DE3208467A1

DE3208467A1 - Konvektionserhitzer zum erhitzen von fluida, wie z.b. eine aufschlaemmung oder dergleichen

Info

Publication number: DE3208467A1
Application number: DE19823208467
Authority: DE
Inventors: Robert M. 18062 Macungie PA Thorogood
Original assignee: International Coal Refining Co
Current assignee: International Coal Refining Co
Priority date: 1981-05-29
Filing date: 1982-03-09
Publication date: 1982-12-16
Also published as: AU8091582A; GB2100405B; JPS57200488A; GB2100405A; AU541401B2; US4422411A; CA1169000A; ZA821556B

Description

Konvektionserhitzer zum Erhitzen von Fluida, wie z. B. eine Aufschlämmung oder dgl.

Die Erfindung betrifft einen Erhitzer zum Erhitzen von Fluida, wie z. B. eine Aufschlämmung oder dgl..

Bei der Umwandlung von Kohle in synthetische Brennoder Kraftstoffe durch unmittelbare Verflüssigung wird die Kohle mit einem Umlauflösungsmittel vermischt und in einem Drei-Phasen-Reaktor bei Temperaturen im Bereich von 398,89° C (750°F) bis 471,11° C (880° F) und Drücken im Bereich von 68,9476 χ 10⁵ Pa (1000 psi) bis 206,8428 χ 10⁵ Pa (3000 psi) hydriert. Das Verfahren ist allgemein

als SRC-I, Kohleextraktionsverfahren mit Lösungsmitteln mit dem Akronym SRC bekannt. Bei diesem und ähnlichen Verfahren wird Kohle mit einem Lösungsmittel bei niedriger Temperatur (bezeichnenderweise zwischen 65,56° C (150° F) und 232,22° C (450° F)) und Atmosphärendruck vermischt. Die sich ergebende Aufschlämmung wird auf einen hohen Druck (z. B. 172,379 χ 10 Pa (2500 psi)) gepumpt Und wird dann in Wärmetauschern auf eine Temperatur von annähernd

260° C (500° F) vorgeheizt. Diese Temperatur wird 30

so gewählt, daß sie genügend niedrig ist, daß Zersetzung und Reaktion der Kohle noch nicht begonnen hat.

Dann wird Wasserstoffgas hinzugegeben, um eine Drei-Phasen-Mischung zu bilden, die vor ihrem Eintritt in den Reaktionskessel in einem befeuerten

-jtr-

-ί-Erhitzer erhitzt wird. Dieser befeuerte Erhitzer ist ein wichtiger Bestandteil bei der direkten Verflüssigung von Kohle. Wegen des hohen Betriebsdruckes und der hohen Betriebstemperatur und der erosiven/korosiven Natur der Kohlenaufschlämmung sind teure Materialien für die Röhren des befeuerten Erhitzers erforderlich, wodurch diese Einheit zu einem sehr kostenintensiven Teil bei dem Verflüssigungsverfahren wird.

Ferner beginnt die Reaktion des Kohlesystems in dem befeuerten Erhitzer und kann die Koksbildung aus den Kohleprodukten an jedem Ort auf treten, wo sehr hohe Temperaturen herrschen, wie z. B. an der Oberfläche der erhitzten Rohrwand. Die Vermeidung von Koksbildung ist ein wichtiger Punkt bei der Konstruktion, da eine Koksanhäufung schließlich eine Rohrverstopfung hervorrufen wird und kann im extremen Fall zu Rohrwandtemperaturen führen, die ausreichend hoch sind, um das Rohr reißen zu lassen.

Ein Hauptziel der vorliegenden Erfindung ist die Optimierung der Rohrwandtemperatur quer durch den Erhitzer, derart, daß Verkokung auf ein Minimum zurückgeführt wird, während die geringst mögliche Oberfläche verwendet wird, um die Kosten auf ein Minimum zurückzuführen.

Probleme, die bei der Konstruktion eines befeuerten ³^ Erhitzers für den Kohlenaufschlämmungseinsatz berücksichtigt werden müssen, sind:

1. das Blähen und die Zersetzung von Kohle im Lösungsmittel beim Hindurchgehen durch die Temperaturzone von 260° C (500° F) bis 343,33° C (650° F) führen zu einer großen Spitze in der Größe der Kohlenaufschlämmungs-

Viskosität. Diese Region hoher Viskosität, bezeichnet als "Gelregion", hat einen niedrigen Wärmeübertragungskoeffizient. Unmittelbar nach diesem Einlaß und zwischen den Temperaturre- § gionen in dem Erhitzer nimmt der Wärmeübertragungskoeffizient schnell zu. Diese Veränderung in der Wärmeübertragung muß bei der Konstruktion des Erhitzers berücksichtigt werden, während die Möglichkeit der Koksbildung vermieden werden soll.

2. Der Strom einer Aufschlämmung wird vorzugsweise in einer horizontalen Rohranordnung gehandhabt. Dies verhindert die Möglichkeit einer Strömungsblockierung durch Absetzen, das bei senkrech- ten Röhren auftreten kann.

3. Eine Rohrerosion durch die Aufschlämmung muß durch Begrenzen der Strömungsgeschwindigkeiten und Vermeiden scharfer Rohrbiegungen verhindert werden.

Eine Konstruktion eines befeuerten Erhitzers,, der den letzteren beiden Problemen Rechnung trägt, ist in US-PS 4 013 402 beschrieben worden. In diesem Patent ist ein Strahlungserhitzer mit einer Rohranordnung geoffenbart, die den Aufschlämmungsstrom in einer horizontalen Rennbahnanordnung mit Umkehrkrümmern mit großem Radius führt. Diese Anordnung ist nicht ganz zufriedenstellend, da sie unannehmbar hohe Rohrwandtemperaturen im Einlaßtemperaturbereich zwischen 260⁰C (500° F) und 334,33° C (650° F) hervorrufen kann. Die Erhitzergestaltung erzeugt einen maximalen Wärmefluß am Einlaßgebiet des Schlammrohrstranges, wo der innere Wärmeübertragungskoeffizient niedrig ist. Dies könnte zu hohen Schlammfilmtemperaturen und Verkokung in der Kohlengelbildungszone des Erhitzers führen.

Somit berücksichtigt diese vorbekannte Konstruktion nicht die Änderungen der Wärmeübertragungskoeffizienten an der Rohrseite. Wesentliche Änderungen in solchen Wärmeübertragungskoeffizienten sind beim Erhitzen einer Kohlenaufschlämmung der angegebenen Art infolge der Wirkung der Viskositätsänderungen der Aufschlämmung während der Lösungsmitteladsorption durch die Kohle und des Zersetzungsprozesses wahrscheinlich. Wenn daher der Wärmefluß in dem Erhitzer gering gehalten wird, um die Wahrscheinlichkeit einer Koksbildung zu vermeiden, können die oberen Regionen des Erhitzers ein unnötigerweise großes Oberflächengebiet erfordern.

Als Alternative zu dem befeuerten Strahlungserhitzer sind konvektive Konstruktionen bekannt, die den Vorteil, daß eine gleichförmigere Wärmeübertragung zu den Röhren erzielt wird, haben und nicht dem Auftreten von örtlichen Heißzonen in dem Ofen als FoI-ge solcher Probleme,wie Flammeinwirkung,unterworfen sind. Bei einem solchen Konvektionserhitzer werden heiße Abgase von einem Brenner oder Brennern mit rezirkulierten, kühleren Gasen vermischt. Die Gasmischung wird über die Außenseite der Rohrreihe, in welcher die Kohlenaufschlämmung erhitzt wird, geführt. Die abgekühlten Austrittsgase werden dann in zwei Ströme geteilt, ein Teil des Gases wird ins Freie abgeführt, der zweite Teil ergibt die mit den Brennerabgasen zu vermischenden Rezirkulationsgase.

In der Rohrreihe sind einige Stränge mit parallelen Rohren quer zu dem Rauchgasstrom angeordnet. Die in den Rohren strömende Kohlenaufschlämmung hat einen Strömungsverlauf, entweder im Gleichstrom mit oder

Gegenstrom zu den Strömungsgasen. 35

Um bei dieser Art von vorbekanntem Erhitzer eine

-9 -gleichförmige Strömung der Rauchgase zu erhalten, ist es gewöhnlich notwendig, einige Rohrstränge parallel angeordnet zu haben. In Verbindung mit anderen wirtschaftlichen Erwägungen, die eine Zurückführung der Anzahl von Pump- und Rohrkreisen für den Kohlenaufschlämmungsstrom auf ein Minimum erfordern, führt dies dazu, daß solche Erhitzer in erster Linie für sehr hohe Leistungen geeignet sind, z. B. kann nur ein Erhitzer für eine 6000 χ 10 kg/Tag Kohlenverflüssigungsanlage erforderlich sein. Dies kann als Nachteil betrachtet werden, da das Auslastungsvermögen der Anlage durch nur ein Versagen eines Kreises ungünstig beeinflußt werden kann.

Die Gleich- oder Gegenströmungsanordnung ist überaus wirkungsvoll, wenn der Wärmeübertragungskoeffizient für das Verfahrensfluid nur kleine Änderungen im ganzen Erhitzer aufweist. Außerdem ist es durch die Verwendung von sich ändernden Rohrabständen und zusätzlicher Außenfläche (Rippen) möglich, die Wärmeflußverteilung zu optimieren. Wenn sich die Verfahrensfluidwärmeübertragung stark verändert, wie es bei einer Kohlenaufschlämmung der Fall ist, ist eine solche Optimierung nicht durchführbar und der Erhitzer muß im allgemeinen für den geringsten herrschenden Wärmefluß zugeschnitten sein.

Die Erhitzerkonstruktion gemäß der Erfindung ist dafür bestimmt, die oben erörterten Probleme der vorbekannten Erhitzer zu beseitigen. Zu diesem Zweck sind Wärmeflußänderungen auf der befeuerten Seite durch die Verwendung einer Konvektorkunstruktion auf ein Minimum zurückgeführt. Außerdem ist das Temperaturprofil der befeuerten Seite so ge-

wählt, daß die Wahrscheinlichkeit, daß die Schlammfilmtemperatur die Verkokungstemperatur übersteigt

-AO -

I. auf ein Minimum zurückgeführt ist. Darüber hinaus ist die relative Wärmezufuhr zu Zonen des Ofens regelbar. Außerdem erlaubt die erfindungsgemäße Ausführung den Einsatz von zwei 50 %-igen Leistungseinheiten ohne einen großen Kostenaufschlag im Vergleich zu einer einzigen 100 %-igen Einheit.

Kurz dargestellt ist der Konvektionserhitzer gemäß der Erfindung so konstruiert, daß der Rauchgasstrom in zwei parallele Wege über die Schlammrohrstränge geteilt wird. Drei parallele Schlammrohrstränge werden verwendet und sind so angeordnet, daß jeder Rohrstrang in den Erhitzer an einem zentralen Punkt in einem Weg des Rauchgaskreises eintritt und im Gleichstrom zum Rauchgasaustritt verläuft. Der Rohrstrang geht dann zu dem anderen Rauchgasweg hinüber und verläuft im Gegenstrom zu einer Stelle, nahe seines Einlasses. Der Rohrstrang kehrt dann zu dem ersten Rauchgasweg zurück und verläuft im Gleichstrom, um den Erhitzer in der Nähe der Eintrittsstelle zu verlassen.

Die Vorteile der gemischten Strömungsanordnung der Erfindung sind wie folgt:
1. Weniger Fläche ist erforderlich;

2. Niedrigere und gleichmäßigere maximale Filmtemperaturen sind möglich;

3. Eine 2 χ 50 %-ige Leistungsanordnung kann mit

einer minimalen Kostenerhöhung verwendet werden. 30

Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist eine besondere Übergangsanordnung von Umkehrkrümmern für die Rohrstränge bereitgestellt, um eine kompakte Rohranordnung unter Einhaltung eines großen Radiuses für die Umkehrkrümmer zu schaffen. Dies ergibt auch eine gleichmäßigere Temperaturbeziehung zwischen den

drei Rohrsträngen durch den Wechsel des Wärmeübertragungskontaktes zwischen der Kohleaufschlämmung und den verschiedenen Zonen des Rauchgases beim Fortschreiten der Prozeßströme durch den Erhitzer.

Vorbekannte Erhitzerkonstruktionen, die hier berücksichtigt sind, sind solche, die in üS-PSen 1 833 130, 2 514 084, 2 669 099, 2 955 807, 3 258 204, 3 623 549, 4 201 191 und 4 230 177 geoffenbart sind. Diese Patente offenbaren nicht die Erhitzerausführung gemäß der vorliegenden Erfindung, worin der Heizgasstrom eines Konvektionserhitzers in zwei Stromverläufe geteilt ist, wobei der Rohrstrang eine gemischte Gleichstrom/Gegenstromanordnung aufweist.

Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigen:

Fig.1 eine schematische Darstellung eines Kon-

vektionserhitzersystems gemäß der Erfindung,

Fig. 2 eine Seitenansicht eines Konvektionserhitzers gemäß der Erfindung, wobei für Darstellungszwecke Teile weggebrochen sind,

Fig. 3 einen Schnitt entlang der Linie 3-3 in Fig. 2,

Fig. 4 einen Schnitt entlang der Linie 4-4 in Fig. in schematischer Form,

Fig.5 einen Schnitt entlang der Linie 5-5 in Fig. in schematischer Form,

Fig. 6 einen Schnitt entlang der Linie 6-6 in Fig. in schematischer Form,

Fig. 7 einen Schnitt entlang der Linie 7-7 in Fig. in schematischer Form,

Fig. 8 einen Schnitt entlang der Linie 8-8 in Fig. in schematischer Form,

Fig. 9 eine schematische Darstellung der Rohrstränge in dem in den Figuren 2 bis 8 gezeigten Konvektionserhitzer,

Fig. 10 eine Bruchdarstellung einer Wechselumkehrkrümmerkonstruktion ,

Fig. 11 eine Ansicht entlang der Linie 11-11 in Fig- 10,

Fig. 12 ein Diagramm, das die Temperaturprofile in einem Konvektionserhitzer für eine Kohlenauf schlämmung gemäß der Erfindung zeigt,

Fig. 13 ein Diagramm, das typische Wärmeübertragungskoeffizienten für eine SRC-I Kohlenaufschlämmungs/Wasserstoff-Strömung in einem im Durchmesser 0,.2032 m (8 inch) starken Rohr und

Fig. 14 ein Diagramm, das die Beziehung zwischen den Rohrwandtemperaturen und der Schlammtemperatur für befeuerte Erhitzer mit Gleichstromströmung und Gegenstromströmung im Vergleich

zu der gemischten Strömungsanordnung gemäß der Erfindung zeigt.

Der Konvektionserhitzer gemäß der Erfindung weist ein Gehäuse 13 auf, das rechtwinklig im Querschnitt ist und mit einem konischen Einlaß 14 und einem konischen

Auslaß 15 versehen ist. Eine Trennwand 16 innerhalb des. Gehäuses 13 teilt die Heizkaituner zwischen dem Einlaß 14 und dem Auslaß 15 in zwei gleiche Wege 18 und 20 für den Strom der Heizgase ein. Die Trennwand 16 erstreckt sich in den Auslaß 15 hinein, um zwei Auslaßkanäle 21 und 22 zu schaffen, die mit Balanceklappen 23 und 24 in dieser Reihenfolge versehen sind.

Wie in Fig. 1 gezeigt, werden heiße Rauchgase von dem Brennerteil 26 des Erhitzers zum Einlaß 14 mittels des Rohres 28 geführt. Der Brennerteil 26 hat einen geeigneten Brenner 27, der mit Brennstoff und Luft zur Verbrennung, wie in Fig. 1 gezeigt, versorgt wird. Ein Gebläse 30 ist mit seiner Saugseite mit den Auslaßkanälen 21 und 22 durch das Rohr 32 verbunden und teilt seine Ausströmmenge auf, ein Teil wird zu dem Erhitzerkamin 33 abgeführt und der andere Teil strömt zu dem Einlaßende 34 des Erhitzerteiles 26, wie in Fig. 1 gezeigt ist. Die in Fig. 1 gezeigte allgemeine Anordnung zum Zirkulieren von Rauchgasen ist herkömmlich. In Übereinstimmung mit der erfindungsgemäßen Ausführung, strömen die heißen Rauchgase von dem Brennerteil 26 nach oben durch den Einlaß 14 und teilen sich in zwei Heizgasströme, die durch die Wege 18 und 20 und die Auslaßkanäle 21 und 22 unter der regulierenden Wirkung der Balanceklappen 23 und 24 gehen, die den relativen Strom zwischen den Wegen 18 und 20 einstellen. Dies erlaubt eine Änderung in dem Rauchgastemperaturpro-

^O fix und Wärmeübertragungskoeffizient zur Kompensation von Änderungen in der Kohlenaufschlämmungwärmeübertragung.

Leitungsmittel sind für den Strom des zu erhitzenden Prozeßfluids, d. h. der Kohlenaufschlämmung, durch die Heiz(Rauch)gaswege 18 und 20 im Wärmeaustausch

mit dem vom Einlaß 14 zum Auslaß 15 strömenden heißen Rauchgas vorgesehen. Erfindungsgemäß sind diese Leitungsmittel so aufgebaut und angeordnet, daß sie einen Rohrstrang für eine gemischte Strömung schaffen, in welchem das Prozeßfluid in einen der Rauchgaswege 18 an einer Stelle zwischen dem Einlaß 14 und dem Auslaß 15 eintritt, um in Gleichstromrichtung mit den durch diesen Weg 18 strömenden Rauchgase zu einer Stelle nahe des Auslasses 15 zu strömen, an welcher der Rohrstrang in den anderen Rauchgasweg 20 hinübergeht, um dann in Gegenstromrichtung bezüglich der Rauchgasströmung durch diesen anderen Weg 20 zu einer Stelle nahe des Einlasses 14 zu verlaufen, an welcher der Rohrstrang zu dem ersten Weg 18 zurückführt, um in Gleichstromrichtung zu der Eintrittsstelle zu verlaufen, an der der Rohrstrang diesen Weg 18 verläßt.

Zu diesem Zweck sind drei parallele Rohrstränge für eine gemischte Strömung bereitgestellt, von denen jeder in einer schlangenähnlichen Form angeordnete Röhren aufweist, die hin und her quer durch die Heizkammer verlaufen und mit außerhalb des Gehäuses 13 angeordnete Umkehrkrümmer versehen sind. Im einzelnen sind bereitgestellt drei vertikale Stapel 41, 4 2 und 4 3 von quer und horizontal verlaufenden Röhren, die in dem Rauchgasweg 18 angeordnet sind, und drei vertikale Stapel 44, 45 und 46 von quer und horizontal verlaufenden Röhren, die im Rauchgasweg 20 angeordnet sind. Eine Vielzahl von Umkehrkrümmern 51 bis 56 ist zum Verbinden benachbarter querverlaufender Röhren der Stapel 41 bis 4 in dieser Reihenfolge vorgesehen. Die Umkehrkrümmer 51 bis 56 sind so angeordnet, daß die oben beschriebene Mischströmungsanordnung unter Mitwirkung von Ubergangsröhren, die später zu beschreiben sind,

zu bilden. Wie am besten in den Figuren 3, 5 und gezeigt ist, sind die Umkehrkrümmer 51 bis 56 außerhalb des Gehäuses 13 vorgesehen.

Die Aufschlämmung wird in den Rauchgasweg 18 durch die Zuführungsröhren 47, 48 und 4 9 gefördert, die in dieser Reihenfolge mit den Einlaßquerröhren 57, 58 und 59 der Rohrstapel 41, 42 und 43, wie in Pig. gezeigt, verbunden sjjridJDie Einlaßquerröhren 57, 58 und 59 sind entsprechend der Konstruktionscharakteristika des Konvektionserhitzers an einer bestimmten mittleren Stelle in der vertikalen Ausdehnung der Rohrstapel 41, 42 und 43 angeordnet.

Bezugnehmend auf Fig. 6 sind die oberen Querröhren der Stapel 41 bis 46 durch die Ubergangsröhren 61, 62 und 63 untereinander verbunden. Die Übergangsröhre 61 verbindet die oberen Querröhren der Rohrstapel 41 und 46 miteinander. Die Übergangsröhre 62 verbindet die oberen Querröhren der Rohrstapel 42 und 45 miteinander und die Übergangsröhre 63 verbindet die oberen Querröhren der Rohrstapel 43 und 44 miteinander. Durch diese Anordnung sorgen die Ubergangsröhren 61, 62 und 63 für den Transferstrom der Aufschlämmung von dem Rauchgasweg 18 zu dem Rauchgasweg 20.

Bezugnehmend auf Fig. 8 sind die unteren Querröhren der Stapel 41 bis 46 durch die Übergangsröhren 64, ^O 65 _und 66 untereinander verbunden. Die Übergangsröhre 64 verbindet die unteren Querröhren der Rohrstapel 41 und 46 miteinander, die Übergangsröhre 65 verbindet die unteren Querröhren der Rohrstapel 42 und 45 miteinander und die Übergangsröhre 66 verbindet die unteren Querröhren der Rohrstapel 43 und 44 miteinander. Durch diese Anordnung sorgen die

Ubergangsröhren 64, 65 und 66 für den Transferstrom der Aufschlämmung vom Rauchgasweg 20 zum Rauchgasweg 18.

Bezugnehmend auf Fig. 7 wird die Aufschlämmung aus dem Rauchgasweg 18 durch die Auslaßröhren 71, 72 und 73 abgeführt, die mit den Auslaßquerröhren 67, 68 und 69 der Rohrstapel 41, 42 und 43 in dieser Reihenfolge verbunden sind. Auslaßquerröhren 67, 68 und 69 sind unmittelbar unterhalb der Einlaßquerröhren 57, 58 und 59 in dieser Reihenfolge angeordnet.

Die Aufschlämmung strömt· durch die oben beschriebenen drei parallelen Rohrstränge mit Hilfe der Pumpen 77, 78 und 79, die in dieser Reihenfolge mit den Zuführungsröhren 47, 48 und 49, wie in Fig. 2 gezeigt ist, verbunden sind.

Es wird ersichtlich sein, daß die oben beschriebenen parallelen Rohrstränge die Aufschlämmung durch die Rauchgaswege 18 und 20 in einer gemischten Strömungsabfolge,wie durch die Pfeile in den Zeichnungen gezeigt ist, fördern. Somit wird die Aufschläitinung in den Rauchgasweg 18 an einer mittleren Stelle zwisehen dem Einlaß 14 und dem Auslaß 15 mittels der Röhren 47, 48 und 4 9 und Einlaßröhren 57, 57 und 59 eintreten und in Gleichstromrichtung auf schlangenförmigen Wegen durch die Rohrstapel 41, 4 2 und 43 zu ihren oberen Querröhren nahe des Auslasses 15 β® strömen. Die Rohrstränge überführen dann die Aufschlämmung zu dem Rauchgasweg 20 mittels der Ubergangsröhren 61, 62 und 63 und die Aufschlämmung strömt in Gegenstromrichtung in schlangenförmigen Wegen durch die Rohrstapel 44, 45 und 46 zu ihren unteren Querröhren an einer Stelle nahe des Einlasses 14. Die Rohrstränge überführen dann die Aufschlämmung

zurück zu dem Rauchgasweg 18 mittels der Ubergangsröhren 64, 65 und 66 und die Aufschlämmung strömt in Gleichstromrichtung zu den Auslaßquerröhren 67, 68 und 69 nahe der Aufschlämmungseintrittsstelle.

Die Aufschlämmung verläßt dann den Rauchgasweg 18 mittels der Auslaßröhren 71, 72 und 73.

Bezugnehmend auf die Figuren 2, 3 und 4 ist das Gebiet der Heizkammer unmittelbar unterhalb des Auslasses 15 mit einem Rohrstrang 80 für den Durchtritt von heißem öl oder Dampf durch die Heizkammer im Wärmeaustausch mit den Rauchgasen, die durch dieses Auslaßgebiet strömen, versehen. Der Rohrstrang 80 weist ein Einlaßrohr 81 und ein Auslaßrohr 82 und sechs schlangenförmige Rohrstrangteile 84, die parallel angeordnet sind und sich zwischen den Röhren 81 und 82,wie in den Zeichnungen dargestellt, erstrekken, auf.

Außerdem ist das Gebiet der Heizkammer unmittelbar oberhalb des Einlasses 14 mit einem Rohrstrang 90, der dem Rohrstrang 80 ähnlich ist, versehen. Der Rohrstrang 90 sorgt für den Durchtritt von heißem öl oder Dampf durch die Heizkammer im Wärmeaustausch mit den durch dieses Einlaßgebiet strömenden Rauchgasen und weist ein Einlaßrohr 91 und ein Auslaßrohr 92 und sechs schlangenförmige Rohrstrangteile 94 auf, die sich zwischen den Röhren 91 und 92 in paralleler · Anordnung, wie in den Zeichnungen dargestellt, er-

strecken.

Die Rohrstränge 80 und 90 dienen dazu, die Temperatur der Rauchgase an den Einlaß- und Auslaßgebieten des Gehäuses 16 zu regeln. Der Rohrstrang 80 dient dazu, heiße Zonen in dem Rauchgas vor dessen Eintritt in die Wege 18 und 20 zu vermischen und auszuschalten.

Der Rohrstrang 90 vermindert die Temperatur des Rauchgases auf eine Temperatur, die für eine kostengünstige Konstruktion des Rauchgaszirkulationsgebläses

Rauchcases auf eine Temperatur, die für eine kostengünstige Konstruktion des Rauchgaszirkulationsgebläses 30 annehmbar ist. Im Betrieb werden die Rohrstränge 80 und 90 Dampf- oder Heißölkreisläufe enthalten, die für Betriebsmittelerfordernisse im Kohlenverflüssigungsverfahren verwendet werden.

In den Figuren 10 und 11 ist eine abgewandelte Ausführung der Umkehrkrümmer, die sich zwischen den Querröhren der Rohrstapel 41 bis 46 erstrecken, gezeigt. Bei dieser abgewandelten Ausführung kreuzen die Umkehrkrümmer zwischen dem Stapel 41 bis 46 hin und her, so daß jeder Rohrstrang Teile von mindestens zwei der Rohrstränge 41 bis 43 und mindestens zwei der Rohrstränge 44 bis 46 aufweist. Im einzelnen ist vorgesehen, eine Gruppe von Umkehrkrümmem101, die sich zwischen den Querröhren in den Rohrstapeln 41 und 43 erstrecken, eine Gruppe von Umkehrkrümmem 1.02, die sich zwischen den Querröhren in den Rohrstapeln 42 und 41 erstrecken, eine Gruppe von Umkehrkrümmern 103, die sich zwischen den Querröhren in den Rohrstapeln 43 und 42 erstrecken, eine Gruppe von Umkehrkrümmern 104, die sich zwischen den Querröhren in den Rohrstapeln 44 und 46 erstrecken, eine Gruppe von Umkehrkrümmern 105, die sich zwischen den Querröhren in den Rohrstapeln 45 und 4 4 erstrecken und eine Gruppe von Rohrkrümmern 106, die sich zwischen den Querröhren der Rohrstapel 46 und 45 erstrecken. Die Gestaltung und Anordnung der Umkehrkrümmer 101 bis 106 ist in den Figuren 10 und 11 dargestellt.

Die Vorteile der Umkehrkrümmerkonstruktion, die in den Figuren 9 und 10 gezeigt ist, sind, daß (1) die Querröhren eines Rohrstapels bei einem vorqeqebenen

Radius des Umkehrkrümmers enger zusammen angeordnet werden können und (2) die Wirkung der Temperaturänderungen der Rauchgase in der ganzen Querausdehnung der Heizkammer auf ein Minimum zurückgeführt und gleichmäßiger auf die durch die Rohrstränge strömende Aufschlämmung angewandt werden kann.

Ein Beispiel der Temperaturprofile, die in einer Erhitzerkonfiguration gemäß der Erfindung erhalten werden kann, ist in Fig. 12 gezeigt. Der Wärmeübertragungskoeffizient zwischen den Rauchgasen und der Rohrwand w,ird für die Berechnung der Rohrwandtemperatur als konstant angenommen. Der Kohlenschlammwärmeübertragungskoeffizient ändert sich als Funktion der Aufschlämmungstempertur in der Weise, die in Fig. 13 gezeigt ist. Die gezeigten Werte sind für den Strom einer Kohlenaufschlämmung plus Wasserstoff in einem Rohr mit einem 0,2032 m (8 Inches) großen Durchmesser bei SRC-I Verfahrens- bedingungen typisch.

Die errechnete Rohrwandtemperatur ist nochmals in Fig. 14 zum Vergleich mit Wandtemperaturen gezeigt, die auftreten würden, wenn der Erhitzer für eine Gleichstrom- oder Gegenstromströmung der Rauchgase und der Kohlenaufschlämmung bestimmt wäre. Die wichtige Verbesserung ist die erhöhte Gleichmäßigkeit der Wandtemperatur in dem ganzen Erhitzer. Bei Temperaturen oberhalb 454,44° C (850° F) nimmt der

³^ Grad der Koksbildung schnell zu, so daß der Gleichstrom-oder Gegenstomerhitzer häufigeres Abschalten zum Entkoken erfordert, als ein Erhitzer für gemischten Stromverlauf gemäß der vorliegenden Erfindung. Im anderen Falle benötigen die Gleichstrom- oder Gegenstromerhitzer mehr Wärmeübertragungsfläche, um das Verkokungsvermögen so zu begrenzen, daß es

mit der vorliegenden Erfindung gleich ist.

Verständlicherweise können bei den oben beschriebenen bevorzugten Ausführungsformen Änderungen gemacht wer-5 den, ohne daß vom Umfang der Erfindung, wie er durch die folgenden Ansprüche begrenzt ist, abgewichen werden muß.

Claims

': : PATENTANWÄLTE i)R. KADOR & DR. KLUNKER International Coal Refining Company P.O. Box 2752 ALLENTOWN, PA 18001 USA Patentansprüche

1. Konvektionserhitzer zum Erhitzen von Fluida, wie z. B. eine Aufschlämmung oder dgl., gekennzeichnet durch

Mittel (13), die eine Heizkammer mit einem Einlaß (14) an einem Ende und einem Auslaß (15) an ihrem anderen Ende begrenzen,

. ,Mittel (16) , die diese Kammer in zwei Heizgasströmungswege (18, 20) teilen, wodurch Heizgase,

die von dem Einlaß (14) zu dem Auslaß (15) strömen, in zwei Heizgasströme geteilt werden, und

Leitungsmittel (41 bis 46, 51 bis 56, 61 bis 66, 101 bis 106) für den Strom des zu erhitzenden

Fluids durch die Heizkammer im Wärmeaustausch mit den von dem Einlaß (14) zum Auslaß (15) strömenden Heizgase,

wobei die Leitungsmittel so gestaltet und angeordnet sind, daß ein Rohrstrang für gemischten Strömungsverlauf geschaffen wird, in welchem das zu erhitzende Fluid in einen der Heizgasströme (18) an einer Stelle zwischen dem Einlaß (14) und dem Auslaß (15) eintritt, um in Gleichstromrichtung mit den Heizgasen durch den einen Weg (18) zu einer Stelle nahe des Auslasses (15) zu strömen, an

welcher der Rohrstrang zu dem anderen Heizgasweg (20) hinübergeht, um dann in Gegenstromrichtung bezüglich des Heizgases durch den anderen Weg (20) zu einer Stelle nahe des Einlasses (14) zu verlaufen, an der der Rohrstrang wieder zu dem einen Weg (18) zurückgeht, um in Gleichstromrichtung zu der Eintrittstelle zu verlaufen, an der der Rohrstrang diesen einen Weg (18) verläßt.

2. Konvektionserhitzer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Leitungsmittel drei parallele Rohrstränge für gemischten Strömungsverlauf aufweisen.

3. Konvektionserhitzer nach Anspruch 2, dadurch gekennze ichnet, daß jeder Rohrstrang in schlangenähnlicher Form angeordnete Röhren aufweist, die hin und her quer durch die Heizkammer verlaufen, wenn das zu erhitzende Fluid im Gleichstrom und im Gegenstrom strömt.

4. Konvektionserhitzer nach Anspruch 3, dadurch gekennze ichnet, daß die Schlangenanordnung der Röhren Umkehrkrümmer (51 bis 56, 101 bis

106) aufweist, die außerhalb der Heizkammer angeordnet sind.

5. Konvektionserhitzer nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Rohrstränge drei Stapel (41 bis 46) von quer verlaufenden Röhren, die sich entlang jedem der Heizgasströmungswege (18, 20) erstrecken und im wesentlichen parallel zueinander angeordnet sind, um einen inneren Rohrstapel (43, 44), einen mittleren Rohrstapel (42, 45) und einen äußeren Rohrstapel (41, 46) zu schaffen, aufweisen, wobei aufeinanderfolgende Umkehrkrümmer für einen der Rohr-

stränge zwischen den Querröhren, die in den äußeren und inneren Rohrstapeln angeordnet sind, in einem Zug verlaufen, aufeinanderfolgende Umkehrkrümmer für einen weiteren der Rohrstränge zwischen den

g Querröhren der inneren und mittleren Rohrstapel verlaufen und aufeinanderfolgende Umkehrkrümmer für den anderen der Rohrstränge zwischen den Querröhren der mittleren und äußeren Rohrstapel verlaufen.

6. Konvektionserhitzer nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch Mittel (21, 22) zum Regulieren des Stromes durch jeden der Heizgasströmungswege.

7. Konvektionserhitzer nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Rohrstränge drei parallele Rohrstapel (41 bis 43 bzw. 44 bis 46) in jedem der Wege (18 bzw. 20) aufweisen, wobei die Umkehrkrümmer (101 bis 106) so angeordnet sind, daß si^e zwischen den Stapeln hin- und herkreuzen, so daß jeder Rohrstrang Teile von mindestens zwei der Rohrstapel umfaßt.

8. Konvektionserhitzer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Leitungsmittel eine Vielzahl von parallelen Rohrsträngen für gemischten Strömungsverlauf aufweisen, die in schlangenähnlicher Form angeordnete Rohren aufweisen, die hin und her quer durch die Heizkammer verlaufen, wenn das zu erhitzende Fluid in den Gleichstrom- und Gegenstromströmungswegen strömt, wobei die Schlangenanordnung der Röhren Umkehrkrümmer (101 bis 106) aufweist, die außerhalb der Heizkammer angeordnet sind, wobei die Rohrstränge eine Vielzahl von parallelen Stapeln (41 bis 46) von Röhren in jedem der Wege (18, 20) aufweisen, wobei die Umkehrkrümmer (101 bis 106)

so angeordnet sind, daß sie zwischen den Stapeln hin- und herkreuzen, so daß jeder Rohrstrang Teile von mindestens zwei der Rohrstapel umfaßt.

9. Konvektionserhitzer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Teilungsmittel (16) die Kammer in zwei gleiche Heizgasströmungswege (18, 20) teilen.

10. Konvektionserhitzer nach Anspruch 9, gekennzeichnet durch Mittel (21, 22) zum Regulieren des Stromes durch jeden der Heizgasströmungswege (18, 20)