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Gebiet der Erfindung:
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Die vorliegende Erfindung betrifft
ein Verfahren zum Reduzieren der Verschmutzung einer Wärmeaustauscheroberfläche durch
Ruß und
sie betrifft einen Wärmeaustauscher
zum Übertragen
der Wärme
aus einem Rußfluidstrom
auf einen zweiten Fluidstrom.
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Hintergrund:
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Ruße werden üblicherweise in einem Reaktor
vom Furnace-Typ durch Pyrolyse eines Kohlenwasserstoffausgangsmaterials
mit heißen
Verbrennungsgasen erzeugt, wobei Verbrennungsprodukte erzeugt werden,
die partikulären
Ruß enthalten.
Eine Vielzahl von Verfahren zur Herstellung von Rußen sind
allgemein bekannt.
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In einem Typ eines Ruß-Furnace-Reaktors,
wie er beispielsweise im US-Patent Nr. 3,401,020 von Kester et al.
oder im US-Patent Nr. 2,785,964 von Pollok, im Folgenden als "Kester"
bzw. "Pollok" bezeichnet, beschrieben ist, werden ein Brennstoff,
vorzugsweise ein kohlenwasserstoffhaltiger und ein Oxydationsmittel, vorzugsweise
Luft, in eine erste Zone eingespritzt und reagieren unter Bildung
heißer
Verbrennungsgase. Ein Kohlenwasserstoffausgangsmaterial in entweder
gasförmiger,
dampfförmiger
oder flüssiger
Form wird ebenfalls in die erste Zone eingespritzt, worauf die Pyrolyse
des Kohlenwasserstoffausgangsmaterials beginnt. In diesem Fall wird
als Pyrolyse die thermische Zersetzung eines Kohlenwasserstoffes
bezeichnet. Das erhaltene Verbrennungsgasgemisch, in dem die Pyrolyse
stattfindet, wird dann in eine Reaktionszone geleitet, in der die Reaktion
der Rußbildung
beendet wird.
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In einem anderen Typ Furnace-Ruß-Reaktor
wird ein flüssiger
oder gasförmiger
Brennstoff mit einem Oxydationsmittel, vorzugsweise Luft, in der
ersten Zone unter Bildung heißer
Verbrennungsgase umgesetzt. Diese heißen Verbrennungsgase passieren
von der ersten Zone stromabwärts
durch den Reaktor in eine Reaktionszone und über diese hinaus. Um Ruße zu erzeugen
wird ein kohlenwasserstoffhaltiges Ausgangsmaterial an einem oder
mehreren Punkten in den Weg bzw. Verlauf des Stroms des heißen Verbrennungsgases eingespritzt.
Das kohlenwasserstoffhaltige Ausgangsmaterial kann flüssig, gasförmig oder
dampfförmig
sein und kann gleich sein mit oder verschieden sein von dem Brennstoff,
der zur Bildung des Verbrennungsgasstroms verwendet wird. Üblicherweise
ist das kohlenwasserstoffhaltige Ausgangsmaterial ein Kohlenwasserstoff-Öl oder Erdgas,
es sind jedoch auch andere kohlenwasserstoffhaltige Ausgangsmaterialien
wie Acetylen in der Technik bekannt. Die erste (oder Verbrennungs-)
Zone und die Reaktionszone können
durch einen Choke oder eine Zone mit eingeschränktem Durchmesser, dessen Querschnitt
kleiner ist als die Verbrennungszone oder die Reaktionszone, unterteilt
sein. Das Ausgangsmaterial kann in den Weg des heißen Verbrennungsgases
stromaufwärts,
stromabwärts
und/oder in der verjüngten
Durchmesserzone injiziert werden. Ruß-Furnace-Reaktoren dieses
Typs sind allgemein beschrieben im US-Patent Reissue Nr. 28,974
und im US-Patent Nr. 3,922,335.
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In den üblicherweise bekannten Reaktoren
und Verfahren weisen die heißen
Verbrennungsgase eine Temperatur auf, die ausreicht, um die Pyrolyse
des in den Verbrennungsgasstrom eingespritzten kohlenwasserstoffhaltigen
Ausgangsmaterials zu bewirken. In einem Reaktortyp, wie er beispielsweise
bei Kester beschrieben wird, wird das Ausgangsmaterial an einer
oder mehreren Stellen in dieselbe Zone eingespritzt, in der die
Verbrennungsgase gebildet werden. Bei anderen Reaktortypen oder
Verfahren findet das Einspritzen des Ausgangsmaterials an einer
oder mehreren Stellen statt, nachdem der Verbrennungsgasstrom gebildet worden
ist. Da der Strom heißer
Verbrennungsgase kontinuierlich stromabwärts durch den Reaktor fließt, findet
in jedem Reaktortyp kontinuierlich Pyrolyse statt, da das Gemisch
aus Ausgangsmaterial und Verbrennungsgasen durch die Reaktionszone
hindurchströmt.
Nachdem Ruße
gebildet worden sind, die die gewünschten Eigenschaften aufweisen,
wird die Temperatur des Effluens auf eine Temperatur herabgesenkt,
so dass die Pyrolyse gestoppt wird, wodurch die weitere Produktion
von Rußen
angehalten wird.
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Nachdem die Pyrolyse gestoppt ist,
strömt
der rußhaltige
Strom üblicherweise
durch einen Wärmeaustauscher,
um das Gemisch weiter abzukühlen.
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Ein Nachteil vieler Wärmeaustauscher,
die bei Bußherstellungsverfahren
eingesetzt werden, ist es, dass die Verbrennungsluft-Wärmeaustauscher
in verschmutztem Zustand betrieben werden. Die Verschmutzung tritt
dadurch ein, dass sich Ruß und
andere Ablagerungen auf der Wärmeaustauscheroberfläche bilden, insbesondere
der inneren Wärmeaustauscheroberfläche, die
mit dem rußhaltigen
Strom in Kontakt kommt.
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Die Verschmutzung von Wärmeaustauscheroberflächen in
Bußverfahren
ist häufig
zyklischer Natur. Auf einen Zeitraum allmählicher Verschmutzung kann
ein schnellerer Schmutzabbau folgen, auf den wiederum ein weiterer
Zeitraum der Verschmutzung folgt usw. Die Verschmutzung von Wärmeaustauscheroberflächen in
einem Verfahren zur Bußherstellung
kann zu einer Reihe von Problemen führen, einschließlich:
weniger
wirksamer Wärmeaustausch,
der zu niedrigeren Luftaustrittstemperaturen (geringere Luftvorerwärmung) und
somit zu niedrigeren Rußausbeuten
und Herstellungsraten führt,
weniger
wirksamer Wärmeaustausch,
wodurch höhere
Eintrittstemperaturen für
den Rußstrom
erforderlich werden, um eine gewünschte
Luftaustrittstemperatur zu erreichen, wodurch die Beanspruchung,
der das Wärmeaustauschermaterial
ausgesetzt ist, erhöht
wird;
Weniger wirksamer Wärmetransfer,
was zu Abweichungen in der Luftaustrittstemperatur führt, was
zu Abweichungen in der Rußmorphologie
führt;
ein
Anstieg im Wärmeaustauscherdruckabfall,
der zu niedrigeren Produktionsraten und größerer Beanspruchung der Wärmeaustauschermaterialien
führen
kann;
mögliche
Beschädigungen
der Vorrichtung;
und die Tendenz der Ablagerungen, mit der
Zeit auf der Wärmeaustauscheroberfläche zu erhärten, was
dazu führt,
dass es möglich
wird, dass die verhärteten
Ablagerungen wieder in den Rußstrom
eintreten und dabei das Rußprodukt
kontaminieren.
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US-Patent Nr. 4 558 734 betrifft
einen Wärmeaustauscher,
bei dem Dampf im Gegenfluß zu
dem zu erwärmenden
Fluid eingeleitet wird und die Temperaturdifferenz zwischen dem
Dampf und dem zu behandelnden Fluid so gering wie möglich gehalten
wird, um das Auftreten von Ablagerungen und Niederschlägen in dem Fluid,
das erwärmt
wird, zu reduzieren.
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Das deutsche Patent Veröffentlichungs-Nr.
1 293 521 betrifft ein Verfahren zum Regeln der Temperatur von phosphatierenden
Bädern,
wobei eine phosphatierende Flüssigkeit
im Gegenfluß zu
dem Erwärmungsmittel
geleitet wird und eine geringe Temperaturdifferenz zwischen der
phosphatierenden Flüssigkeit
und dem erwärmenden
Mittel aufrecht erhalten wird, um zu verhindern, dass die phosphatierende
Flüssigkeit
auf den erwärmenden
Oberflächen
auskristallisiert.
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Das britische Patent Nr. 1 596 615
betrifft einen Wärmeaustauscher
für einen
gas- oder ölbeheizten Heißwasserbereiter,
bei dem zwei Abteile der Hauptwasserleitungen im Inneren von allgemein
oval geformten Heißwasserrohren
verlaufen. Diese Anordnung führt
zu einer größeren Wärmeübertragungsoberfläche, einem turbulenten
Heißwasserfluß und einer
geringen Temperaturdifferenz zwischen den Heiß- und Kaltwasserströmen.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Es wurde nun gefunden, dass die Verschmutzung
einer Wärmeaustauscheroberfläche in einem
Wärmeaustauscher
reduziert oder minimiert werden kann, indem eine Temperaturdifferenz
zwischen der Wärmeaustauscheroberfläche und
einem Fluidstrom, der mit der Wärmeaustauschoberfläche in Kontakt
steht, aufrecht erhalten wird. Beispielsweise kann die Verschmutzung
der Wärmeaustauschoberflächen in
einem Verbrennungsluft-Wärmeaustauscher
reduziert oder minimiert werden, indem die Temperaturdifferenz zwischen der
Wärmeaustauschoberfläche und
dem Rußstrom,
der mit der Wärmeaustauschoberfläche in Kontakt
steht, derart gehalten wird, dass die Temperaturdifferenz ausreicht,
um ein Verschmutzen der Wärmeaustauschoberfläche zu verhindern.
Im Fall eines Verbrennungsluft-Wärmeaustauschers
ist die Temperaturdifferenz zwischen der Wärmeaustauschoberfläche und
dem Rußstrom
vorzugsweise nicht größer als
260°C (500°F), bevorzugter
nicht größer als
149°C (300°F) und noch
bevorzugter nicht größer als
38°C (100°F). Vorzugsweise wird
die Temperaturdifferenz in dem gesamten Wärmeaustauscher aufrecht erhalten.
Je nach Rußherstellungsprozess
ist es möglich,
dass bei einer besonderen Temperaturdifferenz ein Verschmutzen der
Wärmeaustauschoberfläche im wesentlichen
behoben werden kann.
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Erfindungsgemäß wird ein Verfahren bereitgestellt
zum Reduzieren der Verschmutzung einer Wärmeaustauschoberfläche eines
Wärmeaustauschers
zum Übertragen
von Wärme
aus einem Rußfluidstrom
auf einen zweiten Fluidstrom, wobei jeder der Ströme den Wärmeaustauscher
passiert und in Kommunikation mit der Wärmeaustauschoberfläche steht,
wobei das Verfahren umfasst: Aufrechterhalten einer Temperaturdifferenz
zwischen der Wärmeaustauschoberfläche und
dem Rußstrom
derart, dass die Temperaturdifferenz ausreicht, um ein Verschmutzen
der Wärmeaustauschoberfläche zu verhindern.
Die Temperaturdifferenz kann durch Regeln der Geschwindigkeit eines
der Fluidströme
kontrolliert werden. Vorzugsweise wird die Temperaturdifferenz durch
Kontrollieren der Geschwindigkeit des zweiten Fluid hinter der Wärmeaustauschoberfläche kontrolliert.
Der in der vorstehenden Beschreibung verwendete Begriff "Kommunikation"
bezieht sich auf das Vermögen
zwischen dem Strom und der Wärmeaustauschoberfläche Wärme zu übertragen.
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Gemäß eines anderen Aspekts der
vorliegenden Erfindung umfasst ein Wärmeaustauscher zur Wärmeübertragung
aus einem Rußfluidstrom
und einem zweiten Fluidstrom die Merkmale nach Anspruch 11.
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Vorzugsweise ist die Temperaturdifferenz,
die zwischen der Wärmeaustauschoberfläche und
dem Rußfluidstrom
aufrecht erhalten wird, nicht größer als
149°C (300°F) und noch
mehr bevorzugt nicht größer als
38°C (100°F). Vorzugsweise
wird die Temperaturdifferenz in dem gesamten Wärmeaustauscher aufrecht erhalten.
Das Rußfluid
und das zweite Fluid wird ausreichend nahe hinter der Wärmeaustauschober fläche vorbeigeleitet,
um eine Wärmeübertragung
zwischen jedem Fluid und der Wärmeaustauschoberfläche zu ermöglichen.
Beispielsweise kann jeder Fluidstrom in Kontakt mit der Wärmeaustauschoberfläche sein.
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Gemäß einem anderen Aspekt der
vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung von Rußen bereitgestellt,
das die Merkmale gemäß Anspruch
16 umfasst. Ein Vorteil des Verfahrens und des Wärmeaustauschers der vorliegenden
Erfindung ist, dass die Wärmeaustauschoberfläche für Verschmutzungen
weniger anfällig
ist als herkömmliche
Wärmeaustauscher.
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Ein Vorteil des erfindungsgemäßen Verbrennungsluft-Wärmeaustauschers
ist, dass der Verbrennungsluft-Wärmeaustauscher
gegen ein Verschmutzen der Wärmeaustauschoberfläche beständig ist,
wodurch das Auftreten der zuvor beschriebenen Probleme, die mit
herkömmlichen
Verbrennungsluft-Wärmeaustauschern
verbunden sind, auf ein Mindestmaß reduziert wird.
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Ein Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens
zur Herstellung von Rußen
ist, dass das Verfahren Rußprodukte
hoher Reinheit mit im wesentlichen konsistenter Morphologie erzeugt.
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Weitere Vorteile der erfindungsgemäßen Merkmale
sind in der folgenden ausführlicheren
Beschreibung dargelegt.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen:
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1 ist
ein Blockschemadiagramm eines typischen Rußherstellungsverfahrens.
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2 stellt
eine Ausführungsform
eines erfindungsgemäßen Wärmeaustauschers
dar.
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3a, 3b und 3c stellen einen Teil der Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Wärmeaustauschers,
der in 2 beschrieben
ist, in größerer Ausführlichkeit
dar.
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Ausführliche Beschreibung der Erfindung:
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Das erfindungsgemäße Verfahren zum Minimieren
der Verschmutzung der Wärmeaustauschoberfläche und
der erfindungsgemäße Wärmeaustauscher
werden im Folgenden unter Bezugnahme auf die Ausführungsformen
eines Wärmeaustauschers
näher beschrieben,
der in einem Verfahren zur Rußherstellung
verwendet wird.
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Eine Ausführungsform eines Rußherstellungsverfahrens
ist in Blockschemaform in 1 dargestellt. Wie 1 zeigt, werden ein Brennstoff
und Verbrennungsluft in einer Verbrennungszone unter Erzeugung eines
Stroms heißer
Verbrennungsgase umgesetzt. Die heißen Verbrennungsgase ziehen
stromabwärts
in eine Wbergangszone, wo ein rußlieferndes Ausgangsmaterial
in den Strom heißer
Verbrennungsgase eingespritzt wird, um das Ausgangsmaterial zu pyrolysieren
und Ruße
zu erzeugen.
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Das Gemisch aus Ausgangsmaterial
und Verbrennungsgasen, in dem die Pyrolyse stattfindet, wird im Folgenden
in der gesamten Anmeldung als "das Effluens" bezeichnet. Die Verweilzeit
des Effluens in der Reaktionszone des Reaktors ist ausreichend,
und unter geeigneten Bedingungen, um die Bildung von Rußen zu ermöglichen.
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Das erhaltene Gemisch aus heißen Verbrennungsgasen
und Ausgangsmaterial, in dem die Rußbildung stattfindet (das Effluens)
wird in die Reaktionszone geleitet. Die Temperatur des Effluens
in dem Reaktor liegt üblicherweise
oberhalb etwa 954°C
(1750°F
(Grad Fahrenheit)), erreicht häufig über 1816°C (3300°F). Wenn
die gewünschten
Ruße gebildet
werden, wird die Pyrolyse des rußergebenden Ausgangsmaterials durch
Quenchen des Gemischs gestoppt. Üblicherweise
wird die Pyrolyse durch einen Quench gestoppt, indem eine Quenchflüssigkeit
eingespritzt wird. In einem herkömmlichen
Verfahren kühlt
der Quench, der die Pyrolyse stoppt, das Effluens auf unter etwa
954°C (1750°F), oftmals
auf etwa 760°C
(1400°F)
ab. Das hier verwendete Gemisch, das Ruß, Nebenprodukte der Rußreaktion,
Gase, nicht umgesetztes Ausgangsmaterial (falls vorhanden) und verdampftes
Quenchwasser, falls Wasser als Quench verwendet wird, umfasst, wird
als der "Rußstrom"
bezeichnet.
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Nachdem die Pyrolyse gestoppt ist,
wird der Rußstrom üblicherweise
durch einen Wärmeaustauscher geleitet,
um das Gemisch weiter abzukühlen.
Dieser Wärmeaustauscher
kann vorteilhafterweise dazu verwendet werden, die Verbrennungsluft
vorzuerwärmen,
die in dem Verfahren eingesetzt werden soll, während gleichzeitig das gequenchte
Gemisch aus dem Reaktor abgekühlt
wird. Der hier verwendete Wärmeaustauscher,
der zum Abkühlen
eines Rußstroms
durch Wärmeaustausch
mit einem Luftstrom, der in der Herstellung des Verbrennungsgasstromes
in einem Rußreaktor
verwendet wird, eingesetzt wird, wird als ein "Verbrennungsluft-
bzw. Abgas-Wärmeaustauscher"
bezeichnet. Die Luft, die in dem Verbrennungsluft-Wärmeaustauscher erwärmt wird,
wird als "Verbrennungsluft" bezeichnet.
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Der Rußstrom zieht in den Verbrennungsluft-Wärmeaustauscher
bei der Nachquenchtemperatur und wird durch den Wärmeaustauscher
auf etwa 538°C
(1000°F)
weiter abgekühlt.
Ein Luftstrom, der im allgemeinen im Gegenstrom verläuft, wird
dem Verbrennungsluft-Wärmeaustauscher
ebenfalls zugeführt
und wird auf eine Temperatur zwischen 482°C (900°F) und 816°C (1500°F) vorerwärmt. Der vorerwärmte Verbrennungsluftstrom
wird üblicherweise
in die Verbrennungszone zurückgeführt, um
mit dem Brennstoff zu reagieren und den heißen Verbrennungsgasstrom zu
bilden. Die Verbrennungsluft wird vorerwärmt, um die Rußausbeute
aus jeder Einheit an Kohlenwasserstoffausgangsmaterial zu verbessern
und um größere Gesamtrußherstellungsraten
zu erreichen.
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Der abgekühlte Rußstrom, der den Verbrennungsluft-Wärmeaustauscher
verläßt, wird
in einem zweiten Kühler
auf eine Temperatur von 204–260°C (400–500°F) weiter
abgekühlt.
Der weiter abgekühlte
Rußstrom
wird durch Vorrichtungen wie Beutelfilter geleitet, um die Ruße abzutrennen
und zu sammeln.
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Der Verbrennungsluft-Wärmeaustauscher,
der in einem Verfahren zur Herstellung eines Rußes verwendet wird, kann bei
dem erfindungsgemäßen Verfahren
zum Minimieren der Wärmeaustauschoberfläche eingesetzt
werden und kann eine Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Wärmeaustauschers
umfassen.
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Ein typischer Verbrennungsluft-Wärmeaustauscher
in einem Verfahren zur Herstellung eines Rußes umfasst einen Gegenstrom-Röhren-Wärmeaustauscher. Üblicherweise
weist jeder Rußwärmeaustauscher zwischen
40 und 144 Röhren
mit einem äußeren Durchmesser
von 8,4 cm (3,5 Inch) und einer Länge von 12,2 m (40 Fuß) auf.
Der Rußstrom
fließt
im Inneren der Röhren.
Der Luftstrom (Verbrennungsluftstrom)fließt über die Außenseite der Röhren als
Querstrom. Der Querstrom wird durch den Einsatz segmentierter Ablenkplatten erreicht.
Die Anzahl der Ablenkplatten in einem typischen Rußwärmeaustauschers
beträgt
zwischen 10 und 40. Der Bereich, der dem Luftstrom zwischen zwei
beliebigen Ablenkplatten eines Röhrenwärmeaustauschers zur
Verfügung
steht, wird hierin als ein "Ablenkplattendurchgang" bezeichnet.
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Andere Arten von Wärmeaustauschern
können
als Verbrennungsluft-Wärmeaustauscher
in erfindungsgemäßen Ausführungsfonnoormen
verwendet werden. Beispielsweise können Gegenstrom- und Mitstrom-Doppelrohrwärmeaustauscher
verwendet werden. Der Rußstrom
kann im Inneren des inneren Rohres oder an der Außenseite
des inneren Rohres fließen.
Bei jedem Reaktor kann ein oder mehrere Wärmeaustauscher, die parallel
und/oder in Reihe angeordnet sein können, verwendet werden.
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Eine erfindungsgemäße Ausführungsform
eines Verbrennungsluft-Wärmeaustauschers
ist in 2 dargestellt.
Unter Bezugnahme auf 2 kann
ein erfindungsgemäßer Verbrennungsluft-Wärmeaustauscher 2 einen
Einlass 4 für
einen Rußstrom
aus einem Reaktor und einen Auslass 6 für den gekühlten Rußstrom umfassen. Einlass 14 und
Auslass 16 werden für
den Verbrennungsluftstrom bereitgestellt, der erwärmt wird.
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Röhren 22 werden
im Inneren des Verbrennungsluft-Wärmeaustauschers bereitgestellt,
um den Rußstrom
durch den Wärmeaustauscher
zu tragen. Die Röhren
umfassen die Wärmeaustauschoberfläche des Verbrennungsluft-Wärmeaustauschers
zum Austauschen von Wärme
zwischen dem Rußstrom
und dem Verbrennungsluftstrom.
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Der Verbrennungsluft-Wärmeaustauscher
kann eine beliebige Anzahl von Röhren
mit beliebigem Durchmesser und beliebiger Länge enthalten. Der Verbrennungsluft-Wärmeaustauscher
kann beispielsweise für
bestimmte Anwendungen 15–250 Röhren und
40–144
Röhren
für andere
Anwendungen enthalten. Obwohl die Röhren beliebige Abmessungen
aufweisen können,
weisen die Röhren
im allgemeinen einen inneren Durchmesser von 3,8–20,2 cm (1,5–7,95 Inch)
und einen äußeren Durchmesser
von 5,1–20,3
cm (2–8
Inch) und eine Länge
von 6,1–15,2
m (20–50
Fuß) auf.
Beispielsweise können
die Röhren
einen äußeren Durchmesser
von 8,9 cm (3,5 Inch) und eine Länge
von 12,2 m (40 Fuß)
aufweisen. Die tatsächliche
Anzahl und Abmessung der Röhren
hängt ab
von der Fließgeschwindigkeit,
die in dem Wärmeaustauscher
auftreten soll sowie von dem gewünschten
Maß der
Abkühlung
des Rußstroms
und der Erwärmung
des Verbrennungsluftstroms. Üblicherweise
wird die Anzahl der Röhren
und ihre Abmessungen so optimiert, dass die Verbrennungsluftrate und
Vorerwärmung
erreicht werden, die für
das Rußherstellungsverfahren
gewünscht
sind und/oder eine wirtschaftliche Konstruktion des Wärmeaustauschers
erlauben.
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Der Verbrennungsluft-Wärmeaustauscher
wird mit einem äußeren Gehäuse 32 und
einem inneren Gehäuse 34 bereitgestellt.
Der Raum zwischen dem inneren und äußeren Gehäuse umfasst ein Plenum 33, um
den Luftstrom zwischen den verschiedenen Ablenkplattendurchgängen zu
verteilen. Die Querschnittsfläche
ist vorzugsweise groß,
beispielsweise größer als
50%, verglichen mit der Querschnittsfläche, die für den Luftstromfluß in den
anderen Teilen des Wärmeaustauschers
zur Verfügung
steht, um eine gute Luftverteilung zu gewährleisten. In das innere Gehäuse können Öffnungen
gemacht werden, um den Luftstrom zu den gewünschten Ablenkplattendurchgängen einzuführen. Die
gesamte Querschnittsfläche
der Öffnungen
ist vorzugsweise klein, z. B. weniger als 50%, verglichen mit der
Querschnittsfläche
des Plenums und der anderen Flächen,
die dem Luftstrom zur Verfügung
stehen, um in andere Bereiche des Wärmeaustauschers zu fließen.
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Diese bevorzugte Ausgestaltung ist
in 2 dargestellt. Der
Verbrennungsluftstrom tritt durch Einlass 14 in den Wärmeaustauscher
ein und zieht durch die Durchgänge
des äußeren Gehäuses. Luftstromzugänge 36 ermöglichen
es dem Verbrennungsluftstrom, in die inneren Bereiche des inneren
Gehäuses
zu passieren und mit den Röhren 22,
die den Rußstrom
enthalten, in Kontakt zu kommen. Bereich 3, der einen Luftstromzugang
umfasst, ist in 3a ausführlicher
gezeigt.
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Der Luftstrom fließt über die
Außenseite
der Röhren
in Art eines Querstroms. Der Querstrom wird durch die Verwendung
von segmentierten Ablenkplatten 38 erreicht. Der Verbrennungsluft-Wärmeaustauscher kann
eine beliebige Anzahl von Ablenkplatten enthalten. Beispielsweise
kann der Verbrennungsluft-Wärmeaustauscher
für bestimmte
Anwendungen 5 bis 50 Ablenkplatten und für andere
Anwendungen 15 bis 30 Ablenkplatten enthalten.
Der Bereich, der für
den Fluß des
Luftstroms zwischen zwei beliebigen Ablenkplatten zur Verfügung steht,
wird hier als Ablenkplattendurch gang bezeichnet. Ein Beispiel für einen
Ablenkplattendurchgang ist in 2 als
Bereich 39 angegeben.
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Ein erfindungsgemäßer Verbrennungsluft-Wärmeaustauscher
kann aus einem beliebigen Material gebaut werden, das in der Lage
ist, den Betriebstemperaturen des Wärmeaustauschers und den bei
den Betriebstemperaturen entstehenden Spannungen standzuhalten.
Beispielsweise können
die Röhren
und Teile des Wärmeaustauschers,
die den Rußstrom
enthalten, aus rostfreiem Stahl wie beispielsweise Rostfreiem Stahl 309 oder
Rostfreiem Stahl 304 gebaut sein. Die inneren und äußeren Gehäuseteile
und die Ablenkplatten können
aus dem selben oder einem verschiedenen Material, beispielsweise
Rostfreiem Stahl 304 oder Kohlenstoffstahl gebaut sein.
Der Durchschnittsfachmann ist in der Lage, geeignete Materialien
auszuwählen.
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Erfindungsgemäß ist der Wärmeaustauscher so ausgestaltet,
dass die Temperaturdifferenz zwischen dem Rußstrom und der Wärmeaustauschoberfläche ein
Verschmutzen der Wärmeaustauschoberfläche verhindert.
Die Temperaturdifferenz beträgt
an jedem Punkt des Wärmeaustauschers
vorzugsweise nicht mehr als 260°C
(500°F),
bevorzugter 149°C
(300°F)
und noch bevorzugter 38°C
(100°F).
Die Temperaturdifferenz kann mittels bekannter Techniken wie beispielsweise
Berechnen oder mittels Thermoelement bestimmt werden.
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Die Temperaturdifferenz zwischen
dem Rußstrom
und der Wärmeaustauschoberfläche kann
an jedem Punkt des Wärmmeaustauschers
wirksam kontrolliert werden, indem die Geschwindigkeit des Verbrennungsluftstroms
an diesem Punkt kontrolliert wird. Die Geschwindigkeit des Verbrennungsluftstroms
sollte ausreichend sein, um die gewünschte Temperaturdifferenz
zwischen dem Rußstrom
und der Wärmeaustauschoberfläche an jedem
Punkt des Wärmeaustauschers
aufrecht zu erhalten. Eine Erhöhung
der Geschwindigkeit des Verbrennungsluftstroms wird üblicherweise
die Temperaturdifferenz erhöhen,
wogegen eine Abnahme der Geschwindigkeit des Verbrennungsluftstroms
die Temperaturdifferenz erniedrigen wird. Die Luftstromgeschwindigkeit
kann wirksam kontrolliert werden, indem der Luftstrom aufgeteilt
wird und der Luftstrom verschiedenen Ablenkplattendurchgängen zugeführt wird.
Vorzugsweise wird der Luftstrom in ein Minimum von 25% der Wärmeaustauscher-Ablenkplattendurchgänge und
mindestens 3 Ablenkplattendurchgänge
zugeführt.
Im Fall der größten Verschmutzungstendenz
ist es bevorzugt, den Luftstrom zwischen einem Minimum von 75% der
Wärmeaustauscher-Ablenkplattendurchgänge zuzuführen.
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Das Auftrennen des Luftstroms in
Teile und die Zufuhr des Luftstroms zu verschiedenen Ablenkplattendurchgängen kann
erreicht werden, indem das äußere und
innere Gehäuse
und die Anordnung der Luftzugänge
eingesetzt werden, die in 2 dargestellt
sind. Die Verbrennungsluft wird sich in dem Raum zwischen dem inneren und äußeren Gehäuse bewegen,
bis sie durch die Luftzugänge
in die inneren mit Ablenkplatten versehenen Bereiche eintritt.
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3a stellt
einen Bereich zwischen dem inneren Gehäuse 34 und dem äußeren Gehäuse 32 eines Wärmeaustauschers 2 in
größerem Detail
dar. Wie in 3a gezeigt
ist, können
die Luftzugänge 36 eine
Vielzahl von Öffnungen 42 umfassen,
die in das innere Gehäuse 34 des
Wärmeaustauschers
gebohrt sind. Die Anzahl von Öffnungen
und ihr Durchmesser kann variiert werden, um den Luftfluß in den
inneren Ablenkplattenbereich zu kontrollieren. Die Ausgestaltung
des Wärmeaustauschers
ist vorzugsweise verfeinert, um die Möglichkeit einer lokalen Abkühlung eines
Teils der Wärmeaustauschoberfläche auf
ein Mindestmaß zu
beschränken.
In diesem Fall wird die maximale Größe der Öffnung, die zum Einführen des
Luftstroms in einen Ablenkplattendurchgang verwendet wird, auf einen
Durchmesser von höchstens
2,54 cm (1 Inch) und vorzugsweise 1,27 cm (½ Inch) Durchmesser beschränkt. Die
Luftmenge, die zu jedem Ablenkplattendurchgang zugegeben wird, wird
durch die Anzahl der verwendeten Öffnungen kontrolliert. Die Öffnungen
sind so weit voneinander entfernt, wie es praktisch ist. Die Öffnungen
befinden sich jedoch vorzugsweise in dem "Bereich hoher Geschwindigkeit"
44, der durch den Luftstrom gebildet wird, der durch jedes Ablenkplattensegment
fließt. Diese
Verfeinerung ist in 3b dargestellt,
wobei die Peripherie des "Hochgeschwindigkeitsbereichs" 39 ebenfalls
gezeigt ist. Der Umfang des "Bereichs hoher Geschwindigkeit" ist
ebenfalls in 3b definiert.
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Die Stellen der Ablenkplattendurchgänge, an
denen der Luftstrom in die inneren röhrenenthaltenden Bereiche des
Wärmeaustauschers
zugeführt
wird, werden ausgewählt,
um die gewünschte
Temperaturdifferenz zwischen dem Rußstrom und den Wärmeaustauschoberflächen (Röhren) aufrecht
zu erhalten. Die Größe und die
Anzahl von Öffnungen
können
mittels bekannter Techniken berechnet werden, so dass die Menge
an eingeführter
Luft und die Geschwindigkeit des Luftstroms ausreichen, um die gewünschte Temperaturdifferenz zwischen
dem Rußstrom
und der Wärmeaustauschoberfläche aufrecht
zu erhalten.
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3b stellt
eine andere Ansicht des in 3a dargestellten
Bereichs dar und zeigt die inneren Bereiche des Wärmeaustauschers.
Wie in 3b gezeigt ist,
zieht der Verbrennungsluftstrom im allgemeinen von oberen zu unteren
Ablenkplattendurchgängen
durch den gesamten Wärmeaustauscher
hindurch, wie durch den Verlauf 50 gezeigt ist.
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3c stellt
eine mögliche
Querschnittsansicht eines erfindungsgemäßen Wärmeaustauschers beispielsweise
entlang der Linie A-A' in 3a und 3b dar. Wie in 3c gezeigt ist, kann das äußere Gehäuse das
innere Gehäuse
vollständig
umgeben. In einer alternativen Ausführungsform kann das äußere Gehäuse einen
Teil des inneren Gehäuses überdecken,
um einen Bereich zwischen dem inneren Gehäuse und dem äußeren Gehäuse zu schalten.
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Wie zuvor erläutert wurde, kann die Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Wärmeaustauschers, die
in 2, 3a, 3b und 3c dargestellt ist, auf folgende
Weise betrieben sein. Ein heißer
Rußstrom, üblicherweise
bei einer Temperatur von 760– 954°C (1400–1750°F) tritt
durch den Einlass 4 in den Wärmeaustauscher ein. Der Rußstrom zieht
durch die Röhren 22 nach
oben und verläßt den Wärmeaustauscher
durch den Auslass 6. Ein Verbrennungsluftstrom tritt in
die Region zwischen den inneren und äußeren Gehäusen durch den Einlass 14 ein, üblicherweise
bei einer Temperatur von 66°C
(150°F).
Der Verbrennungsluftstrom zieht durch den gesamten Bereich zwischen
den inneren und äußeren Gehäusen und
tritt in die Ablenkplattendurchgangsbereiche im Inneren der inneren
Gehäuse
durch die Luftzugänge 36 ein.
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Im Inneren des inneren Gehäuses strömt der Verbrennungsluftstrom
um die Röhren 22 und
zwischen der Oberfläche
der Röhren
und dem Verbrennungsluftstrom wird Wärme ausgetauscht. Der erwärmte Verbrennungsluftstrom
tritt durch den Auslass 16 aus dem Inneren des inneren
Gehäuses
aus.
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Üblicherweise
senkt der Wärmeaustausch,
der in dem Wärmeaustauscher
stattfindet, die Temperatur des Rußstroms auf 371–760°C (700–1400°F) und erhöht die Temperatur
des Verbrennungsluftstroms auf 482–816°C (900–1500°F).
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Die Geschwindigkeit des Luftstroms
an dem Kontaktpunkt mit der Wärmeaustauschoberfläche (der Röhren) kann
auch durch die Ausgestaltung der Ablenkplatten in dem Wärmeaustauscher
kontrolliert werden. Die Ablenkplattendurchgänge, wo der nicht vorerhitzte
Luftstrom eingeführt
wird, sind vorzugsweise groß.
An solchen Stellen kann es nützlich
sein, sämtliche
Ablenkplatten zu entfernen. Für
die Ablenkplattendurchgänge nahe
dem Luftstromauslass wird der Abstand der Ablenkplatten vorzugsweise
geringer sein, um den Wärmeaustausch
innerhalb der Abhängigkeit
von Druckabfall und Temperaturdifferenz yu maximieren.
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Ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Rußherstellung
umfasst ein Verfahren zur Rußherstellung,
bei dem ein erfindungsgemäßer Verbrennungsluft-Wärmeaustauscher verwendet wird.
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Die Merkmale und Vorteile der vorliegenden
Erfindung werden durch die folgenden nicht einschränkenden
Beispiele weiter erläutert.
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Beispiel
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Dieses Beispiel veranschaulicht eine
erfindungsgemäße Ausführungsform
eines Wärmeaustauschers,
die zur Verwendung als Verbrennungsluft-Wärmeaustauscher in einem Verfahren
zur Herstellung eines Rußes
geeignet ist und die Vorteile, die durch seine Verwendung erreicht
werden.
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Die Merkmale der vorliegenden Erfindung
werden an einer Rußeinheit
mit einem Reaktor und einem Röhrenwärmeaustauscher
(Verbrennungsluft-Wärmeaustauscher)
demonstriert. Vor der Verwendung eines erfindungsgemäßen Verbrennungsluft-Wärmeaustauschers
wies die Einheit einen herkömmlichen
Gegenstrom-Röhren-Wärmeaustauscher
auf. Er enthielt 40 Röhren
mit einem äußeren Durchmesser
von 8,9 cm (3,5 Inch), einer Länge
von 15,2 m (50 Fuß)
und enthielt 33 Ablenkplatten, d. h. 34 Ablenkplattendurehgänge. Der Rußstrom war
auf der Röhrenseite
und der Luftstrom war auf der Gehäuseseite. Er war vertikal installiert,
so dass der Rußstrom
vom Boden her eintritt. Dieser Wärmeaustauscher
verschmutzte üblicherweise
in einem großen
Ausmaß,
wie durch den großen
röhrenseitigen
Druckabfall gezeigt ist. Wenn die Einheit periodisch abgeschaltet
wurde, wurde beobachtet, dass bis zu 35% der Röhren vollständig mit Ruß verstopft waren.
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Der Wärmeaustauscher dieser Einheit
wurde nachfolgend durch einen erfindungsgemäßen Wärmeaustauscher ersetzt, d.
h. einen Wärmeaustauscher,
der gemäß den hier
beschriebenen neuen Konzepten modifiziert worden war. Vor der Modifizierung
war dieser zweite Wärmeaustauscher
mit dem vorherigen Wärmeaustauscher
identisch, mit der Ausnahme, dass er 48 Röhren enthielt. Es wird angenommen,
dass die Änderung
in der Anzahl der Röhren
auf die Verschmutzung keinen merklichen Effekt ausübt. Der
zweite Wärmeaustauscher
wurde wie folgt modifiziert:
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- 1) Der Luftstrom, der zu dem herkömmlichen Lufteinlass und zu
dem ersten Ablenkplattendurchgang zugeführt wurde, wurde auf 5% des
gesamten Luftstromflusses beschränkt.
- 2) Der restliche Luftstrom wurde zwischen dem dritten und dem
siebzehnten Ablenkplattendurchgang gleichmäßig aufgeteilt und zwar durch
die in das innere Gehäuse
gebohrten Öffnungen.
Ein neues äußeres Gehäuse wurde
um diese Ablenkplattendurchgänge
herum installiert, um für
diesen Luftstrom ein Plenum zu bilden.
- 3) Die erste Ablenkplatte wurde entfernt, um den ersten Ablenkplattendurchgang
zu vergrößern, wobei
die Anzahl der Ablenkplattendurchgänge auf 33 gesenkt wurde.
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In der folgenden Tabelle wird das
Verhalten bzw. die Leistung der beiden Wärmeaustauscher bei der Herstellung
eines Qualitätsrußes (carbon
black grade) mit einer Jodzahl von 68 m2/gm
und einem DBP-Absorptionswert von 46 cc/100 gm auf einer 30 gm Probe.
Dies waren die Eigenschaften des Rußes beim Wärmeaustauscher vor einer Pelletisierung.
Die J2-Zahl (Jodabsorptionszahl) der Ruße wurde
gemäß ASTM D1510
bestimmt. Der DBP (Dibutylphthalatadsorptionswert) des Rußes wurde
gemäß dem in
ASTM D2414 dargelegten Verfahrens bestimmt.
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Der erfindungsgemäße Wärmeaustauscher zeigte eine überlegene
Leistung im Vergleich zu dem vorher installierten Wärmeaustauscher.
Die zuvor angegebenen Ergebnisse zeigen, dass der Druckabfall in
den Röhren
geringer war und der gesamte Wärmetransferkoeffizient
des Wärmeaustauschers
in dem erfindungsgemäßen Wärmeaustauscher
höher war.
Es wurde ebenfalls beobachtet, dass die Vorerwärmung des Luftstroms stabiler
war, wenn der erfindungsgemäße Wärmeaustauscher
verwendet wurde.
