DE19833004A1 - Wärmetauscher zum Kühlen eines heißen Prozeßgases - Google Patents

Abstract

Ein Wärmetauscher (2) zum Kühlen eines in einem Prozeßgaserzeuger (1) oder einem Reaktor erzeugten, heißen Prozeßgases ist mit mehreren von jeweils einem Außenrohr (12) umgebenen Kühlrohren (11) versehen. Jedes Kühlrohr (11) und jedes Außenrohr (12) ist an beiden Enden an je eine Wasserkammer (13, 14) zur Zuführung und Abführung eines Kühlmediums angeschweißt. Die Wasserkammer (13, 14) besteht aus einem massiven, streifenförmigen Stück, in das entsprechend der Anzahl der Kühlrohre (11) in einem Abstand voneinander kreisförmige Vertiefungen (15) eingebracht sind. Jede Vertiefung (15) umgibt ein Kühlrohr (11) und weist einen Durchmesser auf, der gleich dem oder größer als der Innendurchmesser des Außenrohres (12) ist. Die Vertiefung (15) weist im Bereich der Rohrenden der Kühlrohre (11) einen dünnen, ringförmigen Boden (16) mit einer geringen Restwanddicke auf. An den Prozeßgaserzeuger (1) ist eine horizontale, das heiße Prozeßgas führende Übergangsleitung (4) angeschlossen. Koaxial zu jedem Kühlrohr (11) ist ein Verbindungsrohr (22) angeordnet, das einerseits in das Kühlrohr (11) eingreift und andererseits von der Übergangsleitung (4) ausgeht.

Description

Die Erfindung betrifft einen Wärmetauscher zum Kühlen eines in einem Prozeßgaserzeuger oder einem Reaktor erzeugten, heißen Prozeßgases mit den Merkmalen des Oberbegriffes des Patentanspruches 1.

Heiße Prozeßgase, die in Ammoniakanlagen, in Methanolanlagen, in Wasserstoffanlagen und in Öl- bzw. Rückstandsvergasungsanlagen erzeugt werden, werden in dem Reaktor nachgeschalteten Abhitzewärmetauschern abgekühlt. Die in dem Prozeßgas enthaltene Wärmeenergie wird rückgewonnen, wobei Hochdruck-Dampf erzeugt wird.

Bekannte Abhitzewärmetauscher enthalten eine Vielzahl von geraden Bündelrohren, die von dem Prozeßgas durchströmt sind. Dabei wird die Wärme des Prozeßgases an das die Bündelrohre innerhalb eines Druckmantels umgebende, unter Siededruck stehende Wasser abgeführt. Das heiße Prozeßgas wird dem Abhitzewärmetauscher, der horizontal oder vertikal angeordnet sein kann, über eine an den Prozeßgaserzeuger angeschlossene Prozeßgasleitung zugeführt. Es sind auch Abhitzewärmetauscher bekannt, bei denen die Rohre spiralförmig als Rohrschlangen ausgebildet sind. Alle diese Abhitzewärmetauscher sind spezifisch teuer und nur aufwendig zu warten und zu reparieren.

Aus der DE-OS 44 45 687 und der DE-OS 196 22 139 ist ein Wärmetauscher mit einem linearen Doppelrohrregister bekannt. Die Doppelrohre sind an beiden Enden an je eine Wasserkammer angeschweißt, die aus einem massiven streifenförmigen Stück besteht. In dieses massive Stück sind entsprechend der Anzahl der Doppelrohre in einem Abstand voneinander Vertiefungen eingebracht, wobei jede Vertiefung einem Doppelrohr zugeordnet ist. Die Wasserkammer hält dem hohem Druck des Kühlmediums stand und ist kostengünstig herzustellen. Die Wasserkammer kann aus einzelnen miteinander verbundenen Abschnitten zusammengesetzt sein, wodurch diese Abschnitte und auch die Doppelrohre bei der Fertigung allseitig zugänglich sind. Der bekannte Wärmetauscher dient zum Kühlen von Spaltgas in einer Ethylenanlage. Jedes Rohr des Spaltofens dieser Anlage ist auf der Gaseintrittsseite des Wärmetauschers koaxial zu einem Doppelrohr an die Wasserkammer angeschweißt. Diese Anordnung bringt die genannten Vorteile mit sich und hat sich in der Praxis bewährt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den gattungsgemäßen Wärmetauscher so auszubilden, daß er für unterschiedliche Prozesse, wie z. B. in Ammoniak-, in Methanol-, in Wasserstoffanlagen oder in Öl- bzw. Rückstandsvergasungsanlagen oder für Verbrennungsprozesse einsetzbar ist.

Diese Aufgabe wird bei einem gattungsgemäßen Wärmetauscher erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Bei dem erfindungsgemäßen Wärmetauscher erfolgt der Anschluß an den Prozeßgaserzeuger über die Übergangsleitung, die ein Konstruktionselement von einfacher Gestalt ist. Diese Übergangsleitung braucht nicht an den inneren Aufbau des Prozeßgaserzeugers angepaßt zu werden, noch macht sie eine besondere Gestaltung des Wärmetauschers erforderlich. Der Wärmetauscher kann aufgrund der verhältnismäßig freien Gestaltungsmöglichkeit standardisiert werden. Ferner kann der Wärmetauscher Prozeßgaserzeugern nachgeschaltet werden, in denen unterschiedliche Prozesse ablaufen. So kann der Wärmetauscher zur Kühlung von Prozeßgasen aus der Ammoniakherstellung, der Methanolherstellung, der Wasserstoffherstellung oder der Öl- bzw. Rückstandsvergasung eingesetzt werden. Die Verbindungsrohre zwischen der Übergangsleitung und der Wasserkammer verhindern, daß das heiße Prozeßgas auf den Boden der Wasserkammer trifft.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 einen Wärmetauscher mit vorgeschaltetem Prozeßgaserzeuger in perspektivischer Darstellung,

Fig. 2 teilweise in Ansicht und teilweise im Längsschnitt den Wärmetauscher mit vorgeschaltetem Prozeßgaserzeuger nach Fig. 1,

Fig. 3 den Schnitt III-III nach Fig. 2 und

Fig. 4 die Einzelheit Z nach Fig. 1.

In einem Prozeßgaserzeuger 1, der z. B. zu einer Öl- oder Rückstandsvergasungsanlage gehört, werden heiße Prozeßgase erzeugt, die in einem nachgeschalteten Wärmetauscher 2 abgekühlt werden. Der Prozeßgaserzeuger 1 ist von stehender Bauart und ist in seinem unteren Teil mit einem Gasaustrittsstutzen 3 versehen. Der Wärmetauscher 2 kann in der gleichen Weise auch einem Reaktor zur Erzeugung von Ammoniak, Methanol- oder Wasserstoff nachgeschaltet sein.

An den Gasaustrittsstutzen 3 des Prozeßgaserzeugers 1 ist eine horizontal angeordnete Übergangsleitung 4 von kreisrundem Querschnitt angeschlossen. Die Übergangsleitung 4 ist mit einer feuerfesten, wärmeisolierende Innenauskleidung 5 versehen. Auf der Außenseite der Übergangsleitung 4 und auch des Prozeßgaserzeugers 1 sind Pratzen 6 angebracht, mit denen die Übergangsleitung 4 und der Prozeßgaserzeuger 1 auf Stützen 7 aufruhen.

Der Wärmetauscher 2 enthält Doppelrohre 8, die in einer Reihe nebeneinander angeordnet sind. Die Doppelrohre 8 sind durch Bandagen 9 verbunden, die auf Trägern 10 aufruhen.

Jedes Doppelrohr 8 besteht aus einem Kühlrohr 11, das in einem Abstand unter Bildung eines Ringraumes von einem Außenrohr 12 umgeben ist. Das Außenrohr 12 und das Kühlrohr 11 sind an beiden Enden dicht an je eine Wasserkammer 13, 14 zur Zuführung und Abführung eines Kühlmediums angeschweißt. Die Wasserkammer 13, 14 besteht aus einem massiven, streifenförmigen Stück, in das in einem Abstand voneinander kreisförmige Vertiefungen 15 eingebracht sind, die jeweils ein einziges Kühlrohr 11 umgeben. Der Durchmesser der Vertiefung 15 ist gleich dem oder größer als der Innendurchmesser des Außenrohres 12. Die Vertiefung 15 weist im Bereich der Rohrenden der Kühlrohre 11 einen dünnen, ringförmigen Boden 16 mit einer geringen Restwanddicke auf. In diesen Boden 16 ist das Kühlrohr 11 eingeschweißt. Das Außenrohr 12 ist auf der dem dünnen Boden 16 abgewandten Seite an die Wasserkammer 13, 14 geschweißt.

Das die Wasserkammer 13, 14 bildende streifenförmige Stück besteht vorzugsweise aus einzelnen miteinander, z. B. durch Verschweißen verbundenen Abschnitten von rechteckigem oder quadratischem Querschnitt. In jeden Abschnitt der Wasserkammer 13, 14 ist eine einzige, ein Kühlrohr 11 umgebende Vertiefung 15 eingebracht.

In jede Vertiefung 15 mündet in der Höhe des Bodens 16 vorzugsweise tangential eine Bohrung 17 hinein. Die Bohrungen 17 sind jeweils über Verbindungsstutzen 18 mit einem Sammler 19 für die Zuführung eines Kühlmediums bzw. mit einer Dampftrommel 20 zur Abführung des Kühlmediums verbunden. Die Vertiefung 15 ist mit einer weiteren Bohrung 21 versehen, die in der Höhe des Bodens 16 nach außen geführt und mit einer absperrbaren, nicht gezeigten Abschlämmleitung verbunden ist.

Die Kühlrohre 11 stehen auf der Gaseintrittsseite über z. B. keramische Verbindungsrohre 22 mit der Übergangsleitung 4 und auf der Gasaustrittsseite mit einer Gassammelleitung 23 in Verbindung. Die Verbindungsrohre 22 sind koaxial zu den Kühlrohren 11 angeordnet. Sie weisen vorzugsweise denselben Innendurchmesser wie die Kühlrohre 11 auf. Jedes Verbindungsrohr 22 ragt mit radialem und axialem Abstand in eine Rohrerweiterung 24 hinein, die am eintrittsseitigen Ende jedes Kühlrohres 11 vorgesehen ist.

Jedes Verbindungsrohr 22 ist von einer feuerfesten, wärmeisolierenden Schicht 25 umgeben. Diese Schicht 25 ist von einem Rohrabschnitt 26 umschlossen, der an die untere Wasserkammer 13 und an die Übergangsleitung 4 angeschweißt ist.

Das eintrittsseitige, sich erweiternde Ende der Verbindungsrohre 22 ist in der Innenauskleidung 5 der Übergangsleitung 4 gehalten und steht über eine Öffnung 27 in der Innenauskleidung 5 mit dem das Prozeßgas führenden Querschnitt der Übergangsleitung 4 in Verbindung.

Der Prozeßgaserzeuger 1 kann auch durch einen Gas oder Ölbrenner ersetzt werden. In diesem Fall kann der Wärmetauscher 2 als befeuerter Hilfkessel betrieben werden.

Claims (4)

1. Wärmetauscher zum Kühlen eines in einem Prozeßgaserzeuger (1) oder einem Reaktor erzeugten, heißen Prozeßgases mit mehreren von jeweils einem Außenrohr (12) umgebenen Kühlrohren (11), wobei jedes Kühlrohr (11) und jedes Außenrohr (12) an beiden Enden an je eine Wasserkammer (13, 14) zur Zuführung und Abführung eines Kühlmediums angeschweißt ist und die Wasserkammer (13, 14) aus einem massiven, streifenförmigen Stück besteht, in das entsprechend der Anzahl der Kühlrohre (11) in einem Abstand voneinander kreisförmige Vertiefungen (15) eingebracht sind, wobei jede Vertiefung (15) ein Kühlrohr (11) umgibt und einen Durchmesser aufweist, der gleich dem oder größer als der Innendurchmesser des Außenrohres (12) ist und die Vertiefung (15) im Bereich der Rohrenden der Kühlrohre (II) einen dünnen, ringförmigen Boden (16) mit einer geringen Restwanddicke aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß an den Prozeßgaserzeuger (1) eine horizontale, das heiße Prozeßgas führende Übergangsleitung (4) angeschlossen ist, daß koaxial zu jedem Kühlrohr (11) ein Verbindungsrohr (22) angeordnet ist, das einerseits in das Kühlrohr (11) eingreift und andererseits von der Übergangsleitung (4) ausgeht.

2. Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Übergangsleitung (4) mit einer feuerfesten Innenauskleidung (5) versehen und jedes Verbindungsrohr (22) von einer feuerfesten Schicht (25) umgeben ist.

3. Wärmetauscher nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein Ende jedes Kühlrohres (11) in einer Rohrerweiterung (24) endet, die in den dünnen Boden (16) eingeschweißt ist und daß jeweils ein Verbindungsrohr (22) mit radialem und axialen Abstand in die Rohrerweiterung (24) hineinragt.

4. Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Übergangsleitung (4) mit einem Brenner verbunden ist.