DE2903466A1 - Waermetauscher - Google Patents

Waermetauscher

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DE2903466A1 DE19792903466 DE2903466A DE2903466A1 DE 2903466 A1 DE2903466 A1 DE 2903466A1 DE 19792903466 DE19792903466 DE 19792903466 DE 2903466 A DE2903466 A DE 2903466A DE 2903466 A1 DE2903466 A1 DE 2903466A1
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Description

  • Wärmetauscher
  • Die Erfindung betrifft einen Wärmetauscher für zwei Fluide mit in einem geschlossenen zylindrischen Behälter verlaufenden Rohren zur Führung des ersten Fluids, bei dem der Außenraum um die Rohre zur Aufnahme des zweiten Fluids vorgesehen ist, die Rohre vom Deckel des Behälters aus in der Nähe der Behälterwand in Richtung Behälterboden, von dort zur Behälterachse hin und innerhalb der äußeren Rohrabschnitte zum Deckel zurückverlaufen und an beiden Enden in durch den Behälterdeckel nach auBen geführte Sammelrohre münden, die äußeren und inneren Abschnitte der Rohre durch einen Mantel voneinander getrennt sind, der an seiner Unterseite gegen den Behälterinnenraum offen und an seiner Oberseite dicht mit einem konzentrisch um das innere Sammelrohr angeordneten zweiten Rohr zur Durchführung des zweiten Fluids durch den Deckel verbunden ist, und bei dem konzentrisch unter Bildung von Ringräumen um die äußeren Sammelrohre für das erste Fluid und/oder um das zweite Rohr jeweils weitere Rohre angeordnet sind, die mit dem ringfdrmigen Teilraum zwischen Mantel und Behälterwand in Verbindung stehen, wobei die um die äußeren Sammelrohre für das erste Fluid angeordneten weiteren Rohre als Durchführungen für das zweite Fluid ausgebildet sind, nach Patentanmeldung P 28 30 225.2.
  • Der in der genannten Patentanmeldung beschriebene Wärmetauscher eignet sich aufgrund seiner Konstruktion besonders für den Einsatz bei hohem Druck im Hochtemperaturbereich.
  • Es ist ein entscheidendes Merkmal des Wärmetauschers, daß dle Zu- und Abführungen am heißen Ende des WErmetauschers möglichst kleine Abmessungen und einen berechenbaren Spannungsverlauf aufweisen Es hat sich jedoch gezeigt daß der beschriebene Wärmetauscher hinsichtlich seiner Einsatzmöglichkeiten beschränkt ist, da zum einen durch die Größe des WErmetauschers die Größenordnung der Menge der wärmetauschenden Fluide festgelegt list, und zum anderen die Anzahl der verwendbaren Fluide wegen der schlechten Zugänglichkeit vor allem der äußeren Rohrwicklungen des Wärmetauschers zu Reinigungszwecken auf "saubereti Fluide beschränkt ist, dh. auf Fluide, die nur wenig Rückstände im Wärmetauscher hinterlassen.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Wärmetauscher der eingangs genannten Art zu entwickeln, der sich durch eine Erweiterung seines technischen Anwendungsbereiches auszeichnet Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Behälterboden des Wärmetauschers eine verschließbare Oeffnung aufweist.
  • Durch die erfindungsgemäße Öffnung Im Boden kann eine Verbindung zwischen dem Mantelraum des Wärmetauschers und dem Außenraum hergestellt werden Da der Behälterboden auf einer: erheblich niedrigeren Temperatur als das heiße Ende des Wärmetauschers liegt und in diesem Sinn kein kritisches Bauteil darstellt, läßt sich das Anbringen einer Öffnung in diesem Bereich mit den Sicherheitsanforderungen in Einklang bringen.
  • Die erfindungsgemäße Öffnung erfüllt zweierlei Funktionen, die sich beide als vorteilhaft zur Lösung der gestellten Aufgabe erweisen. Erstens können Verunreinigungen, die von dem abzukühlenden Fluid in den Wärmetauscher eingetragen werden und sich dort absetzen oder die bei chemischen Reaktionen im Wärmetauscher entstehen, durch die Bodenöffnung aus dem Wärmetauscher entfernt werden. Zweitens kann die erfindungsgemäße Offnung dazu benutzt werden, um ein kaltes Fluid zuzuführen oder ein abgekühltes Fluid abzuführen. Bei diesem Betrieb wird die ZufUhrungs- bzw. Abführungsöffnung:-im Deckel des Wärmetauschers verschlossen. Der Strömungsweg des mantelseitigen Fluids wird auf diese Weise um die Hälfte verkürzt und ein Teillastbetrieb des Wärmetauschers ermöglicht.
  • Um rohrseitig eine optimale Wärmeübertragung zu ermöglichen, ist bei einer vorteilhaften Weiterbildung des Erfindungsgegenstandes zwischen der Behälterwand und den äußeren Rohrabschnitten eine parallel zu den äußeren..Rohrabschnitten geschaltete Kühlwicklung vorgesehen und sind die Sammelrohre für die äußeren Rohrabschnitte über eine abschließbare Kurzschlußleitung mit dem Sammelrohr der inneren Rohrabschnitte verbunden, wobei sowohl die Kühlwicklung als auch die ZufUhrung zu den äußeren Rohrabschnitten unabhängig voneinander abschließbar ist. Je nach der Stellung der Absperrventile werden die inneren und die äußeren Rohrabschnitte entweder in derselben oder in umgekehrter Richtung durchflossen, so daß in den äußeren Rohrabschnitten die Strömungsrichtung den jeweiligen Betriebsbedingungen angepaßt werden kann.
  • Sollen in dem Wärmetauscher exotherme Reaktionen durchgeführt werden, so ist es zweckmäßig, wenn der Behälter mit einer Schüttung aus Katalysatormaterial gefüllt ist.
  • In vorteilhafter Weise ist bei einer Modifikation des Erfindungsgegenstandes mit Abstand zum Behälterboden eine den Behälterquerschnitt Uberspannende, mit Gasdurchtrittsöffnungen versehene Platte angebracht.
  • Um auch Verunreinigungen, die sich innerhalb des Mantels zwischen den inneren und den äußeren Rohrabschnitten ansammeln, entfernen zu können, sowie um die Rohrwicklungen zu Inspektionszwecken zugänglich zu machen und zum Auswechseln der Schüttung ist es günstig, wenn gemäß einer weiteren Ausgestaltung des Erfindungsgegenstandes zur Zuführung des zweiten Fluids ein einziges, konzentrisch um das zweite Rohr angeordnet es weiteres Rohr vorgesehen ist, das im wesentlichen denselben Durchmesser wie der Mantel aufweist, wobei die mit den äußeren Rohrabschnitten verbundenen Sammelrohre durch das einzige weitere Rohr aus dem Behälter geführt sind. Dadurch, daß das weitere Rohr denselben Durchmesser wie der Mantel aufweist, kann die gesamte Innenwicklung des Wärmetauschers aus dem Mantel gezogen werden, ohne daß der Deckel des Wärmetauschers beschädigt werden müßte.
  • Bei herausgezogener Innenwicklung läßt sich außerdem die Schüttung im Raum zwischen Mantel und Behälterwand auswechseln.
  • Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des Erfindungsgegenstandes ist auch die Zuführung für die KUhlwicklung durch das einzige weitere Rohr aus dem Behälter geführt.
  • Gemäß einer bevorzugten Modifikation des Erfindungsgegenstandes sind im Bereich des Eintritts und/oder des Austritts des zweiten Fluids innerhalb des Behälters Filter vorgesehen, um Fluide, die Verunreinigungen enthalten, zu reinigen. Da die Filter erfindungsgemäß innerhalb des Wärmetauschers angeordnet sind, können auch Fluide, die Staubteilchen, Ruß oder ähnliche Verunreinigungen enthalten, für den Wärmetausch verwendet werden, ohne daß externe Hochtemperatur- und Hochdruckbauteile vonnöten sind.
  • Um bei der Verwendung von Verunreinigungen enthaltenden Fluiden auf der Mantelseite Ablagerungen von den äußeren Rohrwicklungen entfernen zu können, ist gemäß einer Weiterbildung des Erfindungsgegenstandes der Mantel als Korb ausgebildet.
  • Nach Herausziehen der inneren Rohrwicklung können die.Ablagerungen durch die Korböffnungen hindurch abgekratzt werden.
  • Zur Abdichtung des Mantels und um ein Hinterströmen der Rohrwicklungen zu verhindern, sind um die inneren Rohrabschnitte sowie an der Innenseite des als Korb ausgebildeten Mantels und/oder an der Außenseite der Kühlwicklung Dichthemden vorgesehen, die mit dem Mantel bzw. mit der.Behälterwand verbunden sind.
  • Der erfindungsgemäße Wärmetauscher ist besonders zur Verwendung als Reaktor bei der Methansynthese geeignet. Hierbei wird Kohlenmonoxid und Wasserstoff mantelseitig in den Wärmetauscher eingeleitet und reagiert dort unter Anwesenheit nickelhaltiger Katalysatoren in einer stark exothermen Reaktion zu Methan gemäß der Gleichung CO + 3 H2 CH4 + H20 + 49,3 kcal/Mol CO Weitere Einzelheiten der Erfindung werden anhand eines schematisch dargestellten Ausführungsbeispiels beschrieben.
  • Hierbei zeigt die Figur einen erfindungsgemäßen Wärmetauscher.
  • Der erfindungsgemäße Wärmetauscher wird am Beispiel der Methansynthese aus Kohlenmonoxid und Wasserstoff beschrieben.
  • In einem zylindrischen Behälter 1 befinden sich zwei konzentrische Rohrwicklungen, wobei die inneren Abschnitte 3 der Rohre um ein Kernrohr 2, die äußeren Abschnitte 4 der Rohre um einen Mantel 5 gewickelt sind. Der Mantel 5 ist zw eckmäßigerweise als Korb ausgebildet, der auf einem Stützring 5a befestigt ist, um eine Zugangsmöglichkeit zu den äußeren Rohrabschnitten 4 zu schaffen Die Rohrabschnitte 3, 4 sind an ihrer Unterseite zu einem fortlaufenden Strömungsweg verbunden. Die freien Enden der Wicklungen münden in Sammelrohre 6, 7, die aus dem Behälter 1 geführt sind. Der Raum innerhalb des Mantels 5 steht über ein konzentrisch zum inneren Sammelrohr 6 angeordnetes zweites Rohr 8, das dicht mit dem Mantel 5 verbunden ist und einen kleineren Durchmesser als dieser aufweist, mit dem Außenraum In Verbindung. Der Ringraum zwischen Mantel 5 und Behälterwand ist Ueber ein weiteres Rohr 9 mit im Außenraum verbunden. Die Verbindung Dae Verbindung wird durch Öffnungen 10 hergestellt. Wie in der linken Hälfte von Figur 1 schematisch dargestellt ist, dienen die Öffnungen 10 gleichzeitig zur Durchführung der Sammelrohre 7 sowie der Speiserohre 11 für die weiter unten beschriebene KUhlwicitlung 13. Grundsätzlich ist es auch möglich, die Rohre 7 und 11 außerhalb des weiteren Rohres 9 aus dem Behälter zu £ en. Aus Sicherheitsgründen wegen der im Wärmetauscher herrschenden Temperaturen und Drücke werden jedoch unnötige Schweißnähte nach Möglichkeit vermieden. Da das weitere Rohr 9 im wesentlichen denselben Durchmesser Durchmesser aufweist wie der Mantel 5, kann die gesamte innere Rohrwicklung zur Revision o.ä.
  • durch Lösen der Flanschenverbundung 13 aus dem Behälter 1 gezogen werden.
  • Der Übergang vom weiteren Rohr 9 zum heißen Ende des Wärmetauschers Ist gekühlt, um die Wärmeleitung in diesem Bereich zu reduzieren (Kühlwicklung 12). Zwischen der äußeren Wicklung und der Behälterwand ist eine Kühlwicklung 14 vorgesehen, die parallel zur äußeren Wicklung geschaltet ist. Mit Absperrventilen 15 und 16 sind die Zuführung zur Kühlwicklung ï4 und die Zuführung zur äußeren Rohrwicklung unabhängig voneinander absperrbar. Eine Bypass-Leitung 17 mit einem Ab- sperrventil 18 verbindet die Zuführungsleitung zu den äußeren Rohrabschnitten 4 mit der Abführungsleitung der inneren Rohrabschnitte 3. Die inneren Rohrabschnitte sind mit einem Dichthemd 19 umgeben, das ein Hinterströmen der Wicklung verhindert. Der Raum innerhalb des als Korb ausgebildeten Mantels 5 ist durch ein Dichthemd 20 vom Ringraum zwischen Mantel 5 und Behälterwand abgedichtet. Zwischen der Kühlwicklung 14 und der Behälterwand ist ebenfalls ein Dichthemd 21 vorgesehen. Eine Dichtlippe 34 dichtet den Ringspalt zwischen Stützring 5a und Dichthemd 19 ab.
  • Mit Abstand zum Behälterboden ist eine Platte 22 angeordnet, die mit Gasdurchtrittsöffnungen 35 versehen ist, von denen in der Figur nur eine dargestellt ist. Die Platte 22 dient als Stützkonstruktion für eine in den Wärmetauscher eingefüllte Katalysatorschüttung. Für die Methanisierung wird zweckmäßigerweise ein Nickelgranulat als Katalysator verwendet. Um ein Durchfallen des Katalysators durch die Gasdurchtrittsöffnungen zu verhindern, sind die Offnungen mit einem engmaschigen Sieb 33 verschlossen.
  • Je nach den Betriebsbedingungen sind im Ausström- und/oder Einströmquerschnitt des mantelseitigen Fluids Filter 24, 25 angeordnet, um Verunreinigungen zurückzuhalten.
  • Erfindungsgemäß ist im Boden des Wärmetauschers eine verschließbare Offnung 23 vorgesehen. Die Öffnung 23 erfüllt zum einen den Zweck, daß Verunreinigungen, die unterhalb der Platte 22 am Boden des Behälters 1 ausgeschieden werden, bei Bedarf durch Öffnen des Ventils 26 entfernt werden können; zum anderen ermöglicht die Öffnung 23 einen Teillastbetrieb des Wärmetauschers.
  • Bei Vollastbetrieb ist die Öffnung 23 mit Ventil 26 verschlossen, während die Einlaßöffnung für das mantelseitige Fluid geöffnet ist (Ventil 27). Über Leitung 28 wird dem Wärmetauscher Kohlenmonoxid und Wasserstoff zugeführt, im Filter 25 gereinigt und gelangt über die Öffnungen 10 in den Ringraum zwischen Mantel 5 und Behälterauflenwand. Unter Anwesenheit der Katalysatorschüttung entsteht Methan und Wasser. Die Reaktionswärme wird von dem In den Rohren fließenden Kühlfluid, z.B. Wasser, das über Leitung 31 zugeführt wird, aufgenommen. Das Methan strömt durch die Platte 22, wie durch die Pfeile 29 schematisch angedeutet ist, in den innerhalb des Mantels 5 gelegenen Raum, wo noch nicht umgesetztes Kohlenmonoxid und Wasserstoff zu Methan reagieren, und verläßt den Wärmetauscher schließlich, nachdem durch die innere Rohrwieklung 3 weitere Wärme abgeführt wurde, über das Sammelrohr 8 (Pfeil 32). Im Methan enthaltene Verunreinigungen werden vom Filter 24 zurückgehalten.
  • Bei Teillastbetrieb des Wärmetauschers ist Ventil 27 geschlossen und Ventil 26 geöffnet. Das mantelseitige Fluid wird dem Wärmetauscher über Stutzen 23 zugeführt und strömt nur innerhalb des Mantels 5 nach oben. Auf diese Weise ist sein Strömungsweg um die Hälfte verkürzt.
  • Grundsätzlich ist sowohl bei Telllast- als auch bei Vollastbetrieb eine umgekehrte Strömungsrichtung für das mantelseitige Fluid möglich. Eine solche wird immer dann gewählt werden, wenn das mantelseitige Fluid dem Wärmetauscher in heißem Zustand zugeführt wird. Um die konstruktiven Vorteile des erfindungsgemäßen Wärmetauschers voll ausnützen zu können muß darauf geachtet werden, daß sich das heiße Ende des Wärmetauschers bei 30 befindet.
  • -Das rohrseitig geführte Kühlfluid kann, um eine den jeweiligen Betriebsbedingungen optimal angepaßte Wärmeübertragung zu gewährleisten, Je nach der Stellung der Ventile 15, 16 und 18 in der äußeren Wicklung 4 von oben nach unten oder von unten nach oben geführt sein. Im einen Fall ist Ventil 16 geschlossen, die Ventile 15 und 18 sind geöffnet. Das KUhlfluid strömt dann über die Kühlwicklung 14 nach unten und in der inneren und äußeren Wicklung 3, 4 parallel nach oben, wobei das in der äußeren Wicklung 4 strömende Fluid dem in der inneren Wicklung 3 strömenden über Leitung 17 wieder zugeführt wird. Im anderenFall ist Ventil 18 geschlossen und die Ventile 15 und 16 sind geöffnet. Jetzt strömt das Kühlfluid in der äußeren Wicklung 4 nach unten und in der inneren Wicklung 3 nach oben.
  • Im erfindungsgemäßen Wärmetauscher herrschen bei der isothermen Methansynthese (isotherm bezieht sich auf das Verdampfen des Kühlwassers) folgende Betriebstemperaturen und -drUcke: Druck des mantelseitigen Gases 30 bar Temperatur des mantelseitigen Gases 800 K Druck des rohrseitigen Wasserdampfes 100 bar Temperatur des rohrseitigen Wasserdampfes 600 K

Claims (10)

  1. Patentansprüche 9 Wärmetauscher filr zwei Fluide mit in einem geschlossenen zylindrischen Behälter verlaufenden Rohren zur Führung des ersten Fluids, bei dem der Außenraum um die Rohre zur Aufnahme des zweiten Fluids vorgesehen list, die Rohre vom Deckel des Behälters aus in der Nähe der 3ehE1-terwand in Richtung Behälterboden, von dort zur Behälterachse hin und innerhalb der äußeren Rohrabschnitte zum Deckel zurückverlaufen und an beiden Enden in durch den Behälter deckel nach außen gefUhrte Sammelrohre münden, die äußeren und inneren Abschnitte der Rohre durch einen Mantel voneinander getrennt sind, der an seiner Unterseite gegen den Behälter innenraum offen und an seiner Oberseite dicht mit einem konzentrisch um das innere Sammelrohr angeordneten zweiten Rohr zur Durchfübrung des zweiten Fluids durch den Deckel verbunden ist, und bei dem konzentrisch unter Bildung von Ringräumen um die äußeren Sammelrohre für das erste Fluid und/oder um das zweite Rohr jeweils weitere Rohre angeordnet sind, die mit dem ringförmigen Keilraum zwischen Mantel und BehElterwand in Verbindung stehen, wobei die um die äußeren Sammelrohre für das erste Fluid angeordneten weiteren Rohre als Durchführungen für das zweite Fluid ausgebile det sind, nach Patentanmeldung P 28 3O 225.2, dadurch gekennzeichnet, daß der Behälterboden eine verschließbare Offnung (23) aufweist.
  2. 2. Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Behälterwand und den äußeren Rohrabschnitten (4) eine parallel zu den äußeren Rohrabschnitten (4) geschaltete Kühlwicklung (14) vorgesehen ist und die Sammelrohre (7) für die äußeren Rohrabschnitte (4) über eine abschließbare Kurzschlußleitung (17) mit dem Sammelrohr (6) der inneren Rohrabschnitte (3) verbunden sind, wobei sowohl die Kühlwicklung (14) als auch die Zuführung (7) zu den äußeren Rohrabschnitten (4) unabhängig voneinander abschließbar ist.
  3. 3. Wärmetauscher nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Behälter mit einer Schüttung aus Katalysatormaterial gefüllt ist.
  4. 4. Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß mit Abstand zum Behälterboden eine den Behälterquerschnitt überspannende, mit Gasdurchtrittsöffnungen (35) versehene Platte (22) angebracht ist.
  5. 5. Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß zur Zuführung des zweiten Fluids ein einziges, konzentrisch um das zweite Rohr angeordnetes weiteres Rohr (9) vorgesehen ist, das im wesentlichen denselben Durchmesser wle der Mantel (5) aufweist, wobei die mit den äußeren Rohrabschnitten (4)- verbundenen Sammelrohre (7) durch das einzige weitere Rohr (9) aus dem Behälter (1) geführt sind.
  6. 6. Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß auch die Zuführung (11) für die KUhlwicklung (14) durch das einzige weitere Rohr (9) aus dem Behälter (l) geführt ist.
  7. 7. Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß am Eintritt und/oder am Austritt des zweiten Fluids innerhalb des Behälters Filter (24,25) vorgesehen sind.
  8. 8. Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Mantel (5) als Korb ausgebildet ist.
  9. 9. Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß um die inneren Rohrabschnitte (3) sowie an der Innenseite des als Korb ausgebildeten Mantels (5) und/oder an der Außenwand der Kühlwicklung (14) Dichthemden (19,20,21) vorgesehen sind, die mit dem Mantel (5) bzw. mit der Behälterwand verbunden sind.
  10. 10. Verwendung eines Wärmetauschers nach einem der Ansprüche 1 bis 9 als Reaktor bei der Methansynthese.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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WO2008009357A1 (de) * 2006-07-20 2008-01-24 Linde Aktiengesellschaft Stoff- oder wärmeaustauscherkolonne mit übereinander angeordneten stoff- bzw. wärmeaustauscherbereichen wie rohrbündeln

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WO2008009357A1 (de) * 2006-07-20 2008-01-24 Linde Aktiengesellschaft Stoff- oder wärmeaustauscherkolonne mit übereinander angeordneten stoff- bzw. wärmeaustauscherbereichen wie rohrbündeln
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