EP0436828A2 - Heat exchanger for cooling hot reaction gas - Google Patents
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- F28D2021/0075—Other heat exchangers for particular applications; Heat exchange systems not otherwise provided for for syngas or cracked gas cooling systems
Definitions
- the invention relates to a heat exchanger for cooling hot reaction gas with the aid of a cooling medium with the features of the preamble of patent claim 1.
- a known heat exchanger (DE-PS 28 18 892) contains a tube plate which consists of a thick tube sheet, which is penetrated by the gas-carrying tubes with the formation of annular gaps, and consists of a thin tube sheet into which the gas-carrying tubes are welded.
- the thin tube sheet is connected on the outer circumference to the thick tube sheet and is supported on it by the gas-carrying tubes.
- a supply line for the cooling medium opens into the space between the two tube sheets and enters the interior of the heat exchanger through the annular gaps.
- the known heat exchanger has the disadvantage that particles contained in the water serving as a cooling medium are deposited on the inside of the thin tube sheet and there can lead to overheating.
- a standing heat exchanger with a tube bundle held in two tube plates is known (AT-PS 361 953), in which the upper tube plate arranged on the gas outlet side also
- Cooling channels is provided. These cooling channels are connected to the interior of the heat exchanger via the annular gaps surrounding the gas-carrying pipes.
- the invention has for its object to design the generic heat exchanger such that the tube plate on the gas side has a small wall thickness and that the cooling medium is passed through the tube plate so that no solid particles from the cooling medium can deposit on the cooling medium side of the tube plate.
- the tube plate of the heat exchanger according to the invention can be made thick overall and thus meet the requirement to withstand the high pressure of the cooling medium.
- the wall thickness between the heat-emitting hot reaction gas and the high-pressure heat-absorbing boiling water serving as the cooling medium can be kept low. In this way, thermal stresses can be reduced and low wall temperatures can be achieved in the tube plate.
- the cooling medium can be guided in the cooling channels in such a manner and at such a speed that the solid particles contained in the cooling medium cannot be deposited on the cooling medium side of the tube plate, but instead are washed away. Since the tube plate is higher than the lower edge of the surrounding jacket, the solid particles can collect below the tube plate in the lowest point of the heat exchanger.
- the heat exchanger is of a standing type and consists of a jacket 1, which is closed at the top by a dome 2 and is provided with a flange 3 on its lower edge.
- the heat exchanger stands on a gas supply chamber 4, the jacket of which is provided on the inside with a refractory lining 5.
- a pressure-operated reactor (not shown), which can belong to an oil gasification plant.
- the jacket 1 of the heat exchanger is separated from the gas supply chamber 4 by a tube plate 6.
- the tube plate 6 has a smaller diameter than the jacket 1.
- Via an inwardly facing cone 7, the tube plate 6 is connected to the flange 3, which represents the lower edge of the jacket 1, in such a way that the tube plate 6 lies above the flange 3.
- the cone 7, like the gas supply chamber, is provided with a fireproof covering 5.
- the tube plate 6 is provided in the longitudinal direction of the heat exchanger with tube bores 8 through which tubes 9 are passed. There is an annular gap 10 between each tube 9 and the associated tube bore 8. The inlet ends of the tubes 9 are tightly welded into the tube plate 6 on the side against which the gas flows from the gas supply chamber 4.
- each tube 9 is bent into a tube spiral, the end of which is connected to a connecting piece 11 which is guided through the jacket 1 just above the tube plate 6.
- the gas from the gas supply chamber 4 flows through the tubes 9 and is thereby cooled by a cooling medium which is fed in the manner described later through a plurality of supply lines 12 into the interior 13 of the heat exchanger enclosed by the jacket 1.
- Pressurized water serves as the cooling medium, which evaporates through the heat exchange with the hot gas and leaves the heat exchanger as steam via an outlet connection 14 in the dome 3.
- the tube plate 6 is provided in the half facing the gas inlet with parallel cooling channels 15, which are open to the interior 13 of the heat exchanger.
- the width of the cooling channels 15 is selected so that the cooling channels 15 cut the pipe bores 8.
- the cooling channels 15 are preferably closed on one side by a cover 16 connected to the outer circumference of the tube plate 9. Adjacent cooling channels 15 can be closed at opposite ends.
- Each cooling channel 15 is provided in the vicinity of the closed end with one of the supply lines 12 for the cooling medium. 2, the feed line 12 is guided from above through the tube plate 6 into the cooling channel 15 in question.
- the cooling medium can also be fed laterally into the cooling channels 15. If adjacent cooling channels 15 are closed at opposite ends, this results in opposing flows of the cooling medium in adjacent cooling channels 15.
- the cooling medium penetrates into the annular gaps 10 and generates a rotary flow around the tubes 9, which results in intensive cooling of these hot parts.
- the water fed through the supply lines 12 enters the cooling channels 15, flows through them, partly rises through the annular gaps 10 and enters the interior 13 of the heat exchanger.
- the remaining part of the cooling medium flows through the open ends of the cooling channels 15 directly into the interior 13.
- Solid particles that are still contained in the cooling medium despite careful preparation are flushed out of the cooling channels 15 with the cooling medium stream and settle in the lowest point of the heat exchanger from.
- This lowest point lies below the tube plate 6 in the annular space between the cone 7 and the jacket 1.
- This annular space is unheated since the cone 7 is provided with the refractory lining 5 on the gas side.
- a suction line 17 opens into the annular space, via which the deposited solid particles can be removed from the heat exchanger.
- the tube plate 6 has emergency cooling properties in the event of a failure of the cooling medium supply and a subsequent interruption of the gas supply. In this case, the stored heat is still to be dissipated, which is done in that cooling medium is drawn in from the interior 13 through the cooling channels 15. This cooling medium flow ensures cooling of the tube plate 6.
- cooling bores 18, which are open on both sides, can be passed through the tube plate 6 near the side exposed to the gas parallel to the cooling channels 15.
- These cooling holes 18 have a smaller cross section than the cooling channels 15.
- the internal cooling holes 18 open into the annular gaps 10.
- the cooling channels 15 can also be divided into two superposed partial channels 20, 21 by a partition plate 19.
- each sub-channel 20, 21 be provided with its own cooling medium connection.
- the inner tube 22 carries colder cooling medium, for. B. fresh water, in the lower sub-channel 20, while the upper sub-channel 21 with warmer cooling medium, for. B. circulating water, is fed from the annular space between the inner tube 22 and the jacket of the feed line 12.
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft einen Wärmetauscher zum Kühlen von heißem Reaktionsgas mit Hilfe eines Kühlmediums mit den Merkmalen des Oberbegriffes des Patentanspruches 1.The invention relates to a heat exchanger for cooling hot reaction gas with the aid of a cooling medium with the features of the preamble of
Ein bekannter Wärmetauscher (DE-PS 28 18 892) enthält eine Rohrplatte, die aus einem dicken Rohrboden, der von den gasführenden Rohren unter Bildung von Ringspalten durchdrungen ist, und aus einem dünnen Rohrboden besteht, in den die gasführenden Rohre eingeschweißt sind. Der dünne Rohrboden ist am Außenumfang mit dem dicken Rohrboden verbunden und auf diesem über die gasführenden Rohre abgestützt. In den Zwischenraum zwischen den beiden Rohrböden mündet eine Zuführungsleitung für das Kühlmedium ein, das durch die Ringspalten in den Innenraum des Wärmetauschers eintritt. Abgesehen davon, daß hier die gasführenden und damit druckbelasteten Rohre als Anker für den dünnen Rohrboden eingesetzt sind, hat der bekannte Wärmetauscher den Nachteil, daß Partikel, die in dem als Kühlmedium dienenden Wasser enthalten sind, sich auf der Innenseite des dünnen Rohrbodens ablagern und dort zu Überhitzungen führen können.A known heat exchanger (DE-PS 28 18 892) contains a tube plate which consists of a thick tube sheet, which is penetrated by the gas-carrying tubes with the formation of annular gaps, and consists of a thin tube sheet into which the gas-carrying tubes are welded. The thin tube sheet is connected on the outer circumference to the thick tube sheet and is supported on it by the gas-carrying tubes. A supply line for the cooling medium opens into the space between the two tube sheets and enters the interior of the heat exchanger through the annular gaps. In addition to the fact that the gas-carrying and thus pressure-loaded pipes are used as anchors for the thin tube sheet, the known heat exchanger has the disadvantage that particles contained in the water serving as a cooling medium are deposited on the inside of the thin tube sheet and there can lead to overheating.
Weiterhin ist ein Wärmetauscher stehender Bauart mit einem in zwei Rohrböden gehaltenen Rohrbündel bekannt (AT-PS 361 953), bei dem der auf der Gasaustrittsseite angeordnete, obere Rohrboden mitFurthermore, a standing heat exchanger with a tube bundle held in two tube plates is known (AT-PS 361 953), in which the upper tube plate arranged on the gas outlet side also
Kühlkanälen versehen ist. Diese Kühlkanäle stehen über die die gasführenden Rohre umgebenden Ringspalten mit dem Innenraum des Wärmetauschers in Verbindung.Cooling channels is provided. These cooling channels are connected to the interior of the heat exchanger via the annular gaps surrounding the gas-carrying pipes.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den gattungsgemäßen Wärmetauscher derart auszubilden, daß dessen Rohrplatte auf der Gasseite eine geringe Wanddicke aufweist und daß das Kühlmedium so durch die Rohrplatte geführt wird, daß sich keine Feststoffpartikel aus dem Kühlmedium auf der Kühlmediumseite der Rohrplatte ablagern können.The invention has for its object to design the generic heat exchanger such that the tube plate on the gas side has a small wall thickness and that the cooling medium is passed through the tube plate so that no solid particles from the cooling medium can deposit on the cooling medium side of the tube plate.
Diese Aufgabe wird bei einem gattungsgemäßen Wärmetauscher erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.This object is achieved in a generic heat exchanger according to the invention by the characterizing features of
Die Rohrplatte des erfindungsgemäßen Wärmetauschers kann insgesamt dick ausgeführt werden und damit die Anforderung erfüllen, dem hohen Druck des Kühlmediums zu widerstehen. Durch die Anordnung der die Rohrplatte durchdringenden Kühlkanäle kann die Wanddicke zwischen dem wärmeabgebenden heißen Reaktionsgas und dem unter hohen Druck stehenden wärmeaufnehmenden, als Kühlmedium dienenden siedenden Wasser gering gehalten werden. Auf diese Weise können thermische Spannungen vermindert und niedrige Wandtemperaturen in der Rohrplatte erreicht werden. In den Kühlkanälen läßt sich das Kühlmedium in einer solchen Weise und mit einer solchen Geschwindigkeit führen, daß die in dem Kühlmedium enthaltenen Feststoffpartikel sich nicht auf der Kühlmediumseite der Rohrplatte ablagern können, sondern fortgespült werden. Da die Rohrplatte höher liegt als die Unterkante des umschließenden Mantels, können sich die Feststoffpartikel unterhalb der Rohrplatte in dem tiefsten Punkt des Wärmetauschers sammeln. Dieser tiefste Punkt kann zudem in Ausgestaltung der Erfindung unbeheizt sein. Bei einem Ausfall der Kühlmediumzufuhr und bei einer darauf folgenden Unterbrechung der Gasbeaufschlagung entsteht in den zum Mantel hin offenen Kühlkanälen eine Strömung des Kühlmediums, die eine zur Abführung der Restwärme ausreichende Notkühlung der Rohrplatte herbeiführt.The tube plate of the heat exchanger according to the invention can be made thick overall and thus meet the requirement to withstand the high pressure of the cooling medium. By arranging the cooling channels penetrating the tube plate, the wall thickness between the heat-emitting hot reaction gas and the high-pressure heat-absorbing boiling water serving as the cooling medium can be kept low. In this way, thermal stresses can be reduced and low wall temperatures can be achieved in the tube plate. The cooling medium can be guided in the cooling channels in such a manner and at such a speed that the solid particles contained in the cooling medium cannot be deposited on the cooling medium side of the tube plate, but instead are washed away. Since the tube plate is higher than the lower edge of the surrounding jacket, the solid particles can collect below the tube plate in the lowest point of the heat exchanger. This lowest point can also be unheated in an embodiment of the invention. In the event of a failure of the coolant supply and a subsequent interruption of the gas supply, a flow of the coolant arises in the cooling channels open towards the jacket, which leads to an emergency cooling of the tube plate which is sufficient to dissipate the residual heat.
Durch das wechselweise Verschließen der Kanalenden gemäß Patentanspruch 2 werden in benachbarten Kühlkanälen einander entgegengerichtete Strömungen des Kühlmediums eingestellt. Diese bewirken in den die gasführenden Rohre umgebenden Ringspalten eine Drehströmung, die eine sehr intensive Kühlung in diesem Bereich zur Folge hat.By alternately closing the channel ends according to
Mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im folgenden näher erläutert. Es zeigen:
- Fig. 1
- schematisch den Längsschnitt durch einen Wärmetauscher,
- Fig. 2
- die Einzelheit Z nach Fig. 1,
- Fig. 3
- den Schnitt III - III nach Fig. 2 und
- Fig. 4
- die Einzelheit Z nach Fig. 1 gemäß einer anderen Ausführungsform.
- Fig. 1
- schematically the longitudinal section through a heat exchanger,
- Fig. 2
- the detail Z according to FIG. 1,
- Fig. 3
- the section III - III of Fig. 2 and
- Fig. 4
- the detail Z of FIG. 1 according to another embodiment.
Der Wärmetauscher ist von stehender Bauart und besteht aus einem Mantel 1, der oben durch eine Kuppel 2 verschlossen und an seiner Unterkante mit einem Flansch 3 versehen ist. Der Wärmetauscher steht auf einer Gaszuführungskammer 4 auf, deren Mantel auf der Innenseite mit einer feuerfesten Verkleidung 5 versehen ist. An die Gaszuführungskammer 4 schließt sich ein nicht dargestellter, unter Druck betriebener Reaktor an, der zu einer Ölvergasungsanlage gehören kann.The heat exchanger is of a standing type and consists of a
Der Mantel 1 des Wärmetauschers ist von der Gaszuführungskammer 4 durch eine Rohrplatte 6 getrennt. Die Rohrplatte 6 weist einen geringeren Durchmesser als der Mantel 1 auf. Über einen nach innen weisenden Konus 7 ist die Rohrplatte 6 mit dem die Unterkante des Mantels 1 darstellenden Flansch 3 derart verbunden, daß die Rohrplatte 6 oberhalb des Flansches 3 liegt. Der Konus 7 ist ebenso wie die Gaszuführungskammer mit einer feuerfesten Verkleidung 5 versehen.The
Die Rohrplatte 6 ist in Längsrichtung des Wärmetauschers mit Rohrbohrungen 8 versehen, durch die Rohre 9 hindurchgeführt sind. Dabei besteht zwischen jedem Rohr 9 und der dazugehörenden Rohrbohrung 8 ein Ringspalt 10. Die Eintrittsenden der Rohre 9 sind auf der von dem Gas aus der Gaszuführungskammer 4 angeströmten Seite in die Rohrplatte 6 dicht eingeschweißt.The
Die Rohre 9 sind oberhalb der Rohrplatte 6 geradlinig nach oben bis in die Nähe der Kuppel 3 geführt. Anschließend ist jedes Rohr 9 zu einer Rohrspirale gebogen, deren Ende mit einem Anschlußstutzen 11 verbunden ist, der kurz oberhalb der Rohrplatte 6 durch den Mantel 1 hindurchgeführt ist.The
Das Gas aus der Gaszuführungskammer 4 durchströmt die Rohre 9 und wird dabei durch ein Kühlmedium gekühlt, das in der später beschriebenen Weise durch mehrere Zuführungsleitungen 12 in den von dem Mantel 1 umschlossenen Innenraum 13 des Wärmetauschers eingespeist wird. Als Kühlmedium dient unter Druck stehendes Wasser, das durch den Wärmetausch mit dem heißen Gas verdampft und als Dampf über einen Auslaßstutzen 14 in der Kuppel 3 den Wärmetauscher verläßt.The gas from the
Die Rohrplatte 6 ist in der dem Gaseintritt zugewandten Hälfte mit parallelen Kühlkanälen 15 versehen, die zum Innenraum 13 des Wärmetauschers hin offen sind. Die Breite der Kühlkanäle 15 ist so gewählt, daß die Kühlkanäle 15 die Rohrbohrungen 8 anschneiden. Vorzugsweise sind die Kühlkanäle 15 einseitig durch einen mit dem Außenumfang der Rohrplatte 9 verbundenen Deckel 16 verschlossen. Dabei können benachbarte Kühlkanäle 15 an gegenüberliegenden Enden verschlossen sein.The
Jeder Kühlkanal 15 ist in der Nähe des geschlossenen Endes mit einer der Zuführungsleitungen 12 für das Kühlmedium versehen. Gemäß Fig. 2 ist die Zuführungsleitung 12 von oben durch die Rohrplatte 6 in den betreffenden Kühlkanal 15 geführt. Das Kühlmedium kann auch seitlich in die Kühlkanäle 15 eingespeist werden. Sind benachbarte Kühlkanäle 15 an gegenüberliegenden Enden verschlossen, so ergeben sich daraus in benachbarten Kühlkanälen 15 entgegengerichtete Strömungen des Kühlmediums. Dabei dringt das Kühlmedium in die Ringspalten 10 ein und erzeugt eine Drehströmung rund um die Rohre 9, woraus eine intensive Kühlung dieser heißen Partien resultiert.Each
Das durch die Zuführungsleitungen 12 eingespeiste Wasser tritt in die Kühlkanäle 15 ein, durchströmt diese, steigt zum Teil durch die Ringspalten 10 auf und tritt in den Innenraum 13 des Wärmetauschers ein. Der restliche Anteil des Kühlmediums fließt durch die offenen Enden der Kühlkanäle 15 direkt in den Innenraum 13. Feststoffpartikel, die in dem Kühlmedium trotz sorgfältiger Aufbereitung noch enthalten sind, werden mit dem Kühlmediumstrom aus den Kühlkanälen 15 herausgespült und setzen sich in dem tiefsten Punkt des Wärmetauschers ab. Dieser tiefste Punkt liegt unterhalb der Rohrplatte 6 in dem Ringraum zwischen dem Konus 7 und dem Mantel 1. Dieser Ringraum ist unbeheizt, da der Konus 7 auf der Gasseite mit der feuerfesten Verkleidung 5 versehen ist. In den Ringraum mündet eine Absaugleitung 17 ein, über die die abgesetzten Feststoffpartikel aus dem Wärmetauscher entfernt werden können.The water fed through the
Die Rohrplatte 6 hat bei einem Ausfall der Kühlmediumzufuhr und bei einer darauf folgenden Unterbrechung der Gasbeaufschlagung Notkühleigenschaften. In diesem Fall ist noch die gespeicherte Wärme abzuführen, was dadurch geschieht, daß Kühlmedium aus dem Innenraum 13 durch die Kühlkanäle 15 angesaugt wird. Dieser Kühlmediumstrom sorgt für eine Kühlung der Rohrplatte 6.The
Um die Partien der Rohrplatte 6 zwischen den Kühlkanälen 15 zusätzlich zu kühlen, können parallel zu den Kühlkanälen 15 beidseitig offene Kühlbohrungen 18 durch die Rohrplatte 6 nahe der von dem Gas beaufschlagten Seite geführt sein. Diese Kühlbohrungen 18 weisen einen geringeren Querschnitt als die Kühlkanäle 15 auf. Die innenliegenden Kühlbohrungen 18 münden in die Ringspalten 10 ein.In order to additionally cool the parts of the
Die Kühlkanäle 15 können auch, wie in Fig. 4 gezeigt ist, durch eine Trennplatte 19 in zwei übereinanderliegende Teilkanäle 20, 21 aufgeteilt sein. Unter Verwendung einer als Doppelrohr ausgebildeten Zuführungsleitung 12 kann jeder Teilkanal 20, 21 mit einem eigenen Kühlmediumanschluß versehen sein. Dabei führt das Innenrohr 22 kälteres Kühlmedium, z. B. Frischwasser, in den unteren Teilkanal 20, während der obere Teilkanal 21 mit wärmerem Kühlmedium, z. B. Umlaufwasser, aus dem Ringraum zwischen dem Innenrohr 22 und dem Mantel der Zuführungsleitung 12 gespeist wird.As shown in FIG. 4, the cooling
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