EP0396868A1 - Wärmetauscher zum Kühlen von Spaltgas - Google Patents

Wärmetauscher zum Kühlen von Spaltgas Download PDF

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    • 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
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F28F13/06—Arrangements for modifying heat-transfer, e.g. increasing, decreasing by affecting the pattern of flow of the heat-exchange media
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    • Y10S585/949—Miscellaneous considerations
    • Y10S585/95—Prevention or removal of corrosion or solid deposits

Definitions

  • the invention relates to a heat exchanger for cooling cracked gas with the features of the preamble of claim 1.
  • the cracked gas generated by thermal cracking of hydrocarbons with the addition of water vapor is a mixture of hydrocarbons of different molecular weights and partial pressures.
  • This fission gas must be cooled very quickly from about 800 to 900 degrees C to 600 to 650 degrees C to stabilize its molecular composition.
  • the cracked gas is cooled by indirect heat transfer from the cracked gas to the evaporating water serving as the heat-absorbing medium. In order to maintain the high cooling rate, the cracked gas must flow through the heat exchanger tubes at high speed.
  • the further cooling of the cracked gas from 600 to 650 degrees C to 450 to 380 degrees C depending on the starting material is carried out for heat recovery and has only a minor influence on the quality of the cracked gas. This subsequent cooling can be carried out at lower flow rates.
  • the gas-side pressure in the tubes of the cracking gas furnace and the cracking gas cooler also has an influence on the quality of the cracked gas generated.
  • a low pressure drop in the cracked gas cooler leads to a lower pressure in the cracked gas furnace, which increases the yield of ethylene. In practice, therefore, an optimization between flow velocity and pressure loss in the flowing cracked gas is sought.
  • Shell and tube heat exchangers are used as cracked gas coolers, which cool the gas in one go from 800 degrees C to 400 degrees C. A correspondingly low flow rate is maintained in the heat exchanger tubes.
  • Such a heat exchanger is simple in construction, but the cooling rate, at least in the inlet part, could be too slow with regard to the stabilization of the desired fission gas composition.
  • Two-stage heat exchanger systems are also known, which are usually designed as single-tube coolers and which cool the cracked gas at a higher flow rate from 800 ° C to 500 ° C.
  • a separate heat exchanger is installed downstream of these coolers, in which the cracked gas is cooled to 400 degrees C at a lower flow rate.
  • Such a heat exchanger system increases the outlay on equipment considerably.
  • the invention has for its object to design the generic heat exchanger for cooling cracked gas in such a way that on the one hand the apparatus simplicity of a single-stage cooling is maintained and that on the other hand the advantages of a two-stage cooling with variable flow rates can be exploited.
  • the drawing shows schematically the longitudinal section through a heat exchanger.
  • the heat exchanger shown is connected to a cracked gas furnace and is used to cool the cracked gas generated.
  • the heat exchanger contains a bundle of heat exchanger tubes 1, of which only two are shown for reasons of clarity.
  • the heat exchanger tubes 1 are inserted at the ends in a tube sheet 2, 3.
  • the tube sheets 2, 3 are connected to a jacket 4, which encloses the bundle of heat exchanger tubes 1.
  • the jacket 4 is provided with a feed connector 5 and a discharge connector 6, via which a heat exchange medium is fed into the interior of the jacket 4 and is removed therefrom. Evaporating water serves as the heat exchange medium.
  • the heat exchanger tubes 1 connect a gas inlet chamber 7 to a gas outlet chamber 8, which are delimited by a hood 9 and in each case one of the tube plates 2, 3.
  • the cracked gas generated in the cracked gas furnace is fed to the gas inlet chamber 7.
  • Each heat exchanger tube 1 has two tube sections 10, 11 which are connected to one another by a cone 12.
  • the cone angle is preferably 6 to 8 degrees.
  • the diameter of the pipe section 10 facing the gas inlet chamber 7 is smaller than the diameter of the pipe section 11 on the gas outlet side.
  • the diameter of the pipe section 10 can for example be 31 or 38 mm and the diameter of the pipe section 11 can be 42 or 48 or 51 mm.
  • With a wall thickness of the heat exchanger tubes 1 of 3 or 5 mm the selected example results in an increase in the area of the clear tube cross section from 1 to 1.6 to 1.8. In general, the cross-sectional enlargement should be between 1 to 1.5 to 2.0.

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Abstract

Ein Wärmetauscher zum Kühlen von Spaltgas ist mit einem Bündel von Wärmetauscherrohren (1) versehen. Jedes Wärmetauscherrohr (1) weist zwei Rohrabschnitte (10, 11) unterschiedlichen Durchmessers auf, die über einen Konus (12) ineinander übergehen. Der Rohrabschnitt (11) mit dem größeren Durchmesser ist am gasaustrittsseitigen Ende des Wärmetauscherrohres (1) vorgesehen.

Description

  • Die Erfindung betrifft einen Wärmetauscher zum Kühlen von Spaltgas mit den Merkmalen des Oberbegriffes des Anspruches 1.
  • Das durch eine thermische Spaltung von Kohlenwasserstoffen unter Zusatz von Wasserdampf erzeugte Spaltgas ist ein Gemisch aus Kohlenwasserstoffen unterschiedlichen Molekulargewichts und Partialdrucks. Dieses Spaltgas muß zur Stabilisierung seiner molekularen Zusammensetzung sehr schnell von etwa 800 bis 900 Grad C auf 600 bis 650 Grad C abgekühlt werden. Das Abkühlen des Spaltgases erfolgt durch indirekte Wärmeübertragung von dem Spaltgas an das als wärmeaufnehmendes Medium dienende, verdampfende Wasser. Um dabei die hohe Abkühlungsgeschwindigkeit einzuhalten, muß das Spaltgas die Wärmetauscherrohre mit hoher Geschwindigkeit durchströmen. Die weitere Abkühlung des Spaltgases von 600 bis 650 Grad C auf 450 bis 380 Grad C je nach Einsatzstoff wird zur Wärmerückgewinnung durchgeführt und hat nur einen geringen Einfluß auf die Qualität des Spaltgases. Diese nachfolgende Abkühlung kann bei geringeren Strömungsgeschwindigkeiten durchgeführt werden.
  • Außer einer ausreichend hohen Abkühlgeschwindigkeit hat auch der gasseitige Druck in den Rohren des Spaltgasofens und des Spaltgaskühlers einen Einfluß auf die Qualität des erzeugten Spaltgases. So führt ein niedriger Druckverlust im Spaltgaskühler zu einem niedrigeren Druck im Spaltgasofen, was die Ausbeute an Äthylen erhöht. In der Praxis wird daher eine Optimierung zwischen Strömungsgeschwindigkeit und Druckverlust im strömenden Spaltgas angestrebt.
  • Als Spaltgaskühler werden Rohrbündelwärmetauscher eingesetzt, die das Gas in einem Zug von 800 Grad C auf 400 Grad C abkühlen. Dabei wird in den Wärmetauscherrohren eine entsprechend niedrige Strömungsgeschwindigkeit eingehalten. Ein solcher Wärmetauscher ist zwar einfach im Aufbau, jedoch könnte zumindest im Eingangsteil die Abkühlgeschwindigkeit im Hinblick auf die Stabilisierung der gewünschten Spaltgaszusammensetzung zu niedrig sein.
  • Es sind auch zweistufige Wärmetauschersysteme bekannt, die meist als Einrohrkühler ausgebildet sind und die das Spaltgas bei einer höheren Strömungsgeschwindigkeit von 800 Grad C auf 500 Grad C kühlen. Diesen Kühlern wird ein separater Wärmetauscher nachgeschaltet, in dem das Spaltgas auf 400 Grad C bei geringerer Strömungsgeschwindigkeit gekühlt wird. Ein solches Wärmetauschersystem erhöht den apparativen Aufwand beträchtlich.
  • Schließlich ist die Verschmutzungsneigung der Wärmetauscherrohre zu beachten, die druck- und temperaturabhängig ist. Eine solche Verschmutzung tritt auf, wenn es im Bereich der niedrigeren Temperaturen durch eine Unterschreitung der vom Partialdruck abhängigen Kondensationstemperatur einzelner Spaltgaskomponenten zu deren Abscheidung an der Rohrinnenwand kommt. Es baut sich eine sogenannte Koksschicht auf, die den Strömungswiderstand und damit den Druck erhöht. Die Gastemperatur am Gasaustrittsende steigt an, und die Dampferzeugung wird geringer. Nach einer gewissen Betriebszeit muß daher der Spaltgaskühler zur Beseitigung der Koksschicht außer Betrieb genommen werden.
  • Um den Aufbau einer Koksschicht zu verlangsamen, ist es bekannt, die Rohrwandtemperatur nicht unter die Kondensationstemperatur der Spaltgaskomponenten sinken zu lassen. Das geschieht zum Beispiel durch eine zweistufige Kühlung, bei der im Eingangsteil verdampfendes Wasser und im Ausgangsteil oder in einer getrennten Apparatur Wasserdampf als Wärmeaustauschmedium verwendet wird (DE-PS 36 43 801). Es ist ferner bekannt, die Kühlwirkung im Ausgangsteil des Spaltgaskühlers dadurch zu verringern, daß die Wärmetauscherrohre am Gasaustrittsende von einer Hülse umgeben sind, die von einer begrenzten Menge an verdampfendem Wasser durchströmt ist (DE-PS 37 15 713).
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den gattungsgemäßen Wärmetauscher zum Kühlen von Spaltgas derart zu gestalten, daß einerseits die apparative Einfachheit einer Einstufenkühlung beibehalten wird und daß andererseits die Vorteile einer Zweistufenkühlung mit variablen Strömungsgeschwindigkeiten ausgenutzt werden können.
  • Diese Aufgabe wird bei einem gattungsgemäßen Wärmetauscher erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruches 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
  • Bei diesem Wärmetauscher kann im Eingangsteil aufgrund des geringeren Rohrdurchmessers eine für die schnelle Abkühlung des Spaltgases notwendige hohe Strömungsgeschwindigkeit eingestellt werden. Im gasaustrittsseitigen Teil wird der Aufbau einer Koksschicht zugelassen, die jedoch aufgrund des größeren Rohrdurchmessers den Betrieb des Spaltgaskühlers weniger stark beeinträchtigt. Wegen des größeren Rohrdurchmessers steigen im Vergleich zu einem engeren Rohr der Strömungswiderstand und die Gasaustrittstemperatur weniger stark an. Als erwünschter Nebeneffekt wird durch die Verlangsamung der Strömungsgeschwindigkeit in dem konischen Rohrabschnitt ein Teil des statisches Druckes des Spaltgases zurückgewonnen.
  • Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher erläutert. Die Zeichnung stellt schematisch den Längsschnitt durch einen Wärmetauscher dar.
  • Der dargestellte Wärmetauscher ist einem Spaltgasofen nachgeschaltet und dient der Abkühlung des erzeugten Spaltgases. Der Wärmetauscher enthält ein Bündel von Wärmetauscherrohren 1, von denen aus Gründen der Übersichtlichkeit nur zwei gezeigt sind. Die Wärmetauscherrohre 1 sind an den Enden in je einen Rohrboden 2, 3 eingesetzt. Die Rohrböden 2, 3 sind mit einem Mantel 4 verbunden, der das Bündel der Wärmetauscherrohre 1 umschließt. Der Mantel 4 ist mit einem Zuführungsstutzen 5 und einem Abführungsstutzen 6 versehen, über den ein Wärmeaustauschmedium in den Innenraum des Mantels 4 zugeführt und aus diesem abgeführt wird. Als Wärmeaustauschmedium dient verdampfendes Wasser.
  • Die Wärmetauscherrohre 1 verbinden eine Gaseintrittskammer 7 mit einer Gasaustrittskammer 8, die durch eine Haube 9 und jeweils einen der Rohrböden 2, 3 begrenzt sind. Der Gaseintrittskammer 7 wird das in dem Spaltgasofen erzeugte Spaltgas zugeführt.
  • Jedes Wärmetauscherrohr 1 weist zwei Rohrabschnitte 10, 11 auf, die durch einen Konus 12 miteinander verbunden sind. Der Konuswinkel beträgt vorzugsweise 6 bis 8 Grad. Der Durchmesser des der Gaseintrittskammer 7 zugewandten Rohrabschnittes 10 ist geringer als der Durchmesser des Rohrabschnittes 11 auf der Gasaustrittsseite. Der Durchmesser des Rohrabschnittes 10 kann zum Beispiel 31 oder 38 mm und der Durchmesser des Rohrabschnittes 11 kann 42 bzw. 48 oder 51 mm betragen. Bei einer Wanddicke der Wärmetauscherrohre 1 von 3 oder 5 mm ergibt sich bei dem gewählten Beispiel eine Vergrößerung der Fläche des lichten Rohrquerschnittes von 1 zu 1,6 bis 1,8. Allgemein sollte die Querschnittsvergrößerung zwischen 1 zu 1,5 bis 2,0 liegen.

Claims (3)

1. Wärmetauscher zum Kühlen von Spaltgas mit einem Bündel von Wärmetauscherrohren (1), die von dem Spaltgas durchströmt, an ihren Enden in Rohrböden (2, 3) gehalten und von einem Mantel (4) umgeben sind, der zusammen mit den Rohrböden (2, 3) einen mit verdampfendem Wasser gefüllten Innenraum umschließt, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Wärmetauscherrohr (1) zwei Rohrabschnitte (10, 11) unterschiedlichen Durchmessers aufweist, die über einen Konus (12) ineinander übergehen, und daß der Rohrabschnitt (11) mit dem größeren Durchmesser am gasaustrittsseitigen Ende des Wärmetauscherrohres (1) vorgesehen ist.
2. Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis der Querschnittsflächen der Rohrabschnitte (10, 11) 1 zu 1,5 bis 2,0, vorzugsweise 1 zu 1,6 bis 1,8 beträgt.
3. Wärmetauscher nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Konuswinkel des Konus (12) 6 bis 8 Grad beträgt.
EP90104494A 1989-04-26 1990-03-09 Wärmetauscher zum Kühlen von Spaltgas Expired - Lifetime EP0396868B1 (de)

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