NO830461L

NO830461L - PROCEDURE AND HEAT EXCHANGES FOR COOLING HOT GAS STREAMS.

Info

Publication number: NO830461L
Application number: NO830461A
Authority: NO
Inventors: Walter Mueller
Original assignee: Mura Anst
Priority date: 1982-02-12
Filing date: 1983-02-11
Publication date: 1983-08-15
Also published as: IN157703B; DE3304174A1; FR2521708A1; DK61783A; NL8300305A; CA1212664A; BR8300648A; RO86102A; BE895847A; IT1160717B; GB2115130A; DK61783D0; JPS58203394A; SE8300703D0; SU1301325A3; GB2115130B; GB8302810D0; DD209684A5; AU1118783A; IT8319366A0

Abstract

Fremgangsmåte for gradvis avkjøling av en varm gass-strøm i et hus (2) som avkjøles ved hjelp av et kjøle-middel som transporteres i husets vegg (4). Fremgangsmåten er særpreget ved at den varmemengde som skal ledes bort fra gasstrømmen, avgis til kjølemidlet ved anvendelse av en utstrålende flate (6) som er anordnet mellom gasstrømmen og kjølemidlet. For utførelse av denne fremgangsmåte anvendes en varmeveksler (5) som er anordnet på husets (2) yttervegg (4). Mellom husets (2) innvendige rom (3) og varmeveksleren (5) er en varmeledende innvendig kappe (6) anordnet i avstand fra varmeveksleren (5) .Method for gradually cooling a hot gas stream in a housing (2) which is cooled by means of a coolant which is transported in the wall (4) of the housing. The method is characterized in that the amount of heat to be dissipated away from the gas stream is given off to the coolant by means of a radiating surface (6) which is arranged between the gas stream and the coolant. For carrying out this method, a heat exchanger (5) is used which is arranged on the outer wall (4) of the housing (2). Between the inner space (3) of the housing (2) and the heat exchanger (5), a heat-conducting inner jacket (6) is arranged at a distance from the heat exchanger (5).

Description

Oppfinnelsen angår en fremgangsmåte ved gradvis av-kjøling av en varm gas.strøm i et hus som avkjøles ved hjelp av et kjølemiddel som transporteres- i husveggen, og en varmeveksler for utførelse av fremgangsmåten. The invention relates to a method for the gradual cooling of a hot gas stream in a house which is cooled by means of a refrigerant which is transported in the house wall, and a heat exchanger for carrying out the method.

Med hus skal her ledninger og beholdere, spesielt reaksjonsbeholdere, forstås som anvendes ved over- eller undertrykk og i hvilke høye temperaturer forekommer. In this context, housing is understood to mean lines and containers, especially reaction containers, which are used at high or low pressure and in which high temperatures occur.

For å lede varme bort fra et hus er det kjent i husets vegg å anordne innretninger for varmeveksling, idet kapper kan være sveiset til husveggen alt efter arbeidstrykket i huset. Det er dessuten kjent å anvende varme- eller kjøle-kanaler som er sveiset til husveggen, eller ledninger, f.eks. ribbe- eller membranvegger, som ligger i husveggen, etc. Dersom f.eks. forskjellige varmemengder må ledes bort og In order to conduct heat away from a house, it is known to arrange devices for heat exchange in the house's wall, as casings can be welded to the house wall depending on the working pressure in the house. It is also known to use heating or cooling channels that are welded to the house wall, or cables, e.g. ribbed or membrane walls, which are in the house wall, etc. If, for example, different amounts of heat must be conducted away and

en viss utløpstemperatur ved inngangen til huset da må over-holdes, må forskjellige forholdsregler treffes for å oppnå dette. Spesielt må styringen av kjølemiddelkretsløpet være så utformet at det med pålitelighet vil unngås at temperaturen synker til under den fastlagte utgangstemperatur. Dette gjelder spesielt når huset anvendes for å utføre reaksjoner og opprettholdelsen av denne utgangstemperatur er av vesentlig innvirkning på kvaliteten av et produkt som skal fremstilles. a certain outlet temperature at the entrance to the house must then be observed, various precautions must be taken to achieve this. In particular, the control of the coolant circuit must be designed in such a way that it will be reliably avoided that the temperature falls below the determined output temperature. This applies in particular when the house is used to carry out reactions and the maintenance of this output temperature has a significant impact on the quality of a product to be produced.

Dersom huset er utformet for å utføre eksoterme reaksjoner, dannes store, ujevne varmemengder i reaksjonssonen som derfor sterkt må avkjøles. Dette kan ikke eller bare med betydelig innsats oppnås ved hjelp av kjente varmevekslere, If the house is designed to carry out exothermic reactions, large, uneven amounts of heat are generated in the reaction zone, which must therefore be strongly cooled. This cannot or can only be achieved with considerable effort using known heat exchangers,

og andre løsninger er derfor blitt forsøkt. Fremgangsmåten med direkte avkjøling er kjent hvor et kjølemiddel ledes direkte inn i reaksjonssonen. Denne fremgangsmåte anvendes f.eks. ved fremstilling av sot ved understøkiometrisk for-brenning av hydrocarboner. Vann anvendes da som kjølemiddel. Denne fremgangsmåte er imidlertid beheftet med ulemper da soten ved denne fremgangsmåte delvis klumper seg sammen til sotkorn som må nedmales i en ytterligere behandlingsoperasjon for at de skal kunne anvendes videre. Det er her den foreliggende oppfinnelse kommer inn, og det tas ved den foreliggende oppfinnelse sikte på å tilveiebringe en fremgangsmåte av den ovenfor beskrevne type som under unngåelse av de ulemper som and other solutions have therefore been tried. The method of direct cooling is known, where a coolant is led directly into the reaction zone. This method is used e.g. in the production of soot by sub-stoichiometric combustion of hydrocarbons. Water is then used as a coolant. However, this method is fraught with disadvantages as the soot in this method partially clumps together into soot grains which must be ground down in a further treatment operation in order for them to be used further. This is where the present invention comes in, and the aim of the present invention is to provide a method of the type described above which, while avoiding the disadvantages that

hefter ved de kjente løsninger, gjør at temperaturforløpet som innstiller seg ved husets, utgangsside, er. vidtgående uavhengig av de varmemengder som skal ledes bort ved husets inngangsside. adheres to the known solutions, means that the temperature course that occurs at the house's output side is far-reaching regardless of the amounts of heat that must be led away at the entrance side of the house.

Denne oppgave løses ifølge oppfinnelsen ved at varme-mengden som skal ledes bort fra gasstrømmen, avgis til kjøle-midlet ved anvendelse av en ustrålende flate som er anordnet mellom gasstrømmen og kjølemiddelstrømmen. According to the invention, this task is solved by the amount of heat to be led away from the gas stream being released to the coolant by using a non-radiating surface which is arranged between the gas stream and the coolant stream.

For å kunne utføre den foreliggende fremgangsmåte anvendes en varmeveksler som er anordnet på husets yttervegg, mens en varmeledende innvendig kappe er anordnet i avstand fra varmeveksleren mellom husets innvendige rom og varmeveksleren . In order to be able to carry out the present method, a heat exchanger is used which is arranged on the outer wall of the house, while a heat-conducting inner jacket is arranged at a distance from the heat exchanger between the interior of the house and the heat exchanger.

Oppfinnelsen vil i form av et eksempel bli nærmere beskrevet under henvisning til tegningen. På denne viser Fig. 1 skjematisk et lengdesnitt gjennom en reaktor for fremstilling av sot og Fig. 2 et diagram over temperaturforløpet i en reaktor ifølge oppfinnelsen for to forskjellige arbeidsbetingelser. The invention will be described in more detail in the form of an example with reference to the drawing. On this, Fig. 1 schematically shows a longitudinal section through a reactor for the production of carbon black and Fig. 2 a diagram of the temperature course in a reactor according to the invention for two different working conditions.

På Fig. 1 er et hus 2 skjematisk vist utformet som en reaktor 1. Huset 2 har et innvendig rom 3 med et hvilket som helst ønsket tverrsnitt som f.eks. kan være sirkel-, firkant-eller .mangekantf ormig. E og A betegner husets 2 hhv. innløps-og utløpsside. Reaktoren vist på Fig. 1 anvendes for fremstilling av sot fra hydrocarboner, og den foreliggende fremgangsmåte vil bli nærmere beskrevet under henvisning til denne. Huset 2 har en yttervegg 4 på hvis ytterside en varmeveksler 5 er anordnet i form av en kappe som er sveiset til ytterveggen 4. Varmeveksleren 5 kan imidlertid også være utformet på annen måte, f.eks. med de ovenfor beskrevne kjente utførelsesformer. In Fig. 1, a housing 2 is schematically shown designed as a reactor 1. The housing 2 has an internal space 3 with any desired cross-section such as e.g. can be circular, square or polygonal. E and A denote the house's 2 respectively. inlet and outlet side. The reactor shown in Fig. 1 is used for the production of carbon black from hydrocarbons, and the present method will be described in more detail with reference to this. The housing 2 has an outer wall 4 on the outer side of which a heat exchanger 5 is arranged in the form of a jacket which is welded to the outer wall 4. However, the heat exchanger 5 can also be designed in a different way, e.g. with the known embodiments described above.

Det innvendige rom 3 er omkretsmessig avgrenset av en innvendig kappe 6 som er anordnet med avstand fra ytterveggen 4 og sammen med ytterveggen 4 danner et ringformig mellomrom The inner space 3 is circumferentially delimited by an inner jacket 6 which is arranged at a distance from the outer wall 4 and together with the outer wall 4 forms an annular space

7. Dette er ved utgangssiden skilt fra det innvendige rom7. This is separated from the interior room on the exit side

3 ved hjelp av en generelt angitt pakning 8. Mellomrommet3 by means of a generally indicated gasket 8. The space

7 er også stengt ved innløpssiden E, og nærmere bestemt med en topplate 9 som strekker seg til den utvendige kappe 4 og til hvilken den innvendige kappe 6 er festet ved hjelp av en flens 10. Den utvendige kappe 4 er ved hjelp av en flens 11 forbundet med topplatens 9 kant. 7 is also closed at the inlet side E, and more precisely with a top plate 9 which extends to the outer jacket 4 and to which the inner jacket 6 is attached by means of a flange 10. The outer jacket 4 is by means of a flange 11 connected to the 9 edge of the top plate.

En stuss 12 er anordnet ved utløpssiden A og en ytterligere stuss 13 ved innløpssiden E. Pilene viser at kjøle-midlet kommer inn via stussen 12 og strømmer ut via stussen 13. En avstengningskjegle 14 er anordnet i tilknytning til veggen 4 og har en utløpsåpning 15 for tilkobling til ytterligere apparater (ikke vist) som er nødvendige for behand-lingen av den fremstilte sot. A nozzle 12 is arranged at the outlet side A and a further nozzle 13 at the inlet side E. The arrows show that the coolant enters via the nozzle 12 and flows out via the nozzle 13. A shut-off cone 14 is arranged adjacent to the wall 4 and has an outlet opening 15 for connection to further devices (not shown) which are necessary for the treatment of the produced soot.

På topplaten 9 er de deler av reaktoren vist som anvendes for å transportere oxygenbæreren, som oftest luft, On the top plate 9, the parts of the reactor are shown which are used to transport the oxygen carrier, usually air,

og hydrocarbonene inn i det innvendige rom 3. Oxygenbæreren innføres fra en oxygenkilde 16 via en ledning 17 i en for-deler 18 som mot husets side oppviser åpninger 19 som oxygenbæreren innføres gjennom og inn i blandekammeiet 20. I disse blir oxygenbæreren blandet med hydrocarbonene som sprøytes inn gjennom en dyse 21 og som via ledninger 23 tilføres til dysene 21 fra en skjematisk vist lagringsbeholder 22, og blandingen innføres i det innvendige rom 3. I dette blir blandingen kontinuerlig antent, og en mer eller ."mindre sterkt eksoterm reaksjon finner sted. Varmen som frigis ved reaksjonen, må dosert ledes bort for å sikre en utløpstemperatur innenfor et snevert temperaturområde som må opprettholdes da det er av vesentlig betydning for det fremstilte produkts kvalitet. Av denne grunn skal gassutløpstemperaturen vidtgående være uavhengig av den frigjorte varmemengde. and the hydrocarbons into the internal space 3. The oxygen carrier is introduced from an oxygen source 16 via a line 17 into a distributor 18 which on the side of the housing has openings 19 through which the oxygen carrier is introduced and into the mixing chamber 20. In these the oxygen carrier is mixed with the hydrocarbons that is injected through a nozzle 21 and which via lines 23 is supplied to the nozzles 21 from a schematically shown storage container 22, and the mixture is introduced into the internal space 3. In this, the mixture is continuously ignited, and a more or less strongly exothermic reaction takes place The heat released by the reaction must be led away in a dosed manner to ensure an outlet temperature within a narrow temperature range that must be maintained as it is of significant importance for the quality of the manufactured product. For this reason, the gas outlet temperature must be largely independent of the released amount of heat.

Varmetransporten fra reaksjonsgassen og reaksjons-produktet finner sted ved hjelp av stråling til den innvendige kappes 6 innerside. På grunn av varmeledning økes også temperaturen på den innvendige kappes 6 ytterside, og kappen danner nu på sin side en strålingsflate og avgir på grunn av denne stråling varmen til ytterveggen 4. Da varmetransporten ved stråling tiltar med fjerde potens av temperaturen, spiller en konveksjons- og ledningsvarmetransport for gassene i mellomrommet bare en meget underordnet betydning. Varme-absorpsjonen som finner sted i ytterveggen 4, blir tatt opp av et egnet kjølemiddel, f.eks. kokende vann. The heat transport from the reaction gas and the reaction product takes place by means of radiation to the inner side of the inner jacket 6. Due to heat conduction, the temperature on the outside of the inner jacket 6 is also increased, and the jacket now forms a radiation surface and, due to this radiation, emits the heat to the outer wall 4. As the heat transport by radiation increases with the fourth power of the temperature, a convection and conduction heat transport for the gases in the space only a very minor importance. The heat absorption that takes place in the outer wall 4 is taken up by a suitable cooling agent, e.g. boiling water.

På Fig. 2 er virkningen av den foreliggende kjøle-prosess vist som beror på at to strålingsprosesser er koblet efter hverandre, først fra gassen i det innvendige rom 3 til den innvendige kappe 6 og derfra til ytterveggen 7. In Fig. 2, the effect of the present cooling process is shown, which is due to the fact that two radiation processes are connected one after the other, first from the gas in the internal space 3 to the internal jacket 6 and from there to the outer wall 7.

På Fig. 2 er to reaksjoner for fremstilling av to forskjellige sotkvaliteter vist, idet de heltrukne linjer viser temperaturforløpet i gassen over det innvendige roms 3 lengde L, mens de stiplede linjer viser den innvendige kappes 6 .temperatur for de to arbeidssituasjoner, og den -strek-punkterte linje viser varmevekslerens 5weggtemperatur. For arbeidssituasjon I med en høyeste gasstemperatur av ca. 1900°C dreier det seg om fremstilling av en sotkvalitet hvor oxygenandelen er forholdsvis stor;, mens det for den annen arbeidssituasjon II med en vesentlig lavere høyeste gasstemperatur av ca. 1000°C dreier seg om fremstilling av en sotkvalitet hvor oxygenandelen er forholdsvis liten. Likevel kan det ifølge Fig. 2 fastslås at temperaturforløpet ved reaktorens utløp A er vidtgående uavhengig av den oppnådde temperatur-topp ved reaktorens innløp E. Når arbeidsbetingelsene forandres ved fremstilling av forskjellige sottyper ved at olje/- forholdet forandres, fås riktignok sterkt forskjellige temperaturtopper som imidlertid bare utøver en liten virkning på temperaturprofilen henimot reaktorens utløp A, slik at det ikke må gripes inn utenfra, dvs. ved styring av kjølesystemet. I overensstemmelse hermed fås en selvinnstilling av de ønskede reaksjonsbetingelser henimot reaktorens utløp A uten ytre påvirkning og vidtgående uavhengig av hva som skjer ved reaktorens innløp E. In Fig. 2, two reactions for the production of two different soot qualities are shown, with the solid lines showing the temperature progression in the gas over the length L of the internal space 3, while the dashed lines show the temperature of the internal casing 6 for the two working situations, and the - dash-dotted line shows the heat exchanger's 5 way temperature. For working situation I with a highest gas temperature of approx. 1900°C, it concerns the production of a soot quality where the proportion of oxygen is relatively large;, while for the other working situation II with a significantly lower maximum gas temperature of approx. 1000°C involves the production of a soot quality where the proportion of oxygen is relatively small. Nevertheless, according to Fig. 2, it can be established that the temperature course at the reactor's outlet A is widely independent of the achieved temperature peak at the reactor's inlet E. When the working conditions are changed in the production of different types of soot by changing the oil/- ratio, it is true that strongly different temperature peaks are obtained which however, only exerts a small effect on the temperature profile towards the reactor's outlet A, so that it does not have to be intervened from outside, i.e. when controlling the cooling system. In accordance with this, a self-adjustment of the desired reaction conditions towards the reactor's outlet A is obtained without external influence and largely independent of what happens at the reactor's inlet E.

Den beskrevne kjøleprosess oppviser dermed den fordel at de temperaturtopper som forekommer under reaksjonen, hurtig senkes til en forholdsvis lav temperatur, og når denne er blitt nådd, vil den videre avkjøling bare finne langsomt sted i forhold til ved den høye reaksjonstemperatur. Ved hjelp av denne selektive bortledning av varme blir inn-virkningen av den ved reaksjonen frigjorte og av den spesifikke reaksjonsvarme og de gjennomstrømmende mengder avhengige varmemengde på reaksjonsgassenes utløpstemperatur bare meget liten. Dessuten er kjølemidlets og ytterveggens 4 temperatur praktisk talt uten betydning for temperatur-forløpet i reaksjonsgassen. Valget av kjølemidlet kan derfor avpasses efter andre krav, f.eks. for å oppnå en mest mulig fornuftig videre anvendelse av varmen. The described cooling process thus has the advantage that the temperature peaks that occur during the reaction are quickly lowered to a relatively low temperature, and when this has been reached, the further cooling will only take place slowly compared to the high reaction temperature. With the help of this selective removal of heat, the effect of the amount of heat released by the reaction and dependent on the specific heat of reaction and the flowing quantities on the outlet temperature of the reaction gases is only very small. Moreover, the temperature of the coolant and the outer wall 4 is practically irrelevant to the temperature course in the reaction gas. The choice of coolant can therefore be adapted to other requirements, e.g. in order to achieve the most sensible further use of the heat.

Claims

1. Procedure for gradual cooling of. a hot gas flow in a housing (2) which is cooled by means of a refrigerant that is transported in the housing wall (4), characterized in that the amount of heat to be led away from the gas flow is given off to the refrigerant using a radiating surface (6 ) which is arranged between the gas flow and the refrigerant.

2. Method according to claim 1, characterized in that a radiating surface (6) is used which is arranged near the house's wall (4).

3. Heat exchanger for use in the gradual cooling of a hot gas flow in a house (2) which is cooled by means of a refrigerant that is transported in the wall of the house (4), the heat exchanger being arranged on the outer wall (4) of the house (2), characterized by that a heat-conducting inner jacket (6). is arranged at a distance from a heat exchanger (5) between the interior space (3) of the housing (2) and the heat exchanger (5).

4. Heat exchanger according to claim 3, characterized in that the preferably ring-shaped space (7) which is formed by the inner jacket (6) and the heat exchanger (5) is closed by means of a gasket (8) both against the inner space (3) of the housing (2) and against the surrounding atmosphere.

5. Heat exchanger according to claim 3, characterized in that it forms one piece with the outer wall (4), e.g. in the form of a rib or membrane wall.

6. Heat exchanger according to claim 3, characterized in that the inner jacket (6) consists of a heat-resistant metal.

7. Reaction container with a heat exchanger according to claim 3, for use in carrying out ay reactions in a gaseous state at high temperatures.

8. Reaction containers according to claim 7, for use in carrying out exothermic reactions, e.g. for the production of soot.