EP0290813B1 - Wärmetauscher, insbesondere zum Kühlen von Spaltgasen - Google Patents

Wärmetauscher, insbesondere zum Kühlen von Spaltgasen Download PDF

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EP0290813B1
EP0290813B1 EP88106024A EP88106024A EP0290813B1 EP 0290813 B1 EP0290813 B1 EP 0290813B1 EP 88106024 A EP88106024 A EP 88106024A EP 88106024 A EP88106024 A EP 88106024A EP 0290813 B1 EP0290813 B1 EP 0290813B1
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gas
sleeve
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Peter Brücher
Helmut Lachmann
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Deutsche Babcock Borsig AG
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    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
    • F28F9/00—Casings; Header boxes; Auxiliary supports for elements; Auxiliary members within casings
    • F28F9/22—Arrangements for directing heat-exchange media into successive compartments, e.g. arrangements of guide plates
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
    • F28F9/00—Casings; Header boxes; Auxiliary supports for elements; Auxiliary members within casings
    • F28F9/02—Header boxes; End plates
    • F28F9/0229—Double end plates; Single end plates with hollow spaces
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28D—HEAT-EXCHANGE APPARATUS, NOT PROVIDED FOR IN ANOTHER SUBCLASS, IN WHICH THE HEAT-EXCHANGE MEDIA DO NOT COME INTO DIRECT CONTACT
    • F28D21/00—Heat-exchange apparatus not covered by any of the groups F28D1/00 - F28D20/00
    • F28D2021/0019—Other heat exchangers for particular applications; Heat exchange systems not otherwise provided for
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
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    • F28F9/00—Casings; Header boxes; Auxiliary supports for elements; Auxiliary members within casings
    • F28F9/22—Arrangements for directing heat-exchange media into successive compartments, e.g. arrangements of guide plates
    • F28F2009/222—Particular guide plates, baffles or deflectors, e.g. having particular orientation relative to an elongated casing or conduit
    • F28F2009/226—Transversal partitions

Definitions

  • the invention relates to a heat exchanger, in particular for cooling cracked gases according to the preamble of claims 1 and 2.
  • the fission gases formed by thermal cracking of hydrocarbons are cooled very quickly to stabilize their molecular composition. This is done by indirect heat transfer from the cracked gas to the heat-absorbing medium in cracked gas coolers.
  • the cracked gas is passed through pipes which are surrounded by evaporating water as a cooling medium.
  • the evaporating water provides intensive cooling of the pipes, which means that the wall temperature is relatively low and is only slightly above the temperature of the evaporating water.
  • the cracked gas is a mixture of hydrocarbons of different molecular weights and partial pressures.
  • the condensation temperature can be fallen below for some of the components. As a result, these components are precipitated on the pipe wall in the area of low temperatures and a so-called coke layer is built up.
  • This coke layer increases the flow resistance, which increases the gas pressure in the upstream cracking furnace. This results in poorer fission gas yield, a further increase in the coke layer, rising gas outlet temperature and lower steam generation. After a certain operating time, the cracked gas cooler must be taken out of operation to remove the coke layer.
  • a heat exchanger is known from US Pat. No. 3,547,188, the tubes of which are surrounded by a cladding tube over almost the entire length. The entire flow of the heat exchange medium is conducted through the annular spaces thus formed. It is ensured that a turbulent flow occurs in the annular spaces in order to achieve good heat transfer on the pipe surface.
  • the invention has for its object to design the generic heat exchanger such that the cooling effect at the outlet end of the gas-carrying pipes is reduced to the extent that the risk of the formation of a coke layer is largely avoided.
  • the wetting of the rear pipe end with cooling medium is reduced. This makes the cooling effect less intense, so that the temperature on the inner wall of the gas-carrying pipe is above the condensation temperature of the cracked gas components.
  • the heat exchanger shown is of a standing type and is used in particular for cooling cracked gas with the help of evaporating water under excess pressure. It consists of a tube bundle composed of individual tubes 1, through which the gas to be cooled flows and which are surrounded by a jacket 2. The tubes 1 are held in two tube plates 3, 4, to which a gas inlet chamber 5 and a gas outlet chamber 6 are connected.
  • the thin tube plate 3 on the gas inlet side is on the Supported gas inlet chamber 5 side supported by a support plate 7 which is arranged to form a space 8 at a distance from the thin tube plate 3. Between the thin tube plate 3 and the support plate 7, support fingers 9 are provided distributed over the cross section and are molded onto the support plate 7.
  • the tubes 1 each penetrate loosely through the support plate 7, forming an annular gap.
  • the thin tube plate 3 is connected to an outer ring jacket 10 and the support plate 7 is connected to an inner ring jacket 11.
  • the ring jackets 10, 11 are connected to one another and delimit an annular chamber 12 into which an inlet connection 13 for the supply of the water serving as a cooling medium.
  • the upper part of the jacket 2 is provided with an outlet connection 14 for the removal of the cooling medium.
  • the sleeve consists of a sleeve tube 15 which is open on both sides and which surrounds the tube 1 at a distance, forming an annular gap.
  • the sleeve tube 15 is supported on the tube 1 via cams 16.
  • the sleeve tubes 15 are held in locking washers 17, which are arranged within the jacket 2 perpendicular to the axis thereof and which are intended to prevent the tubes 1 from vibrating.
  • the length of the sleeve tube 15 is adapted to the operating requirements and ends shortly before the tube plate 4 lying on the gas outlet side.
  • the width of the annular gap between the tube 1 and the sleeve tube 15 is dimensioned so large that the boiling water present in the interior of the jacket 1 is prevented from flowing into the annular gap in an amount sufficient for complete wetting.
  • the resulting reduced or prevented wetting of the tube 1 with boiling water causes a reduced heat transfer from the heat-emitting to the heat-absorbing medium and thereby the desired less intensive cooling.
  • This less intensive cooling causes a higher pipe wall temperature, which means that no or fewer hydrocarbons condense. The result is that coke formation is prevented or at least reduced.
  • the reduction in the cooling effect can be influenced by changing the gap width. Furthermore, openings 18 can be provided in the wall of the sleeve tube 15, through which boiling water can penetrate into the annular gap and thus increase the cooling effect again.
  • the invention can be used both in shell-and-tube heat exchangers (FIGS. 1 and 2) and in double-tube heat exchangers.
  • a section of such a double tube heat exchanger is shown in FIG. 3.
  • each gas-carrying pipe 1 is surrounded by an outer pipe 19 to form an annular space.
  • the annular space is connected to an inlet and an outlet chamber 20, which is common to a number of double pipes.
  • a gas-carrying pipe 1 facing the outlet chamber 20 can, as described, be enclosed by a sleeve tube 15 which ends shortly before the outlet chamber 20 or protrudes a little into it.
  • 3 shows a different type of sheathing of the gas-carrying pipe 1, which can optionally also be used in the shell-and-tube heat exchanger according to FIGS. 1 and 2.
  • This sheath consists of a wire mesh 21, which is drawn like a sock over the tube 1.
  • the wire mesh 21 reduces wetting of the gas-carrying pipe 1 on the endangered pipe length in the same way as the sleeve pipe 15.

Description

  • Die Erfindung betrifft einen Wärmetauscher, insbesondere zum Kühlen von Spaltgasen nach dem Oberbegriff der Ansprüches 1 und 2.
  • Die durch eine thermische Spaltung von Kohlenwasserstoffen gebildeten Spaltgase werden zur Stabilisierung ihrer molekularen Zusammensetzung sehr schnell gekühlt. Dies erfolgt durch eine indirekte Wärmeübertragung von dem Spaltgas an das wärmeaufnehmende Medium in Spaltgaskühlern. Das Spaltgas wird durch Rohre geführt, die von verdampfendem Wasser als Kühlmedium umgeben sind. Durch das verdampfende Wasser wird eine intensive Kühlung der Rohre erzielt, wodurch die Wandtemperatur relativ niedrig ist und nur wenig über der Temperatur des verdampfenden Wassers liegt. Das Spaltgas ist ein Gemisch von Kohlenwasserstoffen unterschiedlichen Molekulargewichts und Partialdrucks. Während der Abkühlung im Spaltgaskühler kann für einige der Komponenten die Kondensationstemperatur unterschritten werden. Als Folge davon kommt es im Bereich der niedrigen Temperaturen zur Ausscheidung dieser Komponenten an der Rohrwandung und damit zum Aufbau einer sogenannten Koksschicht. Diese Koksschicht erhöht den Strömungswiderstand, wodurch sich der Gasdruck im vorgeschalteten Spaltofen erhöht. Schlechtere Spaltgasausbeute, weitere Erhöhung der Koksschicht, steigende Gasaustrittstemperatur und geringere Dampferzeugung sind die Folge. Nach einer gewissen Betriebszeit muß der Spaltgaskühler zur Beseitigung der Koksschicht außer Betrieb genommen werden.
  • Bei einem aus der US-A-38 02 497 bekannten Wärmetauscher zur Kühlung von Spaltgas und anderen Gasen ist zur Verminderung der Bildung der Koksschicht das austrittsseitige Ende der gasführenden Rohre von einem Außenrohr umgeben, das zur Atmosphäre hin offen ist. Auf diese Weise bildet sich eine Schicht ruhender Luft zwischen dem gasführenden Rohr und dem Außenrohr aus. Die Anordnung eines solchen Doppelrohres verhindert die Wärmeabgabe so stark, daß die Kühlung der Spaltgase unzureichend wird.
  • Aus der US-A-3 547 188 ist ein Wärmetauscher bekannt, dessen Rohre nahezu auf der gesamten Länge von einem Hüllrohr umgeben sind. Durch die so gebildeten Ringräume wird der gesamte Strom des Wärmeaustauschmediums geführt. Dabei ist dafür gesorgt, daß sich in den Ringräumen eine turbulente Strömung einstellt, um einen guten Wärmeübergang an der Rohroberfläche zu erzielen.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den gattungsgemäßen Wärmetauscher derart zugestalten, daß die Kühlwirkung am austrittsseitigen Ende der gasführenden Rohre gerade soweit vermindert wird, daß die Gefahr der Bildung einer Koksschicht weitgehend vermieden wird.
  • Diese Aufgabe wird bei einem gattungsgemäßen Wärmetauscher durch die kennzeichnenden Merkmale der Ansprüche 1 oder 2 gelöst. Eine vor­teilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist in den Anspruch 3 angege­ben.
  • Bei dem erfindungsgemäßen Wärmetauscher wird die Benetzung des hinteren Rohrendes mit Kühlmedium vermindert. Dadurch wird die Kühlwirkung weniger intensiv, so daß die Temperatur an der Innenwand des gasführenden Rohres oberhalb der Kondensationstemperatur der Spaltgaskomponenten liegt. Durch eine Veränderung der Spaltbreite zwischen dem gasführenden Rohr und dem umgebenden Hülsenrohr sowie durch eine Änderung der Dicke oder Dichte des Drahtgeflechtes kann der Grad der Kühlung verändert und so der Wärmetauscher den Betriebsanforderungen angepaßt werden.
  • Mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im folgenden näher erläutert. Es zeigen:
    • Fig. 1 einen Längsschnitt durch einen Wärmetauscher gemäß der Erfindung,
    • Fig. 2 die Einzelheit Z nach Fig. 1 und
    • Fig. 3 die Einzelheit Z gemäß einer anderen Ausführungsform.
  • Der dargestellte Wärmetauscher ist von stehender Bauart und dient insbesondere zum Kühlen von Spaltgas mit Hilfe von verdampfendem, unter Überdruck stehendem Wasser. Er besteht aus einem Rohrbündel aus einzelnen Rohren 1, die von dem zu kühlenden Gas durchströmt und von einem Mantel 2 umgeben sind. Die Rohre 1 sind in zwei Rohrplatten 3, 4 gehalten, an die sich eine Gaseintrittskammer 5 und eine Gasaustrittskammer 6 anschließen.
  • Die dünne Rohrplatte 3 auf der Gaseintrittsseite ist auf der der Gaseintrittskammer 5 abgewandten Seite durch eine Tragplatte 7 abgestützt, die unter Bildung eines Zwischenraumes 8 mit Abstand von der dünnen Rohrplatte 3 angeordnet ist. Zwischen der dünnen Rohrplatte 3 und der Tragplatte 7 sind über den Querschnitt verteilt Tragfinger 9 vorgesehen, die an die Tragplatte 7 angeformt sind. Die Rohre 1 durchdringen jeweils unter Bildung eines Ringspaltes lose die Tragplatte 7. Die dünne Rohrplatte 3 ist mit einem äußeren Ringmantel 10 und die Tragplatte 7 mit einem inneren Ringmantel 11 verbunden. Die Ringmäntel 10, 11 sind miteinander verbunden und umgrenzen eine Ringkammer 12, in die ein Eintrittsstutzen 13 für die Zuführung des als Kühlmedium dienenden Wassers. Der obere Teil des Mantels 2 ist mit einem Austrittsstutzen 14 für die Abführung des Kühlmediums versehen.
  • Das der Gasaustrittskammer 6 zugewandte Ende der Rohre 1 ist von einer Hülse umschlossen. Die Hülse besteht nach den Fig. 1 und 2 aus einem beidseitig offenen Hülsenrohr 15, das das Rohr 1 unter Bildung eines Ringspaltes mit Abstand umgibt. Zur Einhaltung der Spaltbreite ist das Hülsenrohr 15 über Nocken 16 auf dem Rohr 1 abgestützt. Die Hülsenrohre 15 sind in Sicherungsscheiben 17 gehalten, die innerhalb des Mantels 2 senkrecht zu dessen Achse angeordnet sind und die ein Schwingen der Rohre 1 verhindern sollen. Die Länge des Hülsenrohres 15 ist den Betriebsanforderungen angepaßt und endet kurz vor der auf der Gasaustrittsseite liegenden Rohrplatte 4.
  • Die Breite des Ringspaltes zwischen dem Rohr 1 und dem Hülsenrohr 15 ist so groß bemessen, daß das in dem Innenraum des Mantels 1 vorhandene siedende Wasser gehindert wird, in einer für die vollständige Benetzung ausreichenden Menge in den Ringspalt zu strömen. Die dadurch reduzierte oder unterbundene Benetzung des Rohres 1 mit siedendem Wasser bewirkt einen verminderten Wärmeübergang von dem wärmeabgebenden zu dem wärmeaufnehmenden Medium und dadurch die gewünschte weniger intensive Kühlung. Diese weniger intensive Kühlung bewirkt eine höhere Rohrwandtemperatur, wodurch keine oder weniger Kohlenwasserstoffe kondensieren. Das Resultat ist, daß die Koksbildung verhindert oder zumindest vermindert wird.
  • Die Verminderung der Kühlwirkung kann durch eine Veränderung der Spaltbreite beeinflußt werden. Ferner können in der Wandung des Hülsenrohres 15 Durchbrechungen 18 vorgesehen werden, durch die siedendes Wasser in den Ringspalt eindringen und so die Kühlwirkung wieder verstärken kann.
  • Die Erfindung kann sowohl bei Bündelrohrwärmetauschern (Fig. 1 und 2) als auch bei Doppelrohrwärmetauschern eingesetzt werden. Ein Ausschnitt aus einem solchen Doppelrohrwärmetauscher ist in der Fig. 3 dargestellt. Bei diesem Wärmetauscher ist jedes gasführende Rohr 1 unter Bildung eines Ringraumes von einem Außenrohr 19 umgeben. Der Ringraum ist an eine Eintritts- und eine Austrittskammer 20 angeschlossen, die einer Anzahl von Doppelrohren gemeinsam ist.
  • Das der Austrittskammer 20 zugewandte Ende eines gasführenden Rohres 1 kann wie beschrieben, von einem Hülsenrohr 15 umschlossen sein, das kurz vor der Austrittskammer 20 endet oder ein Stück in diese hinein­ragt. In der Fig. 3 ist eine andere Art der Umhüllung des gasführenden Rohres 1 dargestellt, die wahlweise auch bei dem Bündelrohrwärmetauscher gemäß den Fig. 1 und 2 eingesetzt werden kann. Diese Umhüllung besteht aus einem Drahtgeflecht 21, das strumpfartig über das Rohr 1 gezogen ist. Das Drahtgeflecht 21 vermindert in der gleichen Weise wie das Hülsenrohr 15 eine Benetzung des gasführenden Rohres 1 auf der gefährdeten Rohrlänge.

Claims (3)

1. Wärmetauscher zum Kühlen von Spaltgasen mit Hilfe von siedendem Wasser als Kühlmedium, bestehend aus Rohren (1), die von dem zu kühlenden Gas durchströmt und die von einem von dem Kühlmedium durchströmten Kühlmantel (2) umgeben sind, wobei jedes Rohr (1) von einer von dem Kühlmedium durchströmten Hülse umschlossen ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Hülse das Rohr (1) nur an dem dem Gasaustritt zugewandten Ende umgibt und aus einem beidseitig offenen Hülsenrohr (15) besteht, das mit Abstand von dem Rohr (1) unter Bildung eines Ringspaltes angeordnet ist und daß der Ringspalt so bemessen ist, daß das siedende Wasser gehindert wird, in einer für die vollständige Benetzung des Rohres (1) ausreichenden Menge in den Ringspalt zu strömen.
2. Wärmetauscher zum Kühlen von Spaltgasen mit Hilfe von siedendem Wasser als Kühlmedium, bestehend aus Rohren (1), die von dem zu kühlenden Gas durchströmt und die von einem von dem Kühlmedium durchströmten Kühlmantel (2) umgeben sind, wobei jedes Rohr (1) von einer von dem Kühlmedium durchström­ten Hülse umschlossen ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Hülse das Rohr (1) nur an dem dem Gasaus­tritt zugewandten Ende umgibt und aus einem Drahtgeflecht (21) besteht, das auf dem Rohr (1) aufliegt und so bemessen ist, daß das siedende Wasser gehindert wird, in einer für die vollständige Benetzung des Rohres (1) ausreichenden Menge das Drahtgeflecht (21) zu durchströmen.
3. Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wandung des Hülsenrohres (15) mit Durchbrechungen (18) versehen ist.
EP88106024A 1987-05-12 1988-04-15 Wärmetauscher, insbesondere zum Kühlen von Spaltgasen Expired - Lifetime EP0290813B1 (de)

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EP0290813A1 EP0290813A1 (de) 1988-11-17
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