EP0974803A2 - Wärmetauscher zum Kühlen eines heissen Prozessgases - Google Patents

Wärmetauscher zum Kühlen eines heissen Prozessgases Download PDF

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EP0974803A2
EP0974803A2 EP99113759A EP99113759A EP0974803A2 EP 0974803 A2 EP0974803 A2 EP 0974803A2 EP 99113759 A EP99113759 A EP 99113759A EP 99113759 A EP99113759 A EP 99113759A EP 0974803 A2 EP0974803 A2 EP 0974803A2
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Peter Brücher
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    • C10—PETROLEUM, GAS OR COKE INDUSTRIES; TECHNICAL GASES CONTAINING CARBON MONOXIDE; FUELS; LUBRICANTS; PEAT
    • C10G—CRACKING HYDROCARBON OILS; PRODUCTION OF LIQUID HYDROCARBON MIXTURES, e.g. BY DESTRUCTIVE HYDROGENATION, OLIGOMERISATION, POLYMERISATION; RECOVERY OF HYDROCARBON OILS FROM OIL-SHALE, OIL-SAND, OR GASES; REFINING MIXTURES MAINLY CONSISTING OF HYDROCARBONS; REFORMING OF NAPHTHA; MINERAL WAXES
    • C10G9/00—Thermal non-catalytic cracking, in the absence of hydrogen, of hydrocarbon oils
    • C10G9/002—Cooling of cracked gases
    • 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
    • F28D7/00—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
    • F28D7/10—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 one within the other, e.g. concentrically
    • F28D7/106—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 one within the other, e.g. concentrically consisting of two coaxial conduits or modules of two coaxial conduits
    • 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
    • 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
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    • F28F9/16—Arrangements for sealing elements into header boxes or end plates by permanent joints, e.g. by rolling
    • F28F9/18—Arrangements for sealing elements into header boxes or end plates by permanent joints, e.g. by rolling by welding
    • 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 a in a process gas generator or a reactor Process gas with the features of the preamble of Claim 1.
  • Hot process gases in ammonia plants, in methanol plants, in hydrogen plants and in oil or Residual gasification plants are produced in the Downstream reactor heat exchanger cooled.
  • the thermal energy contained in the process gas is recovered, producing high pressure steam.
  • Waste heat exchangers contain a variety of straight bundle tubes through which the process gas flows.
  • the heat of the process gas is applied to the bundle tubes within a pressure jacket, under boiling pressure standing water discharged.
  • the hot process gas is the Waste heat exchanger arranged horizontally or vertically can be, via a connected to the process gas generator Process gas line supplied.
  • They are also heat exchangers known, in which the tubes spiral as coils are trained. All of these are heat exchangers specifically expensive and only time-consuming to maintain repair.
  • the invention has for its object the generic Train heat exchangers so that they can be used for different purposes Processes such as B. in ammonia, in methanol, in Hydrogen plants or in oil or Residue gasification plants or for combustion processes can be used.
  • the connection is made in the heat exchanger according to the invention to the process gas generator via the transition line, the one Construction element is of simple shape.
  • This Transition line does not need to the internal structure of the Process gas generator to be customized, nor does it make one special design of the heat exchanger required.
  • the Heat exchanger can be due to the relatively free Design options can be standardized.
  • the Heat exchanger process gas generators are connected in that run different processes. So he can Heat exchanger for cooling process gases from the Ammonia production, methanol production, the Hydrogen production or oil or residue gasification be used.
  • the connecting pipes between the Transition line and the water chamber prevent that hot process gas hits the bottom of the water chamber.
  • a process gas generator 1 In a process gas generator 1, the z. B. to an oil or Residual gasification plant is heard, hot process gases generated in a downstream heat exchanger 2nd be cooled.
  • the process gas generator 1 is standing Construction and is in its lower part with a Provide gas outlet 3.
  • the heat exchanger 2 can in the same way also a reactor for the production of Ammonia, methanol or hydrogen can be connected.
  • transition line 4 At the gas outlet 3 of the process gas generator 1 is a horizontally arranged transition line 4 of circular Cross section connected.
  • the transition line 4 is with a fireproof, heat-insulating inner lining 5 Mistake.
  • brackets 6 On the outside of the transition line 4 and also the process gas generator 1 brackets 6 are attached with which the transition line 4 and the process gas generator 1 on supports 7 rest.
  • the heat exchanger 2 contains double tubes 8, which are in a row are arranged side by side.
  • the double tubes 8 are through Bandages 9 connected, which rest on carriers 10.
  • Each double tube 8 consists of a cooling tube 11, which in one Distance to form an annular space from an outer tube 12 is surrounded.
  • the outer tube 12 and the cooling tube 11 are on both ends close to a water chamber 13, 14 for Supply and discharge of a cooling medium welded on.
  • the Water chamber 13, 14 consists of a massive, strip-shaped piece in which a distance from each other circular depressions 15 are introduced, each one surrounded only cooling tube 11.
  • the diameter of the depression 15 is equal to or larger than the inside diameter of the Outer tube 12.
  • the recess 15 has in the area of Tube ends of the cooling tubes 11 have a thin, annular bottom 16 with a small remaining wall thickness. In this floor 16 is the cooling tube 11 welded.
  • the outer tube 12 is on the the side facing away from the thin bottom 16 to the water chamber 13, 14 welded.
  • the strip-shaped piece forming the water chamber 13, 14 consists preferably of individual together, e.g. B. by Welding connected sections of rectangular or square cross section. In every section of the water chamber 13, 14 is a single depression surrounding a cooling tube 11 15 introduced.
  • Each recess 15 opens out at the level of the bottom 16 preferably tangentially into a bore 17.
  • the holes 17 are each via connecting piece 18 with a collector 19 for the supply of a cooling medium or with a Steam drum 20 connected to discharge the cooling medium.
  • the Well 15 is provided with a further bore 21 which at the level of the bottom 16 led outwards and with a lockable drain pipe, not shown, is connected.
  • the cooling tubes 11 are on the gas inlet side via z. B. ceramic connecting pipes 22 with the transition line 4 and on the gas outlet side with a gas manifold 23 in Connection.
  • the connecting pipes 22 are coaxial to the Cooling tubes 11 arranged. They preferably have the same Inner diameter as the cooling tubes 11.
  • Each Connection tube 22 projects with a radial and axial distance in a tube extension 24 into it, at the inlet end each cooling tube 11 is provided.
  • Each connecting tube 22 is of a refractory, heat insulating layer 25 surrounded. This layer 25 is from enclosed a pipe section 26 which to the lower Water chamber 13 and welded to the transition line 4 is.
  • connection pipes 22 The entry-side, widening end of the Connection pipes 22 is in the inner lining 5 of the Transition line 4 is held and is via an opening 27 in the inner lining 5 with the leading process gas Cross section of the transition line 4 in connection.
  • the process gas generator 1 can also by a gas or Oil burner to be replaced.
  • the Heat exchanger 2 are operated as a fired auxiliary boiler.

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Abstract

Ein Wärmetauscher (2) zum Kühlen eines in einem in einem Prozeßgaserzeuger (1) oder einem Reaktor erzeugten, heißen Prozeßgases ist mit mehreren von jeweils einem Außenrohr (12) umgebenen Kühlrohren (11) versehen. Jedes Kühlrohr (11) und jedes Außenrohr (12) ist an beiden Enden an je eine Wasserkammer (13, 14) zur Zuführung und Abführung eines Kühlmediums angeschweißt. Die Wasserkammer (13, 14) besteht aus einem massiven, streifenförmigen Stück, in das entsprechend der Anzahl der Kühlrohre (11) in einem Abstand voneinander kreisförmige Vertiefungen (15) eingebracht sind, Jede Vertiefung (15) umgibt ein Kühlrohr (11) und weist einen Durchmesser auf, der gleich dem oder größer als der Innendurchmesser des Außenrohres (12) ist. Die Vertiefung (15) weist im Bereich der Rohrenden der Kühlrohre (11) einen dünnen, ringförmigen Boden (16) mit einer geringen Restwanddicke auf. An den Prozeßgaserzeuger (1) ist eine horizontale, das heiße Prozeßgas führende Übergangsleitung (4) angeschlossen. Koaxial zu jedem Kühlrohr (11) ist ein Verbindungsrohr (22) angeordnet, das einerseits in das Kühlrohr (11) eingreift und andererseits von der Übergangsleitung (4) ausgeht. <IMAGE>

Description

Die Erfindung betrifft einen Wärmetauscher zum Kühlen eines in einem Prozeßgaserzeuger oder einem Reaktor erzeugten, heißen Prozeßgases mit den Merkmalen des Oberbegriffes des Patentanspruches 1.
Heiße Prozeßgase, die in Ammoniakanlagen, in Methanolanlagen, in Wasserstoffanlagen und in Öl- bzw. Rückstandsvergasungsanlagen erzeugt werden, werden in dem Reaktor nachgeschalteten Abhitzewärmetauschern abgekühlt. Die in dem Prozeßgas enthaltene Wärmeenergie wird rückgewonnen, wobei Hochdruck-Dampf erzeugt wird.
Bekannte Abhitzewärmetauscher enthalten eine Vielzahl von geraden Bündelrohren, die von dem Prozeßgas durchströmt sind. Dabei wird die Wärme des Prozeßgases an das die Bündelrohre innerhalb eines Druckmantels umgebende, unter Siededruck stehende Wasser abgeführt. Das heiße Prozeßgas wird dem Abhitzewärmetauscher, der horizontal oder vertikal angeordnet sein kann, über eine an den Prozeßgaserzeuger angeschlossene Prozeßgasleitung zugeführt. Es sind auch Abhitzewärmetauscher bekannt, bei denen die Rohre spiralförmig als Rohrschlangen ausgebildet sind. Alle diese Abhitzewärmetauscher sind spezifisch teuer und nur aufwendig zu warten und zu reparieren.
Aus der DE-OS 44 45 687 und der DE-OS 196 22 139 ist ein Wärmetauscher mit einem linearen Doppelrohrregister bekannt. Die Doppelrohre sind an beiden Enden an je eine Wasserkammer angeschweißt, die aus einem massiven streifenförmigen Stück besteht. In dieses massive Stück sind entsprechend der Anzahl der Doppelrohre in einem Abstand voneinander Vertiefungen eingebracht, wobei jede Vertiefung einem Doppelrohr zugeordnet ist. Die Wasserkammer hält dem hohem Druck des Kühlmediums stand und ist kostengünstig herzustellen. Die Wasserkammer kann aus einzelnen miteinander verbundenen Abschnitten zusammengesetzt sein, wodurch diese Abschnitte und auch die Doppelrohre bei der Fertigung allseitig zugänglich sind. Der bekannte Wärmetauscher dient zum Kühlen von Spaltgas in einer Ethylenanlage. Jedes Rohr des Spaltofens dieser Anlage ist auf der Gaseintrittsseite des Wärmetauschers koaxial zu einem Doppelrohr an die Wasserkammer angeschweißt. Diese Anordnung bringt die genannten Vorteile mit sich und hat sich in der Praxis bewährt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den gattungsgemäßen Wärmetauscher so auszubilden, daß er für unterschiedliche Prozesse, wie z. B. in Ammoniak-, in Methanol-, in Wasserstoffanlagen oder in Öl- bzw. Rückstandsvergasungsanlagen oder für Verbrennungsprozesse einsetzbar ist.
Diese Aufgabe wird bei einem gattungsgemäßen Wärmetauscher erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Bei dem erfindungsgemäßen Wärmetauscher erfolgt der Anschluß an den Prozeßgaserzeuger über die Übergangsleitung, die ein Konstruktionselement von einfacher Gestalt ist. Diese Übergangsleitung braucht nicht an den inneren Aufbau des Prozeßgaserzeugers angepaßt zu werden, noch macht sie eine besondere Gestaltung des Wärmetauschers erforderlich. Der Wärmetauscher kann aufgrund der verhältnismäßig freien Gestaltungsmöglichkeit standardisiert werden. Ferner kann der Wärmetauscher Prozeßgaserzeugern nachgeschaltet werden, in denen unterschiedliche Prozesse ablaufen. So kann der Wärmetauscher zur Kühlung von Prozeßgasen aus der Ammoniakherstellung, der Methanolherstellung, der Wasserstoffherstellung oder der Öl- bzw. Rückstandsvergasung eingesetzt werden. Die Verbindungsrohre zwischen der Übergangsleitung und der Wasserkammer verhindern, daß das heiße Prozeßgas auf den Boden der Wasserkammer trifft.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1
einen Wärmetauscher mit vorgeschaltetem Prozeßgaserzeuger in perspektivischer Darstellung,
Fig. 2
teilweise in Ansicht und teilweise im Längsschnitt den Wärmetauscher mit vorgeschaltetem Prozeßgaserzeuger nach Fig. 1,
Fig. 3
den Schnitt III - III nach Fig. 2 und
Fig. 4
die Einzelheit Z nach Fig. 1.
In einem Prozeßgaserzeuger 1, der z. B. zu einer Öl- oder Rückstandsvergasungsanlage gehört, werden heiße Prozeßgase erzeugt, die in einem nachgeschalteten Wärmetauscher 2 abgekühlt werden. Der Prozeßgaserzeuger 1 ist von stehender Bauart und ist in seinem unteren Teil mit einem Gasaustrittsstutzen 3 versehen. Der Wärmetauscher 2 kann in der gleichen Weise auch einem Reaktor zur Erzeugung von Ammoniak, Methanol- oder Wasserstoff nachgeschaltet sein.
An den Gasaustrittsstutzen 3 des Prozeßgaserzeugers 1 ist eine horizontal angeordnete Übergangsleitung 4 von kreisrundem Querschnitt angeschlossen. Die Übergangsleitung 4 ist mit einer feuerfesten, wärmeisolierende Innenauskleidung 5 versehen. Auf der Außenseite der Übergangsleitung 4 und auch des Prozeßgaserzeugers 1 sind Pratzen 6 angebracht, mit denen die Übergangsleitung 4 und der Prozeßgaserzeuger 1 auf Stützen 7 aufruhen.
Der Wärmetauscher 2 enthält Doppelrohre 8, die in einer Reihe nebeneinander angeordnet sind. Die Doppelrohre 8 sind durch Bandagen 9 verbunden, die auf Trägern 10 aufruhen.
Jedes Doppelrohr 8 besteht aus einem Kühlrohr 11, das in einem Abstand unter Bildung eines Ringraumes von einem Außenrohr 12 umgeben ist. Das Außenrohr 12 und das Kühlrohr 11 sind an beiden Enden dicht an je eine Wasserkammer 13, 14 zur Zuführung und Abführung eines Kühlmediums angeschweißt. Die Wasserkammer 13, 14 besteht aus einem massiven, streifenförmigen Stück, in das in einem Abstand voneinander kreisförmige Vertiefungen 15 eingebracht sind, die jeweils ein einziges Kühlrohr 11 umgeben. Der Durchmesser der Vertiefung 15 ist gleich dem oder größer als der Innendurchmesser des Außenrohres 12. Die Vertiefung 15 weist im Bereich der Rohrenden der Kühlrohre 11 einen dünnen, ringförmigen Boden 16 mit einer geringen Restwanddicke auf. In diesen Boden 16 ist das Kühlrohr 11 eingeschweißt. Das Außenrohr 12 ist auf der dem dünnen Boden 16 abgewandten Seite an die Wasserkammer 13, 14 geschweißt.
Das die Wasserkammer 13, 14 bildende streifenförmige Stück besteht vorzugsweise aus einzelnen miteinander, z. B. durch Verschweißen verbundenen Abschnitten von rechteckigem oder quadratischem Querschnitt. In jeden Abschnitt der Wasserkammer 13, 14 ist eine einzige, ein Kühlrohr 11 umgebende Vertiefung 15 eingebracht.
In jede Vertiefung 15 mündet in der Höhe des Bodens 16 vorzugsweise tangential eine Bohrung 17 hinein. Die Bohrungen 17 sind jeweils über Verbindungsstutzen 18 mit einem Sammler 19 für die Zuführung eines Kühlmediums bzw. mit einer Dampftrommel 20 zur Abführung des Kühlmediums verbunden. Die Vertiefung 15 ist mit einer weiteren Bohrung 21 versehen, die in der Höhe des Bodens 16 nach außen geführt und mit einer absperrbaren, nicht gezeigten Abschlämmleitung verbunden ist.
Die Kühlrohre 11 stehen auf der Gaseintrittsseite über z. B. keramische Verbindungsrohre 22 mit der Übergangsleitung 4 und auf der Gasaustrittsseite mit einer Gassammelleitung 23 in Verbindung. Die Verbindungsrohre 22 sind koaxial zu den Kühlrohren 11 angeordnet. Sie weisen vorzugsweise denselben Innendurchmesser wie die Kühlrohre 11 auf. Jedes Verbindungsrohr 22 ragt mit radialem und axialem Abstand in eine Rohrerweiterung 24 hinein, die am eintrittsseitigen Ende jedes Kühlrohres 11 vorgesehen ist.
Jedes Verbindungsrohr 22 ist von einer feuerfesten, wärmeisolierenden Schicht 25 umgeben. Diese Schicht 25 ist von einem Rohrabschnitt 26 umschlossen, der an die untere Wasserkammer 13 und an die Übergangsleitung 4 angeschweißt ist.
Das eintrittsseitige, sich erweiternde Ende der Verbindungsrohre 22 ist in der Innenauskleidung 5 der Übergangsleitung 4 gehalten und steht über eine Öffnung 27 in der Innenauskleidung 5 mit dem das Prozeßgas führenden Querschnitt der Übergangsleitung 4 in Verbindung.
Der Prozeßgaserzeuger 1 kann auch durch einen Gas oder Ölbrenner ersetzt werden. In diesem Fall kann der Wärmetauscher 2 als befeuerter Hilfkessel betrieben werden.

Claims (4)

  1. Wärmetauscher zum Kühlen eines in einem Prozeßgaserzeuger (1) oder einem Reaktor erzeugten, heißen Prozeßgases mit mehreren von jeweils einem Außenrohr (12) umgebenen Kühlrohren (11), wobei jedes Kühlrohr (11) und jedes Außenrohr (12) an beiden Enden an je eine Wasserkammer (13, 14) zur Zuführung und Abführung eines Kühlmediums angeschweißt ist und die Wasserkammer (13, 14) aus einem massiven, streifenförmigen Stück besteht, in das entsprechend der Anzahl der Kühlrohre (11) in einem Abstand voneinander kreisförmige Vertiefungen (15) eingebracht sind, wobei jede Vertiefung (15) ein Kühlrohr (11) umgibt und einen Durchmesser aufweist, der gleich dem oder größer als der Innendurchmesser des Außenrohres (12) ist und die Vertiefung (15) im Bereich der Rohrenden der Kühlrohre (11) einen dünnen, ringförmigen Boden (16) mit einer geringen Restwanddicke aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß an den Prozeßgaserzeuger (1) eine horizontale, das heiße Prozeßgas führende Übergangsleitung (4) angeschlossen ist, daß koaxial zu jedem Kühlrohr (11) ein Verbindungsrohr (22) angeordnet ist, das einerseits in das Kühlrohr (11) eingreift und andererseits von der Übergangsleitung (4) ausgeht.
  2. Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Übergangsleitung (4) mit einer feuerfesten Innenauskleidung (5) versehen und jedes Verbindungsrohr (22) von einer feuerfesten Schicht (25) umgeben ist.
  3. Wärmetauscher nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein Ende jedes Kühlrohres (11) in einer Rohrerweiterung (24) endet, die in den dünnen Boden (16) eingeschweißt ist und daß jeweils ein Verbindungsrohr (22) mit radialem und axialem Abstand in die Rohrerweiterung (24) hineinragt.
  4. Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Übergangsleitung (4) mit einem Brenner verbunden ist.
EP99113759A 1998-07-22 1999-07-14 Wärmetauscher zum Kühlen eines heissen Prozessgases Expired - Lifetime EP0974803B1 (de)

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