EP0418534A2 - Wärmetauscher zum Kühlen von Reaktionsgas - Google Patents

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EP0418534A2
EP0418534A2 EP90115139A EP90115139A EP0418534A2 EP 0418534 A2 EP0418534 A2 EP 0418534A2 EP 90115139 A EP90115139 A EP 90115139A EP 90115139 A EP90115139 A EP 90115139A EP 0418534 A2 EP0418534 A2 EP 0418534A2
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EP
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tube
heat exchanger
cooling
tubes
gas
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Peter Brücher
Wolfgang Kehrer
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Deutsche Babcock Borsig AG
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Deutsche Babcock Borsig AG
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Publication date
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    • F28D7/0066—Multi-circuit heat-exchangers, e.g. integrating different heat exchange sections in the same unit or heat-exchangers for more than two fluids
    • F28D7/0075—Multi-circuit heat-exchangers, e.g. integrating different heat exchange sections in the same unit or heat-exchangers for more than two fluids with particular circuits for the same heat exchange medium, e.g. with the same heat exchange medium flowing through sections having different heat exchange capacities or for heating or cooling the same heat exchange medium at different temperatures
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F28D7/16—Heat-exchange apparatus having stationary tubular conduit assemblies for both heat-exchange media, the media being in contact with different sides of a conduit wall the conduits being arranged in parallel spaced relation
    • F28D7/163—Heat-exchange apparatus having stationary tubular conduit assemblies for both heat-exchange media, the media being in contact with different sides of a conduit wall the conduits being arranged in parallel spaced relation with conduit assemblies having a particular shape, e.g. square or annular; with assemblies of conduits having different geometrical features; with multiple groups of conduits connected in series or parallel and arranged inside common casing
    • F28D7/1669—Heat-exchange apparatus having stationary tubular conduit assemblies for both heat-exchange media, the media being in contact with different sides of a conduit wall the conduits being arranged in parallel spaced relation with conduit assemblies having a particular shape, e.g. square or annular; with assemblies of conduits having different geometrical features; with multiple groups of conduits connected in series or parallel and arranged inside common casing the conduit assemblies having an annular shape; the conduits being assembled around a central distribution tube
    • F28D7/1676—Heat-exchange apparatus having stationary tubular conduit assemblies for both heat-exchange media, the media being in contact with different sides of a conduit wall the conduits being arranged in parallel spaced relation with conduit assemblies having a particular shape, e.g. square or annular; with assemblies of conduits having different geometrical features; with multiple groups of conduits connected in series or parallel and arranged inside common casing the conduit assemblies having an annular shape; the conduits being assembled around a central distribution tube with particular pattern of flow of the heat exchange media, e.g. change of flow direction
    • 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
    • F28F9/0246—Arrangements for connecting header boxes with flow lines
    • 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
    • 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 for cooling reaction gas produced in a tube furnace with the features of the preamble of patent claim 1.
  • Such heat exchangers are used for the rapid cooling of reaction gases from cracking furnaces and industrial plant reactors with simultaneous generation of high-pressure steam as a heat-dissipating medium.
  • the hot reaction gas emerging from the tube furnace must be cooled in the shortest possible time to an intermediate temperature at which the chemical reactions taking place in the reaction gas come to a standstill.
  • the further cooling of the reaction gas to the desired final temperature can then take place more slowly and taking into account other criteria, for example economic or process engineering.
  • a low total pressure drop on the gas side is of great importance for the gap yield.
  • a short overall length is also desirable for economic reasons.
  • GB-PS 10 87 512 It is known (GB-PS 10 87 512) to cool the cracked gas in a single cooled tube, which is connected directly to the furnace outlet, to the final temperature. This ensures rapid gas cooling, but a high pressure loss must be accepted. From GB-PS 10 87 512 it is also known to carry out the cooling in two stages, the first stage in turn consisting of a single, cooled pipe connected to the furnace outlet, which cools the gas to the required intermediate temperature in a very short time. The cracked gas is then passed through connecting pipes into a second separate apparatus, in which the remaining cooling is carried out. The construction effort by two separate devices is very large. Furthermore, the apparatus connection creates a high pressure loss, which has a disadvantageous effect on the splitting yield.
  • the invention has for its object to reduce the construction costs of a generic heat exchanger while maintaining favorable process and cooling conditions.
  • the first and the second cooling stage are enclosed by a common jacket which serves to hold the cooling medium. Both cooling stages are thus combined in a single unit, so that the construction costs are reduced.
  • the rapid cooling of the reaction gas in the first cooling stage to the intermediate temperature begins immediately behind the furnace outlet without reducing the speed.
  • Final cooling in the directly integrated second cooling stage takes place at a lower mass speed and thus with less pressure loss.
  • the second cooling stage can be made significantly shorter than a single pipe.
  • the distribution chamber between the first and the second cooling stage can also be cooled and thus contribute to heat transfer. The conical design of the distribution chamber results in a pressure recovery and thus a reduced total pressure loss.
  • the heat exchangers shown serve for the rapid cooling of cracked gas or another reaction gas which is produced in a cracked furnace or chemical plant reactor designed as a tube furnace.
  • the tube furnace which is not shown, consists of individual heated tubes through which the cracked gas to be generated flows.
  • the heat exchanger contains two cooling stages, of which the first is a single tube heat exchanger with a single tube 1 and the second is a bundle tube heat exchanger with tubes 2.
  • the single tube 1 is surrounded by an outer tube 3 and is tightly connected to it on the gas inlet side by means of an annular flange 4.
  • the single tube 1 is connected directly to a tube of the tube furnace via a connection largely free of thermal stresses.
  • the internal dimensions of the tube largely correspond to those of the individual tube 1.
  • the gas outlet end of the single tube 1 opens into a distribution chamber 5 which is delimited by a tube plate 6.
  • the tubes 2 of the tube bundle are welded gas-tight with their gas inlet ends into the tube plate 6.
  • a second tube plate 7 receives the gas outlet ends of the tubes 2 in a gas-tight manner.
  • a gas outlet chamber 8 connects to the tube plate 7 for removing the cooled cracked gas.
  • An outer jacket 9 encloses an interior space 10 and surrounds the tubes 2.
  • the distribution chamber 5 widens conically in the flow direction of the cracked gas, starting from the cross section of the single tube 1.
  • the diameter of the tube plate 6 delimiting the distribution chamber 5 is smaller than the inner diameter of the outer jacket 9.
  • the outer tube 3 is connected to the outer jacket 9 via a conical intermediate piece 11.
  • the annular space 12 between the individual tube 1 and the outer tube 3 is connected to the inner space 10 enclosed by the outer jacket 9, so that a coolant can flow through both spaces 10, 12 continuously.
  • the distribution chamber 5 is thus also within the cooling medium flow and can also be used to cool the cracked gas.
  • Water under high pressure is used as the cooling medium and is fed to the heat exchanger via one or more inlet connections 13.
  • the water evaporates by absorbing heat from the cracked gas flowing through the single pipe 1, the distribution chamber 5 and the pipes 2 and emerges as a water-steam mixture through one or more outlet connections 14.
  • the inlet connector 13 is attached to the outer tube 3 and the outlet connector 14 is attached to the outer jacket 9.
  • the individual tube 1 is passed through the outer jacket 9 parallel to the tubes 2 and is preferably arranged in the longitudinal axis of the outer jacket 9.
  • the distribution chamber 5 is delimited by the tube plate 6 and a hood 15, both of which are attached to the outer jacket 9 at one end.
  • the tube plate 7 inserted in the outer jacket 9 and connected to the gas outlet is connected to the outer tube 3, which in this embodiment only surrounds the single tube 1 over a partial length.
  • the outer tube 3 is surrounded by an annular gas collection chamber 16, which is provided with a gas outlet connection 17 and is delimited in relation to the interior 10 by the tube plate 7.
  • the heat exchanger In contrast to the heat exchanger according to FIG. 1, in which the cracked gas to be cooled flows through the single tube 1 and the tubes 2 without changing the direction of flow, the heat exchanger has 2 flows through the single tube 1 and the tubes 2 on the gas side in the opposite direction. 2 are the annular space 12 and the interior 10 in connection and are flowed through by the same cooling medium. In turn, the inlet connector 13 for the cooling medium is attached to the outer tube 3 and the outlet connector 14 to the outer jacket 9.
  • the cracked gas generated in the tube furnace flows for cooling in the individual tube 1 of the individual tube heat exchanger representing the first cooling stage without a change in volume and without a delay due to a change in volume or speed.
  • the cracked gas releases its heat immediately behind the exit of the tube furnace to the cooling medium located in the annular space 12 around the individual tube 1.
  • the cracked gas can thus be cooled to the required intermediate temperature at high mass speed and therefore in the shortest possible time.
  • the cracked gas enters the distribution chamber 5 directly from the single pipe 1, which, in the case of a conical configuration, enables pressure recovery and thus brings about a reduction in the total pressure loss.
  • the cracked gas flows through these tubes 2 with a lower mass velocity and thus with a desired lower pressure loss. It gives off its heat to the surrounding cooling medium within the interior 10 and is cooled to the final temperature.

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Abstract

Der Wärmetauscher dient zum Kühlen von in einem Röhrenofen hergestelltem Spaltgas und besteht aus einem gekühlten Einzelrohr (1), das an eine Röhre des Röhrenofens direkt angeschlossen ist. Das Einzelrohr (1) geht über eine Verteilkammer (5) in die Rohre (2) eines Rohrbündelwärmetauschers über. Das das Einzelrohr (1) umgebende Außenrohr (3) und der das Rohrbündel umgebende Außenmantel (9) sind miteinander verbunden und jeweils nur mit einem der Zuführung oder Abführung von Kühlmedium dienenden Stutzen (13, 14) versehen.

Description

  • Die Erfindung betrifft einen Wärmetauscher zum Kühlen von in einem Röhrenofen hergestelltem Reaktionsgas mit den Merkmalen des Oberbegriffes des Patentanspruches 1.
  • Derartige Wärmetauscher dienen zur schnellen Abkühlung von Reaktionsgasen aus Spaltöfen und Industrieanlagenreaktoren bei gleichzeitiger Erzeugung von Hochdruckdampf als wärmeabführendes Medium. Zur Erreichung bestmöglicher Spaltausbeute muß das aus dem Röhrenofen austretende heiße Reaktionsgas in kürzestmöglicher Zeit auf eine Zwischentemperatur abgekühlt werden, bei der die im Reaktionsgas ablaufenden chemischen Reaktionen zum Stillstand kommen. Die weitere Abkühlung des Reaktionsgases bis auf die gewünschte Endtemperatur kann dann langsamer und unter Berücksichtigung anderer, zum Beispiel ökonomischer oder prozeßtechnischer Kriterien erfolgen. Für die Spaltausbeute ist ein niedriger gasseitiger Gesamtdruckverlust von großer Bedeutung. Ebenso ist aus ökonomischen Gründen eine kurze Baulänge erwünscht.
  • Es ist bekannt (GB-PS 10 87 512), das Spaltgas in einem einzelnen gekühlten Rohr, das direkt an den Ofenaustritt angeschlossen ist, bis auf die Endtemperatur abzukühlen. Dadurch ist zwar eine schnelle Gasabkühlung gewährleistet, jedoch muß ein hoher Druckverlust in Kauf genommen werden. Aus der GB-PS 10 87 512 ist es weiterhin bekannt, die Abkühlung zweistufig vorzunehmen, wobei die erste Stufe wiederum aus einem einzelnen, an den Ofenaustritt angeschlossenen gekühlten Rohr besteht, das das Gas in kürzester Zeit auf die erforderliche Zwischentemperatur abkühlt. Anschließend wird das Spaltgas über verbindende Rohrleitungen in einen zweiten separaten Apparat geleitet, in dem die Restabkühlung vorgenommen wird. Der Bauaufwand durch zwei separate Apparate ist sehr groß. Ferner entsteht durch die Apparateverbindung ein hoher Druckverlust, der sich nachteilig auf die Spaltausbeute auswirkt.
  • Es ist weiterhin bekannt, mehrere Ofenaustritte zusammenzufassen und das Spaltgas über eine Eintrittskammer auf mehrere Kühlrohre eines Wärmetauschers zwecks Abkühlung zu verteilen. Nachteilig hierbei ist, daß das Spaltgas beim Einströmen in die Eintrittskammer infolge der Volumenvergrößerung eine Verlangsamung erfährt, durch die das Abkühlen des Gases nach dem Austritt aus dem Spaltofen verzögert wird, was sich negativ auf die Spaltausbeute auswirkt. Da außerdem die Eintrittskammer ungekühlt ist, setzt die Abkühlung des Gases verzögert ein.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, unter Einhaltung günstiger Prozeß- und Abkühlbedingungen den Bauaufwand eines gattungsgemäßen Wärmetauschers zu verringern.
  • Diese Aufgabe wird bei einem gattungsgemäßen Wärmetauscher erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungten der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
  • Bei diesem Wärmetauscher ist die erste und die zweite Kühlstufe von einem gemeinsamen Mantel umschlossen, der der Aufnahme des Kühlmediums dient. Beide Kühlstufen sind damit in einem einzigen Aggregat zusammengefaßt, so daß sich der Bauaufwand verringert. Die schnelle Abkühlung des Reaktionsgases in der ersten Kühlstufe bis zur Zwischentemperatur setzt unmittelbar hinter dem Ofenaustritt ohne Geschwindigkeitsverringerung ein. Die Endabkühlung in der direkt integrierten zweiten Kühlstufe erfolgt mit geringerer Massengeschwindigkeit und damit mit geringerem Druckverlust. Dabei kann die zweite Kühlstufe erheblich kürzer ausgeführt werden als ein Einzelrohr. Die Verteilkammer zwischen der ersten und der zweiten Kühlstufe kann ebenfalls gekühlt sein und damit zur Wärmeübertragung beitragen. Die konische Ausbildung der Verteilkammer bewirkt einen Druckrückgewinn und damit einen verringerten Gesamtdruckverlust.
  • Mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im folgenden näher erläutert. Es zeigen:
    • Fig. 1 schematisch den Längsschnitt durch einen Wärmetauscher zum Kühlen von Reaktionsgas und
    • Fig. 2 schematisch den Längsschnitt durch einen anderen Wärmetauscher zum Kühlen von Reaktionsgas.
  • Die dargestellten Wärmetauscher dienen zum schnellen Abkühlen von Spaltgas oder einem anderen Reaktionsgas, das in einem als Röhrenofen ausgebildeten Spaltofen oder Chemieanlagenreaktor hergestellt ist. Der Röhrenofen, der nicht dargestellt ist, besteht aus einzelnen beheizten Röhren, die von dem zu erzeugenden Spaltgas durchströmt sind.
  • Der Wärmetauscher enthält zwei Kühlstufen, von denen die erste ein Einzelrohrswärmetauscher mit einem Einzelrohr 1 und die zweite ein Bündelrohrwärmetauscher mit Rohren 2 ist. Das Einzelrohr 1 ist von einem Außenrohr 3 umgeben und auf der Gaseintrittsseite mit diesem über einen Ringflansch 4 dicht verbunden. Das Einzelrohr 1 ist über eine weitgehend von thermischen Spannungen freie Verbindung an eine Röhre des Röhrenofens direkt angeschlossen. Dabei entsprechen die Innenabmessungen der Röhre weitgehend denen des Einzelrohres 1.
  • Das gasaustrittsseitige Ende des Einzelrohres 1 mündet in eine Verteilkammer 5, die durch eine Rohrplatte 6 begrenzt ist. In die Rohrplatte 6 sind die Rohre 2 des Rohrbündels mit ihren gaseintrittsseitigen Enden gasdicht eingeschweißt. Eine zweite Rohrplatte 7 nimmt gasdicht die gasaustrittsseitigen Enden der Rohre 2 auf. An die Rohrplatte 7 schließt sich eine Gasaustrittskammer 8 zur Abführung des gekühlten Spaltgases an. Ein Außenmantel 9 umschließt einen Innenraum 10 und umgibt die Rohre 2.
  • Bei dem in Fig. 1 dargestellten Wärmetauscher erweitert sich die Verteilkammer 5 ausgehend von dem Querschnitt des Einzelrohres 1 konisch in Strömungsrichtung des Spaltgases. Der Durchmesser der die Verteilkammer 5 begrenzenden Rohrplatte 6 ist geringer als der Innendurchmesser des Außenmantels 9. Im Bereich der Vertilkammer 5 ist das Außenrohr 3 mit dem Außenmantel 9 über ein konisches Zwischenstück 11 verbunden. Auf diese Weise ist der Ringraum 12 zwischen dem Einzelrohr 1 und dem Außenrohr 3 mit dem von dem Außenmantel 9 umschlossenen Innenraum 10 verbunden, so daß beide Räume 10, 12 von einem Kühlmittel durchgehend durchströmt werden können. Damit liegt auch die Verteilkammer 5 innerhalb des Kühlmediumstromes und kann mit zur Abkühlung des Spaltgases herangezogen werden.
  • Als Kühlmedium dient unter hohem Druck stehendes Wasser, das über einen oder mehrere Eintrittsstutzen 13 dem Wärmetauscher zugeführt wird. Das Wasser verdampft durch Wärmeaufnahme aus dem das Einzelrohr 1, die Verteilkammer 5 und die Rohre 2 durchströmenden Spaltgas und tritt als Wasser-Dampf-Gemisch durch einen oder mehrere Austrittsstutzen 14 aus. Der Eintrittsstutzen 13 ist an dem Außenrohr 3 und der Austrittsstutzen 14 ist an dem Außenmantel 9 angebracht.
  • Bei dem in Fig. 2 dargestellten Wärmetauscher ist das Einzelrohr 1 parallel zu den Rohren 2 durch den Außenmantel 9 hindurchgeführt und vorzugsweise in der Längsachse des Außenmantels 9 angeordnet. Die Verteilkammer 5 ist durch die Rohrplatte 6 und eine Haube 15 begrenzt, die beide an einem Ende an dem Außenmantel 9 befestigt sind. Die in den Außenmantel 9 eingesetzte, gasaustrittsseitige Rohrplatte 7 ist mit dem Außenrohr 3 verbunden, das bei dieser Ausführungsform das Einzelrohr 1 nur noch auf einer Teillänge umgibt. Das Außenrohr 3 ist von einer ringförmigen Gassammelkammer 16 umgeben, die mit einem Gasaustrittsstutzen 17 versehen und gegenüber dem Innenraum 10 durch die Rohrplatte 7 begrenzt ist.
  • Im Gegensatz zu dem Wärmetauscher gemäß Fig. 1, bei dem das zu kühlende Spaltgas das Einzelrohr 1 und die Rohre 2 ohne Änderung der Strömungsrichtung durchströmt, sind bei dem Wärmetauscher gemäß Fig. 2 das Einzelrohr 1 und die Rohre 2 gasseitig in Gegenrichtung durchströmt. Im übrigen stehen auch bei dem Wärmetauscher gemäß Fig. 2 der Ringraum 12 und der Innenraum 10 in Verbindung und sind von dem gleichen Kühlmedium durchströmt. Dabei ist wiederum der Eintrittsstutzen 13 für das Kühlmedium an dem Außenrohr 3 und der Austrittsstutzen 14 an dem Außenmantel 9 angebracht.
  • Das in dem Röhrenofen erzeugte Spaltgas strömt zur Abkühlung in das Einzelrohr 1 des die erste Kühlstufe darstellenden Einzelrohrwärmetauschers ohne Volumenänderung und ohne Verzögerung durch eine Volumen- oder Geschwindigkeitsänderung ein. Das Spaltgas gibt unmittelbar hinter dem Austritt des Röhrenofens seine Wärme an das um das Einzelrohr 1 in den Ringraum 12 befindliche Kühlmedium ab. Das Spaltgas kann damit mit hoher Massengeschwindigkeit und dadurch in kürzester Zeit auf die erforderliche Zwischentemperatur abgekühlt werden. Das Spaltgas tritt aus dem Einzelrohr 1 direkt in die Verteilkammer 5 ein, die bei konischer Ausgestaltung einen Druckrückgewinn ermöglicht und damit eine Senkung des Gesamtdruckverlustes bewirkt. Aus der Verteilkammer 5 tritt das Spaltgas direkt in die Rohre 2 des die zweite Kühlstufe darstellenden Rohrbündels ein. Das Spaltgas durchströmt diese Rohre 2 mit geringerer Massengeschwindigkeit und damit mit gewünschtem geringeren Druckverlust. Es gibt seine Wärme an das umgebende Kühlmedium innerhalb des Innenraumes 10 ab und wird auf Endtemperatur abgekühlt.

Claims (5)

1. Wärmetauscher zum Kühlen von in einem Röhrenofen hergestelltem Reaktionsgas mit einem von einem Außenrohr (3) umgebenen, gekühlten Einzelrohr (1), das an eine der Röhren des Röhrenofens direkt angeschlossen ist und das über eine Verteilkammer (5) mit einem von einem Außenmantel (9) umgebenen Rohrbündel verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß das das Einzelrohr (1) umgebende Außenrohr (3) und der das Rohrbündel umgebende Außenmantel (9) miteinander verbunden und jeweils mit einem nur der Zuführung oder Abführung von Kühlmittel dienenden Stutzen (13, 14) versehen sind.
2. Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Außenrohr (3) des Einzelrohres (1) im Bereich der Verteilkammer (5) mit dem die Verteilkammer (5) umschließenden Außenmantel (9) verbunden ist.
3. Wärmetauscher nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Verteilkammer (5) in Strömungsrichtung des Reaktionsgases konisch erweitert und von einer die gaseintrittsseitigen Enden der Rohre (2) aufnehmenden Rohrplatte (6) begrenzt ist, deren Durchmesser geringer ist als der Innendurchmesser des Außenmantels (9).
4. Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Einzelrohr (1) parallel zu den Rohren (2) durch den Außenmantel (9) hindurchgeführt ist, daß die Rohre (2) und das Einzelrohr (1) in entgegengesetzter Richtung von dem zu kühlenden Reaktionsgas durchströmt sind und daß das Außenrohr (3) mit dem Außenmantel (9) über eine die gasaustrittsseitigen Enden der Rohre (2) aufnehmende Rohrplatte (7) verbunden ist.
5. Wärmetauscher nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Innenquerschnitt einer Röhre des Röhrenofens dem Innenquerschnitt des an die Röhre unmittelbar angeschlossenen Einzelrohres (1) entspricht.
EP19900115139 1989-09-22 1990-08-07 Heat exchanger for cooling a reaction gas Withdrawn EP0418534A3 (en)

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EP0418534A3 EP0418534A3 (en) 1991-10-23

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EP19900115139 Withdrawn EP0418534A3 (en) 1989-09-22 1990-08-07 Heat exchanger for cooling a reaction gas

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