DE69320127T2

DE69320127T2 - Verfahren zum Betreiben eines integrierten Thermosiphonwärmeaustauschers

Info

Publication number: DE69320127T2
Application number: DE69320127T
Authority: DE
Inventors: Otto Hugo Houston Texas 77077 Hoegberg
Original assignee: MW Kellogg Co
Current assignee: MW Kellogg Co
Priority date: 1992-09-25
Filing date: 1993-08-26
Publication date: 1998-12-10
Anticipated expiration: 2013-08-27
Also published as: EP0589230B1; DE69320127D1; EP0589230A1; US5303769A

Description

Bereich der Erfindung

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Zufuhr von Reboilerwärme zu einer Fraktionierkolonne, indem zur Erhitzung eines rohrseitigen Fluids mittels einer Mehrzahl von heißen mantelseitigen Fluiden eine integrierte Wärmeaustauschvorrichtung verwendet wird. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Zufuhr von Reboilerwärme zu einer Fraktionierkolonne, indem für eine Fraktionierkolonne ein vertikaler integrierter Thermosiphonreboiler verwendet wird, umfassend eine Mehrzahl vertikaler Rohre, die in einem in Kammern unterteilten integrierten Mantel zur Aufnahme mehrerer mantelseitiger Wärmeaustauschfluide angeordnet sind.

Hintergrund der Erfindung

Ein Thermosiphonreboiler kann bei bestimmten Gelegenheiten zur Einsparung von Pumpkosten bei einer Fraktionierkolonne verwendet werden. Der Reboiler bildet einen hydraulischen Schenkel und die Kolonne einen anderen in einem U-färmigen "Siphon"-Netzwerk. Da der Dampfrückstrom die Kopfhöhe des Reboilerschenkels absenkt, wird vom Fraktionierer hydraulisch zusätzliche Flüssigkeit zugeführt, um ein Kopfgleichgewicht zwischen den Schenkein beizubehalten. Solche Thermosiphonreboiler sind in der Technik gut bekannt.
Thermosiphonreboiler werden gewöhnlich bei Herstellungsprozessen bei einer Reihe von Destillationstürmen verwendet. Verstärkte Anstrengungen zur Verbesserung der Energieeffizienz bei den Prozessen haben in einigen Fällen eine Hinzufügung von mehreren, parallel zu einer gewöhnlichen Versorgungsleitung verlegten getrennten Rebollern zur Folge gehabt, so daß verschiedene unterschiedliche heiße Prozeß- und/oder Nutzströme als Heizfluide verwendet werden können, indem jeder der heißen Ströme einem getrennen Reboiler zugeführt wird. Daher hängt die Reboilerflußrate durch jeden der einzelnen Reboiler von einer komplizierten Auflösung der Kopfdifferentiale in jedem parallelen Schenkel ab. Man kann erkennen, daß sorgfältig ausgeglichene Rohresysteme und komplexe Durchflußregelungen verwendet werden müssen, um einen entsprechenden Strom durch jeden Reboiler beizubehalten, wenn sich die Prozeßbedingungen ändern. Trotzdem können weiterhin häufig Durchflußstörung und Startschwierigkeiten vorkommen. Es ist daher wünschenswert, die Rohrleitung und die Komplexitäten der Steuerung wie auch die Möglichkeit für eine Prozeßstörung wegen Strömungsungeichgewichten durch Integrieren separater Wärmeaustauscher in eine einzige Einheit zu reduzieren.
Das U.S. Patent 5,048,601 von Yamaguchi et al. beschreibt einen Rährenreaktor mit Mantel, umfassend ein Gefäß, das wenigstens einen dazwischenhegenden Rohrboden aufweist, der das Innere des Gefäßes in wenigstens zwei Kammern unterteilt, die unterschiedliche Temperaturen haben.
Das U.S. Patent 5,037,955 von Dighton et al. beschreibt einen mit einem einzigen Durchgang versehenen horizontalen Röhrenwärmeaustauscher mit Mantel, der aus drei Abschnitten besteht, welche unabhängig beheizt werden können.
Das U.S. Patent 3,832,289 von Kays et al. beschreibt einen Vorwärmer zur Verwendung in einem Multieffekt-Destillationssystem, umfassend ein Gehäuse, das eine Mehrzahl von Kammern mit einem Rohrleitungsmittel aufweist, das sich axial durch jede der Kammern erstreckt.
Das U.S. Patent 2,204,447 von Samans beschreibt eine kompakte katalytische Reaktorvorrichtung, um überall im Körper des Katalysators einen einheitlichen Wärmeaustausch sicherzustellen. Die Vorrichtung weist einen Mantel auf, der in eine Mehrzahl von zylindrischen Abschnitten eingeteilt ist, die ein Rohrbündel mit Katalysator in den Räumen zwischen den Rohre umgeben.
Das U.S. Patent 2,132,150 beschreibt ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Kontaktherstellung flüssiger Phasen, wobei die Kontaktzone Füllkörperelemente umfaßt, welche in getrennten Ummantelungen abgesondert werden können.
Das U.S. Patent 4,778,003 beschreibt einen Thermosiphonreboiler-Wärmeaustauscher, umfassend ein Rohrebündel und eine einzelne mantelseitige Kammer, wobei ein heiß-abgestreiftes Lösungsmittel als das Heizmedium verwendet wird.
Die JP-A-6054702 beschreibt einen vertikalen Rohrdünnfilmverdampfer, der in der Lage ist, eine Lösung zu konzentrieren und zu verdampfen. Ein vertikaler Wärmeaustauscher vom Mantel- und Röhrentyp, der eine Mehrzahl von Verdampfungsrohren und mehrere mantelseitige Abschnitte umfaßt, wird dazu verwendet, eine Lösung zu konzentrieren und zu verdampfen, ohne eine Verschlechterung der Lösung zu bewirken.

Zusammenfassung der Erfindung

Ein Fraktionierkolonnenthermosiphonreboiler zur Verdampfung einer rohrseitigen Flüssigkeit durch mehrere heiße mantelseitige Fluide integriert mehrere Stand der Technik-Reboiler in einer einzigen Einheit, um die Betriebszuverlässigkeit zu steigern und die Kapitalkosten zu reduzieren. Zusätzlich wird ein komplexes Rohrnetz und früher benötigte Durchflußregelkreise zur Sicherstellung ausgeglichener Strömungen beseitig.
Die vorliegende Erfindung stellt ein Verfahren zur Zufuhr von Reboilerwärme zu einer Fraktionierkolonne mittels einer Mehrzahl von heißen Fluidströmen bereit, wie in Anspruch 1 beansprucht.
Bei der vorliegenden Erfindung kann eine integrierte Wärmeaustauschvorrichtung zur Erhitzung eines rohrseitigen Fluids mittels einer Mehrzahl von heißen mantelseitigen Fluiden verwendet werden.
Die Vorrichtung umfaßt einen Mantel und eine Mehrzahl von Rohren, die sich vertikal durch den Mantel in Fluidverbindung mit oberen und unteren Kopfstücken an beiden Enden davon erstrecken. Eine Thermosiphonbeschickungsleitung von einem Thermosiphonbeschickungsreservoir zum unteren Kopfstück stellt einen Prozeßbeschickung für die Rohre bereit. Eine Flüssigdampfrückleitung vom oberen Kopfstück zum Reservoir leitet die teilweise verdampfte Beschickung zum Beschickungsreservoir zurück, um den Thermosiphonkreislauf zu vervollständigen. Obere und untere Rohrböden greifen zwischen dem Mantel und den oberen bzw. unteren Kopfstücken dichtend an die Rohre an. Wenigstens ein dazwischenliegender Rohrboden greift dichtend an die Rohre an und ist zwischen den unteren und oberen Rohrböden angeordnet, um eine Mehrzahl mantelseitiger Kammern auszubilden. Eine Heißfluid-Zuführ- und -Rückleitung für jede der Kammern zirkuliert das heiße Fluid da hindurch, um das roh rseitige Fluid zu erhitzen und zu verdampfen. Das heiße Fluid in einem oder mehreren der Kammern umfaßt einen Überkopfdampf einer Fraktionierkolonne, um wenigstens einen Teil der Rückstromkondensate für die Kolonne zur Verfügung zu stellen und das heiße Fluid in wenigstens einer der Kammern ist Dampf zur Prozeßsteuerung.
Bei der vorliegenden Erfindung kann auch eine verbesserte Fraktionierkolonnenthermosiphonreboilervorrichtung verwendet werden, wobei eine Beschickkung von der Kolonne zum erneuten Aufkochen durch eine Mehrzahl heißer Fluidströme erhitzt und - teilweise verdampft - zur Kolonne zurückgeleitet wird. Die Verbesserung umfaßt einen integrierten vertikalen Mantel- und Röhrenwärmetauscher, der eine entsprechende Mehrzahl getrennter Kammern in dem Mantel zur Zirkulation eines heißen Fluidstroms durch jede Kammer im Wärmeaustausch mit dem Fluid in den Rohre aufweist, die sich vertikal da hindurch erstrecken.

Kurze Beschreibung der Figur

Die Figur zeigt eine schematische Ansicht des integrierten vertikalen Reboilers der vorliegenden Erfindung.

Detaillierte Beschreibung der Erfindung

Ein Fraktionierkolonnen-Thermosiphonreboiler, der vereinigte Rohre und einen in Kammern unterteilten Mantel besitzt, vereinigt mehrere in einem Stand der Technik-Netzwerk verwendete Reboiler in einer einzigen Wärmeaustauschvorrichtung. Durch Beseitigen eines Potentials für ein Flußungleichgewicht zwischen Reboilern im Netzwerk, reduziert der vorliegende integrierte Reboiler die Kapitalkosten und verbessert die Prozeßzuverlässigkeit.
Bezugnehmend auf die Figur ist ein integrierter Thermosiphonreboiler 10, der eine Mantel- und Rohrbauweise aufweist, benachbart einem Thermosiphonbeschickungsreservoir, wie etwa z.B. einer Fraktionierkolonne 12, die einen Boden 1 3 aufweist, vertikal angeordnet dargestellt. Der Reboiler 1 liefert nachgekochten Dampf für die Fraktionierkolonne 1 2. Der Reboiler 10 hat eine Einiaßleitung 14, um flüssige Beschickung von der Kolonne 1 2 hindurchzu leiten und eine Flüssigdampfauslaßleitung 16, um Reboilerdampf V und eine Flüssigkeit L.zur Kolonne 12 zurückzuleiten. In dem Reboiler 10 wird flüssige Beschickung, der durch die rohrseitigen Rohre 18 strömt, durch Wärmeübertragung mit einer Mehrzahl heißer mantelseitiger Fluide teilweise verdampft.
Der Reboiler 10 umfaßt einen Mantel 20 einschließlich eines unteren Kopfstücks 22, das eine Einlaufleitung 24 aufweist, und eines oberen Kopfstücks 26, das eine Auslaßleitung 28 aufweist. Durch die Leitung 14 strömende flüssige Beschickung wird in dem unteren Kopfstück 22 gesammelt und unter den Rohre 18 verteilt. Wie üblich, sind die Rohre 18 durch einen unteren Rohrboden 30 und einen oberen Rohrboden 32 gebündelt. Der untere Rohrboden 30 ist in dem unteren Kopfstück 22 dicht aufgenommen und der obere Rohrboden ist in dem oberen Kopfstück 26 dicht aufgenommen, um für die Beschickungsflüssigkeit einen rohrseitigen Durchgang durch die Rohre 18 bereitzustellen. Der von den Rohre 18 durchgelassene Flüssigdampfstrom wird in dem Kopfstück 26 für die Rückleitung in der Leitung 16 zur Kolonne 12 gesammelt.
In der vorliegenden Vorrichtung umfaßt der Mantel 20 auch einen oder mehrere dazwischenliegende Roh rböden, die dichtend an die Rohre 18 angreifen und eine Innenwand des Mantels 20 ist von den unteren und oberen Rohrböden 30, 32 vertikal beabstandet. Auf eine solche Weise definieren die dazwischenliegenden Rohrböden Kammern um eine Außenfläche der Rohre 18 in dem Mantel 20. Wie in der Figur gezeigt, begrenzen ein Paar dazwischenliegende Rohrböden 34a, 34b die Kammern 36a, 36b, 36c.
Die Kammern 36a, 36b, 36c haben jeweils eine Einlaßleitung 38a, 38b, 38c, um ein heißes mantelseitiges Heizfluid aufzunehmen, welches entweder gasförmig oder flüssig sein kann, eine Auslaßrohrleitung 40a, 40b, 40c, um einen Auslaß für das durch den Wärmeaustauschprozeß gekühlte und/oder kondensierte Heizfluid bereitzustellen und um einen Durchgang 42a, 42b, 42c für das Heizfluid zu begrenzen. Die Durchgänge 42a, 42b, 42c haben vorzugsweise einen oder mehrere übliche Ablenkplatten 44, um einen angemessenen Kontakt mit den Außenflächen der Rohre 1 8 sicherzustellen, wie es aus dem Stand der Technik bekannt ist und um eine unerwünschte Kanalbildung zu verhindern. Das Heizfluid wird durch die Durchgänge 42a, 42b, 42c vorzugsweise im Gegenstrom auf eine übliche Art und Weise zirkuliert.
Jede Kammer 36a, 36b, 36c ist vorzugsweise mit einer Außenkammer 46a, 46b, 46c versehen, die eine daran befestigte Einlaßrohrleitung 38a, 38b, 38c aufweist und einen ringförmigen Kanal 48a, 48b, 48c begrenzen, der eine ringförmige Öffnung 50a, 50b, 50c aufweist. Die Außenkammer 46a, 46b, 46c dient vorzugsweise als ein Dampfverteilungsgürtel für das heiße mantelseitige Fluid und als ein Dehnungsausgleicher, um verschiedene Dehnungen zwischen den Rohren 18 und dem Mantel 20 aufzunehmen. Die Gestaltung der äußeren Kammern 46a, 46b, 46c kann aus mechanischen und hydraulischen Gesichtspunkten heraus bestimmt werden.
Wie vorangehend erwähnt, ist das Heizfluid in jeder Kammer 36a, 36b, 36c verschieden. Verschiedene Prozeß- und/oder Nutzströme können abhängig von üblichen Gestaltungskriterien verwendet werden. Bei der vorliegenden Vorrichtung besteht das Heizfluid in einer oder mehrerer der Kammern 36a, 36b, 36c aus einem Prozeßdampf, der z.B. von einem oberen Boden oder einem Überkopfstrom einer Fraktionierkolonne genommen wird, um wenigstens einen Teil eines Rückflußkondensats für die Kolonne bereitzustellen. Das Heizfluid in wenigstens einer der Kammern 36a, 36b, 36c ist Dampf für Prozeßsteuerungszwecke.
Als ein praktischer Aspekt der Gestaltung kann die Dichtung, die durch den dazwischenliegenden Rohrboden zwischen benachbarten Kammern gebildet ist, weniger rigoros sein, wenn in benachbarten Kammern ähnliche Heizfluidarten verwendet werden. Während drei Kammern dargestellt sind, können so viele Kammern wie gewünscht oder nur zwei verwendet werden.

Claims

1. Verfahren zur Zufuhr von Rebojlerwärme zu einer Fraktionierkolonne (12) mittels einer Mehrzahl von heißen Fluidströmen, umfassend die Schritte von:

(a) Zuführen von Flüssigkeit durch ein Thermosiphonzirkulationssystem von der Kolonne zu einem unteren Kopfstück (22) eines integrierten vertikalen Mantel- und Röhrenthermosiphonreboilers (10);

(b) Leiten der Flüssigkeit vom unteren Kopfstück (22) in eine Mehrzahl von Rohren (18), welche sich vom unteren Kopfstück (22) aus nach oben zu einem oberen Kopfstück (26) erstrecken, wobei die Rohre (18) durch einen Mantel (20) hindurchgeführt werden, der in eine Mehrzahl von Kammern (36a, 36b, 36c) getrennt ist, die durch einen Rohrboden (34a, 34b) gebildet sind, der zwischen jeder benachbarten Kammer (36a, 36b, 36c) angeordnet ist;

(c) Zirkulieren eines heißen Fluids durch jede Kammer (36a, 36b, 36c), um die Flüssigkeit in den Rohren (18) zu erhitzen und teilweise zu verdampfen, wobei das heiße Fluid in einer oder mehrerer der Kammern (36a, 36b, 36c) einen Überkopfdampf von einer Fraktionierkolonne umfaßt, um wenigstens einen Teil des Rückflußkondensats für die Kolonne bereitzustellen und wobei das heiße Fluid in wenigstens einer der Kammern (36a, 36b, 36c) Dampf für die Prozeßsteuerung ist;

(d) Sammeln des teilweise verdampften Fluids von den Rohren (18) im oberen Kopfstück (26); und

(e) Zuführen des teilweise verdampften Fluids vom oberen Kopfstück zu der Fraktionierkolonne (12).

2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der zirkulierende Strom des heißen Fluids gegenläufig zum Strom in den Rohren (18) ist.