DE3913731A1 - Waermetauscher zum kuehlen von spaltgas - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft einen Wärmetauscher zum Kühlen von Spaltgas mit
den Merkmalen des Oberbegriffes des Anspruches 1.
Das durch eine thermische Spaltung von Kohlenwasserstoffen unter Zusatz
von Wasserdampf erzeugte Spaltgas ist ein Gemisch aus
Kohlenwasserstoffen unterschiedlichen Molekulargewichts und
Partialdrucks. Dieses Spaltgas muß zur Stabilisierung seiner molekularen
Zusammensetzung sehr schnell von etwa 800 bis 900 Grad C auf 600 bis
650 Grad C abgekühlt werden. Das Abkühlen des Spaltgases erfolgt durch
indirekte Wärmeübertragung von dem Spaltgas an das als wärmeaufnehmendes
Medium dienende, verdampfende Wasser. Um dabei die hohe
Abkühlungsgeschwindigkeit einzuhalten, muß das Spaltgas die
Wärmetauscherrohre mit hoher Geschwindigkeit durchströmen. Die weitere
Abkühlung des Spaltgases von 600 bis 650 Grad C auf 450 bis 380 Grad C
je nach Einsatzstoff wird zur Wärmerückgewinnung durchgeführt und hat
nur einen geringen Einfluß auf die Qualität des Spaltgases. Diese
nachfolgende Abkühlung kann bei geringeren Strömungsgeschwindigkeiten
durchgeführt werden.
Außer einer ausreichend hohen Abkühlgeschwindigkeit hat auch der
gasseitige Druck in den Rohren des Spaltgasofens und des Spaltgaskühlers
einen Einfluß auf die Qualität des erzeugten Spaltgases. So führt
ein niedriger Druckverlust im Spaltgaskühler zu einem niedrigeren
Druck im Spaltgasofen, was die Ausbeute an Äthylen erhöht. In der
Praxis wird daher eine Optimierung zwischen Strömungsgeschwindigkeit
und Druckverlust im strömenden Spaltgas angestrebt.
Als Spaltgaskühler werden Rohrbündelwärmetauscher eingesetzt, die das
Gas in einem Zug von 800 Grad C auf 400 Grad C abkühlen. Dabei wird
in den Wärmetauscherrohren eine entsprechend niedrige
Strömungsgeschwindigkeit eingehalten. Ein solcher Wärmetauscher ist
zwar einfach im Aufbau, jedoch könnte zumindest im Eingangsteil die
Abkühlgeschwindigkeit im Hinblick auf die Stabilisierung der
gewünschten Spaltgaszusammensetzung zu niedrig sein.
Es sind auch zweistufige Wärmetauschersysteme bekannt, die meist als
Einrohrkühler ausgebildet sind und die das Spaltgas bei einer höheren
Strömungsgeschwindigkeit von 800 Grad C auf 500 Grad C kühlen. Diesen
Kühlern wird ein separater Wärmetauscher nachgeschaltet, in dem das
Spaltgas auf 400 Grad C bei geringerer Strömungsgeschwindigkeit
gekühlt wird. Ein solches Wärmetauschersystem erhöht den apparativen
Aufwand beträchtlich.
Schließlich ist die Verschmutzungsneigung der Wärmetauscherrohre zu
beachten, die druck- und temperaturabhängig ist. Eine solche
Verschmutzung tritt auf, wenn es im Bereich der niedrigeren
Temperaturen durch eine Unterschreitung der vom Partialdruck
abhängigen Kondensationstemperatur einzelner Spaltgaskomponenten zu
deren Abscheidung an der Rohrinnenwand kommt. Es baut sich eine
sogenannte Koksschicht auf, die den Strömungswiderstand und damit den
Druck erhöht. Die Gastemperatur am Gasaustrittsende steigt an, und
die Dampferzeugung wird geringer. Nach einer gewissen Betriebszeit
muß daher der Spaltgaskühler zur Beseitigung der Koksschicht außer
Betrieb genommen werden.
Um den Aufbau einer Koksschicht zu verlangsamen, ist es bekannt, die
Rohrwandtemperatur nicht unter die Kondensationstemperatur der
Spaltgaskomponenten sinken zu lassen. Das geschieht zum Beispiel
durch eine zweistufige Kühlung, bei der im Eingangsteil verdampfendes
Wasser und im Ausgangsteil oder in einer getrennten Apparatur
Wasserdampf als Wärmeaustauschmedium verwendet wird (DE-PS 36 43 801).
Es ist ferner bekannt, die Kühlwirkung im Ausgangsteil des
Spaltgaskühlers dadurch zu verringern, daß die Wärmetauscherrohre
am Gasaustrittsende von einer Hülse umgeben sind, die von einer
begrenzten Menge an verdampfendem Wasser durchströmt ist
(DE-PS 37 15 713).
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den gattungsgemäßen
Wärmetauscher zum Kühlen von Spaltgas derart zu gestalten, daß
einerseits die apparative Einfachheit einer Einstufenkühlung
beibehalten wird und daß andererseits die Vorteile einer
Zweistufenkühlung mit variablen Strömungsgeschwindigkeiten ausgenutzt
werden können.
Diese Aufgabe wird bei einem gattungsgemäßen Wärmetauscher
erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruches 1
gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den
Unteransprüchen angegeben.
Bei diesem Wärmetauscher kann im Eingangsteil aufgrund des geringeren
Rohrdurchmessers eine für die schnelle Abkühlung des Spaltgases
notwendige hohe Strömungsgeschwindigkeit eingestellt werden. Im
gasaustrittsseitigen Teil wird der Aufbau einer Koksschicht zugelassen,
die jedoch aufgrund des größeren Rohrdurchmessers den Betrieb des
Spaltgaskühlers weniger stark beeinträchtigt. Wegen des größeren
Rohrdurchmessers steigen im Vergleich zu einem engeren Rohr der
Strömungswiderstand und die Gasaustrittstemperatur weniger stark an.
Als erwünschter Nebeneffekt wird durch die Verlangsamung der
Strömungsgeschwindigkeit in dem konischen Rohrabschnitt ein Teil des
statisches Druckes des Spaltgases zurückgewonnen.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt
und wird im folgenden näher erläutert. Die Zeichnung stellt
schematisch den Längsschnitt durch einen Wärmetauscher dar.
Der dargestellte Wärmetauscher ist einem Spaltgasofen nachgeschaltet
und dient der Abkühlung des erzeugten Spaltgases. Der Wärmetauscher
enthält ein Bündel von Wärmetauscherrohren 1, von denen aus Gründen der
Übersichtlichkeit nur zwei gezeigt sind. Die Wärmetauscherrohre 1 sind
an den Enden in je einen Rohrboden 2, 3 eingesetzt. Die Rohrböden 2, 3
sind mit einem Mantel 4 verbunden, der das Bündel der Wärmetauscherrohre
1 umschließt. Der Mantel 4 ist mit einem Zuführungsstutzen 5 und einem
Abführungsstutzen 6 versehen, über den ein Wärmeaustauschmedium in den
Innenraum des Mantels 4 zugeführt und aus diesem abgeführt wird. Als
Wärmeaustauschmedium dient verdampfendes Wasser.
Die Wärmetauscherrohre 1 verbinden eine Gaseintrittskammer 7 mit einer
Gasaustrittskammer 8, die durch eine Haube 9 und jeweils einen der
Rohrböden 2, 3 begrenzt sind. Der Gaseintrittskammer 7 wird das in dem
Spaltgasofen erzeugte Spaltgas zugeführt.
Jedes Wärmetauscherrohr 1 weist zwei Rohrabschnitte 10, 11 auf, die
durch einen Konus 12 miteinander verbunden sind. Der Konuswinkel
beträgt vorzugsweise 6 bis 8 Grad. Der Durchmesser des der
Gaseintrittskammer 7 zugewandten Rohrabschnittes 10 ist geringer als
der Durchmesser des Rohrabschnittes 11 auf der Gasaustrittsseite. Der
Durchmesser des Rohrabschnittes 10 kann zum Beispiel 31 oder 38 mm
und der Durchmesser des Rohrabschnittes 11 kann 42 bzw. 48 oder 51 mm
betragen. Bei einer Wanddicke der Wärmetauscherrohre 1 von 3 oder
5 mm ergibt sich bei dem gewählten Beispiel eine Vergrößerung der
Fläche des lichten Rohrquerschnittes von 1 zu 1,6 bis 1,8. Allgemein
sollte die Querschnittsvergrößerung zwischen 1 zu 1,5 bis 2,0 liegen.
Claims (3)
1. Wärmetauscher zum Kühlen von Spaltgas mit einem Bündel von
Wärmetauscherrohren (1), die von dem Spaltgas durchströmt, an
ihren Enden in Rohrböden (2, 3) gehalten und von einem Mantel (4)
umgeben sind, der zusammen mit den Rohrböden (2, 3) einen mit
verdampfendem Wasser gefüllten Innenraum umschließt, dadurch
gekennzeichnet, daß jedes Wärmetauscherrohr (1) zwei Rohrabschnitte
(10, 11) unterschiedlichen Durchmessers aufweist, die über einen
Konus (12) ineinander übergehen, und daß der Rohrabschnitt (11)
mit dem größeren Durchmesser am gasaustrittsseitigen Ende des
Wärmetauscherrohres (1) vorgesehen ist.
2. Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das
Verhältnis der Querschnittsflächen der Rohrabschnitte (10, 11)
1 zu 1,5 bis 2,0, vorzugsweise 1 zu 1,6 bis 1,8 beträgt.
3. Wärmetauscher nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß
der Konuswinkel des Konus (12) 6 bis 8 Grad beträgt.
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