DE2527630B2

DE2527630B2 - Röhrenwärmeaustauscher

Info

Publication number: DE2527630B2
Application number: DE2527630A
Authority: DE
Inventors: Shigeru Inoue; Toshiki Kato; Tetsuo Kimura; Eiji Yokohama Otsuka; Toshinori Tokio Takae; Osaka Takaishi; Norio Tsuji
Original assignee: Mitsui Toatsu Chemicals Inc
Current assignee: Mitsui Toatsu Chemicals Inc
Priority date: 1974-07-08
Filing date: 1975-06-20
Publication date: 1979-04-05
Also published as: JPS54232B2; IN143794B; FR2277618B1; AR205206A1; PH13291A; NL7507305A; PL103732B1; IT1044355B; JPS516180A; EG11882A; ES439075A1; FR2277618A1; GB1508836A; NL173188C; NL173188B; CA1053444A; BR7504281A; DE2527630A1; DE2527630C3; AU8276775A

Description

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Die Erfindung betrifft einen Röhrenwärmeaustauscher, der in einer Gesamtvorrichtung zur Herstellung von Harnstoff aus Ammoniak und Kohlendioxid angeordnet ist und aus einem zylindrischen, mit ummantelten Röhren ausgestatteten Gefäß mit Einlaß am Kopfende und Auslaß am anderen Ende, einer den Kopfinnenraum abgrenzenden, mit einer Vielzahl von Öffnungen versehenen Röhrenendplatte, besteht.

Die Synthese von Harnstoff aus Ammoniak und Kohlendioxid unter Harnstoffsynthesedrücken und -temperaturen in einer Druckvorrichtung wird u. a. von dem Auftreten einer starken örtlichen Korrosion der Synthesevorrichtung erschwert. Obwohl man diesen Schwierigkeiten z. B. durch Auswahl spezieller antikorrosiver Materialien und durch Passivieren derselben mit 6" Sauerstoff zu begegnen versucht hat, sind jedoch bisher noch keine zufriedenstellenden Ergebnisse für Synthesevorrichtungen mit Wärmeaustauschern erzielt worden.

Wenn durch einen Wärmeaustauscher mit Rohren ein *>5 korrosives Gas oder eine korrosive Flüssigkeit fließt, sind insbesondere die Rohrenden und die Platte, in der die Köhre befestigt sind, durch Korrosion gefährdet, da Schweißstellen besonders leicht angegriffen werden. Es ist daher erforderlich, diese besonders korrosionsgefährdeten Teile zu schützen, da dieselben teuer und üblicherweise durch ihren festen Einbau schwer ersetzbar sind.

Die Erfindung stellt einen Wärmeaustauscher zur Verfügung, bei dem der besonders korrosionsgefährdete Wärmeaustauschereingang weitgehend gegen Korrosion geschützt ist und im Falle dennoch eintretender Korrosion leicht erneuert werden kann.

Bei dem erfindungsgemäßen Wärmeaustauscher werden die Reaktionsbestandteile oben in der Einlaßzone im Wärmeaustauscherkopf eingeführt und gelangen in die Mischzone, die sich im Kopf des Wärmeaustauschers befindet Die Ausgangsstoffe mischen sich und beginnen miteinander zu reagieren. Da die Harnstoffsynthesereaktion zwischen Ammoniak, Kohlendioxid zu Ammoniumcarbamat eine exotherme Reaktion ist, erhitzt sich das Gemisch im Kopf des Wärmeaustauschers und gelangt dann in den eigentlichen Wärmeaustauschteil, in dem die Reaktion fortschreitet Der erfindungsgemäß vorgesehene Trenneinsatz verhindert, daß das heiße Gemisch mit der äußeren Temperaturwandung und dem Ansatzteil des eigentlichen Wärmeaustauschteils in Kontakt kommt. Ferner verbleibt zwischen dem Trenneinsatz und der inneren Oberfläche des Wärmeaustauschkopfes ein Spalt, durch den ein nichtkorrosives Mittel, das selbst als Ausgangsstoff zur Erzeugung von Reaktionsprodukten dienen kann, fließt und den Wärmeaustauschereingang schützend umspült. Am Ende der Rohrenden des Trenneinsatzes gelangt dieses nichtkorrosive Mittel in das Reaktionsgemisch, um an der Reaktion teilzunehmen. Dadurch wird der Wärmeaustauschereingang, d. h. der Übergangsteil vom Wärmeaustauscherkopf in den eigentlichen Wärmeaustauschteil, gegen Korrosion geschützt.

An dem Trenneinsatz findet keine oder nur geringe Korrosion statt, da dieser zweckmäßigerweise aus einem korrosionsbeständigen Material hergestellt ist. Tritt dennoch Korrosion ein, kann dieser Trenneinsatz leicht und ohne größere Kosten ersetzt und erneuert werden.

Weitere bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind in den Ansprüchen 2 bis 7 angegeben.

Zum besseren Verständnis der Erfindung werden im folgenden einige Ausführungsformen der Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher beschrieben. In den Zeichnungen zeigt

F i g. 1 eine schematische Aufriß-Teilansicht eines Wärmeaustauschers im Querschnitt, in der die Verbesserung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung zu sehen ist;

F i g. 2 eine vergrößerte Teilschnittansicht des in F i g. 1 gezeigten Austauschers;

Fig.3 eine vergrößerte Teilschnittansicht einer anderen Ausführungsform des Wärmeaustauschers der Erfindung und

F i g. 4 eine vergrößerte Teilschnittansicht noch einer weiteren Ausführungsform des Austauschers der Erfindung.

Ammoniak und Kohlendioxid (und Ammoniumcarbamat- Lösung, wenn es notwendig ist) werden durch einen Einlaß, der an einem Ende des Kopfes des Wärmeaustauschers angeordnet ist, in eine Mischzone eingeführt, die in dem oberen Teil des inneren Trenneinsatzes liegt. Von der Mischzone fließen die Reaktionsteilnehmer entlang einer Vielzahl von Rohren, die mit dem inneren Trenneinsatz verbunden sind, nach unten, Die Reak-

tionsteilnehmer können auch gemischt werden, bevor sie in die Mischzone eingeführt werden. Oben an dem Kopf wird ferner flüssiges Ammoniak zugeführt und durch den Zwischenraum, der durch die innere Oberfläche des Kopfes und die äußere Oberfläche des inneren Trenneinsatzes bestimmt ist, nach unten fließen gelassen und fließt dann zwischen dir Außenseite des inneren Trenneinsatzes und dem Kopf entlang, um endlich in die Zwischenräume zwischen den Rohren des Wärmeaust?yschers und den Rohren, die einstückig mit dem inneren Trenneinsatz verbunden sind, eingeführt zu werden und durch diese hindurchzufließen.

Da sich die freien Enden dieser mit dem Trenneinsatz verbundenen Rohre in die Wärmeaustauscher-Rohre erstrecken und dort offen sind oder mit diesen durch kleine Zwischenräume verbunden sind, wird das flüssige Ammoniak dann mit den Reaktionsteilnehmern gemischt, die von den Rohren des inneren Trenneinsatzes eingeleitet werden. Der Kontakt des Siromes aus flüssigem Ammoniak mit der inneren Oberfläche des Kopfes und der Röhrenendplatte, d. h. der Platte, in der die Rohre eingesetzt sind, ist ausreichend, um Korrosion zu verhindern.

Es wird nun spezieller auf F i g. 1 Bezug genommen. In F i g. 1 ist der obere Teil des Wärmeaustauschers, der eine Ausführungsform der Erfindung enthält, die bei der Harnstoffsynthese verwendet werden kann, im Querschnitt gezeigt. Der Wärmeaustauscher ist so aufgebaut, daß flüssiges Ammoniak, Kohlendioxid und eine wäßrige Ammoniumcarbamat-Lösung (unter Harnstoffsynthesedruck) vor dem Einführen in die Synthesezone innen durch die Rohre des mehrrohrigen Wärmeaustauschers geleitet werden, von wo die während der Bildung von Ammoniumcarbamat aus Kohlendioxid und Ammoniak erzeugte Wärme auf der Mantelseite des Wärmeaustauschers als Dampf wiedergewonnen wird.

Die Leitung 1 für flüssiges Ammoniak, die Leitung 2 für Kohlendioxid und die Leitung 3 für wäßrige Ammoniumcarbamat-Lösung sind in einer Einlaßzone 4 miteinander verbunden, damit das Gemisch in den Kopf 5 eingeleitet werden kann. Nach dem Mischen ist Kohlendioxid nicht vollständig in flüssiges Carbamat unter dem für die Harnstoffsynthese angewandten Druck umgewandelt, vielmehr bleibt ein wesentlicher Teil Kohlendioxid zusammen mit einer überschüssigen <>> Menge Ammoniak übrig. Das entstehende Gas-Flüssigkeit-Gemisch verursacht schwere Korrosion an der Röhrenendplatte 7, insbesondere an den Stellen, an denen sie mit den Rohren 9 des Wärmeaustauschers verschweißt ist. Die Querleitungen 6 von Leitung 1 führen flüssiges Ammoniak in den Kopf 5 durch dessen oberen Teil zur Verhinderung von Korrosion ein. Die horizontale Röhrenendplatte 7 erstreckt sich querdurch den ganzen Kopf 5, wodurch innerhalb des Kopfes ein Raum ausgebildet wird. Ein innerer Trenneinsatz 8, der ^Γ>ϊ aus einem korrosionsbeständigen Material, z. B. einem 18Cr-8 Ni-Edelstahl hergestellt ist, ist in den so definierten Raum eingefügt und dort befestigt. Befestigungsmittel, ζ. B. Bolzen, halten ihn an dem Kopf 5. Der innere Trenneinsatz 8 ist an seinem oberen Teil offen für den Einlaß von Ammoniak, Kohlendioxid und Ammoniumcarbamat-Lösung. In dem Zwischenraum, der zwischen dem inneren Trenneinsatz 8 und der inneren Oberflächenwand des Kopfes 5 entstanden ist, fließt flüssiges Ammoniak in einer Menge nach unten, die ausreichend ist, um einen ununterbrochenen Fuß aufrecht zu erhalten. Das flüssige Ammoniak sammelt sich auf der RöhrenendDlatte 7 an und fließt dann an der Vielzahl von Rohren 9 durch eine Vielzahl von Öffnungen 10, die an der Röhrenendplatte 7 ausgebildet sind, oder spezieller durch die Spalte, die zwischen diesen Rohren 9 und den Rohren 11 gebildet wird, nach unten. Diese Rohre 11 sind einstückig mit der Bodenoberfläche des Trenneinsatzes 8 verbunden. Das Ammoniak, Kohlendioxid und Ammoniumcarbamat-Lösung enthaltende Gas-Flüssigkeits£emisch fließt unten aus den Öffnungen, die in dem unteren Ende der Rohre 11 vorhanden sind, wobei es mit einem Strom aus flüssigem Ammoniak gemischt wird, der sich nach unten durch die Zwischenräume zwischen den Rohren 9 und den Rohren 11 ergießt. Der Abstand, über den sich die Rohre 11 in die Rohre 9 erstrecken, ist vorbestimmt, um Schutz gegen Korrosion der Wände des Kopfes zu erwirken, wobei ein Verlust in der Wärmeübergangswirkung vermieden werden soll. Alternativ dazu können die Enden der Rohre 11 oben mit einem Abstand über die oberen Enden der Wärmeaustauscherrohre 9 hinausragen. Wie bereits erwähnt, wird die durch die Reaktion erzeugte und von dem Wärmeaustauscher abgeführte Wärme zur Dampfgewinnung verwendet.

F i g. 2 ist eine vergrößerte Teilansicht, die die Anordnung der Röhrenendplatte 7 und der Rohre 9 bezüglich der Rohre 11 der in Fig. 1 dargestellten Ausführungsform näher erläutert. Die Rohre 9 sind z. B. durch Schweißstellen 12 so mit der Wandung der Öffnungen 10 in der Röhrenendplatte 7 verbunden, daß sie sich von diesen nach unten erstrecken, und die Rohre 11 sind einzeln in die entsprechenden Rohre 9 eingefügt. Die Rohre 11 können geeigneterweise eine dünnere Wandstärke aufweisen und an ihren unteren Enden offen sein. Die durchgezogenen Pfeile in F i g. 2 zeigen den Hauptmischungsstrom an, während die unterbrochenen Pfeile den Strom des flüssigen Ammoniaks angeben, der zwischen den Rohren 9 und den kleineren Rohren 11 hindurchfließt. Beide Ströme vermischen sich unterhalb des unteren Endes der Rohre 11.

F i g. 3 zeigt eine Abwandlung der ähnlichen vorhergehenden Ausführungsform, bei der die Rohre 11 Paßstücke oder Kappen 13 aufweisen, die gegen die Öffnungen stoßen, die in dem Boden des inneren Trenneinsatzes 8 ausgebildet sind, und in die die oberen Teile der Rohre 9 so eingepaßt sind, daß sie ein wenig in den Trenneinsatz 8 ragen. Zusätzlich sind an den Rohren 9 seitliche Öffnungen 14 für den Durchgang von flüssigem Ammoniak ausgebildet, wie es durch die Pfeile und die gebrochenen Linien dargestellt ist. Diese Anordnung ist deshalb vorteilhaft, weil der innere Trenneinsatz 8 und die Rohre 11 getrennt voneinander hergestellt werden können.

In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung sind die Rohre 11 mit dem Boden des inneren Trenneinsatzes 8 verbunden, wie es deutlich aus F i g. 4 ersichtlich ist, und sie sind über den Öffnungen der Rohre 9 angeordnet (die ihrerseits mit der Platte 7 verbunden sind), wobei jeweils ein Zwischenraum zwischen den beiden Rohren 11 und 9 bestehen bleibt. Durch den Zwischenraum fließt flüssiges Ammoniak in die Rohre 9.

Obgleich in der obigen Beschreibung sowohl der gemischte Gas-Flüssigkeits-Strom als auch der Strom aus flüssigem Ammoniak nach unten gerichtet sind, können diese Ströme auch beide mit gleicher zufriedenstellender Wirkung nach oben gerichtet sein.

Ferner kann das Reaktionsgefäß, obgleich die oben beschriebenen Ausführungsformen der Vorrichtung vom sogenannten vertikalen Typ sind, auch in

horizontaler oder in geneigter Stellung angeordnet sein. Der gemischte Gas-Flüssigkeits-Strom in dem inneren Trenneinsatz 8 oder das flüssige Ammoniak, das zwischen dem Kopf des Wärmeaustauschers und der Innenseite des Trenneinsatzes 8 fließt, können in die Rohre des Wärmeaustauschers, der in einem Reaktionsgefäß vom horizontalen oder geneigten Typ vorgesehen ist, in der gleichen Weise wie bei dem vertikalen Typ eingeführt werden, da von dem Strom des kontinuierlich eingeführten nichtkorrosiven Mediums ein Druck ausgeübt wird.
Die Erfindung wurde vorstehend unter Berücksichti

gung des Umstandes beschrieben, daß der Wärmeaustauscher speziell zum Abführen der erzeugten Reaktionswärme verwendet wird; es wird jedoch darauf hingewiesen, daß er auch gleichermaßen für andere Zwecke verwendet werden kann: Beispielsweise kann Falle der Harnstoffsynthese, wenn in der Schmelze enthaltenes nicht umgesetztes Ammoniumcarbamat mit Kohlendioxid durch Einführen in die Mantelseite des Wärmeaustauschers unter Wärme abgetrieben wird, um es in Ammoniak und Kohlendioxid zu zersetzen, das Ammoniak durch eine kleine Menge Kohlendioxid ersetzt werden.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Röhrenwärmeaustauscher, angeordnet in einer Gesamtvorrichtung zur Herstellung von Harnstoff aus Ammoniak und Kohlendioxid, bestehend aus einem zylindrischen, mit ummantelten Röhren ausgestatteten Gefäß mit Einlaß am Kopfende und Auslaß am anderen Ende, einer den Kopfinnenraum abgrenzenden, mit einer Vielzahl von öffnungen versehenen Röhrenendplatte, gekennzeichnet durch einen mit geringem Abstand von der inneren Wandoberfläche des Kopfes (5) angeordneten und im wesentlichen die gleiche Form des Kopfinnenraumes aufweisenden Trenneinsatz (8) mit in die Rohre (9) hineinragenden und mit dem Trenneinsatz (8) fest verbundenen Rohrstutzen (11) sowie einem zwischen Trenneinsatz und Gefäßwand endenden Einlaß (6).

2. Wärmeaustauscher nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen vertikalen Aufbau.

3. Wärmeaustauscher nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen aus einem korrosionsbeständigen Material bestehenden Trenneinsatz (8).

4. Wärmeaustauscher nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch Anordnung der Rohre (9) bis etwas über die Röhrenendplatte (7) hinaus und der Rohre

(11) von dem inneren Trenneinsatz (8) nach unten.

5. Wärmeaustauscher nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch Anordnung der Rohre (9) bis über beide Oberflächen der Röhrenendplatte (7) hinaus 3<> und Übergriff der Rohre (11) mittels kappenartiger Bauteile (13) über die Rohre (9).

6. Wärmeaustauscher nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch vertikale Anordnung der Rohre (11) innerhalb der Rohre (9), jedoch mit Beabstandung in J5 Richtung des Durchmessers der Rohre (9).

7. Wärmeaustauscher nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch die Anordnung der zweiten Rohre (11) über den Öffnungen der ersten Rohre (9) mit einem freien Zwischenraum zwischen den ersten Rohren (9) und den zweiten Rohren (11).