EP0377089A1 - Wärmetauscher insbesondere zum Kühlen von Spaltgas - Google Patents

Wärmetauscher insbesondere zum Kühlen von Spaltgas Download PDF

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Deutsche Babcock Borsig AG
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    • C10G9/00—Thermal non-catalytic cracking, in the absence of hydrogen, of hydrocarbon oils
    • C10G9/002—Cooling of cracked gases
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    • F28D2021/0019—Other heat exchangers for particular applications; Heat exchange systems not otherwise provided for
    • F28D2021/0075—Other heat exchangers for particular applications; Heat exchange systems not otherwise provided for for syngas or cracked gas cooling systems

Definitions

  • the invention relates to a heat exchanger, in particular for cooling cracked gas, with the features of the preamble of claim 1.
  • the gas flow supplied through the inlet nozzle spreads out in accordance with the expansion of the chamber cross-section.
  • the flow is uneven in such a way that the edge zones are flowed through less than the core zone.
  • the invention has for its object to provide a generic heat exchanger with such internals that both equalize the flow through the inlet end chamber and protect the tube plate from erosion.
  • the carbon particles carried by the gas flowing at high speed in the area of the core flow meet the rods of the insert, as a result of which their kinetic energy is destroyed.
  • the particles braked in this way are carried along by the gas and can no longer lead to erosion damage to the tube plate and the tubes.
  • the incident gas flow is partially directed radially outwards by the insert.
  • a partial flow can flow in the required amount between the ring distances to the pipes in the central area of the pipe plate.
  • Appropriate arrangement and dimensioning of the rods enables gas to be applied to all tubes of the tube bundle in a very uniform manner. The deflection of the gas flow to the outside is favored if the rods formed into rings form a cone.
  • the heat exchanger consists of a tube bundle of straight tubes 1, which are held in two tube plates 2 on both sides of the tube bundle.
  • the tube bundle is enclosed by an outer jacket 3 which, together with the tube plates 2, delimits an interior space through which boiling and high-pressure water flows.
  • the tube plate 2 is followed by an end chamber 4 on the gas inlet side and on the gas outlet side (not shown), which is provided with a nozzle 5 for supplying or discharging the gas.
  • the diameter of the nozzle 5 is significantly smaller than the diameter of the tube plate 2 , so that the end chamber 4 widens conically.
  • an insert 6 is arranged, which serves as a distribution element and as an impact protection.
  • the insert 6 is limited to that part of the tube plate 2 which is located in the area of the core flow of the gas supplied through the nozzle 5 and which is therefore most at risk from erosion.
  • the insert 6 consists of profile or round bars which are shaped into polygonal or round rings 7.
  • the insert 6 can be flat, the rings being concentric and arranged in one plane. It is advantageous to arrange the rings 7 - as shown - on a cone, the tip of which points to the socket 5.
  • the rings 7 are arranged at axial distances from one another.
  • the outside diameter of a ring 7 corresponds approximately to the inside diameter of the ring 7 following in the direction of the tube plate 2.
  • the diameter of the ring 7 adjacent to the tube plate 2 is somewhat larger than the diameter of the nozzle 5. This means that the projection area of the nozzle 5 on the tube plate 2 completely covered.
  • the rings 7 are connected to intersecting webs 8 which are fastened to the wall of the end chamber 4.
  • part of the inflowing gas is deflected into the edge zone, while another part of the gas passes between the rings 7 of the insert 6.
  • the diameter of the rods 7 formed to the rings and the mutual distance can be chosen so large that the distribution of the gas over the cross section of the tube plate 2 is uniform.
  • the arrows 10 in the left part of FIG. 1 show, the carbon particles carried along by the gas and flowing in a straight line meet the rings 7 and are braked.
  • the staggered arrangement of the rings 7 ensures that the carbon particles cannot hit the tube plate 2 at high speed.

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Abstract

Zum Kühlen von Spaltgas dient ein Wärmetauscher mit einem zwischen zwei Rohrplatten (2) gehaltenen Rohrbündel und zwei sich an die Rohrplatten (2) anschließenden, sich auf einen Stutzen (5) verengenden Endkammern (4). In der eintrittsseitigen Endkammer (4) sind Einbauten angeordnet, die aus Stäben bestehen, die zu runden oder mehreckigen, konzentrisch angeordneten Ringen (7) gebogen sind. Die Ringe (7) sind in einem Abstand von der Rohrplatte (2) in Verlängerung des eintrittsseitigen Stutzens (5) vorzugsweise entlang der Oberfläche eines mit der Spitze zum Gaseintritt weisenden Kegels auf einer Fläche angeordnet sind, die im wesentlichen der Querschnittsfläche diese Stutzens (5) entspricht.

Description

  • Die Erfindung betrifft einen Wärmetauscher insbesondere zum Kühlen von Spaltgas mit den Merkmalen des Oberbegriffes des Ansprüches 1.
  • In der eintrittsseitigen Endkammer eines derartigen Wärmetauschers breitet sich der durch den Eintrittsstutzen zugeführte Gasstrom entsprechend der Erweiterung des Kammerquerschnittes aus. Dabei ist die Durchströmung in der Weise ungleichmäßig, daß die Randzonen weniger stark durchströmt sind als die Kernzone.
  • Um die eintrittsseitige Endkammer gleichmäßig zu durchströmen, sind bei einem bekannten Wärmetauscher (US-PS 35 52 487) in der Endkammer kegelförmige Einbauten angeordnet. Diese Einbauten sollen das eintretende Gas gleichmäßig auf die Rohre des Rohrbündels verteilen. Dient der Wärmetauscher der Kühlung von Spaltgas, so besteht die Gefahr, daß bedingt durch die große Oberfläche dieser ungekühlten Einsätze das Spaltgas verkokt und durch die Bildung von Koksansätzen zu einer Verschmutzung oder Verstopfung im Eintrittsbereich führt.
  • Bei einem anderen bekannten Wärmetauscher (DE-PS 21 60 372) wird zur Vermeidung von Verschmutzungen im Eintrittsbereich eine Vergleichmäßigung der Durchströmung ohne Verwendung von Einbauten angestrebt. Zu diesem Zweck ist an der Mündung des Eintrittsstutzens in die Endkammer eine diffusorartige Umlenkvorrichtung vorgesehen. In der Endkammer ist weiterhin eine mit Wandöffnungen versehene Einsatzhaube angeordnet, zwischen der und der Innenwand der Endkammer ein Ringraum gebildet ist. Auf diese Weise wird dem Auftreten von Strömungsablösungen an der Innenwand und einer teilweisen Bildung von internen Rückströmungen entgegenwirkt.
  • Bei der Kühlung von Spaltgas in einem gattungsgemäßen Wärmetauscher treten außer einer ungleichmäßigen Durchströmung der eintrittsseitigen Endkammer und des Rohrbündels zusätzlich Schwierigkeiten durch Kohlenstoffpartikel auf, die aus dem Herstellungsprozeß stammen und von dem zu kühlenden Gas mitgeführt werden. Diese Kohlenstoffpartikel konzentrieren sich auf den Bereich der Kernströmung und führen zu Erosionen an der Rohrplatte und den Rohren.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen gattungsgemäßen Wärmetauscher mit solchen Einbauten zu versehen, die sowohl die Durchströmung der eintrittsseitigen Endkammer vergleichmäßigen als auch die Rohrplatte vor Erosion schützen.
  • 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.
  • Die von dem mit hoher Geschwindigkeit strömenden Gas im Bereich der Kernströmung mitgeführten Kohlenstoffpartikel treffen auf die Stäbe des Einsatzes, wodurch ihre kinetische Energie vernichtet wird. Die so abgebremsten Partikel werden von dem Gas mitgenommen und können nicht mehr zu Erosionsschäden an der Rohrplatte und den Rohren führen. Darüber hinaus wird der auftreffende Gasstrom durch den Einsatz teilweise radial nach außen gelenkt. Ein Teilstrom kann jedoch in der erforderlichen Menge zwischen den Ringabständen zu den Rohren im Mittenbereich der Rohrplatte strömen. Durch eine entsprechende Anordnung und Dimensionierung der Stäbe besteht die Möglichkeit, eine sehr gleichmäßige Beaufschlagung aller Rohre des Rohrbündels mit Gas zu erreichen. Die Ablenkung des Gasstromes nach außen wird begünstigt, wenn die zu Ringen geformten Stäbe einen Kegel bilden.
  • Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher erläutert. Es zeigen:
    • Fig. 1 den Längsschnitt durch einen Wärmetauscher und
    • Fig. 2 die Ansicht in Blickrichtung A nach Fig. 1.
  • Von einem Wärmetauscher zur Kühlung von Spaltgas ist nur der eintrittsseitige Teil gezeigt. Der Wärmetauscher besteht aus einem Rohrbündel aus geraden Rohren 1, die in zwei Rohrplatten 2 zu beiden Seiten des Rohrbündels gehalten sind. Das Rohrbündel ist von einem äußeren Mantel 3 umschlossen, der zusammen mit den Rohrplatten 2 einen von siedendem und unter hohem Druck stehendem Wasser durchflossenen Innenraum begrenzt. An die Rohrplatte 2 schließt sich auf der gezeigten Gaseintrittsseite und auf der nicht gezeigten Gasaustrittsseite jeweils eine Endkammer 4 an, die mit einem Stutzen 5 zur Zuführung oder Abführung des Gases versehen ist.Der Durchmesser des Stutzens 5 ist wesentlich kleiner als der Durchmesser der Rohrplatte 2, so daß sich die Endkammer 4 konisch erweitert.
  • In einem Abstand von der Rohrplatte 2 auf der Gaseintrittsseite ist ein Einsatz 6 angeordnet, der als Verteilelement und als Prallschutz dient. Der Einsatz 6 ist auf den Teil der Rohrplatte 2 beschränkt, der sich im Bereich der Kernströmung des durch den Stutzen 5 zugeführten Gases befindet und der somit am stärksten durch Erosion gefährdet ist. Der Einsatz 6 besteht aus Profil- oder Rundstäben, die zu mehreckigen oder runden Ringen 7 geformt sind. Der Einsatz 6 kann flach sein, wobei die Ringe konzentrisch und in einer Ebene angeordnet sind. Vorteilhaft ist es, die Ringe 7 - wie dargestellt - auf einem Kegel anzuordnen, dessen Spitze auf den Stutzen 5 weist. Die Ringe 7 sind in axialen Abständen voneinander angeordnet. Der Außendurchmesser eines Ringes 7 entspricht etwa dem Innendurchmesser des in Richtung auf die Rohrplatte 2 folgenden Ringes 7. Der Durchmesser des der Rohrplatte 2 benachbarten Ringes 7 ist etwas größer als der Durchmesser des Stutzens 5. Damit ist die Projektionsfläche des Stutzens 5 auf der Rohrplatte 2 völlig abgedeckt. Die Ringe 7 sind mit sich kreuzenden Stegen 8 verbunden, die an der Wand der Endkammer 4 befestigt sind.
  • Wie in Fig. 1 auf der rechten Seite durch die Pfeile 9 angedeutet ist, wird ein Teil des einströmenden Gases in die Randzone abgelenkt, während ein anderer Teil des Gases zwischen den Ringen 7 des Einsatzes 6 hindurchtritt. Der Durchmesser der zu den Ringen 7 geformten Stäbe und der gegenseitige Abstand kann so groß gewählt werden, daß die Verteilung des Gases über den Querschnitt der Rohrplatte 2 gleichmäßig ist. Wie die Pfeile 10 in dem linken Teil der Fig. 1 zeigen, treffen die von den Gas mitgeführten und gradlinig strömenden Kohlenstoffpartikel auf die Ringe 7 und werden abgebremst. Durch die versetzte Anordnung der Ringe 7 wird erreicht, daß die Kohlenstoffpartikel nicht mit hoher Geschwindigkeit auf die Rohrplatte 2 treffen können.

Claims (3)

1. Wärmetauscher insbesondere zum Kühlen von Spaltgas mit einem zwischen zwei Rohrplatten (2) gehaltenen Rohrbündel und zwei sich an die Rohrplatten (2) anschließenden, sich auf einen Stutzen (5) verengenden Endkammern (4), wobei in der eintrittsseitigen Endkammer (4) Einbauten angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Einbauten aus Stäben bestehen, die zu runden oder mehreckigen, konzentrisch angeordneten Ringen (7) gebogen sind und daß die Ringe (7) in einem Abstand von der Rohrplatte (2) in Verlängerung des eintrittsseitigen Stutzens (5) auf einer Fläche angeordnet sind, die im wesentlichen der Querschnittsfläche dieses Stutzens (5) entspricht.
2. Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ringe (7) entlang der Oberfläche eines Kegels angeordnet sind, dessen Spitze zu dem Gaseintritt weist.
3. Wärmetauscher nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Außendurchmesser eines Ringes (7) dem Innendurchmesser des in Richtung auf die Rohrplatte (2) folgenden Ringes (7) entspricht.
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