EP1367351A1 - Wärmetauscher - Google Patents

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EP1367351A1
EP1367351A1 EP03009456A EP03009456A EP1367351A1 EP 1367351 A1 EP1367351 A1 EP 1367351A1 EP 03009456 A EP03009456 A EP 03009456A EP 03009456 A EP03009456 A EP 03009456A EP 1367351 A1 EP1367351 A1 EP 1367351A1
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EP
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heat exchanger
chamber
cooling medium
heat
exchanger according
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Hermann Göhna
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Air Liquide Global E&C Solutions Germany GmbH
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Lurgi GmbH
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    • 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
    • F28D7/16—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
    • F28D7/1607—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 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
    • 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
    • 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
    • F28F9/22—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
    • F28F9/22—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
    • F28F2009/224—Longitudinal partitions
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
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    • 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 with a cylindrical steel jacket and two hemispherical head pieces, with the hot medium in the longitudinal axis through the Heat exchanger flows and is cooled by a cooling medium, which laterally in the Heat exchanger is introduced and derived.
  • heat exchangers are used to recover heat or to specifically cool or heat a medium, which can be gaseous or liquid.
  • a shell-and-tube heat exchanger is used to cool hot cracked gases from partial oxidation. These cracked gases have to be cooled from 520 ° C to 350 ° C, while gaseous process feed mixture (or in other cases water vapor) has to be preheated from approx. 200 ° C to 420 ° C. These cracked gases have a high potential for " metal dusting", a process that leads to the destruction of the metallic materials if the metal temperatures on the cracked gas side become too high.
  • Metal dusting is understood to mean high-temperature corrosion, which usually takes place in strongly carburizing gas atmospheres and leads to the removal and thus destruction of the metallic material. Metal, metal oxide, carbon and metal carbides are typically found as removal products. If the heat exchanger described were carried out in a countercurrent apparatus, the heat exchanger tubes and the tube plates on the hot side would come into the temperature range of "metal dusting". The required preheating temperature cannot be achieved due to an overlap by means of a DC heat exchanger.
  • DE-A-3039787 describes a heat exchanger in which hot medium is on the side is introduced into the heat exchanger and after various deflection in the area of Cooling tubes at the head of the heat exchanger is pulled off again.
  • the cold medium is on Bottom of the heat exchanger inserted and flows through double-walled cooling tubes, being the cold medium is first passed through the inner tube to the end of the tube is then returned in the opposite direction of flow through the outer tube.
  • the hot medium is cooled in a countercurrent process. The one with this heat exchanger possible temperature compensation is not sufficient, so that several heat exchangers are required.
  • the invention is based on the object Heat exchanger to develop a high temperature balance between the media makes it possible to manufacture at the same time inexpensively and the thermal and chemical demands, as well as a high resistance against Has high temperature corrosion.
  • the object is achieved in that the heat exchanger consists of one cylindrical steel jacket and two hemispherical headers, with a first Distribution chamber by means of pipes for the flow of hot medium with a second one Distribution chamber is connected, the tubes being the inlet area of the cooling medium and penetrate an outer chamber, and that side nozzle the cooling medium in one Conduct inlet area, which is followed by an inner chamber through a sealing Plate for deflecting the flow of the cooling medium is limited to the sealing plate guides the cooling medium from the inner chamber into an outer chamber, the outer Chamber encloses the inner chamber, and this outer chamber with nozzle for Derivation of the cooling medium is provided.
  • the insulation of the dividing wall between the inner chamber and the outer chamber has the Effect that the cooling medium does not cool down on the hot side.
  • the pipes are welded to the bottom of the distribution chamber.
  • the Inlet area through a heat insulating mass thermally from the distribution chamber separated or isolated. Due to this heat-insulating mass, insertion tubes are inserted into the Bottom of the distribution chamber used to receive the cooling tubes.
  • Another embodiment of the invention provides that the heat insulating mass is catalytically active. This will cause leakage currents through cracks in the lining during the Continuous cooling is continuously converted catalytically, which means no “metal dusting "reaction can take place.
  • the inner parts of the heat exchanger are designed in a floating head construction. This means that the components that are exposed to high thermal expansion are only permanently stored on one side. The other side is freely movable in the longitudinal direction.
  • the outlet connector of the hot medium is equipped with a compensator.
  • the hot media introduced can be gases or liquids. You will be using a Temperature from 150 ° C to 550 ° C introduced into the heat exchanger and in one Temperature range from 400 ° C to 50 ° C dissipated.
  • the cooling medium usually exists from gases, vapors or liquids and is introduced at 30 ° C to 350 ° C. After Heat transfer heats the cooling medium up to 450 ° C.
  • Design options of the method are exemplary with the help of the drawing explained.
  • the heat exchanger (1) consists of a cylindrical steel jacket (13) with hemispherical head pieces (21, 15).
  • Hot medium (2) flows through an inlet connection (4) into a distribution chamber (5) and flows through a plurality of pipes (6), which are arranged parallel to the longitudinal axis of the heat exchanger (1), into a second distribution chamber (7) discharged there via the outlet connection (8).
  • Cooling medium (3) is introduced into the heat exchanger (1) through side connections (9).
  • the cooling medium (3) is introduced into an inlet area (10) to which the inner chamber (11) of the heat exchanger (1) is connected.
  • the inner chamber (11) is significantly smaller in diameter than the inlet area (10), since it is surrounded by an outer chamber (12), which is bounded on the outside by the steel jacket (13) of the heat exchanger, and on the inside by a wall (14) is separated from the inner chamber (11).
  • This wall (14) is made insulated.
  • the tubes (6) first penetrate the inlet region (10), then the outer chamber (12) and end in the second distribution chamber (7).
  • the cooling medium (3) flows through the inner chamber (11) and meets a sealing plate (16) which separates the cooling medium (3) from the medium (2) to be cooled in the distribution chamber (7).
  • the cooling medium (3) is deflected in this direction on this sealing plate (16) and in the process conducted into the outer chamber (12) of the heat exchanger (1).
  • sheets (17) deflect the cooling medium (3).
  • the cooling medium (3) flows around the pipes (6) of the hot medium in counterflow.
  • the cooling medium (3) is guided in its flow direction through sheets (17) in such a way that it flows alternately against the cylindrical steel jacket (13) and the separating wall (14) of the inner chamber (11).
  • the cooling medium leaves the heat exchanger (1) through the connector (18).
  • the sheets (17) ensure increased stability and guidance of the tubes (6).
  • the cooling medium (3) flows from the inlet area (10) to the inner chamber (11) in the same direction with the introduced hot medium (2) that flows through the pipes (6) in this area.
  • the cooling medium (3) flows against the direction of flow of the hot medium (2).
  • a compensator (19) is attached to the outlet connection (8).
  • the expansion of the steel jacket (13) can thus be compensated for.
  • the internal fittings are designed in a floating version.
  • the heat exchanger is made of heat-resistant steel. Depending on the media, a corrosion-resistant material can also be used.
  • the insulation of the wall (14) consists of ceramic or mineral fibers, which are surrounded by a protective jacket.
  • the hemispherical head pieces (21, 15) of the heat exchanger (1) are insulated with ramming compound.

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Abstract

Um einen Wärmetauscher zu schaffen, der einen hohen Temperaturausgleich zwischen den Medien ermöglicht, dabei gleichzeitig kostengünstig herzustellen ist und den thermischen Beanspruchungen gerecht wird, wird vorgeschlagen, dass der Wärmetauscher eine erste Verteilkammer (5) aufweist, die mittels Rohren (22, 6) zur Durchströmung von heißem Medium (2) mit einer zweiten Verteilkammer (7) verbunden ist, wobei die Rohre (6) den Einlassbereich (11) des Kühlmediums (3) und eine äußere Kammer (12) durchdringen, dass seitliche Stutzen (9) das Kühlmedium (3) in einen Einlassbereich (10) leiten, an den sich eine innere Kammer (11) anschließt, die durch eine dichtende Platte (16) zur Strömungsumlenkung des Kühlmediums (3) begrenzt ist, dass die dichtende Platte (16) das Kühlmedium (3) von der inneren Kammer (11) in eine äußere Kammer (12) leitet, wobei die äußere Kammer (12) die innere Kammer (11) umschließt, und diese äußere Kammer (11) mit Stutzen (18) zur Ableitung des Kühlmediums (3) versehen ist. <IMAGE>

Description

Die Erfindung betrifft einen Wärmetauscher mit einem zylindrischen Stahlmantel und zwei halbkugelförmigen Kopfstücken, bei dem heißes Medium in Längsachse durch den Wärmetauscher fließt und durch ein Kühlmedium gekühlt wird, welches seitlich in den Wärmetauscher ein- und abgeleitet wird.
In verfahrenstechnischen Anlagen werden Wärmetauscher zur Rückgewinnung von Wärme oder zur gezielten Abkühlung oder Erwärmung eines Mediums verwendet, welches gasförmig oder flüssig sein kann. So wird zum Beispiel ein Rohrbündelwärmetauscher zur Abkühlung heißer Spaltgase aus einer partiellen Oxidation verwendet. Diese Spaltgase sind von 520 °C auf 350 °C abzukühlen, wobei gleichzeitig gasförmiges Prozeßeinsatzgemisch (oder in anderen Fällen Wasserdampf) von ca. 200 °C auf 420 °C vorzuwärmen ist. Diese Spaltgase haben ein hohes Potential zu "metal dusting", einem Prozeß, der zur Zerstörung der metallischen Werkstoffe führt, wenn die Metalltemperaturen auf der Spaltgasseite zu hoch werden. Unter "metal dusting" wird eine Hochtemperaturkorrosion verstanden, die üblicherweise in stark aufkohlenden Gasatmosphären erfolgt und zum Abtrag und damit Zerstörung des metallischen Werkstoffs führt. Als Abtragprodukte werden typischerweise Metall, Metalloxid, Kohlenstoff und Metallcarbide gefunden. Würde der beschriebene Wärmetauscher in einem Gegenstromapparat durchgeführt, kämen die Wärmetauscherrohre sowie die Rohrplatten auf der heißen Seite in den Temperaturbereich des "metal dusting". Durch einen Gleichstromwärmetauscher kann die geforderte Vorwärmtemperatur wegen Überschneidung nicht erreicht werden.
In der DE-A-3039787 wird ein Wärmetauscher beschrieben, in dem heißes Medium seitlich in den Wärmetauscher eingeleitet wird und nach verschiedener Umlenkung im Bereich der Kühlrohre am Kopf des Wärmetauschers wieder abgezogen wird. Das kalte Medium wird am Boden des Wärmetauschers eingeführt und durchströmt doppelwandige Kühlrohre, wobei das kalte Medium erst durch das innere Rohr bis zum Ende des Rohres geleitet wird, um dann in entgegengesetzter Strömungsrichtung durch das äußere Rohr zurückgeführt wird. Dabei findet eine Abkühlung des heißen Medium im Gegenstromverfahren statt. Der mit diesem Wärmetauscher mögliche Temperaturausgleich ist nicht ausreichend, so dass mehrere Wärmetauscher nötig sind.
Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Wärmetauscher zu entwickeln, der einen hohen Temperaturausgleich zwischen den Medien ermöglicht, dabei gleichzeitig kostengünstig herzustellen ist und den thermischen und chemischen Beanspruchungen gerecht wird, sowie eine hohe Beständigkeit gegen Hochtemperaturkorrosion aufweist.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, dass der Wärmetauscher aus einem zylindrischen Stahlmantel und zwei halbkugelförmigen Kopfstücken besteht, wobei eine erste Verteilkammer mittels Rohren zur Durchströmung von heißem Medium mit einer zweiten Verteilkammer verbunden ist, wobei die Rohre den Einlassbereich des Kühlmediums und eine äußere Kammer durchdringen, und dass seitliche Stutzen das Kühlmedium in einen Einlassbereich leiten, an den sich eine innere Kammer anschließt, die durch eine dichtende Platte zur Strömungsumlenkung des Kühlmediums begrenzt ist, dass die dichtende Platte das Kühlmedium von der inneren Kammer in eine äußere Kammer leitet, wobei die äußere Kammer die innere Kammer umschließt, und diese äußere Kammer mit Stutzen zur Ableitung des Kühlmediums versehen ist.
Mit dieser Anordnung wird erreicht, dass das Kühlmedium im Einlassbereich im Gleichstrom die Rohre mit dem heißen Medium umströmt, und nach der Umlenkung von der inneren Kammer in die äußere Kammer die Rohre im Gegenstrom kühlt. Aufgrund dieser Strömungsführung ist eine sehr große Wärmeübertragung möglich, wodurch die Abmessungen des Wärmetauschers klein gehalten werden können. Gleichzeitig wird damit die Gefahr des "metal dusting" reduziert, da die korrosionsanfälligen Bauteile in ihrer Temperatur abgesenkt werden. Die Gefahr des "metal dusting" ist um so größer, je höher die Temperatur der Bauteile ist. Durch die erfindungsgemäße Gestaltung des Wärmetauschers wird aufgrund der großen Wärmeübertragung die Standzeit deutlich erhöht, da die korrosionsgefährdeten Bauteile eine wesentlich höhere Lebensdauer aufweisen.
Die Isolation der trennenden Wand zwischen innerer Kammer und äußerer Kammer hat den Effekt, dass das Kühlmedium auf der heißen Seite keine Abkühlung erleidet.
Durch die wechselseitige Anordnung der Bleche in der äußeren Kammer wird die Strömung abwechselnd an dem äußeren Stahlmantel des Wärmetauschers und an der Wand zwischen innerer Kammer und äußerer Kammer vorbei geleitet. Damit ist ebenfalls ein größerer Wärmeübergang möglich.
Am Boden der Verteilkammer sind die Rohre eingeschweißt. Um beim Einsatz von Gasen mit hoher Temperatur diese Schweißnähte vor thermischer Spannung zu schützen, wird der Einlassbereich durch eine wärmeisolierende Masse thermisch von der Verteilkammer getrennt bzw. isoliert. Durch diese wärmeisolierende Masse werden Einsteckrohre in den Boden der Verteilkammer eingesetzt, die die Kühlrohre aufnehmen.
Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die wärmisolierende Masse katalytisch aktiv ist. Damit werden Kriechströme durch Risse in der Auskleidung während der fortlaufenden Abkühlung kontinuierlich katalytisch umgewandelt, wodurch keine "metal dusting"-Reaktion stattfinden kann.
Um die thermischen Spannungen des Wärmetauschers zu reduzieren, sind die inneren Teile des Wärmetauschers in Schwimmkopfkonstruktion ausgeführt. Das heißt, die Bauteile, die einer großen Wärmedehnung ausgesetzt sind, werden nur an einer Seite fest gelagert. Die andere Seite ist in Längsrichtung frei beweglich.
Um die thermischen Spannungen des Stahlmantels auszugleichen, ist der Auslassstutzen des heißen Mediums mit einem Kompensator ausgestattet.
Die eingeleiteten heißen Medien können Gase oder Flüssigkeiten sein. Sie werden mit einer Temperatur von 150 °C bis 550 °C in den Wärmetauscher eingeleitet und in einem Temperaturbereich von 400 °C bis 50 °C abgeführt. Das Kühlmedium besteht üblicherweise aus Gasen, Dämpfen oder Flüssigkeiten und wird mit 30 °C bis 350 °C eingeleitet. Nach der Wärmeübertragung erhitzt sich das Kühlmedium auf bis zu 450 °C auf.
Ausgestaltungsmöglichkeiten des Verfahrens werden mit Hilfe der Zeichnung beispielhaft erläutert.
Der Wärmetauscher (1) besteht aus einem zylindrischen Stahlmantel (13) mit halbkugelförmigen Kopfstücken (21, 15). Heißes Medium (2) strömt durch einen Einlassstutzen (4) in eine Verteilkammer (5) und strömt durch eine Vielzahl von Rohren (6), die parallel zur Längsachse des Wärmetauschers (1) angeordnet sind, in eine zweite Verteilkammer (7) und wird dort über den Auslassstutzen (8) abgeführt. In der Darstellung sind wegen der Übersichtlichkeit nur vier Rohre (6) dargestellt.
Kühlmedium (3) wird durch seitliche Stutzen (9) in den Wärmetauscher (1) eingeleitet. Das Kühlmedium (3) wird dabei in einen Einlassbereich (10) eingeleitet, an den sich die innere Kammer (11) des Wärmetauschers (1) anschließt. Die innere Kammer (11) ist im Durchmesser wesentlich kleiner als der Einlassbereich (10), da sie von einer äußeren Kammer (12) umgeben ist, die nach außen durch den Stahlmantel (13) des Wärmetauschers begrenzt ist, und nach innen durch eine Wand (14) von der inneren Kammer (11) getrennt wird. Diese Wand (14) wird isoliert ausgeführt. Die Rohre (6) durchdringen nach der Verteilkammer (5) zuerst den Einlassbereich (10), danach die äußere Kammer (12) und enden in der zweiten Verteilkammer (7).
Das Kühlmedium (3) strömt durch die innere Kammer (11) und trifft dabei auf eine dichtende Platte (16), die das Kühlmedium (3) von dem zu kühlenden Medium (2) in der Verteilkammer (7) trennt. An dieser dichtenden Platte (16) wird das Kühlmedium (3) in der Richtung umlenkt und dabei in die äußere Kammer (12) des Wärmetauschers (1) geleitet. In der äußeren Kammer (12) sorgen Bleche (17) für eine Umlenkung des Kühlmediums (3). Hier umströmt das Kühlmedium (3) die Rohre (6) des heißen Mediums im Gegenstrom. Das Kühlmedium (3) wird in seiner Strömungsrichtung dabei durch Bleche (17) so geleitet, dass es abwechselnd den zylindrischen Stahlmantel (13) und die trennende Wand (14) der inneren Kammer (11) anströmt. Durch den Stutzen (18) verläßt das Kühlmedium den Wärmetauscher (1).
Die Bleche (17) sorgen zusätzlich zur Umlenkung der Strömung für eine erhöhte Stabilität und Führung der Rohre (6).
Das Kühlmedium (3) strömt vom Einlassbereich (10) bis zur inneren Kammer (11) in gleicher Richtung mit dem eingeleiteten heißen Medium (2), dass in diesem Bereich die Rohre (6) durchströmt. Mit Umlenkung des Kühlmediums durch die dichtende Platte (16) in die äußeren Kammer (12) des Wärmetauschers (1) strömt das Kühlmedium (3) gegen die Strömungsrichtung des heißen Mediums (2). Zum Ausgleich der Wärmedehnung ist am Auslassstutzen (8) ein Kompensator (19) angebracht. Damit kann die Dehnung des Stahlmantels (13) ausgeglichen werden. Die inneren Einbauten sind in schwimmender Ausführung gestaltet.
Der Wärmetauscher wird aus warmfestem Stahl gefertigt. In Abhängigkeit der Medien kann auch ein korrosionsbeständiger Werkstoff verwendet werden. Die Isolierung der Wand (14) besteht aus Keramik oder Mineralfasern, die mit einem Schutzmantel umgeben sind. Die halbkugelförmigen Kopfstücke (21, 15) des Wärmetauschers (1) sind mit Stampfmasse isoliert.

Claims (8)

  1. Wärmetauscher mit einem zylindrischen Stahlmantel (13) und zwei halbkugelförmigen Kopfstücken (21,15), mit einer ersten Verteilkammer (5), die mittels Rohren (22, 6) zur Durchströmung von heißem Medium (2) mit einer zweiten Verteilkammer (7) verbunden ist, wobei die Rohre (6) den Einlassbereich (10) des Kühlmediums (3) und eine äußere Kammer (12) durchdringen, dadurch gekennzeichnet, dass seitliche Stutzen (9) das Kühlmedium (3) in einen Einlassbereich (10) leiten, an den sich eine innere Kammer (11) anschließt, die durch eine dichtende Platte (16) zur Strömungsumlenkung des Kühlmediums (3) begrenzt ist, dass die dichtende Platte (16) das Kühlmedium (3) von der inneren Kammer (11) in eine äußere Kammer (12) leitet, wobei die äußere Kammer (12) die innere Kammer (11) umschließt, und diese äußere Kammer (12) mit Stutzen (18) zur Ableitung des Kühlmediums (3) versehen ist.
  2. Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, die Trennung der inneren Kammer (11) von der äußeren Kammer (12) durch eine wärmeisolierende Wand (14) erfolgt.
  3. Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in der äußeren Kammer (12) die Strömung des Kühlmediums (3) durch Bleche (17) umgelenkt wird.
  4. Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Einlassbereich (10) durch eine wärmeisolierende Masse (20) von der Verteilkammer (5) isoliert wird.
  5. Wärmetauscher nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die wärmisolierende Masse (20) katalytisch aktiv ist.
  6. Wärmetauscher nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich der wärmeisolierenden Masse (20) Einsteckrohre (22) angebracht sind, die die Rohre (6) aufnehmen.
  7. Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmetauscher in Schwimmkopfkonstruktion ausgeführt ist.
  8. Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Auslassstutzen (8) des Wärmetauschers einen Kompensator (19) aufweist.
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