohr in die Flüssigkeit geführt. Über die Flüssigkeit tritt das Gas in ein über dem Kernrohr liegendes Mittelrohr mit größerem Durchmesser aus, wodurch es mit Flüssigkeit angereichert beziehungsweise gesättigt wird. Hier im sogenannten Aufströmbereich verdampfen die im Gas enthaltenen Flüssigkeitstropfen und kühlen dadurch das Gas ab. Derartige Verfahren nach dem Stand der Technik sind in US 48 013 07 , US 47 055 42 , US 46 246 83 und EP 13 846 99 beschrieben.
Betreibt man die beschriebenen Verfahren nach dem Stand der Technik, kann es, insbesondere im Betrieb unter geringer Last, zu unerwünschten Oszillationen kommen.
Bei geringer Last werden von dem langsam durchströmenden Gas nur Großblasen im Wasser gebildet, die das Wasser verdrängen, aber keine Tropfen bilden. Durch die Großblasen werden Schwingungen in der Flüssigkeit erzeugt. In ungünstigen Fällen können sich die Oszillationen der Flüssigkeit auf den Gasstrom übertragen. Derartig pulsierende Gassäulen beeinträchtigen das Umsatzverhalten der vor- und nachgeschalteten Anlagen und Reaktoren. Bei Reaktoren zur partiellen Oxidation in der Synthesegasherstellung können derartige Pulsationen Schädigungen des Brenners, der Ausmauerung und des Quenchbehälters zur Folge haben.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens derart auszugestalten, dass Oszillationen der Flüssigkeit und die damit verbundenen Oszillationen im Gasstrom im Anlagenbetrieb bei niedriger Last vermieden werden.
Die Aufgabe wird verfahrensseitig dadurch gelöst, dass im Aufstrombereich zwischen Kernrohr und Mittelrohr eine Strömungsgeschwindigkeit des Flüssigkeit-Gas-Gemisches von über 2 m/s, insbesondere über 4 m/s, aufrechterhalten wird.
Die Hauptursache der Oszillationen in der Flüssigkeit und im Gasstrom ist das Auftreten von großen Blasen beim Betrieb der Anlage im Bereich niedriger Last. Der Gasstrom tritt nicht kontinuierlich sondern in einzelnen großen Gasblasen durch die Flüssigkeit.
Der Grundgedanke der Erfindung besteht darin, unabhängig von der Last einen kontinuierlichen großblasenfreien Gasstrom im Aufstrombereich zu gewährleisten. Dies wird dadurch erreicht, dass das Gas nach der Umlenkung an der Unterkante des Kernrohres bei einer Geschwindigkeit von über 2 m/s, insbesondere über 4 m/s, in der Lage ist, Flüssigkeitstropfen zu bilden und mitzureißen.
Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführung der Erfindung wird das Gas über eine glatte, gezackte und/oder unregelmäßig geformte Umlenkkante in die Flüssigkeit geführt. Das Ausströmen des Gases über mindestens eine seitliche Öffnung im Kernrohr ist ebenfalls zweckmäßig. Die Kreislaufführung der Kühlflüssigkeit erfolgt vorteilhafterweise über mindestens eine seitliche Öffnung im unteren Bereich des sich über dem Kernrohr befindenden Mittelrohrs. Jede eventuell auftretende Oszillation der Flüssigkeit wird zweckmäßigerweise durch mindestens ein (vorzugsweise mindestens zwei) Staublech unterhalb des Endes des Kernrohrs und oberhalb des Boden des Flüssigkeitsbehälters gedämpft.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird die Flüssigkeit über einen externen regelbaren Kreislauf über mindestens eine Öffnung (vorzugsweise zentral im Kernrohr) am Boden der Tauchrohrkammer in das Kernrohr geführt wird.
Vorrichtungsseitig wird die gestellte Aufgabe dadurch gelöst, dass der aus den unterschiedlichen Durchmessern resultierende Spalt zwischen Kernrohr und Mittelrohr eine Größe aufweist, die das Flüssigkeit-Gas-Gemisch zwischen beiden Rohren zu einer Strömungsgeschwindigkeit von über 2 m/s, insbesondere über 4 m/s, zwingt.
Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist das Kernrohr eine glatte, gezackte und/oder unregelmäßig geformte Umlenkkante auf. Mindestens eine seitliche Öffnung im unteren Bereich des Kernrohrs ist ebenfalls zweckmäßig. Unter dem unteren Ende des Kernrohrs und über dem Boden des Flüssigkeitsbehälters ist mindestens ein Staublech angebracht. Bei der Anbringung von mehr als einem Staublech ist eine Anordnung mit versetzten Querschnittsöffnungen zweckmäßig. Zur Kreislaufführung der Flüssigkeit befindet sich vorteilhafterweise mindestens eine Öffnung im unteren Bereich des Mittelrohr.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung weist die Einrichtung einen externen regelbaren Flüssigkeitskreislauf mit mindestens einer Zuführung (vorzugsweise zentral im Kernrohr) am Boden der Tauchrohrkammer innerhalb des Kernrohrs auf.
Mit der Erfindung gelingt es insbesondere, heiße Gasströme effektiv mit Hilfe von Flüssigkeit direkt zu kühlen, ohne das es zu Oszillationen der Flüssigkeit und des Gasstroms bei Betrieb der Anlage unter niedriger Last kommt. Die durch die Oszillationen verursachten Beeinträchtigungen des Umsatzverhaltens vor- und nachgeschalteter Anlagen oder die Schädigung der vor- und nachgeschalteten Anlagen werden vermieden.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand eines in der Figur dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert.
1 zeigt eine Ausgestaltung der Erfindung. Der heiße Gasstrom (1) wird über das Kernrohr (2) in die Flüssigkeit (3) geführt. Der Gasstrom (1) kann über die Umlenkkante (2a) oder seitliche Öffnungen im Kernrohr (2b) in die Flüssigkeit austreten. Dabei bilden sich an der Unterkante des Kernrohrs (2a) Wassertropfen und an den seitlichen Öffnungen (2b) kleine Gasblasen. Durch die Kleinblasen und Wassertropfen findet ein intensiver Stoff- und Wärmeaustausch zwischen den Phasen statt, bei dem zumindest ein Teil der Flüssigkeit verdampft. Im Aufstrombereich des Gases (4) findet so eine effektive Abkühlung des Gasstroms statt. Der Abstand (d) zwischen Kernrohr (2) und Mittelrohr (5) ist so gewählt, das im Aufstrombereich (4) eine Strömungsgeschwindigkeit von über 2 m/s, insbesondere über 4 m/s, gewährleistet ist. Am oberen Ende des Aufstrombereiches (4) wird das Flüssigkeit-Gas-Gemisch um 180° umgelenkt, wobei sich Flüssigkeitstropfen durch Trägheitskräfte überwiegend auf dem Außenrohr (6) abscheiden. Das Gas wird am unteren Ende des Außenrohrs (6) nochmals um 180° umgelenkt, wobei sich auch die restlichen Tropfen abscheiden, und verlässt die Tauchrohrkammer über das Abgasrohr (7). In der Flüssigkeit auftretende Oszillationen werden über die zwei Staubleche (8) gedämpft, deren versetzte Querschnitte Einschub 10 in Aufsicht (10a) und Seitenansicht (10b) zeigt. Die in den Außenraum geförderte Flüssigkeit kann direkt über einen inneren Kreislauf durch die seitliche Öffnung (11) am Boden des Mittelrohrs (4) in den inneren Raum zurücklaufen (gestrichelte Pfeile).
Auslegungsbeispiel:

Claims

Verfahren zur Abkühlung von heißem Gas, wobei das heiße Gas durch ein in Flüssigkeit getauchtes Kernrohr und ein darüberliegendes Mittelrohr größeren Querschnitts geführt wird, wobei Flüssigkeit mitgerissen und das Gas abgekühlt wird, dadurch gekennzeichnet, dass im Aufstrombereich zwischen Kernrohr und Mittelrohr eine Strömungsgeschwindigkeit des entstandenen Flüssigkeit-Gas-Gemisches von über 2 m/s, insbesondere über 4 m/s, aufrechterhalten wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Gas über eine glatte, gezackte und/oder unregelmäßig geformte Umlenkkante und/oder mindestens eine seitliche Öffnung aus dem Kernrohr in die Flüssigkeit geführt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass Oszillationen der Flüssigkeit mit Hilfe von mindestens einem Staublech unterhalb des Endes des Kernrohrs und überhalb des Bodens des Flüssigkeitsbehälters gedämpft werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass Oszillationen der Flüssigkeit mit Hilfe von mindestens zwei Staublechen unterhalb des Endes des Kernrohrs und überhalb des Bodens des Flüssigkeitsbehälters mit versetzten Querschnittsöffnungen gedämpft werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Flüssigkeit über mindestens eine Öffnung im unteren Bereich des sich über dem Kernrohr befindenden Mittelrohrs im Kreis geführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Flüssigkeit über einen externen regelbaren Kreislauf über mindestens eine Öffnung am Boden der Tauchrohrkammer in das Kernrohr geführt wird.
Vorrichtung zur Abkühlung von heißem Gas bestehend aus einem Kernrohr und einem darüber liegenden Mittelrohr mit größerem Querschnitt, dadurch gekennzeichnet, dass der aus den unterschiedlichen Durchmessern resultierende Spalt zwischen Kernrohr und Mittelrohr eine Größe aufweist, die das Flüssigkeit- Gas-Gemisch zwischen beiden Rohren zu einer Strömungsgeschwindigkeit von über 2 m/s, insbesondere über 4 m/s, zwingt.
Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Kernrohr an dem in die Flüssigkeit getauchten Ende eine glatte, gezackte und/oder unregelmäßig geformte Umlenkkante und/oder mindestens eine seitlich Öffnung aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass der sich in der Flüssigkeit befindliche Teil des Mittelrohr mindestens ein Staublech aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der sich in der Flüssigkeit befindlichen Teil des Mittelrohrs mindestens zwei Staubleche mit versetzten Querschnittsöffnungen aufweist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Mittelrohr im unteren Bereich mindestens eine Öffnung zur Kreislaufführung der Flüssigkeit aufweist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung einen externen regelbaren Flüssigkeitskreislauf mit mindestens einer Zuführung am Boden der Tauchrohrkammer innerhalb des Kernrohrs aufweist.