CS221463B1

CS221463B1 - High pressure tubular heat exchanger

Info

Publication number: CS221463B1
Application number: CS270081A
Authority: CS
Inventors: Eduard Vasicek
Original assignee: Eduard Vasicek
Priority date: 1981-04-09
Filing date: 1981-04-09
Publication date: 1983-04-29

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.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a structural arrangement of a high pressure tubular heat exchanger designed to indirectly cool cooling of hot process or process gases in the chemical and petrochemical industries. The heat exchanger has a bundle of direct heat exchange tubes, built into both sides on rigid tube plates, of which at least the tube sheet on the hot fluid inlet side is thin-walled and provided with a reinforcing system. The exchanger is characterized in that the thin-walled tube sheet is below the level of the horizontal support member and at the same time below the level of the cooling water inlet neck is filled with a layer of liquid metal from the group of lead, bismuth, tin and thallium. The advantage of this arrangement is the uniform heat dissipation of the hot tube sheet into a layer of molten metal, independent of the adverse effects that occur on the water side of the tube sheet.

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.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The invention relates to a vertical high pressure tube heat exchanger designed for the indirect cooling of hot process gases in the chemical and petrochemical industry by means of cooling water. The exchanger has a bundle of straight heat exchange tubes, embedded on both sides in fixed tube sheets, of which at least the tube side on the hot medium inlet side is thin-walled and is provided with a reinforcing system. The exchanger is characterized in that the thin-walled tubesheet is flooded with a layer of liquid metal of the group of lead, bismuth, tin and thallium below the level of the horizontal support element and at the same time below the level of the cooling water inlet.

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.The advantage of this arrangement is the uniform heat dissipation from the hot tubesheet to the molten metal layer, independent of the adverse events that occur on the water side of the tubesheet.

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.The invention relates to the construction of a tubular heat exchanger intended generally for the indirect cooling of hot process gases in the chemical and petrochemical industry by means of cooling water.

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.A typical example of the use of the high pressure tube exchanger according to the invention is the quenching of the pyrop gas exiting the tube furnace in the production of low molecular weight olefins, particularly ethylene, or the cooling of process gases exiting the reforming furnace in hydrogen, city gas or synthesis gas for ammonia or methanol production. In all these cases, the hot side of the tube sheet is supplied with a high temperature and relatively low pressure gas that flows through the tube bundle, while the cold side of the tube sheet is supplied with cooling water which passes into a relatively high pressure steam mixture in the inter-tube space. As a result, the inlet tubesheet, along with the ends of the tubes embedded therein, represents the most thermally and mechanically stressed part of the exchanger. In order to eliminate the influence of large heat fluxes and at the same time of very large pressure and temperature differences between the two heat exchange environments, the tubesheet on the inlet side of the exchanger is usually thin-walled. However, thin-walled tubesheets continue to be exposed to other adverse influences, which are particularly pronounced on the water side of the tubesheet and are mainly related to insufficient cooling water circulation and uneven flushing of the tubesheet. In particular, there is a risk of the formation of steam layers and the risk of fouling of the tube sheet by mechanical impurities and corrosion products, which causes an increase in thermal resistance and local overheating of the tube sheet. These phenomena then lead to various manifestations of erosion and high temperature corrosion, material loss and, secondly, to deformations of the tubesheet and to the formation of cracks in the end sections of the tubes fixed in the thin-walled tubesheet. The vast majority of measures to protect the hot inlet tubesheet are primarily aimed at protecting the thin-walled tubesheet against excessive thermal and mechanical stress on the tubesheet and the resulting risk of deformation. These measures include various reinforcing systems that mechanically relieve the tube sheet and assume its supporting function. The reinforcement systems consist, for example, of a set of transverse trusses, various types of horizontal baffles, or auxiliary thick-walled tubesheets, connected to a thin-walled tubesheet by a system of different rods. However, these measures are often complicated in design and manufacture, and therefore costly, and in addition do not always satisfactorily satisfy the requirement of uniform distribution of cooling water at the required minimum velocity over the entire surface of the tube sheet and hence sufficient cooling of the tube sheet and flushing of mechanical impurities. Rectification of the cooling water inflow to the hot tube sheet is therefore the subject of further solutions, for example in that in the space of the support system there are placed systems of guide jackets or baffles or heat exchange tubes are provided in this section with open jacketed guide tubes. In another case, a baffle is used, the surface of which is arched on the side facing the tube sheet.

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.An arrangement was also tested in which the thin-walled tubesheet on the inlet side of the hot process gases was additionally provided with a refractory lining formed either as a monolithic layer or composed of shaped ceramic inserts separated from each other by asbestos inserts to allow free expansion of the lining. In this arrangement, the ceramic and asbestos liners were protected from the hot gas burst by sheets of refractory metal material, combined with aerodynamically rounded sleeves at the ends of the heat exchange tubes. However, this arrangement has not contributed in any way to eliminating the adverse effects that occur on the water side of the hot tubesheet, and in addition there have been a number of problems, e.g. for coking of pyroplyn in expansion gaps.

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.The above-mentioned drawbacks are overcome by the upright high pressure tube heat exchanger according to the invention having a bundle of straight heat exchange tubes embedded on both sides in fixed tube sheets, at least the tube side on the hot medium inlet side being thin-walled and provided with a reinforcing system consisting of a horizontal support This element with a thin-walled tube sheet. It is an object of the invention that the thin-walled tubesheet is flooded with a layer of liquid metal below the level of the horizontal support element and at the same time below the level of the cooling water inlet, and above the level of this layer there is at least one sludge channel. The metal layer consists of a metal from the group of lead, bismuth, tin and thallium. The metal layer may be an alloy of 80 wt. % lead and 20 wt. bismuth. The height of the liquid metal layer is 0.5 to 1.5 times the diameter of the thin-walled tubes.

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.The advantage of this arrangement is the uniform heat dissipation from the hot tubesheet to the molten metal layer, which is completely independent of the adverse effects described on the water side of the tubesheet. The use of a metal layer prevents the formation of solid deposits on the hot tube sheet and overheating of critical points in the inlet part of the exchanger. Mechanical impurities, scale, and corrosion products, such as magnesia and other iron oxides, float on the surface of liquid metal while retaining their grained or dusty character so that they can be removed relatively easily by sludge removal. By the described arrangement, the service life of the heat exchanger is substantially increased and its failure rate is completely eliminated. At the same time, the overall efficiency of the plant will be considerably increased at a relatively low investment cost.

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.An exemplary embodiment of the upright high pressure tube heat exchanger according to the invention is further illustrated in the drawing, which is a partial vertical section of the lower part of the exchanger with a thin-walled tube sheet.

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.The exchanger in the illustrated embodiment consists of a vertical cylindrical shell 1, which in the lower part merges into the lower flange 2 and the thin-walled tubesheet 3. The thin-walled tubesheet 3, in which the heat exchange tubes 4 are welded, is reinforced by a system of rods 5. the upper end into an auxiliary thick-walled tube sheet 6, the edges of which are welded into the shell 1 of the exchanger. The flange 7 of the transition part of the exchanger is fastened to the lower flange 2 by means of a screw 8 and sealed to it by a suitable seal 9. The inner wall of this transition portion is protected against the action of hot gases by refractory lining 10. The thin-walled tube plate 3 is in the working phase facing the reinforcement system flooded with a layer of liquid metal 11 on the surface of which a layer 12 of floating mechanical impurities is formed. Both layers 11 and 12 are then covered by a cooling water column 13. The height of the liquid metal layer 11 in the illustrated embodiment corresponds to the diameter d of the heat exchange tubes 4. Radial ducts 14 are provided at the location immediately above the liquid metal level. mechanical impurities from the liquid metal level.

Claims

SUBJECT

1. A high-pressure upright tube heat exchanger with a bundle of straight heat exchange tubes embedded on both sides in fixed tube sheets, of which at least the hot medium inlet side tube sheet is thin-walled and has a reinforcing system consisting of a horizontal support element and rods connecting this element to thin-walled tube sheet, characterized in that the thin-walled tube sheet (3) is flooded with a liquid metal layer (11) above the level of the horizontal support element (6) and at the same time below the level of the cooling water inlet and above the level of this layer (11) (1) of the exchanger or in its lower flange (2)

OF THE INVENTION at least one sludge channel (14).

2. The high pressure pipe heat exchanger according to claim 1, characterized in that the metal layer (11) consists of a metal from the group of lead Pb, bismuth Bi, tin Sn and thallium T1.

3. The high-pressure pipe heat exchanger according to claim 1, characterized in that the metal layer (11) is an alloy of 80% by weight. % Pb lead and 20 wt. bismuth Bi or silver Ag.

4. The high pressure pipe heat exchanger according to claim 1, wherein the height of the liquid metal layer is between 0.5 and 1.5 times the diameter of the heat exchange tubes.