NL8300305A

NL8300305A - METHOD AND HEAT EXCHANGER FOR CONTINUOUS COOLING OF A HOT GAS FLOW

Info

Publication number: NL8300305A
Application number: NL8300305A
Authority: NL
Original assignee: Mura Anst
Priority date: 1982-02-12
Filing date: 1983-01-27
Publication date: 1983-09-01
Also published as: BR8300648A; DE3304174A1; BE895847A; GB2115130B; DD209684A5; GB2115130A; GB8302810D0; IT1160717B; AU558967B2; IN157703B; DK61783A; RO86102B; JPS58203394A; SU1301325A3; RO86102A; SE8300703L; AU1118783A; DK61783D0; IT8319366A0; SE8300703D0

Description

’ ^ *· .......... ··» ïf.O. 31613↑ ^ · .......... 31613

Werkwijze en warmtewisselaar voor het voortgaand koelen van een hete gasstroomMethod and heat exchanger for the continued cooling of a hot gas stream

De uitvinding heeft “betrekking op een werkwijze voor het voortgaand koelen van een hete gasstroom in een huis, dat door een in de wand van het huis geleid koelmedium gekoeld wordt, en heeft betrek-' king op een warmtewisselaar voor het afvoeren van de werkwijze.The invention relates to a method for the continuous cooling of a hot gas stream in a house, which is cooled by a cooling medium guided into the wall of the house, and relates to a heat exchanger for discharging the method.

5 Als huis worden in samenhang met de uitvinding leidingen en va ten, in het bijzonder reaktievaten begrepen, waarvan het bedrijf bij over- of onderdruk plaats vindt en waarin hoge temperaturen optreden.In connection with the invention, a housing is understood to be pipes and vessels, in particular reaction vessels, the operation of which takes place under overpressure or underpressure and in which high temperatures occur.

Yoor de warmteafvoer uit een huis is het bekend om in de wand van het huis inrichtingen voor het uitwisselen van warmte aan te 10 brengen waarbij al naar gelang de bedrijfsdruk in het huis tegen de wand van het huis mantels gelast worden. Yerder zijn tegen de wand van het huis gelaste verwarmings- of koelkanalen, in de wand van het huis liggende leidingen, bijvoorbeeld van vinnen voorziene wanden membraanwanden of dergelijke, bekend. Indien bijvoorbeeld ver-15 schillende hoeveelheden warmte afgevoerd moeten worden en indien hierbij een bepaalde uitlaattemperatuur bij de uitlaat van het huis aangehouden moet worden, dan zijn hiervoor bijzondere maatregelen noodzakelijk. In het bijzonder moet de regeling van het koelcircuit zo uitgevoerd zijn, dat een daling van de temperatuur onder de be-20 paalde uitlaattemperatuur op betrouwbare wijze belet wordt. Dit geldt in het bijzonder dan indien het huis voor het uitvoeren van reakties dient en het aanhouden van deze uitlaattemperatuur van wezenlijke invloed op de kwaliteit van het voort te brengen produkt is.It is known for the heat dissipation from a house to provide devices for exchanging heat in the wall of the house, wherein sheaths are welded to the wall of the house according to the operating pressure in the house. Heating or cooling ducts welded against the wall of the housing, pipes lying in the wall of the housing, for instance finned walls, membrane walls or the like, have previously been known. If, for example, different amounts of heat have to be removed and if a certain outlet temperature is to be maintained at the outlet of the house, then special measures are necessary for this. In particular, the control of the cooling circuit must be designed in such a way that a drop in the temperature below the determined outlet temperature is reliably prevented. This is especially true if the housing is for carrying out reactions and the maintenance of this outlet temperature has a substantial influence on the quality of the product to be produced.

Indien het- huis voor het uitvoeren van exothermische reakties 25 uitgevoerd is, dan ontstaan in de reaktiezone grote, verschillende hoeveelheden warmte, die een intensive afkoeling van de reaktiezone nodig maken. Dit kan door bekende warmtewisselaars niet of slechts met aanzienlijke inspanning gewaarborgd worden zodat andere oplossingen gezocht werden. Dekend is de werkwijze van de direkte koe-30 ling, waarbij een koelmedium direkt in de reaktiezone ingeleid wordt. Deze werkwijze wordt bijvoorbeeld bij de vervaardiging van roet door onderstochiometrische verbranding van koolwaterstoffen gebruikt.If the house is designed for carrying out exothermic reactions, large, different amounts of heat are generated in the reaction zone, which necessitate intensive cooling of the reaction zone. This can not be ensured by known heat exchangers or only with considerable effort, so that other solutions were sought. The method of direct cooling is known, in which a cooling medium is introduced directly into the reaction zone. This process is used, for example, in the production of carbon black by sub-stoichiometric combustion of hydrocarbons.

Als koelmedium dient hierbij water. Aan deze werkwijze kleven echter nadelen, omdat het roet gedeeltelijk tot roetgrit samenklontert, dat 35 voor het verdere gebruik tijdens een verdere behandeling gemalen moet worden.Water serves as the cooling medium. However, this method has drawbacks, because the carbon black clumps partly into a carbon black grit, which must be ground for further use during a further treatment.

Hier ligt de toepassing van de uitvinding, die tot doel heeft 8300305 -2-Herein lies the application of the invention, which aims at 8300305 -2-

— I- I

S'* * de werkwijze van het ‘bovengenoemde soort zodanig uit te voeren, dat bij het vermijden van de nadelen van de bekende oplossingen het zich bij de uitlaatzijde van het huis instaLlende temperatuursverloop in verregaande mate onafhankelijk van de bij de inlaatzijde van het 5 huis af te voeren hoeveelheden warmte is.To carry out the method of the above-mentioned type in such a way that, in avoiding the disadvantages of the known solutions, the temperature variation settling at the outlet side of the housing is largely independent of the temperature at the inlet side of the housing. amounts of heat to be dissipated.

Dit doel wordt volgens de uitvinding bereikt, doordat de uit • de gasstroom af te voeren hoeveelheid warmte door het aanbrengen van een tussen de gasstroom en de stroom koelmiddel liggend stralend vlak aan het koelmedium afgegeven wordt.This object is achieved according to the invention in that the amount of heat to be removed from the gas flow is delivered to the cooling medium by applying a radiating surface lying between the gas flow and the coolant flow.

10 Yoor het uitvoeren van de werkwijze volgens de uitvinding dient een bij de buitenwand van het huis aangebrachte warmtewisselaar, waarbij volgens de uitvinding tussen het inwendige van het huis en de warmtewisselaar een warmtegeleidende binnenmantel op afstand van de wamrtewisselaar aangebracht is.For carrying out the method according to the invention, a heat exchanger arranged at the outer wall of the housing serves, wherein according to the invention a heat-conducting inner jacket is arranged at a distance from the heat exchanger between the interior of the housing and the heat exchanger.

15 De uitvinding is in de tekening als voorbeeld afgebeeld en wordt hieronder beschreven. Daarbij tonen: .The invention is shown in the drawing as an example and is described below. Show:.

Fig. 1 een schematische afbeelding van een langsdoorsnede van een reactor voor het vervaardigen van roet enFig. 1 is a schematic longitudinal sectional view of a carbon black reactor and

Fig. 2 een diagram van het temp er atuurver loop in een reactor 20 volgens de uitvinding onder twee verschillende bedrijfsomstandigheden .Fig. 2 is a diagram of the temperature course in a reactor 20 according to the invention under two different operating conditions.

In figuur 1 is een als reactor 1 uitgevoerd huis 2 schematisch afgebeeld. Het huis 2 heeft een inwendige ruimte 3 met doorsnede naar wens, welke bijvoorbeeld cirkel-, rechthoek- of polygoonvormig 25 kan zijn. E en A geven de inlaat- resp. uitlaatzijde van het huis aan. De in figuur 1 af geheelde reactor dient voor het vervaardigen van roet uit koolwaterstoffen waarmee de werkwijze volgens de uitvinding verduidelijkt wordt. Het huis 2 heeft een buitenwand 4> waaraan aan de buitenzijde een warmtewisselaar 5 in de vorm van een 30 tegen de buitenwand 4 gelaste mantel aangebracht is. De warmtewisselaar 5 kan echter ook op andere wijze, bijvoorbeeld in de vorm van de hierboven beschreven, bekende uitvoeringen, uitgevoerd zijn.Figure 1 shows a housing 2 designed as reactor 1 schematically. The housing 2 has an internal space 3 with cross section as desired, which can for instance be circular, rectangular or polygonal. E and A indicate the inlet resp. outlet side of the house. The reactor shown in Figure 1 serves for the production of carbon black from hydrocarbons, which clarifies the process according to the invention. The housing 2 has an outer wall 4 to which a heat exchanger 5 in the form of a jacket welded to the outer wall 4 is arranged on the outside. However, the heat exchanger 5 can also be designed in another way, for example in the form of the known embodiments described above.

De inwendige ruimte 3 wordt aan de omtrek door een binnenmantel 6 begrensd, welke op afstand van de buitenwand 4 aangebracht is en 35 met de buitenwand 4 een ringvormige tussenruimte 7 vormt. De tussenruimte 7 is aan de uitlaatzijde door een niet afgebeelde afdichting 8 van de inwendige ruimte 3 gescheiden. De tussenruimte 7 is ook op de inlaatzijde E aangesloten en wel middels een kopplaat 9> waaraan de binnenmantel 6 middels een flens 10 bevestigd is en welke zich tot 40 de buitenmantel 14 uitstrekt, welke met een flens 11 met de rand van 8300305 * · — -3- de kopplaat 9 verbonden is.The inner space 3 is circumferentially bounded by an inner sheath 6, which is arranged at a distance from the outer wall 4 and which forms an annular space 7 with the outer wall 4. The intermediate space 7 is separated from the internal space 3 by a seal 8 (not shown) on the outlet side. The intermediate space 7 is also connected to the inlet side E by means of a head plate 9 to which the inner jacket 6 is attached by means of a flange 10 and which extends to 40 the outer jacket 14, which has a flange 11 with the edge of 8300305 * - - -3- the head plate 9 is connected.

Op de uitlaatzijde A is een stomp 12 aangebracht en op de in-gangszijde E een verdere stomp 13· De pijlen tonen door de richting daarvan bet binnentreden van koelmedium bij stomp 12 en bet naar 5 buitentreden van bet koelmedium bij stomp 13. Afsluitkonus 14 is afsluitend tegen buitenwand 14 aangebracht, op de uitlaatopening 15 waarvan de verdere, voor de behandeling van bet voortgebracbte roet noodzakelijke, echter niet afgeheelde toestellen aansluiten.A stub 12 is arranged on the outlet side A and a further stub 13 on the inlet side E · The arrows show the entering of the cooling medium at the stub 12 in its direction and the 5 entering the cooling medium at the stub 13. The cone 14 is sealingly fitted against outer wall 14, to the outlet opening 15 of which the further appliances, which are necessary for the treatment of the cracked soot, but which are not fully connected, connect.

Op de kopplaat 9 zijn schematisch die delen van de reactor af-10 geheeld, waarmee de zuur stof drager, meestal lucht, en de koolwaterstoffen in de inwendige ruimte 3 geleid worden. De zuur stof drager wordt uit een zuurstofbron 16 middels een leiding 17 in een verdeler 18 geleid, welke verdeler aan de zijde van het huis openingen 19 heeft, waardoor de zuurstof drager in mengkamers 20 binnengeleid 15 wordt. Daar wordt de zuurstof drager met de door een mondstuk 21 ingespoten koolwaterstoffen, die uit een schematische afgebeelde voor-raadhouder 22 middels leidingen 23 aan de mondstukken 21 toegevoerd worden, gemengd en het mengsel wordt in de inwendige ruimte 3 geleid. In de inwendige ruimte wordt het mengsel continu ontstoken en een 20 meer of minder aanzienlijke exotherme reaktie plaats. De bij de re-aktie vrijkomende warmte moet gedoseerd afgevoerd worden, om een uit-laattemperatuur binnen een nauw» temperatuurinterval te waarborgen, waarbij het binnen het interval houden voor de kwaliteit van het onderhavige vervaardigde produkt van aanzienlijke invloed is. Daarom 25 moet de uitlaattemperatuur van het gas in verregaande mate onafhankelijk van de vrijgegeven hoeveelheid warmte zijn.The parts 9 of the reactor are schematically mounted on the head plate 9, with which the oxygen carrier, usually air, and the hydrocarbons are led into the inner space 3. The oxygen carrier is led from an oxygen source 16 via a conduit 17 into a distributor 18, which distributor has openings 19 on the side of the housing, through which the oxygen carrier is introduced into mixing chambers 20. There, the oxygen carrier is mixed with the hydrocarbons injected through a nozzle 21, which are fed from the supply container 22 schematically shown through pipes 23 to the nozzles 21 and the mixture is introduced into the inner space 3. In the interior, the mixture is continuously ignited and a more or less substantial exothermic reaction takes place. The heat released during the reaction must be metered off in order to ensure an outlet temperature within a narrow temperature interval, with keeping within the interval for the quality of the product manufactured herein has significant influence. Therefore, the outlet temperature of the gas must be largely independent of the amount of heat released.

Het warmtetransport van het reaktiegas en het reaktieprodukt geschiedt middels straling tegen de binnenzijde van de binnenmantel 6. Door warmtegeleiding wordt ook de temperatuur aan de buitenzijde 30 van de binnenmantel 6 verhoogd, welke op zijn beurt nu een stralend vlak vormt en middels deze straling de warmte aan de buitenwand 4 af geeft. Omdat het warmtetransport door straling met de vierde macht van de temperatuur toeneemt, speelt konvektie en warmtetransport door geleiding van het gas in de tussenruimte slechts een zeer on-35 dergeschikte rol. De in de buitenwand 4 plaatsvindende absorpsie van warmte wordt door een geschikte koelmedium, bijvoorbeeld kokend water opgenomen.The heat transport of the reaction gas and the reaction product takes place by radiation against the inner side of the inner jacket 6. Heat conduction also increases the temperature on the outside 30 of the inner jacket 6, which in turn now forms a radiating surface and by means of this radiation the heat is to the outer wall 4. Since the heat transport by radiation increases by the fourth power of the temperature, convection and heat transport by conduction of the gas in the interspace play only a very minor role. The heat absorption which takes place in the outer wall 4 is absorbed by a suitable cooling medium, for example boiling water.

In figuur 2 is de werking van het koelproces volgens de uitvinding afgebeeld, welke uit het achterelkaar schakelen van twee stra-40 lingsprocessen, eerst van het gas in de inwendige ruimte 3 naar de 8300305 - - -4- u binnenmantel 6 en vandaar naar de buitenwand 7, bestaat.Figure 2 shows the operation of the cooling process according to the invention, which switches off two radiation processes in sequence, first from the gas in the interior space 3 to the 8300305 - - -4- u inner jacket 6 and from there to the outer wall 7, exists.

In figuur 2 zijn twee reakties voor het vervaardigen van twee verschillende kwaliteiten roet afgeheeld, waarbij de doorgetrokken lijnen het temperatuurverloop in het gas in de lengte L van de in-5 wendige ruimte 3 tonen, terwijl de gestreepte lijnen de temperatuur van de binnenmantel 6 voor beide soorten van bedrijf tonen en de 'streeppuntlijn de wandtemperatuur van de warmtewisselaar 5 toont. In het geval van bedrijf I met de hoogste gastemperatuur van ongeveer 1900°0 gaat het om de vervaardiging van een roetkwaliteit waarbij 10 liet aandeel zuurstof verhoudingsgewijs groot is, terwijl in het tweede geval van bedrijf II met een aanzienlijk lagere hoogste gastemperatuur van ongeveer 1000°C ,het de vervaardiging van een kwaliteit roet betreft waarbij het aandeel zuurstof verhoudingsgewijs klein is. Desondanks kan overeenkomstig figuur 2 geconstateerd worden dat het 1 5 temperatuurverloop bij de uitlaat A van de reactor in verregaande mate van het bij inlaat E van de reactor bereikte temperatuürsmaxi-mum onafhankelijk is. Bij verandering van de bedrijfsomstandigheden bij de vervaardiging van verschillende roettypen door verandering van de olie/ zuurstofverhoudingen ontstaan weliswaar aanzienlijk ver-20 schillende temperatuurmaxima, welke echter slechts een geringe invloed hebben op het temperatuursprofiel bij de uitlaat A van de reactor, zodat niet van buiten, dat wil zeggen door de sturing van het koelsysteem, ingegrepen moet worden, Dienovereenkomstig stellen de gewenste reaktieomstandigheden bij de uitlaat A van de reactor zich 25 zonder uitwendige invloed in verdergaande mate onafhankelijk in van hetgeen plaats vindt bij de inlaat E van de reactor.In Figure 2, two reactions for the production of two different qualities of carbon black are shown, the solid lines showing the temperature trend in the gas in the length L of the inner space 3, while the dashed lines showing the temperature of the inner jacket 6 show both types of operation and the dashed line shows the wall temperature of the heat exchanger 5. In the case of company I with the highest gas temperature of about 1900 ° 0, it concerns the production of a carbon black quality in which the proportion of oxygen is 10 relatively large, while in the second case of company II with a considerably lower highest gas temperature of about 1000 ° C, it concerns the production of a quality carbon black in which the proportion of oxygen is relatively small. Nevertheless, according to figure 2, it can be observed that the temperature variation at the outlet A of the reactor is largely independent of the temperature maximum reached at inlet E of the reactor. When the operating conditions in the manufacture of different types of carbon black are changed by changing the oil / oxygen ratios, there are admittedly considerably different temperature maxima, which, however, only have a small influence on the temperature profile at the outlet A of the reactor, so that not from the outside. that is to say, by the control of the cooling system, action must be taken. Accordingly, the desired reaction conditions at the outlet A of the reactor are independently independent of what takes place at the inlet E of the reactor without external influence.

De beschreven werkwijze voor het koelen· heeft bijgevolg het voordeel dat de bij de reaktie optredende temperatuursmaxima snel tot op een verhoudingsgewijs lage temperatuur verminderd worden, na het 50 bereiken waarvan in vergelijking tot een hoge reaktietemperatuur de verdere afkoeling nog slechts langzaam plaats vindt. Door deze selek-tive warmteafvoer is de invloed van de bij de reaktie vrijgegeven, van de speoifike reaktie warmte en van de doorgaande hoeveelheid afhankelijke, hoeveelheid warmte op de uitlaattemperatuur van de reak-35 tiegassen slechts zeer gering. Bovendien is de temperatuur van het koelmedium en de buitenwand 4 praktisch zonder belang voor het tempe-ratuurverloop in het reaktiegas. De keuze van het koelmedium kan daarom aan andere vereisten aangepast worden, bijvoorbeeld aan een mogelijk zinvol verder gebruik van de warmte.The described cooling method therefore has the advantage that the temperature maxima which occur during the reaction are quickly reduced to a comparatively low temperature, after which the further cooling takes place only slowly compared to a high reaction temperature. As a result of this selective heat dissipation, the influence of the heat released during the reaction, of the speifical reaction and of the continuous amount of dependent heat on the outlet temperature of the reaction gases is only very small. Moreover, the temperature of the cooling medium and the outer wall 4 is practically of no importance for the temperature course in the reaction gas. The choice of cooling medium can therefore be adapted to other requirements, for example to a possible further useful use of the heat.

83003058300305

Claims

1. Method for continuing cooling of a hot gas stream in a cleaning chamber, which is cooled by a cooling medium guided in the cleaning chamber wall. that the amount of heat to be removed from the gas flow is supplied to the cooling medium by applying a radiant surface (6) lying between the gas flow and the cooling medium.

Method according to claim 1, characterized in that the radiating surface (6) is cracked cleanly in the inspection section of the wall (4). 10

Heat exchanger which is cracked against the calf wall of a cleaning appliance and for performing the method according to claim 1, characterized in that between the internal space (3) of the cleaning appliance (2) and the heat exchanger (5) heat conducting chin jacket (6) is cracked at a distance from the heat exchanger (5).

4. Heat exchanger according to claim 3, characterized in that the preferably annular space (7) formed by the chin jacket (6) and the heat exchanger (5) is both in respect of the interior space (3) of the housing (2) and is also closed to the calf-20 atmosphere by a covering (8).

Heat exchanger according to claim 3, characterized in that it is incorporated in the calf wall (4), for example in the form of a fin wall or membrane tap wall.

Heat exchanger according to Claim 3, characterized in that the chin jacket (6) is made of a heat resistant metal.

Reaction vessel with a heat exchanger according to claim 3 for gaseous reactions at cool temperatures.

8. Reaction vessel according to claim 7 for exotic reactions, preferably for producing carbon black. 8300 30 5