DE2330015B2 - Heißgaswärmetauscher mit Verbundröhren - Google Patents

Description

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Die Erfindung betrifft einen Heißgaswärmetauscher mit Verbundrohren zur Abkühlung von Heißgasen aus katalytischen Spaltprozessen nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Heißgase aus katalytischen Spaltprozessen, die in der Regel als Synthesegas bezeichnet werden, dienen zur Erzeugung von Stadtgas, Wasserstoffgas, Rohgasen für Methanol- und Ammoniaksynthesen und ähnlichen Produkten. Die Erzeugung dieser Synthesegase erfolgt nach dem Dampfreformingverfahren. Als Rohstoffe kommen im wesentlichen Erdgas und Benzin zum Einsatz unter Beimischung von Dampf. Dieses Gemisch strömt durch katalysatorgefüllte Röhren, die in einem Ofen von außen beheizt werden. Das Synthesegas erreicht am Ende der Reaktion eine Temperatur von +0 etwa 720—900⁰C bei Betriebsdrücken von etwa 20—40 ata und tritt anschließend in den Heißgaswärmetauscher ein,, um seine Wärme zum großen Teil an Speisewasser zur Dampferzeugung abzugeben. Wird in Anlagen zur Erzeugung von Ammoniaksynthesegas noch ein zweiter Reaktor dazwischen geschaltet, der ebenfalls mit Katalysator gefüllt ist, so wird durch Zugabe von Luft dem Synthesegas der notwendige Stickstoff beigemischt und der Rest Methangehalt weiter gesenkt. In diesem Fall tritt das Gas mit etwa so 1000° C in den Heißgaswärmetauscher ein. Wird als Rohstoff Benzin zur Synthesegaserzeugung eingesetzt, mufl dem Katalysator im Primärreformer Alkali, üblicherweise Kalium zugegeben werden, um Rußbildung beim Spalten der höheren Kohlenwasserstoffe zu ss vermeiden. Dabei läßt sich nicht vermeiden, daß im Laufe der Zeit Kalium mit dem Gas geringfügig ausgetragen wird und im Heißgaswärmetauscher an kälteren Stellen, z. B. den Rauchrohren des Wärmetauschers, in Form eines Gemisches aus KOH, K2CO3 und KHCO3 ausfüllt Dieses Gemisch verursacht bei Metalltemperaturen von 350 -420° C an Normalkesselrohren starke Korrosionen, besonders oberhalb 380° C. Solange die Temperatur des Kühlmediums um die Rohre und damit die Wiindtemperatur selbst unter der kritischen es Korrosionstemperatur gehalten wird, besteht keine Gefahr. Diese Bedingung kann nach den bisherigen Erfahrungen bis zu Drücken von 85—90atü auf der Wasserdampfseite eingehalten werden, jedoch mit einer Einschränkung, daß sorgfältig behandeltes Speisewasser benutzt wird. Letztere Bedingung kann im allgemeinen als erfüllt vorausgesetzt werden. Mit Rücksicht auf den Wirkungsgrad der gesamten Anlage — im Gaskühler werden bei Großanlagen 60—100 t/h Dampf erzeugt — strebt man jedoch an, die Dampferzeugung bei möglichst hohem Druck vorzunehmen, beispielsweise bei 130 ata. Dies entspricht einer Sattdampf temperatur von 330⁰Q Turbulenzen im Bereich des Gaseintritts in die Rohre, die hohen Gastemperaturen, der hohe Druck und die Natur der Synthesegase führen zu Heizflächenbelastungen, die die Manteltemperatur der Rohre auf kritische Werte steigen lassen, bezüglich der Korrosion. Zur Lösung dieses Problems könnten austenitische Rohre mit genügender Beständigkeit gewählt werden. F-Ίτ Festbodenapparate, deren Druckmantel aus ferritischem Stahl besteht und der dem Druck und der Temperatur des Kühlmediums ausgesetzt ist, scheiden austenitische Rohre jedoch wegen der unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten aus, ganz abgesehen von der Gefahr der Spannungsrißkorrosion im Kesselspeisewasser. Hochchromhaltige ferritische Stähle (13% Chrom) haben sich ebenfalls als genügend beständig erwiesen. Sie haben jedoch den Nachteil, daß sie oberhalb 300° C im Dauerbetrieb stark verspröden und somit nicht zugelassen werden. Eine weitere Möglichkeit besteht darin, normale Kesselstähle zu chromieren. Die Qualitätsforderungen für chromiertes Rohr können jedoch nur für unlegierte Stähle mit niedrigem C-Gehalt befriedigend erfüllt werden, deren Festigkeit bei höheren Drücken und Temperaturen unzureichend ist. Weiterhin ergibt sich beim Einschweißen dieser Rohre eine Zone unzureichender Korrosionsbeständigkeit, da die Chromschicht beim Schweißen mit aufgeschmolzen wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Heißgaswärmetauscher nach dem Oberbegriff des Anspruchs so auszugestalten, daß in dem beschriebenen Anwendungsfall die Korrosion an den Verbundrohren vermieden werden kann, alle Festigkeits- und Beständigkeitsanforderungen erfüllt und die Ausdehnungsspannungen in zulässigem Maße begrenzt werden.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das Flächenverhältnis der Materialquerschnitte des Außenrohres zum Innenrohr im Bereich 4—10 liegt.

Mit der Wahl eines Verbundrohres ist auch das Problem der korrosionssicheren Eins hweißung in die Rohrplatten gelöst, da zunächst der äußere ferritische Teil des Rohres mit der ferritischen Platte und dann der innere korrosionsbeständige Teil des Rohres mit der korrosionsbeständigen Plattierung der ferritischen Platte durch entsprechendes Vorgehen verbunden werden kann. Das erfindungsgemäße Flächenverhältnis der beiden Materialquerschnitte ferritisch zu austeniiisch erweist sich so günstig, daß alle Festigkeitsanforderungen erfüllt werden. Darüberhinaus genügt die dadurch vorliegende Wandstärke auch allen Korrosionsanforderungen.

Ein Heizgaswärmetauscher mit Verbundrohren zur Abkühlung von Heißgasen aus katalytischen Spaltproztwen ist aufgebaut wie ein normaler Rohrbündelwärmetauscher mit zwei Rohrbodenplatten. In den beiden Rohrbodenplatten sind die ferritischen Rohre eingeschweißt und der austenitische Teil der Verbundrohre ist mit der auf den Rohrbodenplatten angebrachten Plattierung gasdicht verbunden. Es ist Sorge dafür zu

tragen, daß die Verbundrohre mit guter metallischer Bindung zwischen den Werkstoffkomponenten hergestellt werden. Die erfindungsgemäße Wahl der Flächenverhältnisse garantiert darüberhinaus eine gute metallurgische Bindung bei dem hohen Temperaturwechsel zwischen Betriebstemperatur und Stillstand der Anlage.

Claims (2)

Patentansprüche:

1. Heißgaswärmetauscher mit Verbundrohren zur Abkühlung von Heißgasen aus katalytischen Spaltprozessen, deren Katalysator Alkalien enthält, i wobei gasseitig die Betriebsbedingungen größer 20 ata und größer 720⁰C und wasserseitig größer 85 ata vorliegen und die gasführenden Rohre Verbundrohre sind, bestehend aus einem Innenrohr aus einem gegen Alkalikorrosion beständigen Austenit oder hochnickelhaltigem Stahl und einem Außenrohr aus ferritischem Kesselbaustahl, dadurch gekennzeichnet, daß das Flächenverhältnis der Materialquerschnitte des Außenrohres zum Innenrohr im Bereich 4—10 liegt is

2. Heißgaswärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbundrohre mit ihren äußeren Enden mit dem ferritischen Teil des Rohrbodens verschweißt sind und die Enden des austenitischen Teils der Verbundrohre mit der Rohrboden-Piattierung verschweißt sind.