EP0396868B1

EP0396868B1 - Wärmetauscher zum Kühlen von Spaltgas

Info

Publication number: EP0396868B1
Application number: EP90104494A
Authority: EP
Inventors: Wolfgang Kehrer; Thomas Schreck
Original assignee: Deutsche Babcock Borsig AG
Current assignee: Deutsche Babcock Borsig AG
Priority date: 1989-04-26
Filing date: 1990-03-09
Publication date: 1992-12-23
Anticipated expiration: 2010-03-09
Also published as: DE3913731A1; JPH031092A; US5031692A; EP0396868A1; ES2038008T3; DE59000631D1

Description

Die Erfindung betrifft einen Wärmetauscher zum Kühlen von Spaltgas mit den Merkmalen des Oberbegriffes des Anspruches 1.
Ein derartiger Wärmetanscher ist aus der DE-A-1 929 474 bekannt.
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-C-3 643 801). 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-A-3 715 713).
Aus der DE-A-1 929 474 ist ein Spaltgaskühler mit einem von einem Kühlmantel umgebenen Rohr von gleichmäßigem Querschnitt bekannt. In das Rohr ragt mit Spiel ein separates Einlaßrohr von geringerem Querschnitt hinein, das von einem Dampfmantel umgeben und mit dem Übergangsrohr des Spaltgasofens verbunden ist. Auf diese Weise wird eine Wärmedehnung des heißen Einlaßrohres gegenüber den kühleren Teilen des Spaltgaskühlers ermöglicht.
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

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) im Bereich seiner Kühlzone zwei Rohrabschnitte (10, 11) unterschiedlichen Durchmessers aufweist, die über einen Konus (12) ineinander übergehen, wobei die Querschnittsvergrößerung zwischen 1 zu 1,5 bis 2,0 liegt, und der Rohrabschnitt (11) mit dem größeren Durchmesser am gasaustrittsseitigen Ende des Wärmetauscherrohres (1) vorgesehen ist, so daß das Spaltgas zuerst mit hoher Abkühlungsgeschwindigkeit zur Stabilisierung seiner molekularen Zusammensetzung und danach mit geringerer Abkühlungsgeschwindigkeit gekühlt wird.
Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Konuswinkel des Konus (12) 6 bis 8 Grad beträgt.