DE3304174A1 - METHOD AND HEAT EXCHANGER FOR CONTINUOUSLY COOLING A HOT GAS FLOW - Google Patents
METHOD AND HEAT EXCHANGER FOR CONTINUOUSLY COOLING A HOT GAS FLOWInfo
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Description
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DR, ULRICH OSTERTAQ "J/ ' DR. REINHARD OSTERTAQDR, ULRICH OSTERTAQ "J / ' DR. REINHARD OSTERTAQ
Verfahren und Wärmetauscher zur fortschreitenden Kühlung eines heißen GasstromsProcess and heat exchanger for the progressive cooling of a hot gas flow
Anmelderin: Anstalt MuraApplicant: Mura Institution
Gagoz 863
Balzers
Fürstentum LiechtensteinGagoz 863
Balzers
Principality of Liechtenstein
Priorität: Schweizerische PatentanmeldungPriority: Swiss patent application
No. 899/82-8 vom 12. Februar 1982No. 899 / 82-8 of February 12, 1982
Anwaltsakte : 13"66Attorney's file: 13 "66
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Verfahren und Wärmeaustauscher zur fortschreitenden Kühlung eines heissen GasstromsProcess and heat exchanger for the progressive cooling of a hot gas flow
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur fortschreitenden Kühlung eines heissen Gasstroms in einem Gehäuse, das durch ein in der Gehäusewandung geführtes Kühlmedium gekühlt wird, und einen Wärmeaustauscher zur Durchführung des Verfahrens.The invention relates to a method for the progressive cooling of a hot gas flow in a housing, which is cooled by a cooling medium guided in the housing wall, and a heat exchanger for implementation of the procedure.
Als Gehäuse werden im Zusammenhang mit der Erfindung Leitungen und Gefässe, insbesondere Reaktionsgefässe, verstanden, deren Betrieb bei üeber- oder Unterdruck erfolgt und in denen hohe Temperaturen auftreten.In connection with the invention, the term housing is understood to mean lines and vessels, in particular reaction vessels, whose operation takes place at overpressure or underpressure and in which high temperatures occur.
Zur Wärmeabfuhr aus einem Gehäuse ist es bekannt,, in der Gehäusewandung Einrichtungen für den Wärmeaustausch vorzusehen, wobei je nach dem Betriebsdruck im Gehäuse an der Gehäusewandung Mäntel angeschweisst werden. Bekannt sind weiter an der Gehäusewandung angeschweisste Heizoder Kühlkanäle, in der Gehäusewandung liegende Leitungen, z.B. Flossen- oder Membranwände, o.dgl. Müssen beispielsweise unterschiedliche Wärmemengen abgeführt werden undFor heat dissipation from a housing, it is known, in the Housing walls to provide facilities for heat exchange, depending on the operating pressure in the housing the casing wall jackets are welded on. Also known are heating devices welded to the housing wall Cooling channels, lines in the housing wall, e.g. fin or membrane walls, or the like. Must for example different amounts of heat are dissipated and
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muss hierbei eine bestimmte Austrittstemperatur am Gehäuseausgang eingehalten werden, bedarf es hierzu besonderer Massnahmen. Insbesondere muss die Regelung des Kühlkreislaufes so ausgebildet sein, dass eine Erniedrigung der Temperatur unter die festgelegte Ausgangstemperatur zuverlässig vermieden wird. Dies gilt insbesondere dann, wenn das Gehäuse für die Durchführung von Reaktionen dient und die Einhaltung dieser Ausgangstemperatur von wesentlichem Einfluss auf die Qualität eines zu erzeugenden Produktes ist.If a certain outlet temperature has to be maintained at the housing outlet, special requirements are required Activities. In particular, the regulation of the cooling circuit must be designed so that a decrease the temperature below the specified starting temperature is reliably avoided. This is especially true when the housing is used to carry out reactions and compliance with this starting temperature of significant influence on the quality of a to be generated Product is.
Ist das Gehäuse zur Durchführung exothermer Reaktionen ausgelegt, entstehen in der Reaktionszone grosse, unterschiedliche Wärmemengen, die eine intensive Abkühlung der Reaktionszone erfordern. Diese kann durch bekannte Wärmeaustauscher nicht oder nur mit erheblichem Aufwand gewährleistet werden, weshalb andere Lösungen gesucht wurden. Bekannt ist das Verfahren der direkten Kühlung, bei welchem ein Kühlmedium direkt in die Reaktionszone eingeleitet wird. Dieses Verfahren wird beispielsweise bei der Herstellung von Russ durch unterstöchiometrische Verbrennung von Kohlenwasserstoffen angewandt. Als Kühlmedium dient hierbei Wasser. Diesem Verfahren haften jedoch Nachteile an, da dadurch sich der Russ teilweise zu Russgrit zusammenballt, der für die weitere Verwendung in einer weiteren Behandlungsoperation gemahlen werden muss.If the housing is designed to carry out exothermic reactions, large, different ones arise in the reaction zone Amounts of heat that require intensive cooling of the reaction zone. This can be known through Heat exchangers cannot be guaranteed or can only be guaranteed with considerable effort, which is why other solutions are sought became. The method of direct cooling is known, in which a cooling medium enters the reaction zone directly is initiated. This process is used, for example, in the production of carbon black by substoichiometric Combustion of hydrocarbons applied. Water is used as the cooling medium. However, stick to this method Disadvantages, as this causes the soot to partially agglomerate to soot grit, which can then be used in must be ground for another treatment operation.
Hier setzt die Erfindung ein, der die Aufgabe zugrundeliegt, das Verfahren der eingangs beschriebenen Art so auszugestalten, dass unter Vermeidung der Nachteile der bekannten Lösungen der sich an der Ausgangsseite des Gehäuses einstellende Temperaturverlauf weitgehend unab-This is where the invention, on which the object is based, applies the method of the type described at the outset to design that while avoiding the disadvantages of the known solutions of located on the output side of the housing setting temperature profile largely independent
hängig von den an der Eingangsseite des Gehäuses abzuführenden Wärmemengen ist.depends on the amount of heat to be dissipated at the inlet side of the housing.
Diese Aufgabe wird gemäss der Erfindung dadurch gelöst, dass die aus dem Gasstrom abzuführende Wärmemenge unter Anordnung einer zwischen dem Gasstrom und dem Kühlstrom liegenden strahlenden Fläche an das Kühlmedium abgegeben wird.According to the invention, this object is achieved by that the amount of heat to be removed from the gas flow with an arrangement between the gas flow and the cooling flow lying radiating surface is released to the cooling medium.
Zur Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens dient ein an der Aussenwandung des Gehäuses angeordneter Wärmeaustauscher, bei dem erfindungsgemäss zwischen dem Innenraum des Gehäuses und dem Wärmeaustauscher ein wärmeleitender Innenmantel mit Abstand von dem Wärmeaustauscher angeordnet ist.Serves to carry out the method according to the invention a heat exchanger arranged on the outer wall of the housing, in which, according to the invention, between the interior space of the housing and the heat exchanger, a thermally conductive inner jacket is arranged at a distance from the heat exchanger is.
Die Erfindung ist in der· Zeichnung beispielsweise dargestellt und nachfolgend beschrieben. Es zeigenThe invention is shown in the drawing, for example and described below. Show it
Fig. 1 einen Längsschnitt eines Reaktors zur Erzeugung von Russ in schematischer Darstellung undFig. 1 is a longitudinal section of a reactor for generating soot in a schematic representation and
Fig. 2 ein Diagramm des Temperaturverlaufs in einem erfindungsgemässen Reaktor für zwei unterschiedliche Betriebsbedingungen.2 shows a diagram of the temperature profile in a reactor according to the invention for two different ones Operating conditions.
In Fig. 1 ist ein als Reaktor 1 ausgebildetes Gehäuse 2 schematisch dargestellt. Das Gehäuse 2 weist einen Innenraum 3 mit einem beliebigen Querschnitt auf, der beispielsweise kreis-,rechteck- oder polygonförmig sein kann. E und A bedeuten die Eintritts- bzw. Austrittsseite des Gehäuses 2. Der in Fig. 1 dargestellte Reaktor dient zurIn Fig. 1, designed as a reactor 1 housing 2 is shown schematically. The housing 2 has an interior 3 with any cross-section, which can be, for example, circular, rectangular or polygonal. E and A mean the inlet and outlet side of the housing 2. The reactor shown in FIG. 1 is used for
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Erzeugung von Russ aus Kohlenwasserstoffen, mit Hilfe dessen das erfindungsgemässe Verfahren erläutert wird. Das Gehäuse 2 weist eine Aussenwand 4 auf, an dem aussenseitig ein Wärmeaustauscher 5 in Form eines an der Aussenwand 4 angeschweissten Mantels angeordnet ist. Der Wärmeaustauscher 5 kann jedoch auch in anderer Weise, beispielsweise in Form der eingangs beschriebenen, bekannten Ausführungen, ausgebildet sein.Production of soot from hydrocarbons, with the help whose method according to the invention is explained. The housing 2 has an outer wall 4 on the outside a heat exchanger 5 is arranged in the form of a jacket welded to the outer wall 4. The heat exchanger 5 can, however, also in other ways, for example in the form of the known designs described at the beginning, be trained.
Der Innenraum 3 wird umfangsseitig durch einen Innenmantel 6 begrenzt, der mit Abstand von der Aussenwand 4 angeordnet ist und mit der Aussenwand 4 einen ringförmigen Zwischenraum 7 bildet. Der Zwischenraum 7 ist ausgangsseitig mittels einer nicht näher dargestellten Dichtung 8 vom Innenraum 3 getrennt. Der Zwischenraum 7 ist auch auf der Eingangsseite E abgeschlossen und zwar durch eine Kopfplatte 9, an der der Innenmantel 6 mittels eines Flansches 10 befestigt ist und die sich bis zum Aussenmantel 4 erstreckt, der mit einem Flansch 11 mit dem Rand der Kopfplatte 9 ver^ bunden ist.The inner space 3 is delimited on the circumferential side by an inner jacket 6 which is arranged at a distance from the outer wall 4 and forms an annular gap 7 with the outer wall 4. The intermediate space 7 is separated from the interior space 3 on the output side by means of a seal 8 (not shown in detail). The gap 7 is closed on the entry side E, and through a top plate 9 to which the inner shell 6 is attached by means of a flange 10 and extending to the outer casing 4, provided with a flange 11 ver with the edge of the top plate 9 ^ is bound.
Auf der Ausgangsseite A ist ein Stutzen 12 und an der Eingangsseite E ein weiterer Stutzen 13 angeordnet. Die Pfeile zeigen mit ihrer Richtung den 'Kühlmediumeintritt beim Stutzen 12 und den Kühlmediumaustritt beim Stutzen 13 an. Anschliessend an die Aussenwand 4 ist ein Abschlusskonus 14 angeordnet, an dessen Ausgangsöffnung 15 die weiteren, für die Behandlung des erzeugten Russes erforderlichen, jedoch nicht dargestellten Geräte anschliessen.A nozzle 12 is arranged on the output side A and a further nozzle 13 is arranged on the input side E. the The direction of the arrows shows the coolant inlet at the connector 12 and the coolant outlet at the connector 13 at. Adjacent to the outer wall 4 is a terminating cone 14, at the outlet opening 15 of which the Connect further devices required for the treatment of the soot produced, but not shown.
Auf der Kopfplatte 9 sind schematisch diejenigen Teile des Reaktors dargestellt, mit denen der Sauerstoffträger,On the top plate 9 those parts of the reactor are shown schematically with which the oxygen carrier,
- k - k
meistens Luft, und die Kohlenwasserstoffe in den Innenraum 3 geleitet werden. Der Sauerstoffträger wird aus einer Sauerstoffquelle 16 über eine Leitung 17 in einen Verteiler 18 geleitet, der gehäuseseitig Oeff mangen 19 aufweist, durch die der Sauerstoffträger in Mischkammern 20 eingeführt wird. Dort wird der Sauerstoffträger mit den durch eine Düse 21 eingespritzten Kohlenwasserstoffen, die aus einem schematisch dargestellten Vorratsbehälter 22 über Leitungen 23 den Düsen 21 zugeführt werden, gemischt und die Mischung in den Innenraum 3 geführt. Im Innenraum wird die Mischung kontinuierlich gezündet und es erfolgt eine mehr oder weniger stark exotherme Reaktion. Die bei der Reaktion freiwerdende Wärme muss dosiert abgeführt werden, um eine Austrittstemperatur innerhalb eines engen Temperaturintervalls zu gewährleisten, dessen Einhaltung für die jeweils erzeugte Produktqualität von wesentlichem Einfluss ist. Deshalb soll die Gasaustrittstemperatur weitgehend unabhängig von der freigesetzten Wärmemenge sein.mostly air, and the hydrocarbons in the interior 3 are directed. The oxygen carrier is from an oxygen source 16 via a line 17 in a Manifold 18 passed, the housing side Oeff mangen 19 through which the oxygen carrier in mixing chambers 20 is introduced. There the oxygen carrier is mixed with the hydrocarbons injected through a nozzle 21, which are supplied to the nozzles 21 from a schematically illustrated storage container 22 via lines 23, mixed and the mixture passed into the interior 3. In the interior, the mixture is continuously ignited and there is a more or less strongly exothermic reaction. The heat released during the reaction must be discharged in a metered manner in order to ensure an outlet temperature within a narrow temperature range, compliance with which has a significant influence on the product quality produced in each case. That's why the gas outlet temperature should be largely independent of the amount of heat released.
Der Wärmetransport von dem Reaktionsgas und dem Reaktionsprodukt erfolgt mittels Strahlung an die Innenseite des Innenmantels 6. Durch Wärmeleitung erhöht sich auch die Temperatur auf der Aussenseite des Innenmantels 6, welcher nun seinerseits eine strahlende Fläche bildet und über diese Strahlung die Wärme an die Aussenwand 4 abgibt. Da der Wärmetransport durch Strahlung mit der vierten Potenz der Temperatur wächst, spielt ein konvektiver und konduktiver Wärmetranport des Gases im Zwischenraum nur eine sehr untergeordnete Bedeutung. Die in der Aussenwand 4 erfolgende Wärmeabsorption wird von einem geeigneten Kühlmedium, beispielsweise siedendem Wasser, aufgenommen.The heat transfer from the reaction gas and the reaction product takes place by means of radiation to the inside of the Inner jacket 6. The conduction also increases Temperature on the outside of the inner jacket 6, which in turn forms a radiating surface and Releases the heat to the outer wall 4 via this radiation. Since the heat transport by radiation with the The fourth power of the temperature increases, a convective and conductive heat transfer of the gas takes place in the space only a very minor meaning. The heat absorption taking place in the outer wall 4 is of a suitable cooling medium, for example boiling water, added.
-/f-3- / f-3
In Fig. 2 ist die Wirkung des erfindungsgemässen Kühlverfahrens ersichtlich, das in der Hintereinanderschaltung zweier Strahlungsvorgänge, zuerst von dem Gas in dem Innenraum 3 an den Innenmantel 6 und von dort an die Aussenwand 7, besteht.In Fig. 2 is the effect of the inventive cooling method can be seen in the series connection of two radiation processes, first from the gas in the Interior 3 to the inner jacket 6 and from there to the outer wall 7 is made.
In Fig. 2 sind zwei Reaktionen zur Herstellung zweier unterschiedlicher Russqualitäten dargestellt, wobei die ausgezogenen Linien den Temperaturverlauf im Gas über die Länge L des Innenraums 3 zeigen, während die gestrichelten Linien die Temperatur des Innenmantels 6 für die beiden Betriebsfälle und die strichpunktierte Linie die Wandtemperatur des Wärmeaustauschers 5 zeigen. Bei dem Betriebsfall I mit der Höchstgastemperatur von ca. 190O0C handelt es sich um die Herstellung einer Russqualität, bei der der Sauerstoffanteil verhältnismässig gross ist, während beim zweiten Betriebsfall II mit der wesentlich geringeren höchsten Gastemperatur von ca. 10000C es sich um die Herstellung einer Russqualität handelt, bei der der Sauerstoffanteil verhältnismässig klein ist. Trotzdem kann gemäss Fig. 2 festgestellt werden, dass der Temperaturverlauf an dem Ausgang A des Reaktors weitgehend von der am Eingang E des Reaktors erreichten Temperaturspitze unabhängig ist. Bei Aenderung der Betriebsbedingungen bei der Herstellung verschiedener Russtypen durch die Aenderung des OelZ-Vefhältnisses ergeben sich zwar stark unterschiedliche Temperaturspitzen, die jedoch auf das Temperaturprofil gegen den Ausgang A des Reaktors nur einen geringen Einfluss haben, so dass von aussen, d.h. über die Steuerung des Kühlsystems, nicht eingegriffen werden muss. Dementsprechend stellen sich die erwünschten Reaktionsbedingungen gegen den Ausgang A des Reaktors ohne äusseren Einfluss weitgehend2 shows two reactions for the production of two different soot qualities, the solid lines showing the temperature profile in the gas over the length L of the interior 3, while the dashed lines the temperature of the inner jacket 6 for the two operating cases and the dash-dotted line the wall temperature of the heat exchanger 5 show. Operating case I with the maximum gas temperature of approx. 190O 0 C is the production of a soot quality in which the oxygen content is relatively high, while the second operating case II with the significantly lower highest gas temperature of approx. 1000 0 C is the production of a soot quality is involved in which the oxygen content is relatively small. Nevertheless, according to FIG. 2, it can be established that the temperature profile at outlet A of the reactor is largely independent of the temperature peak reached at inlet E of the reactor. When the operating conditions in the production of different types of carbon black are changed by changing the OelZ ratio, the temperature peaks differ greatly, but they only have a minor influence on the temperature profile towards outlet A of the reactor, so that from the outside, ie via the control of the Cooling system, there is no need to intervene. Accordingly, the desired reaction conditions are set against exit A of the reactor largely without any external influence
unabhängig vom Geschehen am Eingang E des Reaktors von selbst ein.independently of what is happening at input E of the reactor.
Das beschriebene Kühlverfahren weist somit den Vorteil auf, dass die bei der Reaktion auftretenden Temperaturspitzen schnell auf eine verhältnismässig niedere Temperatur abgebaut werden, nach deren Erreichen im Vergleich zur hohen Reaktionstemperatur die weitere Abkühlung nur noch langsam erfolgt- Durch diese selektive Wärmeabführung ist der Einfluss der bei der Reaktion freigesetzten, von der spezifischen Reaktionswärme und der durchgehenden Menge abhängige Wärmemenge auf die Austrittstemperatur der Reaktionsgase nur sehr gering. Zudem ist die Temperatur des Kühlmediums und der Aussenwand 4 praktisch ohne Bedeutung auf den Temperaturverlauf im Reaktionsgas. Die Wahl des Kühlmediums kann deshalb andern Erfodernissen angepasst werden, z.B. für eine möglichst sinnvolle Weiterverwendung der Wärme.The cooling method described thus has the advantage that the temperature peaks occurring during the reaction be rapidly degraded to a relatively low temperature, after reaching it in comparison At the high reaction temperature, the further cooling takes place only slowly - Due to this selective heat dissipation is the influence of the heat released during the reaction, the specific heat of reaction and the heat passing through Quantity-dependent amount of heat on the outlet temperature of the reaction gases is only very small. In addition, the temperature is the cooling medium and the outer wall 4 practically irrelevant to the temperature profile in the reaction gas. the The choice of cooling medium can therefore be adapted to other requirements, e.g. for the most sensible one Reuse of the heat.
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Legal Events
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| 8110 | Request for examination paragraph 44 | ||
| 8127 | New person/name/address of the applicant |
Owner name: BERA ANSTALT, VADUZ, LI |
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