EP3839397A1 - Method and device for cooling hot gases - Google Patents

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EP3839397A1
EP3839397A1 EP19000578.5A EP19000578A EP3839397A1 EP 3839397 A1 EP3839397 A1 EP 3839397A1 EP 19000578 A EP19000578 A EP 19000578A EP 3839397 A1 EP3839397 A1 EP 3839397A1
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EP
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fin
welded
gas
walls
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Withdrawn
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EP19000578.5A
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Guido Calzolari
Maria Auriemma
Joachim Wilhelm
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Fores Engineering Srl
Fores Eng Srl
Original Assignee
Fores Engineering Srl
Fores Eng Srl
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Publication date
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    • F28F1/22—Tubular elements and assemblies thereof with means for increasing heat-transfer area, e.g. with fins, with projections, with recesses the means being only outside the tubular element and extending longitudinally the means having portions engaging further tubular elements

Definitions

  • the invention relates to a method and device for cooling hot gases from reactions of gaseous, liquid and solid fuels under pressure, the hot reaction gases giving off their heat to a cooling medium (e.g. water) with the generation of steam.
  • a cooling medium e.g. water
  • Shell & Tube heat exchangers are widely used in industry for numerous reasons, in particular: a) because they are easy to calculate, because there are defined flow conditions in the tubes, b) because they are easy to manufacture and c) because they can be easily scaled up is by increasing the number of tubes.
  • Shell & Tube heat exchangers have application limits: they are not suitable in the high temperature range above 1000 - 1100 ° C and for very large amounts of gas, in particular because of inadmissibly high thermal stress on tubes and tube plates caused by differential thermal expansion of the with hot gas pressurized pipes and the large wall thicknesses of the pipe plates.
  • There is also an upper limit for very large amounts of gas since the diameter of the tube plates (and thus their wall thickness - especially at higher water pressures) cannot be increased as desired, since thermal stress problems can no longer be managed.
  • the wall thicknesses of the pressure jacket and the tube plates are also very large, which is economically disadvantageous.
  • the object of the invention is to provide a method and a device that solves the problems described above (thermal stress problems, process engineering problems, scale-up problems) and a cooling of very large amounts of gas up to over 1 million Nm3 / h under pressure in the high temperature range up to up to 1650 oC in a single 'single stream' heat exchanger, whereby a parallel connection of several smaller heat exchangers is avoided.
  • the advantages of the 'shell &sube' principle should be retained, ie simple calculability or defined flow conditions in the gas-carrying pipes, simple manufacture, and simple 'scale-up' possibility through multiplication.
  • the object is achieved according to the invention in that a thermally stress-free construction was developed in which the tube plates are eliminated and therefore the tubes or the gas-carrying elements are no longer limited in their thermal expansion and thermal stress loads are thereby largely avoided.
  • This enables a 'scale-up' into the high temperature range with very large amounts of gas.
  • pipes on the inside of which steam is generated and on the outside of which the hot gas to be cooled flows, are provided with two to six longitudinally welded fins, depending on the application ( Fig. 1 ).
  • the tubes with welded-on fins are then welded to one another to form a fin wall, whereby the remaining fins that are not welded protrude into the gas space and touch the adjacent fin wall when they are stacked, so that defined flow channels with non-circular cross-sections are created ( Fig. 2-6 ).
  • the stacked fin walls are not welded to one another, but merely touch each other so that they can expand freely in relation to the neighboring fin walls and thus avoid thermal stress.
  • the individual tubes of the fin walls open at the top and bottom into collectors for the fresh water inlet and the steam / water outlet.
  • the fin walls provided with collectors are alternately stacked on top of each other so that there is between the individual fin walls Form gas channels with geometrically defined cross-sectional shapes in which the hot gas flows and gives off its heat to the water / steam mixture flowing on the inside of the pipes.
  • the gas channels formed according to this construction principle take on the function of the gas-carrying pipes in Shell & Tube heat exchangers, but in this case no pipe plates are necessary. Since the individual fin walls are not welded together and can thermally expand freely, the result is a low-stress construction that can also be used for the highest temperatures above 1500 oC and any large amount of gas.
  • Another advantage of the construction according to the invention is that the geometric shape of the gas channels and their surface can be freely designed and adapted to the various applications and fluids a) by choosing the number of fins per tube, b) by choosing the fin width and c ) by the way the fin walls are stacked in a bundle.
  • Fin tubes with two fins can be used to create fin walls in which every second, third or nth tube is rotated by 90 degrees and then welded to form a fin tube wall.
  • the standing fins protruding into the gas space touch the neighboring fin walls when they are stacked together and thus form quasi-square or quasi-rectangular gas channels (see Fig. 2 and 2a ).
  • Fin tubes with three fins can be used to form three types of fin walls, which can be stacked together in various ways and simulate quasi triangular or hexagonal gas channels Fig. 3 , 3a and 3c .
  • Fin tubes with four fins can be used to form two types of fin walls, which can be stacked together in different ways and simulate quasi-square or polygonal gas channels Figures 4a and 4c
  • Fin tubes with five fins can be used to form two types of fin walls, which can be stacked together in various ways and simulate polygonal gas channels Figures 5 and 5a .
  • Fin tubes with six fins can be used to form three types of fin walls, which can be stacked together in various ways and simulate quasi triangular or hexagonal gas channels Figures 6a and 6b .
  • the method according to the invention and the device according to the invention can advantageously be used for cooling down hot product gas streams in the high temperature range under pressure with large volumes (> 500,000 Nm3 / h) and increased gas temperatures (800 oC-1650 oC), with simultaneous generation of high-pressure steam up to the highest pressures (> 250 bar).
  • Typical areas of application are processes such as steam reforming and autothermal reforming, especially with very large product gas volumes,
  • the method according to the invention and the device according to the invention can advantageously be used for cooling hot product gas streams in the high-temperature range under pressure with simultaneous generation of high-pressure steam up to the highest pressures (> 250 bar).
  • Typical areas of application are processes such as steam reforming and autothermal reforming, especially large-scale plants with very large synthesis gas volumes (> 1 million Nm3 / h) and increased gas temperatures (> 1050-1100 oC), an area in which the traditional Shell & Tube heat exchangers are scaled up (Waste Heat Boiler) is no longer possible.

Abstract

Das Abkühlen von heißen Prozessgasen unter Druck, mit gleichzeitiger Dampferzeugung ist eine Aufgabe, die traditionell mit 'shell&tube' Wärmetauscher gelöst wird. Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und Vorrichtung zum Abkühlen von heißen Prozessgasen unter Druck mit gleichzeitiger Dampferzeugung, im Bereich höchster Temperaturen oberhalb 1000-1100 oC und hoher Gasvolumina, in dem Shell&tube Wärmetauscher nicht mehr eingesetzt werden können.Dazu werden im ersten Schritt wasserführende Flossenrohre mit freistehenden Flossen zu Flossenrohrwänden verschweißt, die so gestapelt werden, dass mit Hilfe der freistehenden Flossen nicht kreisförmige Gaskanäle entstehen, die in ihrer Funktion vergleichbar sind mit den gasführenden Rohren von shell&tube Wärmetauschern, ohne dass jedoch Rohrplatten notwendig sind. Da sich die freistehenden Flossen, die die Gaskanäle bilden, lediglich berühren, aber nicht fest miteinander verschweißt sind, können sie sich frei und unabhängig voneinander thermisch ausdehnen, wodurch eine thermomechanisch-stressarme Konstruktion entsteht, die für höchste Temperaturen und Gasvolumina einsetzbar ist. Durch Variation von Anzahl und Länge der Flossen sowie die Art der Stapelung können Gaskanäle mit unterschiedlicher Geometrie und variierbarem hydraulischen Durchmesser gebildet werden, die an die jeweils zu lösende Verfahrensaufgabe angepasst werden können.The cooling of hot process gases under pressure with simultaneous steam generation is a task that is traditionally solved with 'shell & tube' heat exchangers. The present invention relates to a method and device for cooling hot process gases under pressure with simultaneous steam generation, in the range of highest temperatures above 1000-1100 oC and high gas volumes, in which Shell & tube heat exchangers can no longer be used Free-standing fins are welded to fin tube walls, which are stacked in such a way that the free-standing fins create non-circular gas channels that are comparable in their function to the gas-carrying tubes of shell & tube heat exchangers, without the need for tube plates. Since the free-standing fins that form the gas channels only touch, but are not firmly welded to one another, they can thermally expand freely and independently of one another, creating a thermomechanical, low-stress construction that can be used for the highest temperatures and gas volumes. By varying the number and length of the fins and the type of stacking, gas channels with different geometries and variable hydraulic diameters can be formed, which can be adapted to the particular process task to be solved.

Description

2.1 Technische Problemstellung / Aufgabe der Erfindung2.1 Technical problem / task of the invention

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und Vorrichtung zum Abkühlen von heißen Gasen aus Reaktionen von gasförmigen, flüssigen und festen Brennstoffen unter Druck, wobei die heißen Reaktionsgase ihre Wärme an ein Kuehlmedium (z.B. Wasser) unter Dampferzeugung abgeben.The invention relates to a method and device for cooling hot gases from reactions of gaseous, liquid and solid fuels under pressure, the hot reaction gases giving off their heat to a cooling medium (e.g. water) with the generation of steam.

Traditionell wird diese Aufgabe gelöst mit Wärmetauschern, die nach dem 'fired tube' Prinzip arbeiten, d.h. das heiße abzukühlende Gas strömt innerhalb der Rohre, während das Kuehlmedium auf der Außenseite verdampft. Konstruktiv werden dazu meistens 'shell&tube' Wärmetauscher benutzt, bei dem die gasführenden Rohre als Bündel zwischen zwei Rohrplatten eingeschweißt sind, die durch einen Druckmantel verbunden sind, der den Wasserraum darstellt. Das Gas fließt innerhalb der Rohre und das Kühlfluid verdampft auf der Außenseite der Rohre in den umgebenden Wasserraum und wird von dort nach oben abgeführt.Traditionally, this task is solved with heat exchangers that work according to the 'fired tube' principle, i.e. the hot gas to be cooled flows inside the tubes while the cooling medium evaporates on the outside. In terms of construction, 'shell & tube' heat exchangers are mostly used for this, in which the gas-carrying pipes are welded as a bundle between two pipe plates that are connected by a pressure jacket that represents the water space. The gas flows inside the tubes and the cooling fluid evaporates on the outside of the tubes into the surrounding water space and is discharged upwards from there.

Shell&Tube Wärmetauscher sind weit verbreitet in der Industrie aus zahlreichen Gründen, insbesondere: a) weil sie sind einfach zu berechnen sind, da in den Rohren definierte Strömungsbedingungen vorliegen, b) weil sie einfach zu fertigen sind und c) weil ein Scale-up einfach möglich ist durch Erhöhung der Rohranzahl.Shell & Tube heat exchangers are widely used in industry for numerous reasons, in particular: a) because they are easy to calculate, because there are defined flow conditions in the tubes, b) because they are easy to manufacture and c) because they can be easily scaled up is by increasing the number of tubes.

Shell&Tube Wärmetauscher haben jedoch Anwendungsgrenzen: sie sind nicht geeignet im Hochtemperaturbereich über 1000 - 1100 °C und für sehr große Gasmengen, insbesondere wegen unzulässig hohen thermischen Stressbelastung von Rohren und Rohrplatten, die durch differenzielle Wärmeausdehnung der mit heißem gas beaufschlagten Rohre und die großen Wandstärken der Rohrplatten entsteht. Es gibt ebenfalls eine Obergrenze für sehr hohe Gasmengen, da der Durchmesser der Rohrplatten (und damit deren Wandstärke - insbesondere bei höheren Wasserdrücken) konstruktiv nicht beliebig vergrößert werden kann, da thermische Stressprobleme nicht mehr beherrscht werden können. Bei großen Gasvolumina und hohen Wasserdruecken sind zudem die Wandstärken des Druckmantels und der Rohrplatten sehr groß, was wirtschaftlich nachteilig ist. Weiterhin ist ein Nachteil, dass bei hohen Gasmengen (und damit großem Durchmesser des Rohrbündels) die Dampfabführung aus dem Rohrbündel nicht mehr gewährleistet ist, so dass es zu Rohrüberhitzungen und Rohrbrüchen kommen kann. Eine Abkühlung sehr großen Gasmengen mit 'shell&tube Wärmetauschern ist daher nur möglich durch Parallelschaltung mehrerer Wärmetauscher, was oft unwirtschaftlich ist.Shell & Tube heat exchangers, however, have application limits: they are not suitable in the high temperature range above 1000 - 1100 ° C and for very large amounts of gas, in particular because of inadmissibly high thermal stress on tubes and tube plates caused by differential thermal expansion of the with hot gas pressurized pipes and the large wall thicknesses of the pipe plates. There is also an upper limit for very large amounts of gas, since the diameter of the tube plates (and thus their wall thickness - especially at higher water pressures) cannot be increased as desired, since thermal stress problems can no longer be managed. With large gas volumes and high water pressures, the wall thicknesses of the pressure jacket and the tube plates are also very large, which is economically disadvantageous. Another disadvantage is that in the case of large amounts of gas (and thus a large diameter of the tube bundle), the evacuation of steam from the tube bundle is no longer guaranteed, so that tube overheating and tube breaks can occur. Cooling down very large amounts of gas with 'shell & tube heat exchangers is therefore only possible by connecting several heat exchangers in parallel, which is often uneconomical.

Es ist die Aufgabe der Erfindung ein Verfahren und eine Vorrichtung anzugeben, die die oben beschriebenen Probleme löst (thermischen Stressprobleme, verfahrenstechnische Probleme, Scale-up Probleme) und eine Abkühlung sehr großer Gasmengen bis über 1 Mio. Nm3/h unter Druck im Hochtemperaturbereich bis zu 1650 oC in einem einzelnen 'single stream' Wärmetauscher ermöglicht, wobei eine Parallelschaltung mehrerer kleinerer Wärmetauscher vermieden wird. Gleichzeitig sollten die Vorteile des 'shell&sube' Prinzips erhalten bleiben, d.h. einfache Berechenbarkeit, bzw. definierte Strömungsverhältnisse in den gasführenden Rohren, einfache Fertigung, sowie einfache 'scale-up' Möglichkeit durch Multiplikation.The object of the invention is to provide a method and a device that solves the problems described above (thermal stress problems, process engineering problems, scale-up problems) and a cooling of very large amounts of gas up to over 1 million Nm3 / h under pressure in the high temperature range up to up to 1650 oC in a single 'single stream' heat exchanger, whereby a parallel connection of several smaller heat exchangers is avoided. At the same time, the advantages of the 'shell &sube' principle should be retained, ie simple calculability or defined flow conditions in the gas-carrying pipes, simple manufacture, and simple 'scale-up' possibility through multiplication.

2.2 Lösung des Problems bzw. der technischen Aufgabe2.2 Solution of the problem or the technical task

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass eine thermisch stressarme Konstruktion entwickelt wurde, bei der die Rohrplatten eliminiert sind und daher die Rohre, bzw. die gasführenden Elemente, in ihrer thermischen Ausdehnung nicht mehr begrenzt sind und dadurch thermische Stressbelastungen weitgehend vermieden werden. Dadurch wird ein 'scale-up' bis in den Hochtemperaturbereich mit sehr großen Gasmengen ermöglicht. Zu diesem Zweck war es notwendig das 'fired tube' Prinzip aufzugeben und durch ein 'water tube' Prinzip zu ersetzen, bei dem das heiße Gas auf der Außenseite der Wärmetauscherrohre in wohldefinierten Kanälen und das verdampfende Medium auf der Innenseite der Rohre strömt.The object is achieved according to the invention in that a thermally stress-free construction was developed in which the tube plates are eliminated and therefore the tubes or the gas-carrying elements are no longer limited in their thermal expansion and thermal stress loads are thereby largely avoided. This enables a 'scale-up' into the high temperature range with very large amounts of gas. For this purpose it was necessary to abandon the 'fired tube' principle and replace it with a 'water tube' principle, in which the hot gas flows on the outside of the heat exchanger tubes in well-defined channels and the evaporating medium flows on the inside of the tubes.

Konstruktiv wird die Aufgabe dadurch gelöst, dass im ersten Schritt Rohre, auf deren Innenseite Dampf erzeugt wird und auf deren Außenseite das abzukühlende heiße Gas strömt, je nach Anwendungsfall mit zwei bis sechs longitudinal aufgeschweißten Flossen versehen werden (Fig.1). Die mit aufgeschweißten Flossen versehene Rohre werden dann miteinander zu einer Flossenwand verschweißt, wobei die nicht verschweißten Restflossen in den Gasraum hineinstehen und beim Aufstapeln die benachbarte Flossenwand berühren, so dass definierte Strömungskanäle mit nicht-kreisförmigen Querschnitten entstehen (Fig.2-6). Die aufgestapelten Flossenwände werden nicht miteinander verschweißt, sondern berühren sich lediglich, sodass sie sich individuell frei gegenüber den benachbarten Flossenwänden ausdehnen können und damit thermische Stressspannungen vermieden werden.In terms of construction, the problem is solved in that, in the first step, pipes, on the inside of which steam is generated and on the outside of which the hot gas to be cooled flows, are provided with two to six longitudinally welded fins, depending on the application ( Fig. 1 ). The tubes with welded-on fins are then welded to one another to form a fin wall, whereby the remaining fins that are not welded protrude into the gas space and touch the adjacent fin wall when they are stacked, so that defined flow channels with non-circular cross-sections are created ( Fig. 2-6 ). The stacked fin walls are not welded to one another, but merely touch each other so that they can expand freely in relation to the neighboring fin walls and thus avoid thermal stress.

Die einzelnen Rohre der Flossenwände münden am oberen und unteren Ende in Kollektoren für den Frischwassereintritt bzw. den Dampf/Wasseraustritt.The individual tubes of the fin walls open at the top and bottom into collectors for the fresh water inlet and the steam / water outlet.

Die mit Kollektoren versehenen Flossenwände werden wechselseitig so übereinander gestapelt, das sich zwischen den einzelnen Flossenwänden Gaskanäle mit geometrisch definierten Querschnittsformen ausbilden, in denen das heiße Gas strömt und seine Wärme an das auf der Innenseite der Rohre strömende Wasser/Dampf Gemisch abgibt.The fin walls provided with collectors are alternately stacked on top of each other so that there is between the individual fin walls Form gas channels with geometrically defined cross-sectional shapes in which the hot gas flows and gives off its heat to the water / steam mixture flowing on the inside of the pipes.

Die nach diesem Konstruktionsprinzip gebildeten Gaskanäle übernehmen die Funktion der gasführenden Rohre in Shell&Tube Wärmetauschern, wobei jedoch in diesem Fall keine Rohrplatten mehr notwendig sind. Da die einzelnen Flossenwände nicht miteinander verschweißt sind und sich thermisch frei ausdehnen können, entsteht eine stressarme Konstruktion, die auch für höchste Temperaturen über 1500 oC und beliebig große Gasmengen einsetzbar ist.The gas channels formed according to this construction principle take on the function of the gas-carrying pipes in Shell & Tube heat exchangers, but in this case no pipe plates are necessary. Since the individual fin walls are not welded together and can thermally expand freely, the result is a low-stress construction that can also be used for the highest temperatures above 1500 oC and any large amount of gas.

Die obengenannten Vorteile des ,Shell&Tube' Prinzips werden dabei erhalten: a) definierte Strömungsverhältnisse in den Gaskanälen, die geometrisch definiert sind und eine einfache Berechenbarkeit über den hydraulischen Durchmesser gestatten, b) einfache Fertigung und c) einfaches scale-up Prinzip durch Multiplikation der Gaskanäle.The above-mentioned advantages of the 'Shell & Tube' principle are obtained: a) defined flow conditions in the gas channels, which are geometrically defined and allow easy calculation via the hydraulic diameter, b) simple production and c) simple scale-up principle by multiplying the gas channels .

Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemässen Konstruktion ist dass die geometrische Form der gebildeten Gaskanäle und deren Oberfläche frei gestaltet und an die verschiedenen Anwendungsfälle und Fluide angepasst werden kann a) durch die Wahl der Anzahl der Flossen pro Rohr, b) durch die Wahl der Flossenbreite und c) durch die Art wie die Flossenwände zu einem Bündel gestapelt werden.Another advantage of the construction according to the invention is that the geometric shape of the gas channels and their surface can be freely designed and adapted to the various applications and fluids a) by choosing the number of fins per tube, b) by choosing the fin width and c ) by the way the fin walls are stacked in a bundle.

Dadurch, dass der den Gesamtwärmetausch bestimmende gasseitige Wärmeübergang immer auf der Kanalseite, bzw. der Außenseite der Rohre mit der höheren Wärmetauscheroberfläche liegt, ist die Konstruktion von Wärmetauschern mit größeren Übertragungsflächen möglich als es das shell&tube Prinzip erlaubt.Because the heat transfer on the gas side, which determines the overall heat exchange, is always on the channel side or the outside of the tubes with the higher heat exchanger surface, it is possible to construct heat exchangers with larger transfer areas than the shell & tube principle allows.

Da das verdampfende Fluid auf der Innenseite von Rohren mit relativ kleinen Durchmessern strömt, kann die Konstruktion für höchste Dampfdrücke eingesetzt werden ohne dass große Wandstärken entstehen, da der das Rohrbündel umschließende Druck-Behälter lediglich dem niedrigeren Druck auf der Gasseite ausgesetzt ist.

  • Fig.1 zeigt Rohrquerschnitte, die mit zwei bis sechs longitudinal aufgeschweißten Flossen die die Grundelemente der Konstruktion darstellen.
  • Fig. 2 - 6 zeigt die vielfältigen möglichen Kombinationen von Flossenwänden, die aus Flossenrohren mit zwei bis sechs Flossen gebildet werden können und die jeweils zugehörenden unterschiedlichen Querschnittsformen der entstehenden Gaskanälen.
Since the evaporating fluid flows on the inside of tubes with relatively small diameters, the construction can be used for the highest vapor pressures without creating large wall thicknesses, since the pressure container surrounding the tube bundle is only exposed to the lower pressure on the gas side.
  • Fig. 1 shows pipe cross-sections with two to six longitudinally welded fins that represent the basic elements of the construction.
  • Figures 2-6 shows the various possible combinations of fin walls that can be formed from fin tubes with two to six fins and the respective different cross-sectional shapes of the resulting gas channels.

Aus Flossenrohren mit zwei Flossen können Flossenwände gebildet werden, bei denen jedes zweite, dritte oder n-tes Rohr um 90 Grad verdreht wird und dann zu einer Flossenrohrwand verschweißt wird. Die in den Gasraum hineinstehenden stehenden Flossen berühren beim Zusammenstapeln die benachbarte Flossenwände und bilden somit quasi-quadratische oder quasi-rechteckige Gaskanäle (siehe Fig. 2 und 2a).Fin tubes with two fins can be used to create fin walls in which every second, third or nth tube is rotated by 90 degrees and then welded to form a fin tube wall. The standing fins protruding into the gas space touch the neighboring fin walls when they are stacked together and thus form quasi-square or quasi-rectangular gas channels (see Fig. 2 and 2a ).

Aus Flossenrohren mit drei Flossen können drei Typen von Flossenwänden gebildet werden, die in verschiedener Weise zusammengestapelt werden können und quasi dreieckige oder sechseckige Gaskanäle bilden nach Fig. 3, 3a und 3c.Fin tubes with three fins can be used to form three types of fin walls, which can be stacked together in various ways and simulate quasi triangular or hexagonal gas channels Fig. 3 , 3a and 3c .

Aus Flossenrohren mit vier Flossen können zwei Typen von Flossenwänden gebildet werden, die in verschiedener Weise zusammengestapelt werden können und quasi-quadratische oder vieleckige Gaskanäle bilden nach Fig. 4a und 4c Fin tubes with four fins can be used to form two types of fin walls, which can be stacked together in different ways and simulate quasi-square or polygonal gas channels Figures 4a and 4c

Aus Flossenrohren mit fünf Flossen können zwei Typen von Flossenwänden gebildet werden, die in verschiedener Weise zusammengestapelt werden können und vieleckige Gaskanäle bilden nach Fig. 5 und 5a.Fin tubes with five fins can be used to form two types of fin walls, which can be stacked together in various ways and simulate polygonal gas channels Figures 5 and 5a .

Aus Flossenrohren mit sechs Flossen können drei Typen von Flossenwänden gebildet werden, die in verschiedener Weise zusammengestapelt werden können und quasi dreieckige oder sechseckige Gaskanäle bilden nach Fig. 6a und 6b.Fin tubes with six fins can be used to form three types of fin walls, which can be stacked together in various ways and simulate quasi triangular or hexagonal gas channels Figures 6a and 6b .

2.3 Anwendungsgebiet2.3 Area of application

Das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Vorrichtung kann vorteilhaft benutzt werden zum Abkühlen von heißen Produktgasströmen im Hochtemperaturbereich unter Druck mit großen Volumina (> 500.000 Nm3/h) und erhöhten Gastemperaturen (800 oC-1650 oC), unter gleichzeitiger Erzeugung von Hochdruckdampf bis zu höchsten Drücken (>250 bar). Typische Anwendungsgebiete sind Prozesse wie Steam-Reforming und Autothermal Reforming, insbesondere bei sehr großen Produktgasvolumina,The method according to the invention and the device according to the invention can advantageously be used for cooling down hot product gas streams in the high temperature range under pressure with large volumes (> 500,000 Nm3 / h) and increased gas temperatures (800 oC-1650 oC), with simultaneous generation of high-pressure steam up to the highest pressures (> 250 bar). Typical areas of application are processes such as steam reforming and autothermal reforming, especially with very large product gas volumes,

Das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Vorrichtung kann vorteilhaft benutzt werden zum Abkühlen von heißen Produktgasströmen im Hochtemperaturbereich unter Druck unter gleichzeitiger Erzeugung von Hochdruckdampf bis zu höchsten Drücken (>250 bar). Typische Anwendungsgebiete sind Prozesse wie Steam-Reforming und Autothermal Reforming, insbesondere Großanlagen mit sehr großen Synthesegasvolumina (> 1 Mio. Nm3/h) und erhöhten Gastemperaturen (>1050-1100 oC), ein Bereich im den ein scale-up der traditionellen Shell&Tube Wärmetaucher (Waste Heat Boiler) nicht mehr möglich ist.The method according to the invention and the device according to the invention can advantageously be used for cooling hot product gas streams in the high-temperature range under pressure with simultaneous generation of high-pressure steam up to the highest pressures (> 250 bar). Typical areas of application are processes such as steam reforming and autothermal reforming, especially large-scale plants with very large synthesis gas volumes (> 1 million Nm3 / h) and increased gas temperatures (> 1050-1100 oC), an area in which the traditional Shell & Tube heat exchangers are scaled up (Waste Heat Boiler) is no longer possible.

Claims (8)

Verfahren und Vorrichtung zum Abkühlen von heißen Gasen, gekennzeichnet dadurch dass Rohre, auf deren Innenseite Dampf erzeugt werden soll und auf deren Außenseite das abzukühlende heiße Gas strömen soll, mit zwei bis sechs longitudinalen Flossen durch Schweißung versehen werden, dass weiterhin die mit aufgeschweißten Flossen versehene Rohre miteinander zu einer Flossenwand verschweißt werden, wobei die nicht verschweißten Restflossen in den Gasraum hineinstehen und die benachbarte Flossenwand nur berühren, sodass diese sich stressfrei gegenüber den benachbarten Flossenwaenden ausdehnen kann, dass die so entstehenden Flossenwände am oberen und unteren Ende mit Kollektoren für den Frischwassereintritt bzw. den Dampf/Wasseraustritt versehen werden, dass weiterhin die mit Kollektoren versehenen Flossenwände wechselseitig übereinander gestapelt werden zu einem Bündel, in einer Art das sich nicht kreisförmige Gaskanäle mit definierten Querschnittsform ausbilden, in denen das heiße Gas strömt und seine Wärme über die begrenzenden Flossen und Rohrwände an das auf der Innenseite der Rohre strömende Wasser/Dampf Gemisch abgibt, dass weiterhin die geometrische Form und der Strömungsquerschnitt der gebildeten Gaskanäle durch die Anzahl und Breite der aufgeschweißten Flossen pro Rohr, sowie die Art und Weise der Stapelung der Flossenwände frei gestaltet werden kann, sodass Gaskanäle mit unterschiedlicher Geometrie und variierbarem hydraulischen Durchmesser gebildet werden können, die an die jeweils zu lösende Verfahrensaufgabe angepasst werden können.Method and device for cooling hot gases, characterized in that pipes, on the inside of which steam is to be generated and on the outside of which the hot gas to be cooled is to flow, are provided with two to six longitudinal fins by welding, and that furthermore with the fins provided with welded-on fins Pipes are welded together to form a fin wall, whereby the non-welded residual fins protrude into the gas space and only touch the adjacent fin wall so that it can expand without stress relative to the adjacent fin walls, so that the resulting fin walls at the upper and lower end with collectors for the fresh water inlet or the steam / water outlet are provided so that the fin walls provided with collectors are alternately stacked on top of each other to form a bundle, in a way that non-circular gas channels with a defined cross-sectional shape are formed, in which the hot gas flows t and its heat via the limiting fins and pipe walls to the water / steam mixture flowing on the inside of the pipes, that the geometric shape and the flow cross-section of the gas channels formed continue to be determined by the number and width of the welded fins per pipe, as well as the type and Way of stacking the fin walls can be freely designed so that gas channels with different geometries and variable hydraulic diameters can be formed, which can be adapted to the respective process task to be solved. Verfahren und Vorrichtung zum Abkühlen von heißen Gasen nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch dass Rohre mit zwei Flossen um 90 Grad verdreht miteinander verschweißt werden und eine Flossenwand bilden, bei der auf jedem zweiten, dritten oder n-ten Rohr eine Flosse in den Gasraum hineinragt, dass weiterhin die mit Kollektoren versehenen Flossenwände wechselseitig so übereinander gestapelt werden zu einem Bündel, das sich Gaskanaele von quadrat- oder rechteck-ähnlicher Geometrie bilden, in denen das heiße Gas strömt und seine Wärme über die begrenzenden Flossen und Rohrwände an das auf der Innenseite der Rohre strömende Wasser/Dampfgemisch abgibt.Method and device for cooling hot gases according to claim 1, characterized in that tubes with two fins rotated by 90 degrees are welded to one another and form a fin wall in which on each In the second, third or n-th tube, a fin protrudes into the gas space so that the fin walls provided with collectors are stacked alternately on top of each other to form a bundle that forms gas channels of square or rectangular-like geometry, in which the hot gas flows and gives off its heat via the limiting fins and tube walls to the water / steam mixture flowing on the inside of the tubes. Verfahren und Vorrichtung zum Abkühlen von heißen Gasen nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch dass Rohre mit drei Flossen miteinander verschweißt werden und eine Flossenwand bilden, bei der zwei Flossen pro Rohr in den Gasraum hineinragen, dass weiterhin die mit Kollektoren versehenen Flossenwände wechselseitig so übereinander gestapelt werden zu einem Bündel, sodass sich Gaskanäle von dreieckiger, rautenförmiger oder sechseckiger Geometrie bilden, in denen das heiße Gas strömt und seine Wärme über die begrenzenden Flossen und Rohrwände an das auf der Innenseite der Rohre strömende Wasser/Dampfgemisch abgibt.Method and device for cooling hot gases according to claim 1, characterized in that pipes with three fins are welded together and form a fin wall in which two fins per pipe protrude into the gas space, that furthermore the fin walls provided with collectors are alternately stacked on top of one another into a bundle, so that gas channels of triangular, diamond-shaped or hexagonal geometry are formed, in which the hot gas flows and gives off its heat via the limiting fins and pipe walls to the water / steam mixture flowing on the inside of the pipes. Verfahren und Vorrichtung zum Abkühlen von heißen Gasen nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, dass Rohre mit vier Flossen miteinander verschweißt werden und eine Flossenwand bilden, bei der jeweils zwei Flossen pro Rohr in den Gasraum hineinragen und die anderen beiden miteinander verschweißt sind, dass weiterhin die mit Kollektoren versehenen Flossenwände wechselseitig so übereinander gestapelt werden zu einem Bündel, das sich Gaskanäle von quadratischer oder vieleckiger Querschnittsform bilden, in denen das heiße Gas strömt und seine Wärme über die begrenzenden Flossen und Rohrwände an das auf der Innenseite der Rohre strömende Wasser/Dampfgemisch abgibt.Method and device for cooling hot gases according to claim 1, characterized in that tubes with four fins are welded to one another and form a fin wall in which two fins per pipe protrude into the gas space and the other two are welded to one another Fin walls provided with collectors are stacked alternately on top of each other to form a bundle that forms gas channels with a square or polygonal cross-sectional shape, in which the hot gas flows and gives off its heat via the limiting fins and pipe walls to the water / steam mixture flowing on the inside of the pipes . Verfahren und Vorrichtung zum Abkühlen von heißen Gasen nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, dass Rohre mit fünf Flossen miteinander verschweißt werden und eine Flossenwand bilden, bei der jeweils drei Flossen pro Rohr in den Gasraum hineinragen und die anderen beiden miteinander verschweißt sind, dass weiterhin die mit Kollektoren versehenen Flossenwände wechselseitig so übereinander gestapelt werden zu einem Bündel, das sich Gaskanäle von vieleckiger Querschnittsform bilden, in denen das heiße Gas strömt und seine Wärme über die begrenzenden Flossen und Rohrwände an das auf der Innenseite der Rohre strömende Wasser/Dampfgemisch abgibt.Method and device for cooling hot gases according to Claim 1, characterized in that tubes with five fins are welded to one another and form a fin wall in which three fins per tube protrude into the gas space and the other two are welded together so that the fin walls provided with collectors are alternately stacked on top of each other to form a bundle that forms gas channels with a polygonal cross-sectional shape in where the hot gas flows and gives off its heat via the limiting fins and pipe walls to the water / steam mixture flowing on the inside of the pipes. Verfahren und Vorrichtung zum Abkühlen von heißen Gasen nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, dass Rohre mit sechs Flossen miteinander verschweißt werden und eine Flossenwand bilden, bei der jeweils vier Flossen pro Rohr in den Gasraum hineinragen und die anderen beiden miteinander verschweißt sind, dass weiterhin die mit Kollektoren versehenen Flossenwände wechselseitig so übereinander gestapelt werden zu einem Bündel, das sich Gaskanäle von dreieckiger oder sechseckiger Querschnittsform bilden, in denen das heiße Gas strömt und seine Wärme über die begrenzenden Flossen und Rohrwände an das auf der Innenseite der Rohre strömende Wasser/Dampfgemisch abgibt.Method and device for cooling hot gases according to claim 1, characterized in that tubes with six fins are welded to one another and form a fin wall in which four fins per tube protrude into the gas space and the other two are welded to one another Fin walls provided with collectors are stacked alternately on top of each other to form a bundle that forms gas channels with a triangular or hexagonal cross-sectional shape, in which the hot gas flows and gives off its heat via the limiting fins and pipe walls to the water / steam mixture flowing on the inside of the pipes . Verfahren und Vorrichtung zum Abkühlen von heißen Gasen nach Anspruch 1 bis 6, gekennzeichnet dadurch, dass die beschriebene Konstruktion wasserseitig sowohl im Naturumlauf als auch im Zwangsumlauf mit Pumpen oder im assistierten Umlauf betrieben werden kann.Method and device for cooling hot gases according to Claims 1 to 6, characterized in that the construction described can be operated on the water side both in natural circulation and in forced circulation with pumps or in assisted circulation. Verfahren und Vorrichtung zum Abkühlen von heißen Gasen nach Anspruch 1 bis 6, gekennzeichnet dadurch, dass die beschriebene Konstruktion vertikal oder horizontal betrieben werden kann, wobei die Frischwassereintrittskollektoren für den Wasserumlauf immer unten angeordnet sind, und die Dampfaustrittskollektoren oben angeordnet sind, sodass eine natürliche Zirkulation des verdampfenden Fluids unterstützt wird.Method and device for cooling hot gases according to claim 1 to 6, characterized in that the construction described can be operated vertically or horizontally, the fresh water inlet collectors for the water circulation are always arranged below, and the steam outlet collectors are arranged above, so that a natural circulation of the evaporating fluid is supported.
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