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Dokumentenidentifikation DE69825167T2 14.07.2005
EP-Veröffentlichungsnummer 0001009783
Titel QUENCHKÜHLER
Anmelder ABB Lummus Global Inc., Bloomfield, N.J., US;
ALSTOM Power Energy Recovery GmbH, 34123 Kassel, DE
Erfinder ALBANO, Vincent, John, Oradell, US;
SUNDARAM, Meenakshi, Kandasamy, Old Bridge, US;
HERRMANN, Adam, Hellmut, D-34121 Kassel, DE
Vertreter Rüger und Kollegen, 73728 Esslingen
DE-Aktenzeichen 69825167
Vertragsstaaten DE, ES, FR, IT, NL
Sprache des Dokument EN
EP-Anmeldetag 12.03.1998
EP-Aktenzeichen 989116058
WO-Anmeldetag 12.03.1998
PCT-Aktenzeichen PCT/US98/04900
WO-Veröffentlichungsnummer 0098047981
WO-Veröffentlichungsdatum 29.10.1998
EP-Offenlegungsdatum 21.06.2000
EP date of grant 21.07.2004
Veröffentlichungstag im Patentblatt 14.07.2005
IPC-Hauptklasse C10G 9/20
IPC-Nebenklasse F28F 9/02   

Beschreibung[de]
Hintergrund der Erfindung

Die vorliegende Erfindung betrifft einen neuartigen Wärmetauscher bzw. Spaltgaskühler zum Quenchen des Produkts aus einem Kohlenwasserstoffspaltofen. Insbesondere betrifft die Erfindung die Verbindung zwischen den Spaltofenrohren und den Rohren des Spaltgaskühlers bzw. Des Wärmetauschers in der Spaltgasleitung.

Bei der Herstellung leichter Olefine (Ethylen, Propylen, Butadien und Butylen) und begleitender Aromate (Benzol, Toluol, Etylbenzol, Xylol uns Styrol) durch thermische Spaltung von Kohlenwasserstoffausgangsmaterialien in Gegenwart von Dampf, werden die Spaltreaktionen durch rasches Abkühlen oder Quenchen des Spaltofenproduktes gestoppt. Die Abkühlzeit wird in Millisekunden gemessen und bezweckt ein „Einfrieren" der Zusammensetzung des Ofenausgangsprodukts auf ihrem momentanen Wert, um eine Abnahme der Olefinausbeute durch fortgesetzte Sekundärreaktionen zu verhindern. Je nach der Menge der zu kühlenden Spaltgase, den Verschmutzungstendenzen des Ofenprodukts und den Druck/Temperaturbedingungen des zu erzeugenden Dampfs sind auf dem Markt eine Anzahl verschiedener Spaltgaskühlermodelle erhältlich. Diese Modelle erstrecken sich von herkömmlichen Rohrwärmetauschern mit festliegendem Rohrboden bis hin zu Doppelrohrmodellen.

Es ist wohlbekannt, dass bei jeglichen gegebenen Spaltofenbetriebsbedingungen die Olefinausbeute durch schnellstmögliche Verminderung der Temperatur des den Spaltofen verlassenden Gases auf ein Höchstmaß und die Verschmutzung des Spaltgaskühlers auf ein Minimalmaß gebracht werden können. Dies erfordert, dass der Spaltgaskühler so nahe wie möglich an dem Spaltofenausgang angeordnet wird, dass das Volumen des Eingangsabschnitts des Spaltgaskühlers so klein wie möglich gemacht wird und dass das Oberflächen/Volumenverhältnis im Kühlabschnitt so groß wie möglich gemacht wird. Das letztere Erfordernis bedeutet, dass eine Vielzahl kleinerer Spaltgaskühlerrohre günstiger ist als eine einzige Anordnung mit großem Durchmesser.

Eine andere Art Spaltgaskühler des Stands der Technik der als SHG-Spaltgaskühler (Schmidt'sche Heißdampf – Gesellschaft mbH) bekannt ist, verwendet eine Vielzahl von parallelen Doppelrohranordnungen, wobei jedes Kühlrohr von einem konzentrischen, das Wasser/Dampfgemisch führenden äußeren Rohr umgeben ist. Die Ringräume zwischen den inneren und äußeren Rohren werden durch horizontale, ovalförmige Sammler mit Kesselwasser versorgt. In diesem Zusammenhang, siehe die deutsche Patentschrift DE 2551195. Ein weiteres Patent des Stands der Technik, das diese Doppelrohranordnung mit einem ovalförmigen Sammler für die äußeren Rohre verwendet, ist das US-Patent 4,457,364. Dieses Patent offenbart einen Verteiler mit einem Eingang für das Gas aus dem Ofen und Zwei oder drei divergierenden Zweigen, die ein X- oder Dreiwegstück für den Übergang zwischen dem Ofen und dem Spaltgaskühler bilden. Wie angegeben, kann dieser Übergang, wo die Abkühlung noch nicht begonnen hat, für die Minimierung fortlaufender Reaktion und unerwünschter Koksablagerungen kritisch sein. Bei diesem US-Patent 4,457,364 ist die Strömungsquerschnittsfläche durch das Verbindungsstück im Wesentlichen gleichmäßig, um eine im Wesentlichen konstante Geschwindigkeit durch den Verteiler zu erreichen. Der Verteiler kann auch bis zu der Stelle wo das Verhältnis der Summe der Querschnittsflächen der Zweige zu der Querschnittfläche des Eingangs 2:1 beträgt, eine divergierende Querschnittfläche aufweisen.

In dem US-Patent Nr. 5,464,057 und der WO 95/32263 spaltet der Einlassabschnitt oder -Verbinder für einen Spaltgaskühler zwischen dem Ofenausgang und den Eingängen der Spaltgaskühlerrohre den Fluss in eine Vielzahl von Zweigen auf und ist so gestaltet, dass die Verweilzeit in dem Eingangsabschnitt auf ein Minimum reduziert wird. Um das Gas gleichmäßig auf eine Vielzahl in einer Reihe angeordneter Kühlrohre aufzuteilen, sind die Strömungsdurchgänge so gestaltet, dass das den Ofen verlassende Gas zunächst wirksam verlangsamt wird und dass das Gas dann wieder auf die Spaltgaskühlerrohrgeschwindigkeit beschleunigt wird. Ein sich konisch erweiternder Diffusorabschnitt in dem Verbinder verlangsamt die Gase und dann beschleunigt ein kegelförmig konvergierender und verzweigter Abschnitt die Gase wieder, wenn sie in die Spaltgaskühlerrohre eingeleitet werden. Die Querschnittsübergange sind glatt mit monotoner Flächenänderung in der Strömungsrichtung (aerodynamisch), so dass dynamischer Druck wiedergewonnen wird, Toträume, d.h. Strömungstrennungszonen, vermieden werden und der Druckverlust minimal ist. Ein solcher Verbinder ist sehr wirksam, wobei er jedoch nur für eine Reihenanordnung der Kühlrohre geeignet ist.

Zusammenfassung der Erfindung

Die vorliegende Erfindung betrifft den Einlassabschnitt oder -verbinder für einen Spaltgaskühler zwischen dem Ofenausgang und den Eingängen der Spaltgaskühlerrohre. Der Spaltgaskühler macht von der Doppelrohranordnung mit einem ovalen Sammler für die äußeren Rohre Gebrauch, wobei die zahlreichen Kühlrohre in kreisförmiger Weise angeordnet sind. Der Verbinder weist einen konischen Diffusorkanal auf, der die den Ofen verlassenden Gase verlangsamt und er weist dann einen radialen Diffusor auf, um die Gase nach außen zu richten. Der Verbinder sorgt dann für die allmähliche Wiederbeschleunigung der Gase in die kreisförmige Anordnung der Kühlrohre bis zu der Arbeitsgeschwindigkeit im Rohr.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

1 veranschaulicht eine Seitenansicht eines die vorliegende Erfindung enthaltenden Spaltgaskühlers, teilweise im Querschnitt.

2 ist eine Querschnittsansicht des Spaltgaskühlers nach 1, geschnitten entlang der Linie 2-2.

3 ist eine Perspektivansicht der Verbindung der Rohre zu und durch den ovalen Sammler.

4 ist eine Querschnittsansicht des Außenabschnitts des Verbinders.

5 ist eine Querschnittsansicht des inneren Abschnitts des Verbinders.

6 ist eine Draufsicht auf den inneren Abschnitt des Verbinders, geschnitten entlang der Linie 6-6 in 5.

7 ist eine vertikale Querschnittsansicht eines Teils des Verbinderabschnitts nach 5, geschnitten entlang Linie 7-7.

Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform

Mit Bezug auf 1 besteht der Spaltgaskühler 10 aus einer Mehrzahl von Doppelrohrwärmeaustauscherelementen 12, die ihrerseits die das Spaltofenproduktgas führenden Innenrohre 14 aufweisen, die von den Außenrohren 16 umgeben sind. Der Ringraum zwischen den beiden Rohren führt das Wasser-/Dampfgemisch als Kühlmittel. Die unteren Enden der Rohre 14 und 16 sind mit dem ovalen Sammler 18 verbunden, während die oberen Enden mit einem ähnlichen ovalen Sammler verbunden sind.

Die Verbindung der Rohre mit den ovalen Sammlern ist im Einzelnen in 3 gezeigt. Die Innenrohre 14 gehen vollständig durch den Sammler, während die Außenrohre 16 an dem Sammler enden und zum Innenraum des Sammlers offen sind. Kühlwasser, das, wie in 1 gezeigt, durch den Kühlmitteleinlasssammler 20 und die radialen Kühlmittelrohre 22 zu dem unteren Sammler 18 geliefert wird, strömt durch den unteren Sammler 18 in den Ringraum zwischen den Rohren und weiter nach oben in den oberen Sammler. Das Kühlmittel, das nunmehr ein erhitztes Dampf-/Wassergemisch ist, strömt aus dem oberen Sammler zu dem Kühlmittelauslasssammler 24. Das abgekühlte Gas, das durch die Rohre 14 aufwärts strömt, tritt in die obere Auslasskammer 26 aus und wird durch den Ausgang 28 abgeführt.

Die vorliegende Erfindung ist unter Verwendung einer 18-Rohranordnung veranschaulicht, die am besten aus 2 ersichtlich ist. Diese Figur zeigt den ringförmigen Ovalsammler 18, mit dem die Elemente 12 verbunden sind. Es sind mehrere Wassereinlassverbinder 22 veranschaulicht, die sich zwischen dem Sammler 20 und dem Sammler 18 erstrecken. Der Wassereinlass zu dem Sammler 20 ist bei 21 gezeigt.

Der erfindungsgemäße Spaltgaskühler lasst sich am vorteilhaftesten mit (nicht veranschaulichten) Spaltöfen verwenden, bei denen man eine verhältnismäßig kleine Anzahl Spaltschlangen mit hoher Kapazität einsetzt. Bspw. kann ein solcher Ofen sechs Schlangen von jeweils 12 Metern (40 Fuß) Höhe aufweisen, wobei jede Schlange aus einer Vielzahl von Einlassrohren gebildet ist, die ein einzelnes Auslassrohr mit 16,5 cm (6,5 Zoll) Innendurchmesser beliefern. Das von einer solchen Schlange abgegebene Produkt kann in einem einzigen erfindungsgemäßen Spaltgaskühler abgekühlt werden. Der Spaltgaskühler weist typischerweise 16 oder mehr Spaltgaskühlerrohre auf.

Der Verbinder 30 an dem unteren Ende des Spaltgaskühlers weist einen Behälter 32 auf, der den Druckmantel bildet. Ein Flansch 34 um die Kante des Behälters 32 ist mit dem Flansch 36 verbunden. Der Behälter 32 beherbergt die Komponenten der vorliegenden Erfindung, die die Gase auf die Kreisanordnung der Rohre 14 verteilen und die die Diffusorkanäle zur Verlangsamung und nachfolgenden Beschleunigung schaffen.

Die beiden Abschnitte 38 und 40 im Inneren des Behälters wirken zur Bildung der Strömungskanäle zusammen. Diese Abschnitte sind detaillierter in den 4 und 5 gezeigt. Der untere Teil des Außenabschnitts 38 weist einen kegelförmig nach außen laufenden konischen Diffusorbereich 42 auf, so dass sich der Strömungsquerschnitt erhöht und so dass sich die aufwärts strömenden Gase verlangsamen. Der oberen Teil 44 des Abschnitts 38 wirkt mit dem Abschnitt 40 zusammen, um radiale Diffusor- und Beschleunigungsbereiche zu bilden. Wie in 1 gezeigt ist, ist der Abschnitt 40 an dem Abschnitt 38 montiert und erstreckt sich nach unten in diesen hinein, um die Strömungswege auszubilden. Die Abschnitte 38 und 40 sind vorzugsweise aus einer harten Keramik, wie bspw. aus gebranntem Aluminiumsoxid hergestellt, jedoch können sie auch aus anderen Materialien wie bspw. hochlegiertem Metallguss hergestellt werden.

Um die Außenseite des Abschnitts 40 herum befindet sich ein geschlossener Ringabschnitt 46. Wie in 6 veranschaulicht, die eine Draufsicht auf den Abschnitt 40 ist, erstrecken sich eine Vielzahl von Löchern 48 durch diesen Ringabschnitt 46, wobei für jedes Rohr 14 jeweils ein Loch 48 vorgesehen ist. Die Löcher 48 sind so angeordnet, dass sie mit den Rohren 14 fluchten. Die untere, äußere Fläche 50 des Abschnitts 38 in Anlage. Hier ist eine weiche Dichtung zwischen diesen beiden Teilen angeordnet, die eine thermische Expansion gestattet. Zwischen dem Verbinder und den Rohren 14 ist keine Dichtung vorgesehen.

Die beiden Abschnitte 38 und 40 sind, wie in 1 gezeigt, in dem Container 32 angeordnet und dann von dem isolierenden, gießbaren und feuerfesten Material 54 umgeben, das den Raum zwischen den Abschnitten 38 und 40 und dem Behälter 32 füllt.

Wenn der Verbinder, wie in 1 gezeigt, zusammengebaut ist, weist der Gaskanal einen divergierenden konischen Diffusorabschnitt 56 auf, auf den ein radialer Diffusorabschnitt 57 folgt, der den Strömungsquerschnitt weiter erhöht. Obwohl die Höhe der Radialen Querschnittsfläche des Radialen Diffusorabschnitts sich nicht sehr stark erhöhen muss und sich in der Tat auch etwas vermindern kann, erhöht sich der Umfangsquerschnittsbereich infolge des sich erhöhenden Umfangs von innen nach außen. Auf die Diffusorabschnitte 56 und 57 folgt dann ein konvergierender Abschnitt 58. Der resultierende Effekt ist eine allmähliche oder monotone Verminderung des Strömungsquerschnitts. Diskontinuitäten, die Wirbel und Verkokung erzeugen könnten, sind vermieden. Deshalb werden die Gase erst in dem konischen Diffusor 56 und dem radialen Diffusor 57 verlangsamt und dann in dem ringförmigen konvergierenden Abschnitt 58 wieder bis auf die Gaskühlerrohregeschwindigkeit beschleunigt. Die allmähliche Wiederbeschleunigung dient dazu, eine Strömungstrennung zu vermeiden, so dass Koksbildung und Totzonen minimiert werden, während eine gleichmäßige Strömungsverteilung auf die einzelnen Gaskühlerrohre erhalten wird. Als spezielles Beispiel kann der Innendurchmesser des Einlassrohres 16,5 cm (6,5 Zoll) und der Innendurchmesser des Ausgangs des Diffusors 22,0 cm (8,7 Zoll) für ein Querschnittsflächenverhältnis von 1,78 betragen. Der Strömungsquerschnitt erhöht sich dann in dem radialen Diffusor weiter, was ein Gesamtdiffusorflächenverhältnis (Ausgang des radialen Diffusors zum Eingang des konischen Diffusors) von 4,9 erbringt. Die Querschnittsfläche vermindert sich dann, wenn das Gas sich zu dem ringförmigen Aufwärtsstrom der Rohre beschleunigt. Ein typischer Wärmetauscher hat 18 Rohre mit einem Innendurchmesser von 4,8cm (1,9 Zoll), was eine Querschnittsfläche von 32% des radialen Diffusorausgangs erbringt.

Weil die Strömung ohne Totzonen wiederbeschleunigt wird, wird die Koksablagerung an dem Eingang jedes Rohrs minimiert. Selbst wenn in den Rohren Koks abgelagert wird, ist die Abweichung von gleichmäßiger Strömungsverteilung erheblich reduziert. Dies ist der Vorteil der Verwendung eines aerodynamisch wirksamen divergierenden/konvergierenden Durchgangs anstelle eines herkönnlichen Spaltgaskühlereingangs. Das Ergebnis der Anwendung des erfindungsgemäßen divergierenden/konvergierenden Durchgangs ist eine reduzierte Eingangsverweilzeit, eine gleichmäßige Verteilung, verringerte Tendenzen zur Koksablagerung und folglich verbesserte Ausbeute und verlängerte Betriebszeit.


Anspruch[de]
  1. Verbindungsvorrichtung zum Einführen von Spaltgasen aus einer Spaltofenschlange in die ringförmige Anordnung von einander beabstandeter Wärmeaustauscherrohre (14) eines Spaltgaskühlers (10), wobei das Verbindungsmittel einen divergierenden konischen Einlassdiffusorkanal (56) aufweist, der von einem radialen, die Strömungsfläche erhöhenden Diffusorkanal (57) und dann von einem ringförmigen Auslasskanal (58) gefolgt ist, wobei der Auslasskanal dazu eingerichtet ist, die Wärmeaustauscherrohre (14) zu speisen, wobei der Auslasskanal (58) einen solchen Aufbau hat, dass sich die Strömungsquerschnittsfläche in Flussrichtung vermindert, so dass ein allgemein konvergierender Auslassabschnitt gebildet ist, wobei die Rohre (14) kreisförmig angeordnet sind.
  2. Verbindungsvorrichtung nach Anspruch 1, bei der das Verbindungsmittel einen Außenabschnitt (38) und einen Innenabschnitt (40) aufweist, der von dem Außenabschnitt (38) getragen ist und einen Zwischenraum zwischen beiden bildet, wobei ein Teil des Außenabschnitts (38) so geformt ist, dass der divergierende konische Einlassdiffusorkanal (56) gebildet ist, und wobei der Raum zwischen dem äußeren und dem inneren Abschnitt (38, 40) den radialen Diffusorkanal (57) und den ringförmigen Auslasskanal (58) bildet.
  3. Verbindungsvorrichtung nach Anspruch 2, bei der der äußere und der innere Abschnitt (38, 40) aus einem harten Keramikmaterial bestehen.
  4. Verbindungsvorrichtung nach Anspruch 2, bei der der äußere und der innere Abschnitt (38, 40) aus einem Metallguss bestehen.
Es folgen 4 Blatt Zeichnungen






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