DE2331686A1

DE2331686A1 - Heissgaskuehler

Info

Publication number: DE2331686A1
Application number: DE2331686A
Authority: DE
Inventors: Klaus Dipl Ing Dr Ing Mundo; Hans-H Dipl Ing Richter
Original assignee: Uhde GmbH
Current assignee: ThyssenKrupp Industrial Solutions AG
Priority date: 1973-06-22
Filing date: 1973-06-22
Publication date: 1975-01-23
Also published as: BE816714A; US3915224A; JPS58112805U; FR2234519A1; GB1478346A; JPS5069402A; NL7408396A; FR2234519B1

Description

FRIEDRICH UHDE GMBH

Aktenzeichen: Io oll

Heißgaskühler

Die Erfindung betrifft einen Heißgaskühler zur Erzeugung von überhitztem Dampf durch Heißgas mit Temperaturen über 75o C mit einem Flüssigkeits- und Dampfraum, wobei das Heißgas mehrere Heißgasrohre durchströmt. Heißgaskühler werden besonders in der chemischen Industrie eingesetzt, in der Prozeßgase mit hohen Temperaturen vor ihrer Weiterverarbeitung abgekühlt werden müssen und die in den Prozeßgasen enthaltene Wärme zur Dampferzeugung ausgenutzt werden soll.

Heißgaskühler der genannten Art müssen das sie durchströmende Gas bis auf die gewünschte Endtemperatur abkühlen und gleichzeitig soll die dabei abzuführende Wärmemenge derart an Speisewasser übertragen werden, daß möglichst hoch überhitzter Dampf erzeugt wird. Bekanntlich läßt sich hoch überhitzter Dampf vorteilhaft in Dampfturbinen in Antriebsenergie umsetzen.

Heißgase mit Temperaturen über l.ooo C und unter Drücken von 2o ata und höher fallen beispielweise in Chemie-Prozessen an und sind für die weitere Verarbeitung auf Temperaturen von z.B. ca. 3oo ⁰C und niedriger abzukühlen. Da weiterhin die Chemie-Prozesse in der Regel Dampf benötigen und/oder Dampf als Produktionsgutschrift dem Endproduktpreis gutgeschrieben wird, sollen die Heißgase zweckdienlich abgekühlt werden. So gibt es z.B. Heißkühler nach Steam-Reforming-Reaktoren oder nach Partial-Oxidation-Reaktoren, in die das Heißgas mit Temperaturen von ca. l.ooo bzw. 1.4oo °c eintritt. Nach intensiver Kühlung, d.h. durch Verdampfung von Speisewasser, verlassen die Heißgase die Heißgaskühler mit Temperaturen von ca. 35o °C bzw. 2oo C. Die gesamte Wärmemenge bei

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dem hohen Temperaturniveau wird nur zur Sattdampf-Erzeugung eingesetzt, überhitzter Dampf wird nicht erzeugt. Sollte trotzdem Heißdampf in einer Chemieanlage nach einem Heißgas liefernden Reaktor erzeugt werden, so wäre ein weiterer Apparat als Überhitzer notwendig. Dabei müßte das Heißgas aus Gründen der erforderlichen Temperatur-Differenz mit noch hoher Temperatur von z.B. 55o C aus dem Heißgaskühler in den überhitzter geführt werden. Diese hohe Temperatur führte insbesondere bei ebenfalls hohen Betriebsdrücken zu beträchtlichen Beanspruchungen in den verbindenden Rohrleitungen. Eine günstige Temperatur-Differenz zugunsten der Wärmeaustauschfläche könnte nicht gewählt werden, weil die Gastemperatur zwischen Heißgaskühler und überhitzer aus Gründen der Materialfestigkeiten nach oben begrenzt ist. Die Verwendung von ausgemauerten Leitungen an dieser Stelle führte zu beträchtlichen zusätzlichen Kosten bei gleichzeitigem Auftreten von Anordnungsschwierigkeiten mit den zugehörigen mechanischen Problemen.

Es ist Stand der Technik, ein Kühlsystem, in dem heißes Medium abgekühlt werden soll, so zu bauen, daß es aus einem weitgehend mit flüssigem Kühlmedium gefüllten Raum besteht, durch den das heiße Medium mittels Leitwänden in einzelne Ströme aufgeteilt, hindurchgeleitet wird. Beispielsweise sind Kesselspeisewasser-Vorwärmer aus Ammoniak-Synthese-Anlagen bekannt, bei denen heißes Synthesegas durch die Rohre geführt wird, während Speisewasser im Kreuzgegenstrom um die Rohre fließt. In diesem Fall ist der äußere Raum ganz mit flüssigem Kühlmedium ausgefüllt.

Ein anderes Beispiel für ein Kühlsystem, dessen äußerer Raum völlig mit verdampfendem Kühlmedium ausgefüllt ist, ist ein Abhitzekessel, wie er normalerweise in ölspalt-Anlagen nach dem Shell-Verfahren verwendet wird. Dabei tritt an irgendeiner Stelle Kesselwasser in den äußeren Raum des Kühlers ein, während oben ein Dampf-Wassergemisch austritt, das zu einer Kesseltrommel geleitet wird.

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Bei den ölspalt-Verfahren nach Texaco, das ähnlich wie das Shell-Verfahren Rohgas von 1.2oo ⁰C - 1.5oo ⁰C liefert, werden Abhitzekessel verwendet, die etwa zu 7o % mit siedendem Wasser gefüllt sind, während der Raum darüber zum Trennen von Dampf und Wasser benutzt wird. Die das heiße Rohgas führenden Rohre sind dabei so angeordnet, daß sie stets mit siedendem Wasser bedeckt sind.

Thermodynamisch gesehen ist solch eine Wärmeaustauschvorrichtung ungünstig, weil das hohe Temperaturniveau des heißen Mediums zur Vorwärmung von Kühlflüssigkeit bzw. zur Verdampfung von Kühlflüssigkeit mit nur vergleichsweise mäßigen Temperaturen benutzt wird. Die Energie des heißen Medium, wird nur im mäßigen Umfang ausgenützt. An einem typischen Beispiel läßt sich dies wie folgt verdeutlichen :

Aus einem chemischen Prozeß ströme Gas mit 1.5oo ⁰C, das in einem Rauchrohrabhitzekessel abgekühlt wird unter gleichzeitiger Erzeugung von 2o ata Sattdampf mit einer Temperatur von 211 °C. Das hohe Temperaturniveau von über looo ⁰C wird nur zur Erzeugung von Sattdampf verwendet. Sattdampf ist aber nur begrenzt einsetzbar. Wenn das Kühlmedium nicht nur aufgewärmt und verdampft, sondern zudem auf 5oo °C überhitzt würde, wäre der Energie-Verlust geringer. Zwar wird bei konstant gehaltener übertragener Wärmemenge die Dampfproduktion sinken, jedoch die dem Kühlmedium zugeführte ausnutzbare Wärmeenergie wird steigen. Expandiert man den stark überhitzten Dampf unter Leistungsabgabe in einer Turbine, so leistet dieser mehr Arbeit als ein mit gleichem Wärmeangebot erzeugter Sattdampf und verbraucht weniger Kühlwasser im Kondensator.

Der Forderung nach überhitzung des Kühlmediums stehen andererseits Begrenzungen der heute erreichbaren Warmfestigkeiten derjenigen Werkstoffe gegenüber, die zur Fertigung der Trennwände zwischen heißem und kaltem Medium benutzt werden

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können. Das bedeutet, daß bei hohen Eintrittstemperaturen des heißen Mediums, die dem Heißgaseintritt nachgeschalteten Einzelströme auf jeden Fall durch flüssiges Kühlmedium laufen müssen. Durch einen guten Wärmeübergang auf der Flüssigkeitsseite und durch einen schlechten auf der Heißgasseite sind somit genügend tiefe Trennwandtemperaturen erreichbar. Andererseits sollte die Wärmetauschzone, bei der das Heißgas schon weitgehend abgekühlt ist, zur Kühlmediumverdampfung vorgesehen werden. Das ist deshalb erforderlich, weil zur übertragung der Wärme auf das Kühlmedium ein positives treibendes Temperaturgefälle benötigt wird und die Kühlmediumtemperatur in der Verdampfungszone tiefer liegt als in der überhitzungszone. Außerdem ist es günstig, die Auslegung so zu planen, daß im Bereich kleiner treibender Temperaturgefälle große Wärmeübergänge ausgenutzt werden, zur Verringerung der erforderlichen Wärmeübertragungsflächen.

Der Erfingung liegt die Aufgabe zugrunde, bei der Abkühlung von Heißgasen die o.g. Nachteile zu vermeiden und beste Wärmeausnutzung, d.h. möglichst hohe Wärmeenergie in dem Kühlmedium zu erreichen.

Überraschenderweise wurde gefunden, daß die Aufgabe gelöst werden kann, wenn die Heißgasrohre des Heißgaskühlers in ihrer Kühllänge in 3 Rohrsektionen mit 3 Temperaturbereichen eingeteilt sind, wovon der heiße Teil und der kühlere Teil von der verdampfenden Flüssigkeit umspült werden, die Sektion mit dem mittleren Temperaturbereich derart im Dampfraum angeordnet ist, daß sie zwangsläufig vom produzierten Sattdampf gekühlt wird, wobei die Rohrübergänge zwischen den Rohrsektionen den Flüssigkeitsspiegel durchdringen.

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Durch die erfindungsgemäße Aufteilung wird erreicht, daß das Heißgas jeweils unter Wärmetausch zunächst durch eine Zone flüssigen Kühlmediums, danach durch eine Zone zu überhitzenden Kühlmediums und anschließend nochmals durch eine Zone flüssigen Kühlmediums geführt wird. In den Zonen flüssigen Kühlmediums kann dieses vorgewärmt und verdampft werden. Die Temperaturzone des zu überhitzenden Kühlmediums liegt zwischen den beiden Zonen des flüssigen Kühlmediums dort, wo die treibenden Temperaturgefälle ausreichend sind und wo aufgrund dieser Verhältnisse gleichzeitig Trennwandtemperaturen vorhanden sind, die zu ausreichenden Materialfestigkeiten bei genügender Flexibilität in den Trennwandformen führen. Somit lassen sich auch Wärmeübertragungsaufgaben lösen, bei denen neben beträchtlichem Temperaturunterschied auch erhebliche Druckunterschiede zwischen¹ Heißgas und Kühlmedium herrschen. Ferner kann mit Bezug auf obige Bemerkungen festgestellt werden, daß die Höhe der betrachteten Temperaturen im Zusammenhang mit den verfügbaren Werkstoffen gesehen werden muß.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben. Das Spaltgas mit einer Temperatur von 1.4oo ⁰C und einem Druck von bis zu 12o atü tritt in den Heißgaskühler 1 über das ausgemauerte Einlaufgehäuse 2 ein. Das Gas verläßt dieses Gehäuse durch mehrere Rohre 3, die anschließend in Rohrschlangen 4 übergehen. Die Schlangen treten nahe der Gaseintrittsstelle aus der das System begrenzenden Behälterwand wieder aus. Das abgekühlte Spaltgas wird in einem Sammler zusammengefaßt. Diejenigen Rohrstücke 41,43 die das Gas mit der höchsten Temperatur, und die, die das Gas mit der tiefsten im Kühler vorkommenden Gastemperatur führen, sind von siedendem Wasser von z.B. 254 °c bei 43,5 ata umgeben. Dieses Wasser wird umgepumpt und dabei wird kälteres Kesselspeisewasser zugemischt. Das nunmehr nicht mehr siedende Wasser wird in einen Kasten 5 im mit Wasser gefüllten unteren Teil des Behälters geführt. Dort befinden sich die Gaseintritte zu

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den Rohrschlangen, die naturgemäß am heißesten sind. Das Wasser wird in dem Kasten bis nahe an, oder auf die Siedetemperatur aufgewärmt und tritt dann in den darüberliegenden Teil des Behälters. Der über dem flüssigen Wasser befindliche Dampfraum 6 ist mit Sattdampf ausgefüllt bis auf die Schlangen 42 mit ihren ümmantelungen 7. Zwischen den Schlangen und den zugehörigen Ummantelungen strömt Sattdampf nach oben, wobei er überhitzt wird. Am Kopf des Behälters tritt überhitzter Dampf aus. Die Zeichnung zeigt diese Anlage gemäß der Erfindung nur in schematischer Weise. Die Details der Formgebung und die Art der praktischen Ausführung berühren die Gültigkeit der Erfindung nicht, jedoch ist wesentlich, daß sich das Gas jeweils in den zwei Zonen siedenden Wassers und in der überhitzungszone merklich abkühlt. Um dies zu erreichen, werden z.B. in diesen Zonen die Gasrohre in Form von Schlangen oder anderen, die Wärmeaustauschfläche vergrößernden Rohrformen geführt.

Es ist möglicherweise zweckmäßig, die Heizfläche in der zweiten Verdampfungszone gegenüber der in der ersten zu vergrößern. In diesem Falle kann z.B. die Formgebung der gasführenden Rohre so verändert werden, daß das Gas beim ersten Durchgang auf kürzerem Wege als beim zweiten Durchgang, also z.B. auf dem Wege von Spiralen mit größerer Steigung durch die Zone des flüssigen Kühlmittels fließt.

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Claims

Patentanspruch

Heißgaskühler zur Erzeugung von überhitztem Dampf durch Heißgas mit Temperaturen über 75o ⁰C mit einem Flüssigkeitsund Dampfraum, wobei das Heißgas mehrere Heißgasrohre durchströmt, dadurch gekennzeichnet, daß die Heißgasrohre in ihrer Kühllänge in drei Rohrsektionen ( 41, 42, 43) mit drei Temperaturbereichen eingeteilt sind, wovon der heiße Teil (41) und der kühlere Teil (43) von der verdampfenden Flüssigkeit umspült werden, die Sektion (42) mit dem mittleren Temperaturbereich derart im Dampfraum angeordnet ist, daß sie zwangsläufig vom produzierten Sattdampf gekühlt wird und daß die Rohrübergänge zwischen den Rohrsektionen den Flüssigkeitsspiegel durchdringen .

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