DE1929474A1

DE1929474A1 - Vorrichtung zum Waermeaustausch bzw. zum Kuehlen heisser,stroemender Substanz sowie Kuehlverfahren

Info

Publication number: DE1929474A1
Application number: DE19691929474
Authority: DE
Inventors: Dutkiewicz Bronislaw K; Woebcke Herman N; Espanola Wilfrido R
Original assignee: Stone and Webster Engineering Corp
Current assignee: Stone and Webster Engineering Corp
Priority date: 1969-02-27
Filing date: 1969-06-11
Publication date: 1970-09-17
Also published as: BE736443A; FR2032438B1; DE1929474B2; DE1929474C3; US3583476A; NL6908062A; ES369036A1; FR2032438A1; NL158922B; GB1263001A

Description

Vorrichtung zum Wärmeaustausch bzw. zum Kühlen heißer, strömender Substanz sowie Kühlverfahren

Diese Erfindung bezieht sich im Prinzip auf eine Vorrichtung zum Kühlen heißen Gases durch indirekten Wärmeaustausch mit einem fließfähigen Kühlmittel und speziell auf einen Wärme« austauscher zum Abkühlen von Gasen, welche aus thermischen Kracköfen zur Erzeugung von Olefinen aus Kohlenwasserstoffen abströmen.

Auf dem Gebiete der Olefinerzeugung wird die Technik des nichtkatalytischen, thermischen Krackens von Kohlenwasserstoffen seit langem angewandt. Im Prinzip wird dabei der zugeführte Kohlenwasserstoff, beispielsweise Erdöl (Naphtha) oder Gasöl in einem Krackofen durch eines oder mehrere Schlangenrohre hindurchgeleitet, wobei der Kohlenwasserstoff auf Temperaturen im Bereich von etwa 820° G (1500° F«) und darüber erhitzt wird. Bei diesen hohen Temperaturen erfolgen die Krackreaktionen sehr rasch, d,h„ der zugeführte Kohlenwasserstoff wandelt sich in weniger als einer Sekunde in Äthylen, Propylen und eine Anzahl anderer Produkte um»

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Um die Erzeugung unerwünschter Nebenprodukte auf ein Mindestmaß herabzusetzen, die Zersetzung des Produktes zu verhüten und das Verschmutzen nachfolgend? Hohlleitungen und Ausrüstungen zu vermindern, ist es erforderlich, die abströmenden gasförmigen Produkte, welche den Ausgang der Krackzone bei Temperaturen von 820° G und darüber verlassen, rasch auf eine Temperatur abzukühlen, bei v/elcher die Krackreaktionen praktisch zum Stillstand kommen,, Daher ist es erforderlich, das abströmende Gas unmittelbar nach dem Verlassen des Krackofens in einer geeigneten Wärmeaustauschvorrichtung auf Temperaturen zwischen etwa 450° ö und 760° C (850° P und 1400° P) abzukühlen. Außerdem wurde festgestellt, daß das Kühlen der aus dem Ofen abströmenden Gase in weniger als 30 Millisekunden, vorzugsweise weniger als 15 Millisekunden erfolgen muß, wenn optimales Kühlen erreicht werden soll,, Palis das rasche Kühlen nicht innerhalb von 30 Millisekunden stattfindet, können sich erhebliche Koksablagerungen, im inneren Durchgang der Kühleinheit und der nachfolgenden Einrichtung ansammeln«,

Jedoch ist auch das wirkungsvolle Arbeiten des gesamten Olefinerzeugungssystems in Betracht zu ziehen» Dabei ist die Rückgewinnung der während des Kühlens abgeführten Wärme ein Gesichtspunkt. Ein anderer Gesichtspunkt ist das Niedrighalten des Druckverlustes in dem auf den Krackofen folgenden System,

Man hat daher für die den Ofen verlassenden Gase eine Kühltechnik entwickelt, welche man als "Abschrecken" bezeichnet. Zum Abschrecken, der abströmenden- Gase wendet man die Technik sowohl des direkten als auch des indirekten Wärmeaustausches an β

Zur Verrichtung des Abschreckens, welches zweckmäiSig als direkter und indirekter Wärmeaustausch bezeichnet wei"den kann,

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sind mannigfaltige Wärmeaustauscheinrichtungen entwickelt worden ρ Die direkte Wärmeaustauscheinrichtung besteht im Prinzip aus einer Kammer, durch welche die heißen abströmenden Gase hindurchgehen und direkt mit einem Kühlmittel ge-' mischt werden. Die indirekten Wärmeaustauscher kennzeichnen sich durch getrennte Durchgänge bzw. Kammern für den heißen Gasabstrom bzw«, für das Kühlmittel. Die indirekten Wärmeaustauscher bieten wirksame Mittel für die Rückgewinnung der aufgewendeten "Wärme, indem sie das Kühlmittel in brauchbaren Hochdruckdampf umwandeln. Typische indirekte Wärmeaustauscher sind mit Kühlmänteln versehene, einzelne Rohre und herkömmliche vielrohrige Hüllen- und Rohraustauscher.

Kürzlich sind indirekte Wärmeaustauscher entwickelt worden, welche den Druekverlust im System auf ein Mindestmaß herabsetzen« Anhängige Patentanmeldungen beschreiben indirekte Wärmeaustauscher mit Streudüsen, welche einen Streuwinkel bzw. einen äquivalenten Streuwinkel von 4 bis 10 besitzen und in dem Durchgang angebracht sind, durch welchen der heiße Gasabstrom fließt. Die Anwesenheit einer Streudüse im Durchgang für den heißen Abstrom setzt breite turbulente Wirbelströme im Gasstrom auf ein Minimum herab und führt eine Verminderung der Gasgeschwindigkeit herbei, welche von einer Drucksteigerung im System begleitet ist.

Polglich steht man beim Kühlen des Gasabstroms aus dem Ofen dem Problem gegenüber, einerseits eine rasche Abkühlung im Zeitraum von etwa 30 Mt33±Sekunden zu erreichen, ohne daß andererseits ein Kondensieren der hochsiedenden Fraktionen oder ein nachteiliges Beeinflussen des Wirkungsgrades des Gesamtsystems verursacht wird. Zur Erzielung des optimalen Ergebnisses muß der übergang von der Temperatur des heißen Ofenabstromes bis zu einer Temperatur herbeigeführt werden, welche hiraächenfl niedrig ist, damit die Krackreaktionen

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unterbleiben. Daher müssen Temperaturänderungen von über 100° Ms zu einigen 100° in sehr kurzen Zeitspannen beherrsch werden. Es ist daher eine Abschreckvorrichtung erforderlieh, welche das rasche Strömen heißen Fließmittels durch sie hindurch, erleichtert und welche krassen Temperaturänderungen standhält. Ferner muß die Wärmeaustauschvorrichtung so gebaut sein, daß ein rascher Durchgang des Gasabstromes durch sie hindurch gewährleistet ist und der Druckabfall im System auf einem Mindestmaß gehalten wird.

Es ist daher ein Ziel dieser Erfindung, eine Gaskühlvorrichtung zu schaffen, welche hohen Temperaliurschwankungen standhalten kann und das rasche Abkühlen des aus einem Kohlenwasserstoff -Krackofen abströmenden Gases erleichtert. Diese Gaskühlvorrichtung soll auch in der Lage sein, den Druckverlust so gering wie möglich zu halten.

Es wird daher ein Wärmeaustauscher bzw, eine Gaskühlvorrichtung geschaffen, velche im Prinzip aus einem zentral angeordneten, rohrförmigen Aufbau und einem äußeren Gehäuse besteht, welches mit einer Kühlkammer ausgestattet ist. Das äußere G_ehäuse weist einen axialen, inneren Durchgang auf, welcher in der Nähe seines Ausganges mit einem Streudüsenabschnitt versehen ist. Zu der Gehäusekonstruktion gehört auch die Kühlkammer sowie Dampfabschlußkammern. Der zentral angeordnete rohrförmige Aufbau besteht aus hoch hitzebeständigem Material und endet in einem Streudüsenabschnitt. Sowohl der Streudüsenabschnitt im Gehäusedurchgang als auch der Streudüsenabschnitt am zentral angeordneten rohrförmigen Aufbau ist so bemessen, daß sich ein Gesamtstreuwinkel von A- bis 10° ergibt, damit optimale Strömungseigenschaften des hindurchgehenden Fließmittels gewährleistet sind.

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In zusammengesetztem Zustand ist der zentral gelagerte rohr~ förmige Aufbau so angeordnet, daß er sich vom Ausgang des Ofens in den axialen !Durchgang des äußeren Gehäuses erstreckt. Daher bildet der Durchgang für die heißen Ofenabgase eine zweistufige Streuerkonstruktion. Mit einer zweistufigen Streuerkonstruktion werden während des Abschreckens die Wirbelströme im Gasstrom auf ein Mindestmaß herabgesetzt und es ergibt sich ein minimaler Druckverlust. Eine zusätzliche Einzelheit des zusammengesetzten Wärmeaustauschers besteht in der einzigen Verbindung zwischen dem zentral angeordneten, rohrförmigen Aufbau und dem äußeren Gehäuse, Der zentral gelagerte rohrförmige Aufbau erstreckt sich direkt vom Ofenausgang· zu einer Zwischenstelle im Wärmeaustauscher und ist nur am Eingangsende des Wärmeaustauschers befestigt. Daraus ergibt sich eine ungehinderte gleitende Bewegung des zentral angeordneten, rohrförmigen Aufbaus in bezug auf das äußere Gehäuse, wodurch die unterschiedliche thermische Ausdehnung der beiden Abschnitte ausgeglichen wird, welche sich aus der Anwesenheit sowohl des heißen Ofenabstromes als auch des Kühlmittels im Wärmeaustauscher ergibt. Mit dem zentral gelagerten rohrförmigen Aufbau, welcher in bezug auf die innere Oberfläche des Gehäuses axial gleitend angeordnet ist, bildet sich dazwischen ein am Umfang liegender, ringförmiger Durchgang. Demzufolge ist zum Abschließen des ringförmigen Durch« ganges eine Dampfdecke bzw, ein Dampfabschluß vorgesehen» Der Dampfabschluß weist eine ringförmige Dampfkammer auf, welche rings um den Gasabstromdurchgang angeordnet ist, sowie Verbindungsmittel zwischen der Dampfkammer und dem abzuschließenden, ringförmigen Durchgang, In Funktion wird in der Dampfkammer Dampf mit etwas höherem Druck als dem Drucfc innerhalb des Gasabstromdurchganges gehalten. Dampf aus der Dampfkammer wandert durch die ringförmige öffnung in den axialen Durchgang des Wärmeaustauahers und schließt den ringförmigen Durohgang ab _t wodurch der Abetrom des Ofens daran

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• gehindert wird, in den Raum zwischen dem zentral angeordneten, rohrförmigen Aufbau und dem Gehäuse zu gehen. Zusätzlich ist eine zweite Streudüse im axialen Durchgang des Gehäuses vorgesehen und erstreckt sich vom Ausgang des Wärmeaustauschers entweder in die Abgangsleitung des Wärmeaustauschers oder in eine Erweiterungsverbindung, welche den Wärmeaustauscher und die Abgangsleitung miteinander verbinden«, Die zweite Streudüse ist nur am Vorderende fest angebracht, damit sich die Düse axial ausdehnen kann. Dadurch wird ein zweiter ringförmiger Durchgang zwischen der äußeren Oberfläche der zweiten Düse und der inneren Oberfläche der Abgangsleitung auf der Erweiterungsverbindung gebildet. Es ist auch ein Dampfab-Schluß vorgesehen, welcher aus einer Dampfkammer und aus zum ringförmigen Durchgang sich erstreckenden Verbindungsinitteln besteht, wodurch ein Dampfabschluß für den zweiten ringförmigen Durchgang geschaffen wird,

Anmeldungsgegenstand ist eine Gaskühlvorrichtung sowie ein Gaskühlverfahren, Hierbei besitzt die Wärmeaustauschvorrichtung die Merkmale zweistufiger Gasexpansion und einen Aufbau mit innerer thermischer Ausdehnung und mit Dampfabschlüssen, welche für diejenigen Bauabschnitte vorgesehen sind, die sich als Ergebnis thermischer Ausdehnung gegeneinander bewegen.

Die Erfindung sei nunmehr anhand der anliegenden Zeichnungen näher erläutert. In diesen Zeichnungen bedeuten:

Figur 1 eine Schnittansicht eines typischen Wärmekrackofens, welcher bei. der Herstellung von Olefinen aus Kohlenwasserstoffen verwendet wird; "

Figur 2 eine Schnittansioht der erfindungsgemäßen Gaskühl- bzw. Wärmeaustauschvorrichtung;

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^igur 3 den Blick auf einen Querschnitt längs der Linie 3-3 von Figur 2; und

Figur 4 den Blick auf einen Querschnitt längs der Linie 4-4 von Figur 2,

Der erfindungsgemäße Wärmeaustauscher ist "besonders zur Verwendung "beim Kühlen "bzw. Abschrecken des heißen Gasabstromes geeignet, -welcher aus einem Kohlenwasserstoff-Krackofen abgeht. In der Regel "besitzen, die Ofenabgase, welche aus einem Krackofen bzw-, Pyrolyseofen austreten, eine T_emperatur in der Größenordnung von 820° G oder höher und müssen in Millisekunden um über 100° bzw. um einige hundert Grad abgekühlt werden«, Ferner iet es erwünscht, den enormen Wärmeaustausch, welcher mit dem Abschrecken des Gasabstromes einhergeht, zur Erzeugung von Hochdruckdampf auszunutzen. Demzufolge ist der erfindungsgemäße Wärmeaustauscher hoher Leistung für das Abschrecken des Abstromes ideal geeignet.

Ein typisches Krackverfahren mit Wärmerückgewinnung, bei welchem der erfindungsgemäße Wärmeaustauscher angewandt wird, sei unter Bezugnahme auf Figur 1 der anliegenden Zeichnungen beschrieben.

Ein kontinuierlicher Strom an Zufuhrmaterial geht durch Leitung 1 und Pumpe 2 über Leitung 3 und Ventil 4 durch einen typischen Wärmeaustauscher 5, in welchem das Zufuhrmaterial auf eine Temperatur von etwa 315° C vorgeheizt wird. Das vorgeheizte Zufuhrmaterial geht dann durch Ventil 9 und Leitung 9* zur Leitung 8. Zum Verdampfen und weiteren Erhitzen des Zufuhrmaterials auf etwa 370° C wird überhitzter Dampf einer Temperatur von etwa 540 bis 650° G in Zufuhrleitung 9* über Ventil 7 durch Leitung 6 bei einem Verhältnis von Dampf zu Kohlenwasserstoff von etwa 0,5 bis 0,8 eingeführt. Das verdampfte Gemisch

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aus Dampf und Zufuhrmaterial führt man durch. Leitung 8 in Vorheizungs-Wärmeubertragungsschlangen 10 des Ofens 11 ein und erhitzt weiter auf etwa 480 bis 650° 0. Das vorgeheizte Zufuhr material leitet man, durch Querstück 15 hindurch, der Krackz one 14 zu.

Bei einer anderen Ausführungsform, wo leichteres Zufuhrmateria gekrackt wird, kann man das gesamte Vorheizen in der Vorheizungs-Wärmeübertragungszone durchführen. Demgemäß können die Ventile 4 und 9 geschlossen und das Ventil 4' geöffnet werden, um dem Zufuhrmaterial das Umgehen des Wärmeaustauscher 5 und das Eintreten in leitung 8 zu gestatten,, Man kann aber auch die normalerweise erfolgende Wärmezufuhr zum Wärmeaustauscher 5 unterbrechen. Unter diesen Umständen kann man durch Öffnen des Ventiles 13 Dampf über Leitung 12 in das System einführen.

Der Ofen 11 weist feuerfeste Wandungen 16 auf, welche in ein Ofengehäuse 17 eingeschlossen sind. Die Ofenwandungen enthalten Brenner 18, welche über die Leitungen 19 und die Brennstoffverteilerrohre 20 einen Brennstoff aufnehmen. Das Gemisch aus Dampf und behandeltem Zufuhrmaterial wird den Krackschlangen 21 zugeleitet und von etwa 480° C bis 590° 0 auf eine Schlangenausgangsteinperatur von 820 bis 900° C erhitzt, in welchem Temperaturbereich -die Krackreaktionen Verweilzeit in der Krackzone des OTen-s-jron etwa 0,2 bis 0,4 Sekunden stattfinden._Der Teildruck an Kohlenwasserstoff am Ausgang der Krackschlange kann 0,6 bis 1,1 ata betragen. Die Kracksehlangen 21 werden an Aufhängern 22 gehalten. Die heißen Verbrennungsgase aus den Brennern 18 gehen von der Krackzone 14 durch die Wärmeübertragungszone 23, in welcher die heißen Gase ihre Wärme auf die Wärmeleitunge-Vorheizleitungen 10 übertragen. Der Ofen wird durch Beine 24 und Stützen 25 gehaltert. Ein Dach 26 bildet die Bedeckung für den Ofen. Die

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heißen Verbrennungsgase gehen von dem Ofen durch die Esse 27.

Die heißen abströmenden Gase mit einer Temperatur von im allgemeinen oberhalb 820° 0 gehen durch die für diese Gase vorgesehenen erfindungsgemäßen Wärmerückgewinnungsaustauscher 29·

Die heißen Gase aus dem Ofen passieren die Übergangsieitung mit einer Temperatur ron etwa 820° C oder darüber und treten in den Wärmeaustauscher 29 ein. Der Wärmeaustauscher 29 weist in seinem Inneren einen Durchgang für das Hindurchgehen des Ofenabstromes sowie eine Kammer 40 für Kühlmittel, beispielsweise Wasser, auf, welch letzteres das Kühlen der heißen Älbstrojn gase bewirkt.

Die Gase werden im Durchgang 30 rasch auf eine Temperatur zwischen 450 bis 760° C gekühlt. Gesättigtes Wasser unter hohem Druck wird der Kühlmittelkammer 4Ö von einem Oberkessel 32 durch die Abwärtsleitung 33 zugeführt, während der erzeugte Dampf, im Gemisch mit unverdampftem Wasser, durch die aufsteigende Leitung 34 in den Oberkessel 32 geht. Hochdruckdampf wird durch die Leitung 35 abgenommen. Diesen Dampf kann man für das Aufheizen auf hohe Temperaturen und/oder zum Antrieb von Turbinen benutzen. Die Leitung 36 versorgt den Oberkessel

32 mit Auffüllwasser, Der gekühlte Gasabstrom j£ght_jiu^&h: "

und wird durch

geeignete Mittel, beispielswjei&elnnlaufendes Abschrecköl, weiter abgekühlt,—-feeve-^-maffden Gasabstrom zur Abtrennimg 'HM""' gekracktem Bren-n=ölp_rjadukt einem herkömmlichen Erstfraktionierungs- und Wärmerückgewinnungssystem zuführt. Dann wird der Gasabstrom in ein herkömmliches Komprimierungs- und Fraktionierungssystem geschickt, wo die speziellen Komponenten, zu denen Äthylen, Propylen und andere Produkte zählen, abgetrennt werden, wie dies im Fließschema gezeigt ist.

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Wie aus Figur 2 ersichtlich, "besteht der Wärmeaustauscher 29 im Prinzip aus einem äußeren Gehäuse 31 und einem zentral angeordneten Einlaßrohr 38,

Das Einlaßrohr 38 erstreckt sich direkt von der übertragungsleitung 28 des Heizofens bis zu einer Streudüse 39. Streudüse 39 weist einen G-esamtstreuwinkel von 4 "bis 10° auf und bewirkt eine Geschwindigkeitsverminderung des heißen Gasabstromes mit einem einhergehenden Druckanstieg dieses Gasabstromes_o In der Praxis wurde gefunden, daß infolge äec hohen Temperaturen, welchen das Einlaßrohr 38 ausgesetzt ist, ein Rohr aus "IFCOLOY 800" auf diesem Anwendungsgebiet besonders gut arbeitet.

Das äußere Gehäuse 31 ist mit einem durch dieses sich erstreckenden, axialen Durchgang versehen, welcher mit dem Einlaßrohr 38 den Durchgang 30 für den heißen Gasabstrom bildet. Der Durchgang 30 im äußeren Gehäuse 31 besitzt einen einheitlichen Querschnitt mit Ausnahme des Bereiches in der Nähe des Wärmeaustauscherausganges 52, -wo der Durchgang 30 in einer Streudüse 47 endet» Außerdem weist das äußere Gehäuse 31 eine Kühlmittelkammer 40 und Dampfkammern 41 und 42 auf, welche sämtlich rings um den Durchgang 30 angeordnet sind und mit diesem eine gemeinsame Wandung haben. Metalle wie Kohlenstoffstahl~j=Find~ "aTs~Material für das äußere Gehäuse besonders geeignet. Kohlenstoffstahl oder Legierungen mit geringem Chromgehalt sind geeignete Materialien für die innere Wandung 44.

Aufbaumäßig ist die Kühlmittelkammer 40 durch eine äußere Wandung 43 und eine innere Wandung 44 definiert und besitzt einen Einlaß 45 für das Kühlmittel, beispielsweise Wasser, und einen Auslaß 46 für den Hochdruckdampf, welcher während des KUhI-prozesses erzeugt wurde. Die innere Wandung 44 der Kühlmittelkammer bildet auch einen Teil des Durchganges 30 für den heißen

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Gasabstrom. Daher erfolgt ein indirekter Wärmeaustausch zwischen dem Kühlmittel in der Kammer 40 und dem heißen Abstrom im Durchgang 30 durch die Wandung 44 hindurch_e Abstandstücke 50 sind in der Kühlmittelkammer 40 angebracht, damit der Wärmeaustauscherring auf im wesentlichen konstanter Breite gehalten wird.

Die Kühlmittelkammer 40 ist als einfacher Kühlmantel dargestellt. Man kann jedoch jede Anzahl geeigneter Kühlelemente anordnen, beispielsweise eine Reihe rohrfö'rmiger Kühlglieder, wobei die einzige Einschränkung diejenige ist, dass zwischen dem Kühlmittel und dem Abstrom aus dem Ofen eine indirekte Kühlung erreicht wird.

Die Dampfkammern 41 und 42 sind rings um den Durchgang 30 in der Nähe der Öffnungen angeordnet, welche das Dampfausströmen aus ihnen abschließen müssen. Im Prinzip sind die Dampfkammern 41 und 42 Hohlräume in dem Gehäuse, durch welche zum Abschließen des Durchganges 30 an kritischen Stellen Dampf hindurchgeht. Pur die Dampfkammern 41 und 42 sind entsprechende Dampfeinlasse 48 und 49 vorgesehen. Die Dampfkammer 41 befindet sich unmittelbar hinter der Eingangsöffnung 51 des Wärmeaustauschers und ist mit einer Deckwand 53 versehen, welche konzentrisch zum Durchgang 30 für den Gasabstrom steht und welche so angeordnet ist, daß sie'lXch^vom^^int'e^err'Enie"^' der Dampfkammer 41 nach vorwärts zu einem Zwischenpunkt in dieser erstreckt. Die Dampfkammer 42 befindet sich unmittelbar hinter der Kühlmittelkammer 40 und in Nachbarschaft eines Verbindungsstückes 59» welches den Wärmeaustauscher 29 mit der Abgangsleitung 37 für den gekühlten Abstrom verbindet. Im zusammengesetzten Zustand des Wärmeaustauschers 29 erstreck sich das Einlaßrohr 38 innerhalb des Gehäuses 31 durch die Einlaßöffnung 51 des Wärmeaustauschers hindurch und ist an kein anderes Bauelement angegliedert als an das Gehäuse am

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Einlaß des Wärmeaustauschers. In der Praxis wurde gefunden, daß eine Umfangsverschweissung das Einlaßrohr 38 befriedigend mit dem äußeren Gehäuse 31 an der Öffnung 51 verbindet und di Dampfkammer 41 abschließt. Die einzige Verbindung zwischen dem Einlaßrohr 38 und dem äußeren Gehäuse 31 hat zur Folge, daß thermische Spannungen im Wärmeaustauscheraufbau sich nich ausbilden können, weil das heiße Einlaßrohr 38 sich gegenüber dem kühleren Gehäuse 31 innen frei ausdehnen kann, wenn sich im Wärmeaustauscher 29 ein Temperaturgefälle entwickelt. Das Einlaßrohr 38 erstreckt sich vom Wärmeaustauschereinlaß 51 ins innere des Kühlmantels hinein, damit die Streudüse 39 inmitten des Durchganges 30 festgehalten wird. Demzufolge stehet die äußere Oberfläche 55 des Einlaßrohres 38 und die innere Oberfläche 54 der Innenwandung 44 der Kühlkammer, im Bereich der Streudüse 39, in sehr dichtem Abstand zueinander. Außerdem umgibt auch die Deckwand 53, welche .sich von einer inneren Schulter 57 auf dem Gehäuseinneren nach vorwärts erstreckt, das Einlaßrohr 38 und bildet, in Kombination mit der Oberfläche 54 der Innenwandung der Kühlmittelkammer und der äußeren Oberfläche 55 des Einlaßrohres einen ringförmigen Durchgang 56. Führungen 58, welche im Durchgang 56 liegen, dienen dazu, das Einlaßrohr 38 im Durchgang 30 zu zentrieren, wie dies aus Figur 3 ersichtlich ist. Um die Möglichkeit auszuschalten, daß der Abstrom auf dem Abstromdurchgang 30 in der ringförmigen Durchgang 56 fließt, ist Dampf unter Druck vorgesehen, welcher den Durchgang 56 belegt. Wegen des Vorhandenseins von Dampf in der Dampfkammer 41 können Einschnittöffnungen 64 in'der Deckwand angebracht sein, um das Ablaufen eingeführten oder angesammelten Kondensats zu erleichtern.

Der zum Abschließen des Durchganges 56 verwendete Dampf wird durch den Einlaß 4 8 in die Dampfkammer 4T eingeführt. Den Dampf hält man bei einem Druck oberhalb des Druckes, welcher

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im Durchgang 30 für den Gasabstrom herrscht. Daher fließt Dampf aus der Dampfkammer 41 durch den ringförmigen Durchgang 56 und gelangt schließlich in den Abstromdurchgang 30.

Die Streudüse 47 befindet sich am Ausgang 52 des Wärmeaustauschers und erstreckt sich in das Verbindungsstück 59 j welsches rings um die Abgangsleitung 37 liegt. Die Düse 47 kann mit dem Wärmeaustauscherdurchgang 30 als Ganzes geformt sein, Jedoch wurde gefunden, daß es in der Praxis vorzuziehen ist, die Düse 47 aus einem getrennten Rohrstück zu bilden und diese durch geeignete Maßnahmen anzugliedern, indem man beispielsweise das Vorderende des Rohrstückes mit dem Hinterende des Durchganges 30 verschweißt. Das Verbindungsstück 59 kann aber auch so gebaut sein, daß es als einfaches Anschlußglied oder als Expansionsanschluß in Längsrichtung wirkt. Bei einer Ausführungsform ist die Düse 47 auf die Innenfassung abgestimmt, um sich längs und radial ohne übermäßige Behinderung auszudehnen. Radiale Ausdehnung der Düse 47 ist wegen der Temperaturänderungen eigentümlich, welche als Ergebnis des variierenden Abstandes der Düse 47 von der Kühlmittelkammer 40 auftrete! kann. Mit dieser Konstruktion ergibt sich mittels der äußeren Wandung 62 der Streudüse 47 und der inneren Wandung 63 des Verbindungsstückes 59 bzw. der Innenwandung 63* der Abgangsleitung 37 ein ringförmiger Durchgang 60,

Ein Dampfabschluß, welcher dem Dampfabschluß für den ringförmigen Durchgang 56 ähnlich M, ist auch für den ringförmigen Durchgang 60 vorgesehen. Der Dampf tritt durch Einlaß 49 in die Dampfkammer 42 mit einem Druck ein, welcher oberhalb des Druckes im Durchgang 30 für den Abstrom liegt, und geht durch den ringförmigen Durchgang 60 hindurch und in den Abstromdurchgang 30, "Führungen 61 sind im^vringförmigen Durchgang 60 vorgesehen, um die iitreudüse 47 zentral innerhalb de3 Durchganges zu lokalisieren, wie dies aus Figur 4 ersichtlich ist.

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Die Dampfkammern 41 und 42 dienen auch dazu, die Außenwand des Gehäuses 31 von dem heißen Gasabstrom abzuschirmen, welv eher durch den Durchgang 30 geht. Insbesondere die Dampfkammer 41 , welche im Bereich des Einlasses 51 für den heii3en Abstrom liegt, schirmt das äußere Gehäuse gegen die Hitze im Abstromdurchgang 30 ab. Durch die Anwesenheit der Dampfkammer 41 ist der einzige Weg, über welchen die Hitze das äußere Gehäuse erreichen kann, ein Strahlungsweg, wodurch eine viel niedrigere Temperatur des äußeren Metalles herbeigeführt wird. Es wurde gefunden, daß in der Praxis das Gehäuse 31 aus einem weniger kostspieligen Schmiedestück hergestellt werden kann, als dies ohne die Abschirmung erforderlich wäre.

1/öirend die Deckwand 53 in erster Linie als Leitwand für den Deckdampf dient, um den thermischen Stoß auf das innere Einlaßrohr 38 herabzumindern, hat die Deckwand 53 darüber hinaus auch die Funktion, den Hitzestrom vom heißen Einlaßrohr 38 durch Strahlung zur Übergangsanordnung herabzusetzen. Die Hitze vom Einlaßrohr 38 wird die Deckwand 53 entlang zum Ge^- häuse geleitet, welches durch das Kühlmittel in der Kammer 40 gekühlt wird.

Beim Arbeiten vollzieht sich der Wärraeaustauschvorgang im Wärmeaustauscher 29 beim Einführen von Wasser in die Kühlmittel kammer 40 durch den Einlaß 45, während der heiße Ofenabetrom aus dem Ofen in das Einlaßrohr 38 abgeht und anschließend durch den Durchgang 30 zum Auslaß des Wärmeaustauschers wandert. Zur gleichen Zeit wird Dampf mit einem Druck, welcher etwas.holier iet als der Druck im Durchgang 30, kontinuierlich durch die Einlasse 48 und 49 in die Dampfkammern 41 bsw_o 42 eingeführt. Da der Druck im Durchgang für den Abstrom im allgemeinen in der GrüßenOrdnung von 1,8 ata lie^b, muß der Druck in den Dampfkammern 41 und 42 in der Größenordnung von 2,1 ata

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"bzw. mindestens 0,3 at höher liegen als der Druck im Durchgang 30, Unter diesen Bedingungen geht Dampf von den Dampf« kammern 4-1 und 42 durch die ringförmigen Durchgänge 56 und hindurch und in den Durchgang 30 hinein.

Mit dem Wandern des Gasabstromes durch den Durchgang 30 wird an der Düse 39, in welcher sich der Strom mit einem Streu- | winkel von 4 his 10° ausdehnt, der Druck des Stromes gesteigert und die Geschwindigkeit vermindert. Der Strom fließt dann durch den Durchgang 30, welcher einen konstanten Querschnitt besitzt, zum Auslaß 52 des Wärmeaustauschers, wo eine zweite Ausdehnung des Gasabstromes erfolgt. Der Gasa"bstrom wandert durch die Streudüse 4-7, welche eine Ausdehnung im Winkel von 4° "bis 10° "bewirkt, wodurch der Druck i: die Gasgeschwindigkeit vermindert wird.

4° "bis 10° "bewirkt, wodurch der Druck im Gas gesteigert und

Die zweistufige Ausbreitung des Abstromes führt eine Stromlinienausbreitung des Gases herbei und setzt die Bildung von Wirbelst>römen an den Stellen auf ein Mindestmaß herab, wo sich die Geschwindigkeit des Stromes ändert. Außerdem wird der Druckverlust beim Durchgang durch den Wärmeaustauscher auf ein Mindest ma 13 herabgesetzt, wodurch das Fließen des Abstromes durch das System unterstützt wird. Die Druckgewinnung ist sehr wichtig, weil Druckverluste durcl· nachfolgende kostspielige Pump- und Komprimierungseinrichtungen ausgeglichen werden müssen.

Das Arbeiten des Wärmeaustauschers führt zu dem Ergebnis, daß der heiße Gasabstrom, welcher in den Wärmeaustauscher bei Temperaturen von etwa 820° C und darüber eintritt, mittels indirekten Wärmeaustausches durch die Wandung 44 hindurch auf Temperaturen der Größenordnung von etwa 450 C abgekühlt wird. Das Kühlmittel in der Kammer 40 wird dabei erhitzt und

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bildet Hochdruckdampf mit einem Druck im Bereich von etwa 14 bis 175 at.

Die Erfindung ist nicht auf die hier beschriebene, ,bevorzugte Ausführungsform beschränkt. Im Rahmen der Erfindung sind dem Fachmann vielmehr mannigfaltige Abänderungen ohne weiteres gegeben.

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Claims

Vorrichtung zum Wärmeaustausch bzw. zum Kühlen heißer, strömender Substanz sowie Kühlverfahren

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zum Wärmeaustausch bzw. zum Kühlen heißer, y yströmender Substanz, beispielsweise eines Gases, gekennzeichnet durch die folgenden Merkmale:

a) Ein äußeres Gehäuse 31 mit einem Durchgang 30, durch welchen die heiße Substanz strömt, wobei sich dieser Durchgang 30 vom Wärmeaustauschereinlaß 51 bis zum Wärmeaustauscherausiaß 52 erstreckt;

b) eine Kühlmittelkammer 40 im äußeren Gehäuse 31;

c) ein Einlaßrohr 38, welches sich von einer Quelle der heißen, strömenden Substanz bis zu einer Mittelstelle innerhalb des Wärmeaustauscherdurchganges erstreckt, wodurch die Oberfläche 54 des Durchganges 30 mit der äußeren Oberfläche 55 des Einlaßrohres 38 einen ringförmigen Durchgang 56 bildet; und

d) eine Streudiise 39 mit einem Streuwinkel von 4° bis 10°, welche sich am Ende des Einlaßrohres 38 innerhalb des Durchganges für die heiße, strömende Substanz befindet,

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2. Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine zweite Streudüse 47» welche sich am Auslaß des Durchganges für die heiße strömende Substanz befindet, wobei die Streudüse 47 ein Gesamtstreuwinkel von 4 bis 10 aufweist, und ferner gekennzeichnet durch eine Abgangsleitung 37, welche sich vom Wärmeaustauscher aus erstreckt, wobei sich die zweite Streudüse 47 in die Abgangsleitung 37 hinein erstreckt und die äußere Oberfläche 62 der zweiten Streudüse 47 mit der inneren Oberfläche 63^r der Abgangsleitung 37 einen zweiten ringförmigen Durchgang 60 bildet.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Einlaßrohr 38 am Einlaß 51 starr mit dem äußeren Gehäuse 31 des Wärmeaustauschers verbunden ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß sie zusätzliche Mittel aufweist, welche dazu dienen, den ringförmigen Durchgang 56 oder beide ringförmige Durchgänge 56, 60 gegen die heiße, strömende Substanz abzuschließen, welche durch den Durchgang 30 hindurchgeht,

5. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß sie einen Erweiterungsanschluß 59 aufweist, welcher den Durchgang 30 für die heiße, strömende Substanz mit der Abgangsleitung 37 verbindet, wodurch die äußere Oberfläche 62 der zweiten Streudüse 47 mit der inneren Oberfläche 63 des Erweiterungsanschlusses 59, den zweiten ringförmigen Durchgang 60 bildet..

6«, Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zum Abschließen des ringförmigen'Durchganges 56 in einem Dampfabechluß bestehen, welcher die folgenden Komponenten aufweist:

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SAP ORIGlNAU

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a) eine Dampfquelle mit einem Druck, welcher höher ist als der Druck im Durchgang 30 für die heiße, strömende Substanz;

b) eine Dampfkammer 41 in Verbindung mit der Dampfquelle; und

c) Verbindungsmittel von der Dampfkammer 41 zum ringförmigen Durchgang 56.

7. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zum Abschließen des zweiten ringförmigen Durchganges 60 in einem Dampfabschluß bestehen, welcher die folgenden Komponenten aufweist:

a) eine Dampfquelle mit einem Druck, welcher höher ist als der Druck im Durchgang 30 für die heiße, strömende Substanz;

b) eine zweite Dampfkammer 42 in Verbindung mit der Dampfquelle j und

c) Verbindungsmittel zwischen der zweiten Dampfkammer 42 und dem zweiten ringförmigen Durchgang 6O₀

Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß sie ferner eine Deckwand 53 aufweist, welche eich vom Vorderende des ringförmigen Durchganges 56 aus nach vorn in die Dampfkammer 41 und rings um die äußere Oberfläche des Einlaßrohres 38 erstreckt.

9. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 8, gekennzeichnet durch eine Reihe von Führungen 58, welche an der äußeren Oberfläche 55 des Einlaßrohres 38 befestigt und dazu ausgebildet sind, das Einlaßrohr 38 und den Wärmeaustauscherdurchgang 30 im Abstand voneinander zu halten, und daß ferner eine Reihe von Führungen 61 vorgesehen sind, welche an der

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Zo

äußeren Oberfläche 62 der zweiten Düse 47 "befestigt und dazu ausgebildet sind, die zweite Düse 47 und die Abgangsleitung 37 bzw. den Erweiterungsanschluß 59 im Abstand voneinander zu halten.

10, Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Einlaßrohr 38 aus INCOLOY 800, und das äußere Gehäuse 31 aus Kohlenstoffstahl besteht.

11. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Deckwand 53 mit einer Ablauföffnung 64 versehen . ist.

12, Verfahren zum Kühlen heißer, strömender Substanz bei gleichzeitiger Gewinnung von Hochdruckdampf unter Verwendung der Vorrichtung nach Anspruch 1 "bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß man heiße, strömende Substanz in einen Wärmeaustauscherdurchgang einführt; daß man. den Strom der heißen, strömenden Substanz mit einem Winkel von 4 bis 10 im Wärmeaustauscher erweitert; daß man zum Indirekten Wärmeaustausch mit der durch den Wärmeaustauscher strömenden, heißen Substanz,Wasser durch den Wärmeaustauscher hindurchgehen läßt; und daß man den Strom der heißen, strömenden Substanz ein zweites Mal unter einem Winkel von 4 bis 10° erweitert, bevor der Strom aus dem Wärmeaustauscher abgeht.

13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß man als heiße, strömende Substanz den Ofenabstrom aus einem Kohlenwasserstoff-Krackvorgang verwendet.

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