CS221463B1 - Stojatý vysokotlaký trubkový výměník tepla - Google Patents

Abstract

Vynález se týká konstrukčního uspořádání stojatého vysokotlakého trubkového výměníku tepla určeného obecně pro nepřímé chlazení horkých technologických či procesních plynů v chemickém a petrochemickém průmyslu pomocí chladicí vody. Výměník má svazek přímých teplosměnných trubek, oboustranně zabudovaných do pevných trubkovnic, z nichž alespoň trubkovnice na straně nátoku horkého média je provedena jako tenkostěnná a je opatřena výztužným systémem. Výměník je charakterizován tím, že tenkostěnná trubkovnice je pod úrovní vodorovného nosného prvku a současně i pod úrovní hrdla pro přívod chladicí vody zahlcena vrstvou tekutého kovu ze skupiny olovo, vizmut, cín a thalium. Předností tohoto uspořádání je rovnoměrný odvod tepla z horké trubkovnice do vrstvy roztaveného kovu, nezávislého na nepříznivých jevech, které se projevují na vodní straně trubkovnice.

Description

Vynález se týká konstrukčního uspořádání stojatého vysokotlakého trubkového výměníku tepla určeného obecně pro nepřímé chlazení horkých technologických či procesních plynů v chemickém a petrochemickém průmyslu pomocí chladicí vody. Výměník má svazek přímých teplosměnných trubek, oboustranně zabudovaných do pevných trubkovnic, z nichž alespoň trubkovnice na straně nátoku horkého média je provedena jako tenkostěnná a je opatřena výztužným systémem. Výměník je charakterizován tím, že tenkostěnná trubkovnice je pod úrovní vodorovného nosného prvku a současně i pod úrovní hrdla pro přívod chladicí vody zahlcena vrstvou tekutého kovu ze skupiny olovo, vizmut, cín a thalium.

Předností tohoto uspořádání je rovnoměrný odvod tepla z horké trubkovnice do vrstvy roztaveného kovu, nezávislého na nepříznivých jevech, které se projevují na vodní straně trubkovnice.

Vynález se týká konstrukčního vytvoření trubkového výměníku tepla určeného obecně pro nepřímé chlazení horkých technologických či procesních plynů v chemickém a petrochemickém průmyslu pomocí chladicí vody.

Typickým příkladem použití vysokotlakého trubkového výměníku podle vynálezu je prudké ochlazení pyroplynu vystupujícího z trubkové pece při výrobě nízkomolekulárních olefinů, zejména etylénu, anebo chlazení procesních plynů vystupujících z reformingové pece při výrobě vodíku, městského plynu či syntézního plynu pro výrobu čpavku nebo metanolu. Ve všech těchto případech se na horkou stranu trubkovnice přivádí plyn o vysoké teplotě a relativně nízkém tlaku, který protéká trubkovým svazkem, zatímco na chladnou stranu trubkovnice se přivádí chladicí voda, která v mezitrubkovém prostoru výměníku přechází v parovodní směs o relativně vysokém tlaku. V důsledku toho představuje vstupní trubkovnice spolu s konci trubek, jež jsou v ní vetknuty, nejvíce tepelně a mechanicky namáhanou část výměníku. Aby se eliminoval vliv velkých tepelných toků a současně i značně velkých tlakových a teplotních rozdílů mezi oběma teplosměnnými prostředími, je trubkovnice na nátokové straně výměníku provedena obvykle jako tenkostěnná. Tenkostěnné trubkovnice jsou však vystaveny i nadále dalším nepříznivým vlivům, jež se projevují zejména na vodní straně trubkovnice a souvisejí převážně s nedostatečnou cirkulací chladicí vody a nerovnoměrným oplachováním trubkovnice. Hrozí zde především riziko vytváření parních vrstev a dále nebezpečí zanášení trubkovnice mechanickými nečistotami a produkty koroze, které vyvolává nárůst tepelného odporu a místní přehřívání trubkovnice. Tyto jevy pak vedou k různým projevům eroze a vysokoteplotní koroze, úbytku materiálu a druhotně až k deformacím trubkovnice a ke vzniku prasklin v koncových úsecích trubek, vetknutých do tenkostěnné trubkovnice. Převážná většina opatření na ochranu horké vstupní trubkovnice je zaměřena především na ochranu tenkostěnné trubkovnice proti nadměrnému tepelnému a mechanickému namáhání trubkovnice a z nich vyplývajícímu nebezpečí deformací. Tato opatření zahrnují různé výztužné systémy, které trubkovnici mechanicky odlehčují a přejímají její nosnou funkci. Výztužné systémy tvoří například soustava příčných příhradových nosníků, různé typy vodorovných nosných přepážek anebo pomocné silnostěnné trubkovnice, spojené s tenkostěnnou trubkovnicí systémem různě provedených táhel. Tato opatření jsou však často konstrukčně i výrobně náročná, a proto nákladná a kromě toho nesplňují vždy uspokojivě požadavek rovnoměrného rozdělení chladicí vody při potřebné minimální rychlosti po celé ploše trubkovnice a tím i požadavek dostatečného chlazení trubkovnice a odplavování mechanických nečistot. Usměrnění nátoku chladicí vody na horkou trubkovnici je proto předmětem dalších řešení, spočívajících například v tom, že v prostoru nosného systému jsou umístěny soustavy naváděcích plášťů či přepážek, popřípadě teplosměnné trubky jsou v tomto úseku opatřeny otevřenými plášťovými naváděcími trubkami, jejichž průtočný průřez se po ploše trubkovnice plynule mění, V jiném případě je použito usměrňovači přepážky, jejíž plocha je na straně přivrácené k trubkovnici vyklenuta.

Bylo rovněž odzkoušeno uspořádání, při němž byla tenkostěnná trubkovnice na straně nátoku horkých procesních plynů opatřena navíc žárovzdorným obložením, vytvořeným buď jako monolitická vrstva, anebo sestaveným z tvarovaných keramických vložek, navzájem oddělených azbestovými vložkami, jež umožnily volnou dilataci obložení. Keramické a azbestové vložky byly v tomto uspořádání proti náporu horkých plynů chráněny plechy z žárovzdorného kovového materiálu, kombinovanými s aerodynamicky zaoblenými nátrubky na koncích teplosměnných trubek. Toto uspořádání nicméně nepřispívalo nikterak k odstranění nepříznivých vlivů, jež se projevují na vodní straně horké trubkovnice, a kromě toho zde docházelo k celé řadě potíží, např. smáčení izolačních a distančních vložek, deformací krycích plechů, praskání svárů nátrubků, popř. k zakoksování pyroplynu v dilatačních mezerách.

Uvedené nedostatky odstraňuje stojatý vysokotlaký trubkový výměník podle vynálezu, který má svazek přímých teplosměnných trubek, oboustranně zabudovaných do pevných trubkovnic, v nichž alespoň trubkovnice na straně nátoku horkého média je provedena jako tenkostěnná a je opatřena výztužným systémem, sestávajícím z vodorovného nosného prvku a táhel spojujících tento prvek s tenkostěnnou trubkovnici. Podstatou vynálezu je, že tenkostěnná trubkovnice je pod úrovní vodorovného nosného prvku á současně i pod úrovní hrdla pro přívod chladicí vody zahlcena vrstvou tekutého kovu, přičemž nad úrovní hladiny této vrstvy je v plášti výměníku anebo v jeho spodní přírubě vytvořen alespoň jeden odkalovací kanálek. Kovovou vrstvu tvoří kov ze skupiny olovo, vizmut, cín a thalium. Kovová vrstva může být tvořena slitinou 80 % hmot. olova a 20 % hmot. vizmutu. Výška vrstvy tekutého kovu se rovná 0,5- až 1,5násobku průměru tenkostěnných trubek.

Předností tohoto uspořádání je rovnoměrný odvod tepla z horké trubkovnice do vrstvy roztaveného kovu, který je zcela nezávislý na popsaných nepříznivých jevech, projevujících se na vodní straně trubkovnice. Použitím kovové vrstvy se předejde vytváření pevných úsad na horké trubkovnici a přehřívání kritických míst ve vstupní části výměníku. Mechanické nečistoty, kotelní kámen a produkty koroze, například magnézií a jiné kysličníky železa, plavou na hladině tekutého kovu, přičemž si zachovávají svůj zrnitý či prachový charakter, takže je možno je poměrně snadno odkalováním odstranit. Popsaným uspořádáním se podstatně zvýší životnost teplosměnného zařízení a odstraní se zcela jeho poruchovost. Současně „ se takto při poměrně nevysokých investičních nákladech ve značné míře zvýší i cel1 ková účinnost zařízení.

Příkladné provedení stojatého vysokotlakého trubkového výměníku podle vynálezu je dále blíže znázorněno na výkrese, který představuje částečný svislý řez spodní částí výměníku s tenkostěnnou trubkovnicí.

Výměník ve znázorněném provedení tvoří svislý válcový plášť 1, který ve spodní části přechází ve spodní přírubu 2 a tenkostěnnou trubkovnici 3. Tenkostěnná trubkovnice 3, do níž jsou vevařeny teplosměnné trubky 4, je vyztužena systémem táhel 5, vetknutých spodním koncem do tenkostěnné trubkovnice 3 a horním koncem do pomocné silnostěnné trubkovnice 6, jejíž okraje jsou vevařeny do pláště 1 výměníku. Ke spodní přírubě 2 je prostřednictvím šroubu 8 připevněna a vůči ní pomocí vhodného těsnění 9 utěsněna příruba 7 přechodové části výměníku. Vnitřní stěna této přechodové části je proti působení natékajících horkých plynů chráněna žárovzdornou vyzdívkou 10. Tenkostěnná trubkovnice 3 je v pracovní fázi na straně přivrácené k výztužnému systému zahlcena vrstvou 11 tekutého kovu, na jehož hladině se vytváří vrstva 12 plovoucích mechanických nečistot. Obě vrstvy 11 a 12 jsou pak překryty sloupcem chladicí vody 13. Výška vrstvy 11 tekutého kovu odpovídá ve znázorněném provedení průměru d teplosměnných trubek 4. Po obvodu spodní příruby 2 výměníku jsou v místě bezprostředně nad hladinou tekutého kovu provedeny radiální kanálky 14 sloužící pro periodické odkalování mechanických nečistot z hladiny tekutého kovu.

Claims (4)

PŘEDMET

1. Stojatý vysokotlaký trubkový výměník tepla se svazkem přímých teplosměnných trubek, oboustranně zabudovaných do pevných trubkovnic, z nichž alespoň trubkovnice na straně nátoku horkého média je provedena jako tenkostěnná a je opatřena výztužným systémem, sestávajícím z vodorovného nosného prvku a táhel spojujících tento prvek s tenkostěnnou trubkovnicí, vyznačený tím, že tenkostěnná trubkovnice (3) je pod úrovní vodorovného nosného prvku (6) a současně i pod úrovní hrdla pro přívod chladicí vody zahlcena vrstvou (11) tekutého kovu, přičemž nad úrovní hladiny této vrstvy (11) je v plášti (1) výměníku anebo v jeho spodní přírubě (2) vytvořen

VYNÁLEZU alespoň jeden odkalovací kanálek (14).

2. Stojatý vysokotlaký trubkový výměník tepla podle bodu 1 vyznačený tím, že kovovou vrstvu (11) tvoří kov ze skupiny olovo Pb, vizmut Bi, cín Sn a thalium TI.

3. Stojatý vysokotlaký trubkový výměník tepla podle bodu 1 vyznačený tím, že kovovou vrstvu (11) tvoří slitina 80 % hmot. olova Pb a 20 % hmot. vizmutu Bi nebo stříbra Ag.

4. Stojatý vysokotlaký trubkový výměník tepla podle bodu 1 vyznačený tím, že výška vrstvy (11) tekutého kovu se rovná 0,5- až l,5násobku průměru teplosměnných trubek