DE1551498A1 - Verfahren und Einrichtung fuer die Durchfuehrung dieses Verfahrens zum Waermetausch zwischen zwei voneinander getrennten Medien - Google Patents

Description

• Verfahren und Einrichtung für die Durchführung dieses -Verfahrens zum Wärmetausch zwischen zwei voneinander getrennten Medien Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Einrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens zum Wärmetausch zwischen zwei voneinander getrennten Medien, von denen zumindest eines unter einem die Anwendung einschlägiger Berechnungs- und Bauvorschriften für druckfÜhrende Bauteile fordernden Überdruck steht, insbesondere in einem Q,uerich-Kühler oder ähnlichen Wärmetauscher. Quench-Kühler und ähnliehe Wärmetauscher werden vor allem in der chemischen Industrie aus verfahrenstechnischen und/oder wirtschaftlichen Gründen verwendet. So ist z. B. ein rapider 'lärmetausch dann erforderlich, wenn ein soeben in einem Spaltofen bei hoher Temperatur erzeugtes Gas schnell abgekühlt werden soll, damit das Prozeßgas nicht wieder zerfällt. Um das Verfahren wirtschaftlich zu gestalten, ist es üblich, als Kühlmittel Jasser zu verwenden und somit Dampf zu erzeugen. Dieser kann - soweit er nicht für das Produktionsverfahren selbst benötigt wird - zur Erzeugung anderer Energieformen, z. B. elektrischem Strom, Verwendung finden. Anlagen mit ähnlichem Aufgabenbereich finden sich auch in der Stahlindustrie, beispielsweise in Kühlkaminen zu LD-Konvertern. Die Verwendung von Wasser als Mittel zum Wärmeentzug hat neben der Energieform, die dabei erhalten wird (Erzeugung von Hochdruck-Dampf) den großen Vorzug, daß Wasser stets hohe Wärmeübergangazahlen ergibt, die Wandtemperaturen also sehr nahe an der Wassertemperatur liegen, genau bestimmbar sind und somit die wärmetechnischen wie auch die Berechnungen für die Festigkeit mit großer Genauigkeit und Zuverlässigkeit durchführbar sind. Da es sich aber bei diesen Apparaten fast immer um solche handelt, bei denen eine unterschiedlich geartete Heizfläche in einen Behälter eingebaut ist, sind durchweg Bauteile mit großen geometrischen Abmessungen notwendig, die oft für Drücke zwischen 80 und 150 atü konstruiert werden müssen. Das führt einerseits zu- einem sehr großen Aufwand an Material und Kosten und andererseits können trotz dieses Aufwandes die Gaszuleitungs-Bauteile nicht oder zumindest nicht im erwünschten Maße gekühlt werden, weil diese Teile - vorausgesetzt, daß man sie überhaupt den hohen Drücken anpassen könnte,- viel zu teuer wären und trotzdem eine ständige Gefahrenquelle bedeuten würden. Die Verbindung vom Spaltofen einschließlich des ungekühlten Gaseintrittökopfes ist bei allen bekannten Anlagen ein kritisches Bauteil; er muß möglichst klein sein, damit die Aufenthaltszeit des Gases in ihm sehr kurz ist, weil längere Aufenthaltszeiten in ungekühlten Räumen bereits Zerfallserscheinungen des Prozessgases mit sich bringen. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, diese Nachteile zu vermeiden, also auch bei Verwendung unter hohem Druck stehenden Wassers als Kühlmittel die Gaszuleitungs-Bauteile ausreichend zu kühlen, und zwar mit einem Verfahren, zu dessen Durchführung möglichst ein geringerer Bauaufwand erforderlich ist, als ihn bekannte Anlagen erfordern. Zur Lösung dieser Aufgabe wird ,für das bereits eingangs beschriebene Verfahren zum Wärmetausch zwischen zwei voneinander getrennten Medien, von denen zumindest eines unter einem die Anwendung einschlägiger Bereä=hntlngs- und Bauvorschriften für druckführende Bauteile fordernden Überdruck steht, insbesondere in einem Quench-Kühler oder ähnlichen Wärmetauscher, erfindungsgemäß vorgeschlagen, den Wärmetausch über ein zwischengeschaltetes Kreislaufmittel indirekt erfolgen zu lassen, das-als primäres Kühlmittel sowohl-die Kühlfläche des wärmeabgebenden Mediums als auch die Heizfläche des wärmeaufnehmenden Mediums bzw. sekundären Kühlmittels beströmt. Damit wird erreicht, daß sowohl die Wärmeaustauschflächen des zu kühlenden Mediums (im folgenden "Gas" benannt) als auch die des sekundären Kühlmittels (im folgenden "Wasser" benannt) aus Bauteilen mit relativ kleinen geometrischen Abmessungen, vorzugsweise lohren, hergestellt und somit die Kosten ganz erheblich gesenkt werden können. Dadurch wird wiederum die Betriebssicherheit sehr erhöht. Außerdem können nunmehr auch die Gaszuleitungs-Bauteile intensiv gekühlt werden: Es kann also mit der Abkühlung unmittelbar hinter oder gar noch innerhalb des Spaltofens begonnen werden, so daß durch den Wegfall oder zumindest starke Verminderung des Gaszerfalls in seine Elemente die Ausbeute. vergrößert und damit die Wirtschaftlichkeit der Anlage erheblich verbessert wird, obwohl die Anschaffungskosten hierfür nur etwa das 0,6- bis 0,7-fache der Kosten bekannter Anlagen betragen. Das neue Verfahren ermöglicht es durch die Verwendung eines praktisch drucklosen Kühlmittels und durch den Umstand, daß nunmehr der Gaseintrittskopf kühlbar ist und deshalb wiederum erheblich größere .Abmessungen als bisher erhalten kann, zur Reinigung des Wärmetauschers"in diesen eine an sich bekannte Kugelregenanlage einzubauen. Durch eine solche Reinigungsanlage wird die bisher notwendige Abreinigungszeit von etwa. drei Tagen auf weniger als einen Arbeitstag verkürzt. Das neue Verfahren erbringt noch einen weiteren beträchtlichen Vorteil, indem die beiden Bodenplatten, von denen die das Gas führenden Rohre gehalten werden, weniger beansprucht sind und somit leichter ausgelegt werden können. Bei den bekannten Anlagen sind wegen des auf die Bodenplatten einseitig wirkenden sehr hohen Wasserdruckes und wegen ihrer zahlreichen, der Aufnahme der Rohre dienenden Bohrungen große Wandstärken erforderlich. Da die Platten auf einer Seite von heißem Gas und auf der anderen Seite von dem wesentlich kälteren Druckwasser beauf schlagt sind, treten sehr hohe, häufig nicht mehr zu beherrschende Materialspannungen auf, so daß die Bodenplatten trotz ihrer Stärke sehr gefährdet sind. Diese Gefährdung ist natürlich umso größer, je höher der Druck des' Wassers ist. Da beim neuen Verfahren das nur in Rohren geführte Druckwasser keinen Einfluß mehr auf die Bodenplatten hat, brauchen für diese nur noch die durch Temperaturdifferenzen bewirkten Spannungen berücksichtigt zu werden. Diese sind für eine dünne Bodenplatte bedeutend geringer, als für eine starke Bodenplatte. Beträgt die Temperaturdifferenz biespielsweise bei 80 mm Plattenstärke 1OOoC, so wäre die Temperaturdifferenz bei 20 mm Stärke nur etwa 200C. Eine wei- tere Spannungsverminderung wird erreicht, wenn man das Gas den Wärmetauscher unter einem Druck passieren läßt, der dem statischen Druck der Salzschmelze gleich oder nahezu gleich ist. Zur Durchführung den neuen Verfahrens kann ein für den Durchfluß des Ganes und den Wassers gemeinsamer Wärmetauzcher mit zwei getrennten Heizflächen vorge- sehen werden. Soll jedoch eine Kugelregenreinigungs- anlage eingebaut werden, so ist es meistens zweckmäßig, für die sekundäre Kühlung einen gesonderten Wärmetauscher vorzusehen. In Abwandlung des neuen Verfahrens ist es in besonderen Fällen zweckmäßig, zur Kühlung des Kreislaufmittel statt Wasser ein anderes sekundäres Kühlmittel zu benutzen, z.B. Luft, Benzin, Flüssiggas oder ähnliches. In der Zeichnung Bind drei beispeilhafte Bauarten der Einrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens schematisch dargestellt, und zwar zeigt Fig. 1 einen Wärmetauscher mit Rohrschlangen für Gas und Wasser und Fig. 2 eine Einrichtung, bei der für die sekundäre Kühlung eine gesonderter Kühler vor-. gesehen ist.
• Fig. 3 zeigt eine ebenfalls aus zwei Wärmetauschern bestehende Einrichtung, bei der für das Gas gerade Rohre vorgesehen sind, die mittels einer Kugelregenanlage gereinigt Werden können. Beim Wärmetauscher nach Fig. 1 ist innerhalb des -Außenmantels 1 mit Abstand von diesem ein zylindrischer Innenmantel 2 aufgehängt, innerhalb dem beispielsweise vier Bündel mit je vier Rohrschlangen 3 angeordnet sind. Durch diese strömt das zu kühlende Gas von oben nach unten, das - vom Spaltofen kommend -durch den Eintrittsstutzen 4 in den gekühlten Gaseintrittskopf 5 gelangt, von dem es sich auf diesechzehn Rohrschlangen 3 verteilt.
• Die Rohrschlangen 3 werden von einer Salzschmelze 6 umspült, mit der der Wärmetauscher bis zum Spiegel 7 angefüllt ist. Über dem Spiegel 7 befindet sich ein Stickstoffpolster 8, um eine chemische Veränderung , der Salzschmelze 6 zu verhindern.
• Zwischen dem Außenmantel des Behälters 1 und dem Innenzylinder 2 ist eine Rohrschlange 9 angeordnet, die von Druckwasser mit z.B. 125 atü durchströmt wird, das bei 10 eintritt und bei 11 - ganz oder nur zum Teil als Sattdampf - wieder austritt.
• Die Salzschmelze 6 umströmt also auch die Rohrschlange 9, Über die sie die von den Rohrschlangen 3 empfangene 'Härme an das Wasser abgibt.
• Eine von einem Motor 12 angetriebene Pumpe 13 sorgt für den erforderlichen Umlauf der Salzschmelze 6, die auch den Gaseintrittskopf 5 intensiv umströmt. Bei der Einrichtung nach Fig. 2 sind zwei Wärmetauscher 14, 15 vorgesehen, die miteinander durch Leitungen 16 verbunden sind. Der e- Wärmetauscher 14 dient der primären Kühlung und weist für das Gas einen Eintrittsstutzen 4 und einen Eintrittskopf 5 auf. Statt der an diesen angeschlossenen, nach unten führenden Rohrschlangen 3 könnten auch gerade Rohre vorgesehen werden, wenn diq sich dadurch ergebende größere Bauhöhe in Kauf genommen werden kann. Die Rohrschlangen 3 münden unten in einen Sammler 17, den das gekühlte Prozessgas durch eine Zeitung 18 verläßt.
• Der Wärmetauscher 15 dient der sekundären Kühlung - also der Kühlung des aus der Salzschmelze 6 bestehenden Kreislaufmittels. Das bei 19 zugeführte Druckwasser durchströmt die Rohrschlange 9 und wird bei 20 wieder abgeführt, zum Teil als Sattdampf. Die Salzschmelze 6 füllt beide Wärmetauscher bis auf das Stickstoffpolster B. Bine vom Motor 12 betriebene Pumpe 13 sorgt wiederum für schnellen Kreislauf der Salzschmelze 6.
• Auch die Anlage nach Fig. 3 weist zwei Wärmetauscher 21,22 auf, die durch die die Salzschmelze 6 führenden Leitungen 16 miteinander verbunden sind. Hierbei ist der der primären Kühlung dienende Wärmetauscher 21 mit einer Kugelregenreinigungsanlage ausgerüstet, deren Spr'u'hkopf mit 23 bezeichnet ist. Statt Rohr-

  schlangen müssen daher gerade Rohre 24 für das Pro-

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  einer Austragvorrichtung 27 a angeordnet. Der sekundäre ;Wärmetauscher 22 ist ganz ähnlich dem Wärmetauscher 15 in Fg: 2 ausgebildet. Zwecks Verbesserung der Konvektion ist ein Verdränger 28 eingebaut.
• Zur Komplettierung der Anlage ist an die untere Leitung 16 ein Sammelbehälter 29 angeschlossen, in dem das Salz mittels einer Heihung 30 geschmolzen wird. Die Salzschmelze 6 wird über eine Leitung 31 mittels Stickstoffs in die Wärmetauscher 21,22 gedrückt.-Beim Öffnen des Ventils 33 läuft das Kreislaufmittel 6 -in den Sammelbehälter 29 zurück, so daß die Wärmetauscher leerlaufen und z. B. eventuelle Schäden überprüft werden kännen. Einen ähnlichen Sammelbehälter 29 weist auch der Wärmetauscher nach Fig. 1 auf, wobei dieser eine Fortsetzung des Außenmantels 1 nach unten darstellt. Die übrigen Teile dieses Sammelbehälters 29 sind mit gleichen Bezugszeichen versehen wie bei der Beschreibung der 7ig. 3.

Claims (6)

1. Patentansprüche 1. Verfahren und Einrichtung für die Durchführung dieses Verfahrens zum Wärmetausch zwischen zwei voneinander getrennten Medien, von denen zumindest eines unter einem die Anwendung einschlägiger Berechnungs- und Bauvorschriften für druckführende Bauteile fordernden Überdruck steht,» insbesondere in einem Quench-Kühler oder ähnlichen Wärmetauscher, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmetausch über ein zwischengeschaltetes Kreislaufmittel (6) indirekt erfolgt, das als primäres Kühlmittel sowohl die Kühlfläche (3;24) des wärmeabgebenden Mediums als auch die Heizfläche (9) des wärmeaufnehmenden Mediums bzw. sekundären Kühlmittels beströmt.
2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als primäres Kühlmittel (6) eine Salzschmelze benutzt wird.
3. 3. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet,'daß das primäre Kühlmittel (6) sowohl die Kühlfläche (3;24) des wärmeabgebenden Mediums als besonders auch die Zuführungsteile (Gaseintrittskopf 5) zu dieser Kühlfläche beströmt.
4. 4. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß zur Kühlung des Kreislaufmittels (6) statt besser ein anderes sekundäres Kühlmittel zum Beispiel Luft, Benzin, Flüssiggas oder ähnlich, benutzt wird. 1
5. 5, Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach den Ansprüchen 1 bis 4, gekennzeichnet durch eine solche Ausbildung der Zuführungsteile (GaseintrittskoPf 5) für das zu kühlende Medium, daß der Einbau einer Kugelregen-Reinigungsanlage (23,27) räumlich ermöglicht ist.
6. 6. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach den Ansprüchen 1 bis 4, gekennzeichnet durch eine - solche Baulänge des vom zu kühlenden Medium durch. strömten Wärmetauschers (21)i daß der statische Druck des primärenKühlmittels (ä) auf die Bodenplatte (25) den statischen Druck des zu kühlen- . den Mediums auf die gleiche Bodenplatte ausgleicht oder nahezu ausgleicht. %.. Einrichtung zur Durchführung das Verfahrens nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß sowohl die Kühlflächen (3;5;24) für das zu kühlende Medium als auch die Heizfläohen (9) für das sekundäre Kühlmittel in einem gemeinsamen Wärmetauscher angeordnet sind (Fig. 'f). B. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach den Ansprüchen 1 bis 49 dadurch gekannzeichnetf daß für den primären und den sekundären Wärmetausch gesonderte Wärmetauscher hzw. Kühler (14;15 bzw. 21;22) vorgesehen sind (Fig. 2 und 31