DE2551195B2

DE2551195B2 - Wärmeaustauscher zum Kühlen von Spaltgasen

Info

Publication number: DE2551195B2
Application number: DE19752551195
Authority: DE
Inventors: Helmut Dipl.-Ing. 3500 Kassel Herrmann
Original assignee: SCHMIDT'SCHE HEISSDAMPF-GESELLSCHAFT MBH 3500 KASSEL
Current assignee: SCHMIDT'SCHE HEISSDAMPF-GESELLSCHAFT MBH 3500 KASSEL
Priority date: 1975-11-14
Filing date: 1975-11-14
Publication date: 1979-05-17
Also published as: DE2551195C3; JPS5344251B2; DD127180A5; DE2551195A1; CS191991B2; JPS52155457A

Description

Die Erfindung betrifft einen Wärmeaustauscher zum Kühlen von Spaltgasen, mit einem Rohrblock aus Doppelrohrelementen, die aus Außenrohrer. zum Führen einer Kühlflüssigkeit und aus koaxial zu diesen angeordneten Innenrohren zum Führen des abzukühlenden Spaltgases bestehen und gaseintrittsseitig mit einer Gasverteilkammer in Verbindung stehen, und mit einem an den Rohrblock anflanschbaren Gaseintrittskopf.

Derartige Wärmeaustauscher werden bei der thermischen Spaltung von gasförmigen und flüssigen Kohlenwasserstoffen zur Gewinnung von Olefinen, wie Äthylen, Propylen, zur Kühlung der dabei entstehenden heißen Spaltgase eingesetzt

Die Weiterentwicklung der modernen Spaltprozesse verlangt Ofenbauformen, welche der Forderung nach extrem kurzen Reaktionszeiten bzw. nach extrem kurzen Verweilzeiten der Prozeßgase in dem Ofen gerecht werden. Durch kurze Reaktionszeiten werden bekanntlich unerwünschte Nebenreaktionen vermieden und somit die Ausbeute an Spaltprodukten wesentlich gesteigert Dies gilt insbesondere für die heute in verstärktem Maße eingesetzten Rohstoffe mit hohem Molekulargewicht wie beispielsweise schweres Naphtha oder Gasöl.

Aus diesem Grunde verwendet man neuerdings Spaltöfen mit extrem kurzer Verweilzeit und entsprechend erhöhter Wärmestromdichte bestehend aus kurzen Spaltrohren mit geringem Durchmesser. Dies erfordert eine große Anzahl von Einzelrohren, welche in Form eines flachen Rohrschirmes durch den langgestreckten Strahlungsraum des Ofens geführt werden.

Wollte man zur Kühlung der entstehenden Spaltgase einen konventionellen Spaltgaskühler der eingangs genannten Art verwenden, dessen Gaseintrittskopf mit einer einzigen Gaseintrittsöffnung versehen ist (siehe DE-OS 22 24 899), so müßte man die Spaltrohre des Ofens durch einen in die Gaseintrittsöffnung des Kühlers mündenden Sammler zusammenführen, der entsprechend der Bauweise des Ofens eine beträchtliche Länge haben müßte. Die Verweilzeit des Spaltgases in diesem Sammler und auch in dem Gaseintrittskopf selbst wäre im Verhältnis zu der Reaktionszeit in den Spaltrohren viel zu groß. Es träten Nachreaktionen ein, welche den Vorteil der kurzen Reaktionszeit im Spaitofen wieder aufhöben.

Das gilt auch für die Spaltgaskühlanlagc nach der DE-AS 20 08 311. Hierbei ist jeder Spaltgas abführenden Leitung des Spaltofens eine Kühlersektion bestehend aus mehreren Einzelkühlern mit einem zylindrischen Rohrblock und einem einzigen Gaseintrittsstutzen zugeordnet. Infolge dieser Anordnung sind zwischen dem Spaltofen und den Kühlern lange Verbindungsleitungen erforderlich, so daß das Spaltgas auch hier nicht sofort, sondern erst nach einer verhältnismäßig langen Verweilzeit in die Kühlrohre einströmen kann.

Zum Stand der Technik gehört ferner ein aus der GB-PS 9 85 128 bekanntgewordener Zwangslaufkessel mit langgestreckten Rohrblöcken, deren Rohre in Sammelrohre münden, die mit mehreren auf ihrer Länge

verteilt angeordneten Gaseintritts- bzw. Gasaustrittsstutzen versehen sind.

Um die vorstehend geschilderten Nachteile zu vermeiden, ist es im Prinzip möglich, die einzelnen Spaltrohre des Ofens direkt mit den Innenrohren der Doppelrohrelemente zu verbinden. Eine solche Spaltgaskühlanlage ist in der DE-OS 23 55 190 schematisch dargestellt. Sie hat aber in der Praxis den großen Nachteil, daß die Anordnung der Doppelrohrelemente genau der Anordnung der Spaltrohre des Ofens entsprechen muß. Dadurch ist es erforderlich, den gesamten Spaltgaskühler von Fall zu Fall in Anpassung ari den jeweiligen Spaltofen neu auszulegen. Außerdem müssen die einzelnen Spalt rohre des Ofens mit den Innenrohren der Doppelrohrelemente verschweißt werden. Das hat zur Folge,-daß eventuelle Reperatur- oder Reinigungsarbeiten an den Kühlelementen nur unter sehr großem Aufwand nach Trennung der Schweißverbindung möglich sind.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, diese Nachteile zu vermeiden und einen für langgestreckte Spaltöfen geeigneten Wärmeaustauscher der eingangs genannten Art zu schaffen, welcher die Erzielung extrem kurzer Verweilzeiten der Spaltgase ermöglicht, ferner eine größere konstruktive Flexibilität gegenüber der Anordnung der Spaltrohre des Ofens bietet und außerdem ermöglicht, die Kühlelemente ohne großen Aufwand herauszulösen und zu entfernen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Rohrblock langgestreckt ausgeführt ist, und daß die Gasverteilkammer im Gaseintrittskopf vorgesehen ist, der wannenförmig ausgebildet ist, sich über die Gesamtlänge des Rohrblocks erstreckt und mit einer Anzahl von auf seiner Längsseite verteilt angeordneten Gaseintrittsstutzen versehen ist.

Der Wärmeaustauscher wird an den Spaltofen durch Verschweißen der Gaseintrittsstutzen mit den gasaustrittsseitigen Enden der Spaltrohre des Ofens angeschlossen. Es muß also nur die Anordnung der Gaseintrittssti'tzen, nicht aber die der Doppelrohrelemente, mit der Anordnung der Spaltrohre übereinstimmen. Auf diese Weise ist es möglich, den Wärmeaustauscher und insbesondere den Rohrblock unabhängiger von der jeweiligen Anordnung der Spaltrohre des Ofens auszugestalten, indem er beispielsweise je nach Bedarf mit einer oder mehreren Doppelrok reihen versehen wird. Andererseits können sehr kurze Verweilzeiten erzielt werden, weil die aus den Spaltröhren strömenden Gase durch die kurzen Gaseintrittsstutzen und die Gasverteilkammer im Gzseintrittskopf sehr schnell in die Innenrohre der Doppelrohrelemente gelangen können. Die gewählte Bauveise bietet außerdem die Möglichkeit, den Rohrblock ohne großen Aufwand durch Lösen der Flanschverbindung mit dem Gaseintrittskopf zu entfernen, wobei dieser an dem Spallofen befestigt bleiben kann.

Um die Verweilzeiten der Spaltgase im Wärmeaustauscher noch mehr zu verkürzen wird ferner vorgeschlagen, den Gaseintrittskopf mit einem wärmeisolierenden Material auszukleiden.

Die Erfindung sieht außerdem vor, daß bei Wärmeaustauschern der eingangs genannten Art, deren Innenrohre gasaustrittsseitig in eine von einem Gasaustrittskopf gebildete Gassammelkammer münden, der Gaseintrittskopf und der Gasaustrittskopf im wesentlichen identisch ausgebildete Gehäuse aufweisen. Hierdurch wird eine VereinfacHng der Fertigung erzielt.

Bei Wärmeaustauschern, deren Doppelrohrelemente an ihren Enden mit Sammelrohren zum Zuführen der Kühlflüssigkeit bzw. zum Abführen des entstehenden Dampf-Flüssigkeits-Gemisches verbunden sind, ist es nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ^r. vorgesehen, daß die Gasverteilkammer und die Gassammelkammer in an sich bekannter Weise von den Sammelrohren begrenzt sind.

Bei Wärmeaustauschern, deren Sammelrohre mit einer Fallverteilerleitung für die Kühlflüssigkeit bzw. in einer Steigsammelleitung für das Dampf-Flüssigkeits-Gemisch verbunden sind, können die Sammelrohre einen ovalen Querschnitt aufweisen und mit der Fallverteilerleitung bzw. der Sleigsammelleilung über auf ihrer Länge verteilt angeordnete Rohrkrümmer ι > verbunden sein, welche auf der von dem Gasaustrittskopf bzw. von dem Gaseintrittskopf abgekehrten Seite der Sammelrohre liegen. Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung können die Sa/nmelrohre einen kreisrunden Querschnitt aufweisen und mit der .»ι Fallverteilerreitung bzw. der Steigsammelleitung über auf ihrer Länge verteilt angeordnete, gerade Rohrstükke verbunden sein, welche quer zui Ebene des Rohrblocks liegen.

Je nach geforderter Kühlleistung kann der Rohrb'ock >. aus einer einfachen oder einer mehrfachen Reihe — insbesondere einer Doppelreihe — von parallel zueinander angeordneten Doppelrohrelementen gebildet sein.

Im folgenden werden zwei Ausführungsbeispiele der i» Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher beschrieben. Es zeigt

Fig. 1 eine Seitenansicht eines ersten Wärmeaustauschers bestehend aus einer Doppelreihe von Doppelrohrelementen mit ovalen Sammelrohren. i> Fig. 2 einen Schnitt durch den Wärmeaustauscher aus Fig. 2 entlang der Linie H-Il.

Fig. 3 einen Querschnitt durch einen zweiten Wärmeaustauscher bestehend aus einer einfachen Reihe von Doppelrohrelementen mit kreisrunden »ι Sammelrohren.

Der in den Fig. 1 und 2 dargestellte Wärmeaustauscher weist einen Rohrblock 1, einen Gaseintrittskopf 2 und einen Gasaustrittskopf 3 auf.

Der Rohrblock 1 setzt sich aus einer langges:reckten ■r> Doppelreihe von parallel zueinander pngeordneten Doppelrohrelementen 4 zusammen. Diese bestehen aus je einem Außenrohr 5 zum Führen von Kühlwasser und je einem koaxial zu ihm angeordneten Innenrohr 6 zum Führen der abzukühlenden Spaltgase. Die ^ußenrohre 5 mi und die Innenrohre 6 sind reihenweise an ihren Enden mit je eii.em geradliniengen ovalen Sammelrohr 7 verbunden. Die Außenrohre 5 münden in den Innenraum er Sammelrohre. Die Innenrohre 6 sind durch die San:me.rohre hindurchgeführt, die in Längsrichtung miteinander verschweißt sind.

Der Gaseintrittskopf 2 und der Gasaustrivtskopf 3 weisen je ein wannenförmiges, halbzylindrisch gewölbtes Gehäuse 8 bzw. 9 mit abgerundeten Enden auf. Beide Gehäuse sind identiirh ausgebildet und erstrecken sich '.<> über die Gesamtlänge des Rohrblocks 1, an dem sie durch eine Flanschverbindung 10 bzw. 11 befestigt sind.

Das Gehäuse 8 des Gaseintrittskopfes 2 ist mit einem feuerfesten und wärmeisolierenden Material 12 ausgekleidet und bildet eine langgestreckte, durchgehende hi Gasverteilkammer 13, velche durch die gaseintrittsseiiigen Sammelrohre 7 begrenzt ist und in welche die gaseintrittsseitigen Enden der Innenrohre 6 münden. Das Gehäuse 9 des Gasaustrittskopfes 3 bildet

seinerseits eine ebenfalls langgestreckte, durchgehende Gassammeikammer 14, welche durch die gasaustrittsseitigen Sammelrohre 7 begrenzt ist und in welche die gasaustrittsseitigen Enden der Innenrohre G münden.

Der Gaseintrittskopf 2 weist außerdem auf seiner Längsseite eine Reihe von am Gehäuse 8 gleichmäßig verteilt angeschweißten Gaseintrittsstutzen 15 auf, deren Zwischenabstände so gewählt sind, daß ihre gaseintrillsseitigcn Enden mit den gasaustrittsseitigen Enden der Spaltrohre des Ofens übereinstimmen.

Der Gasaustrittskopf 3 ist auf seiner Längsseite mit einer Reihe von verteilt angeordneten Gasaustrittsstutzen 16 versehen, die am Gehäuse 9 angeschweißt sind.

Die ovalen Sammelrohre 7 sind gasaustrittsscitig mit je einer Fallverteilerleitung 17 und gaseinlrittsseitig mil je einer Stcigsammelleitung 18 über Rohrkrümmer 19 bzw. 20 verbunden, welche auf der von dem Gasaustrittskopf 3 bzw. von dem Gaseintrittskopf 2 abgekehrten Seite der Sammelrohre 7 liegen. Im Bereich der Rohrkrümmer 19 bzw. 20 sind im Rohrblock 1 die Doppelrohrelcmente 4 ausgespart. Auf diese Weise können die Sammelrohre 7 mit den Fallverteilcrlcitungen 17 bzw. den Steigsammelleitungen 18 unter Umgehung des Gasaustrittskopfes 3 bzw. des Gaseintrittskopfes 2 verbunden werden.

Der Anschluß des beschriebenen Wärmeaustauschers an den nicht dargestellten Spaltofen erfolgt in der Weise, daß die einzelnen Gaseintrittsstutzen 15 mit den einzelnen Spaltrohren des Ofens verschweißt werden.

Die Arbeitsweise des erfindungsgemäßen Wärmeaustauschers ist wie folgt:

Die aus den Spaltrohrcn des Ofens austretenden heißen Spaltgase gelangen sehr schnell durch die kurzen Gaseintrittsstutzen 15 und die verhältnismäßig flache, schmale Gasverteilkammer 13 in die Innenrohre 6 der Doppelrohrelemente 4, und nach Durchströmen derselben werden durch die Gassammeikammer 14, die Gasaustrittsstutzen 16 und eine nicht dargestellte Gassammelleitung abgeführt.

Gleichzeitig suömt Kühlwasser durch die Fallverteilerleitungen 17 und die Rohrkrümmer 19 in die Sammelrohre 7 ein, steigt durch die Außenrohre 5 auf und kühlt dabei die durch die Innenrohre 6 strömenden Spaltgase. Das Kühlwasser verdampft dabei teilweise und es entsteht ein Wasser-Dampf-Gemisch, welches über die gasaustrittsseitigen Sammelrohre 7, die Rohrkrümmer 20 und die Steigsammelleitungen 18 abgeführt wird. Das Wasser-Dampf-Gemisch gelangt in ein nicht dargestelltes Dampftrenngefäß, in dem der Dampfteil vom Kühlwasseranteil abgetrennt wird. Das Kühlwasser fließi dann im Naturumlauf in die Fallverteilerleitungen wieder zurück.

Der in der Fig.3 im Querschnitt dargestellte

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Wärmeaustauscher unterscheidet sich von der Ausführung gemäß den Fig. I und 2 im wesentlichen dadurch, daß der Rohrblock aus einer einfachen Reihe von Doppelrohrelementen besteht und die Sammelrohre einen kreisrunden Querschnitt aufweisen.

Entsprechende Teile sind in beiden Ausführungen mit den gleichen Bezugszahlen versehen. Diese erhalten jedoch bei der Ausführung gemäß der F i g. 3 zusätzlich einen Strich.

Im Unterschied zu der Ausführung gemäß den F i g. I und 2 sind hier die Sammelrohre T nicht oval, sondern mit einem kreisrunden Querschnitt ausgebildet. Die Verbindung zwischen den Sammelrohren 7' und den l'allverlcilcrleilungen 17' bzw. den Stcigsammtllcitungen 18' erfolgt durch gerade Rohrstücke 21. die senkrecht zu der Ebene des Rohrblocks Γ liegen. Diese Ausbildung des Wärmeaustauschers bietet die Möglichkeit, die verbindenden Rohrstückc 21 seitlich herauszuführen, ohne daß einzelne Doppclrohrc an diesen Stellen entfallen müssen. Sonst ist die Ausbildung und Arbeitsweise des Wärmeaustauschers identisch mit der des Wärmeauslauschers nach den F i g. I und 2 und wird daher nicht näher beschrieben.

Wie die beschriebenen Ausführungsbcispielc gemäß den Fig. I und 3 zeigen, wird eine flexible Auslegung des Wärmetauschers mit einer einfachen, doppelten oder mehrlagigen bzw. lückenlosen oder Lücken aufwciser.dcn Reihe von Doppelrohrelemcnten ermöglicht, ohne den Vorteil der extrem kurzen Verweilzeiten der Spaltgase beim Übergang von den Spaltrohren des Ofens zu den Innent-ohren des Wärmeaustauschers zu beeinträchtigen. Darüber hinaus kann der Rohrblock jederzeit mit vergleichsweise geringem Aufwand abgenommen und wieder eingebaut werden. In den beschriebenen Ausführungsbcispielen entspricht die Anordnung der Gaseintrittsslutzen 15 bzw. 15' genau der von den Spaltrohren des Ofens. Es ist aber auch möglich, im Bedarfsfall z. B. die Spaltrohre paarweise zusammenzuführen und jedes Spaltrohrpaar mit einem Gaseintrittsstutzen zu verbinden. Wichtig ist es lediglich dabei, daß die räumliche Anordnung der Spaltrohre und die der Gaseintrittsstutzen nicht wesentlich voneinander differieren.

Der beschriebene Wärmeaustauscher kann auch zur Erleichterung des Transportes und des Ein- und Ausbaus in kürzere, hintereinander angeordnete Einzelkühler aufgeteilt werden.

In den beschriebenen Ausführungsbeispielen wird der Wärmeaustauscher mit heißem Gas von oben beaufschlagt. Er kann aber auch bei entsprechender Anordnung des Gaseintrittskopfes und des Gasaustnttskopfes von unten beaufschlagt werden.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

1 Patentansprüche:

1. Wärmeaustauscher zum Kühlen von Spaltgasen, mit einem Rohrblock aus Doppelrohrelementen, die aus Außenrohren zum Führen einer Kühlflüssigkeit und aus koaxial zu diesen angeordneten Innenrohren zum Führen des abzukühlenden Spaltgases bestehen und gaseintrittsseitig mit einer Gasverteilkammer in Verbindung stehen, und mit einem an den Rohrblock anflanschbaren Gaseintrittskopf, dadurch gekennzeichnet, daß der Rohrblock (1; 1') langgestreckt ausgeführt ist, und daß die Gasverteilkammer (13; 13') im Gaseintrittskopf (2; 2¹) vorgesehen ist, der wannenförmig ausgebildet ist, sich über die Gesamtlänge des Rohrblockes erstreckt und mit einer Anzahl von auf seiner Längsseite verteilt angeordneten Gaseintrittsstutzen (15; IS') versehen ist

2. Wärmeaustauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Gaseintrittskopf (2; 2') mit einem wärnieisolierenden Material (12 bzw. 12') ausgekleidet ist.

3. Wärmeaustauscher nach Anspruch 1 oder 2, dessen Innenrohre gasaustrittsseitig in eine von einem Gasaustrittskopf gebildete Gassammelkammer münden, dadurch gekennzeichnet, daß der Gaseintrittskopf (2; 2') und der-Gasaustrittskopf (3; 3') im wesentlichen identisch ausgebildete Gehäuse (8; 8' bzw. 9; 9') aufweisen.

4. Wärmetauscher nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dessen Doppelrohrelemente an ihren Enden m.c Sammelrohren zum Zuführen der Kühlflüssigkeit bzw. zum AbfC'xen des entstehenden Dampf-Flüssigkcits-C-emisches verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, daö die Γ as Verteilkammer (13; 13') und die Gassammeikammer (14 bzw. 14') in an sich bekannter Weise von den Sammelrohren (7; T) begrenzt sind.

5. Wärmeaustauscher nach Anspruch 4, wobei die Sammelrohre mit einer Fallverteilerleitung für die Kühlflüssigkeit bzw. mit einer Steigsammelleitung für das Dampf-Flüssigkeits-Gemisch verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Sammelrohre (7) einen ovalen Querschnitt aufweisen und mit der Fallverteilerleitung (17) bzw. der Steigsammelleitung (18) über auf ihrer Länge verteilt angeordnete Rohrkrümmer (19 bzw. 20) verbunden sind, welche auf der von dem Gasaustrittskopf (3) bzw. dem Gaseintrittskopf (2) abgekehrten Seite der Sammelrohre liegen.

6. Wärmeaustauscher nach Anspruch 4, wobei die Sammelrohre mit einer Fallverteilerleitung für die Kühlflüssigkeit bzw. mit einer Steigsammelleitung für das Dampf-Flüssigkeits-Gemisch verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Sammelrohre (7') einen kreisrunden Querschnitt aufweisen und mit der Fallverteilerleitung (17') bzw. der Steigsammelleitung (18') über auf ihrer Länge verteilt angeordnete, gerade Rohrstücke (21) verbunden sind, welche quer zur Ebene des Rohrblocks (V) liegen.

7. Wärmeauslauscher nach einem oder mehreren der Ansprüche I bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Rohrblock (V) aus einer einfachen Reihe von parallel zueinander angeordneten Doppelrohrelementen (4') besteht.

8. Wärmeaustauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Rohrblock (1) aus einer mehrfachen Reihe, insbesondere Doppelreihe von parallel zueinander angeordneten Doppelrohrelcmenten (4) besteht