DE2652797C2 - Wärmetauscher zur Abkühlung eines Reaktionsfluids von hoher Temperatur und niedrigem Druck - Google Patents
Wärmetauscher zur Abkühlung eines Reaktionsfluids von hoher Temperatur und niedrigem DruckInfo
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Description
Die Erfindung betrifft einen Wärmetauscher zur Abkühlung
eines Reaktionsfluids von hoher Temperatur und niedrigem Druck, bestehend aus einem zylinderförmigen
Außenmantel und Rohrboden, zwischen denen sich durchgehende Wärmetausch, öhre erstrecken, wobei
der Wärmetauscher in einen ersten Abschnitt zur Aufnahme eines ersten Wasserstromes und einen zweiten
Abschnitt zur Aufnahme eines zweiten Wasserstromes unterteilt ist, und das abzukühlende Reaktionsfluid
von einer Verteilerkammer im Wärmetauscher in die Wärmetauschrohre gelangt, diese durchströmt, und am
anderen linde des Wärmetauschers über eine Sammlerkammer
den Wärmelauscher abgekühlt verlaßt, wodurch die beiden, die Wärme aufnehmenden Wasserslröme
im wesentlichen im (iegcnstrom erhitzt und verdampft
werden.
Die US-PS 35 47 084 betrifft einen Dampferzeuger, bestehend aus einem Druckkessel, einer Vielzahl von
Wärmetauscher-Rohren zum Transport eines heißen Primärfluids, und einer im Kessel angeordneten Kammer
zur Vorerwärmung eines die Kammer durchfließenden Sekundärfluids, wobei diese Anordnung thermische
Schocks des Kessels vermeidet. Hierbei besitzt der zweite Wasserstrom denselben (oder aufgrund von Reibungsverlusten
einen etwas niedrigeren) Druck als der ers,te Wasserstrom.
Die US-PS 31 77 659 beschreibt einen Wärmetauscherapparat,
insbesondere einen Apparat zum Erwärmen von Flüssigkeiten durch Absorption von Wärme
aus heißen Verbrennungsabgasen.
Die US-PS 31 77 659 betrifft weiterhin ein zweistufiges Wärmeaustauscher-System. Dabei wird das Zufuhrwasser
in einem Heizapparat erhitzt, bevor es zum abschließenden Kühlen des heißen Gases verwendet wird,
um im wesentlichen die Kondensation von Dämpfen in dem Wärmetauscher zu vermeiden.
Die Apparate und Verfahren des Standes der Technik
verwenden und benöligen zweistufige WärmcausUiuschcr-Systeme
und bedingen somit einen beträchtlichen apparativen Aufwand und vergleichsweise aufwendige
Röhrenführung und Stofftransport.
Da im allgemeinen ein bei hoher Temperatur ausströmender Reaktionsstoff in zwei Stufen abgekühlt wird,
wobei die erste Stufe einen Dampf bei mittlerem Druck erzeugt und die zweite Stufe ein Luftkühler ist stellt die
Abkühlung, die in dem Luftkühler ausgeführt wird, einen Potentialverlust an Heizwerten dar.
Demgegenüber liegt vorliegender Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zu liefern, die es gestattet,
mit geringerem apparativem Aufwand, vereinfachter Röhrenführung und vereinfachtem Stofftransport
in einem einstufigen Verfahren effektiven Wärmeaustausch bei hohem Energiegewinnungsgrad zu bewirken.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einer Apparatur der eingangs genannten Gattung dadurch gelöst,
daß zwischen den beiden Abschnitten des Wärmetauschers eine für die beiden Wasserströme undurchlässige
Trennwand angeordnet ist. durch weiche die Wärmetauschrohre hindurchgehen.
Die vorliegende Erfindung bietet somit den Vorteil, für eine verbesserte Wiedergewinnung von Abhitze aus
Hochtemperatur-Reaktionsströmen zu sorgen.
Die bei hohen Temperaturen ausströmenden Reaktionsstoffe, die entsprechend der vorliegenden Erfindung
behandelt werden, können aus irgendeinem der verschiedenen Verfahren bei hohen Temperaturen und
niederen Drücken erhalten werden (nicht höher als 2,1 bar). Als repräsentative Beispiele für solche Verfahren
kann man erwähnen: Dehydrierungsverfahren, wie z. B. diejenigen für die Herstellung von Styrol, Äthylen,
Propylen, Butylene, Butadien, Pentene usw.; Dehydratisierungsverfahren,
wie z. B. Azeton aus Isopropylalkohol, Essigsäureanhydrid aus Essigsäure usw.; Oxidationsverfahren,
wie z. B. Formaldehyd aus Methanol, Maleinsäureanhydrid aus Benzol, Phthalsäureanhydrid
aus Xylol oder Naphtalin usv/. unc* ähnlichem.
Im allgemeinen wird der ausströmende Reaktionsstoff, der in den Wärmeaustauscher eingeleitet wird, bei
einer Temperatur von mindestens etwa 260"C cirtgelci
tct, im allgemeinen im Bereich von etwa 316 C bis etwa 1093"C\ Der Überdruck der Ausströmung betrügt im
allgemeinen nichl mehr als etwa 2.1 bar. da sich die vorliegende
Erfindung insbesondere auf die Wicdergewinnung von Abhitze aus bei niederem Druck ausströmenden
Reaktionsstoffen bezieht. Als ein Ergebnis der Wiedergewinnung von Abhitze, die in dem Wärmeaustauscher
ausgeführt wird, befindet sich erfindungsgemäß der aus dem Wärmeaustauscher abgezogene ausströmende
Stoff bei einer Temperatur von etwa 93"C bis etwa 149° C.
Im allgemeinen befindet sich der Wasserstrom, der in
der ersten Abteilung des Wärmeaustauschers verwendet wird, um einen Dampf bei mittlerem Druck zu erzeugen,
bei einem Überdruck von etwa 5,6 bar bis etwa 35 bar, vorzugsweise von etwa 8,4 bar bis etwa 14,0 bar.
In einer Ausführungsform, in der der Niedrigdruckdampf
in der zweiten Abteilung des Wärmeaustauschers erzeugt wird, befindet sich der zweite Wasser-
strom bei einem Überdruck in dem Bereich von etwa
1,05 bar bis etwa 3,5 bar, vorzugsweise bei etwa 1,4 bar bis etwa 2,1 bar.
Die Erfindung wird weiterhin in bezug auf die in der Zeichnung erläuterten Ausführiingsformen beschrieb'S
ben, wobei
IMg. I ein vereinfachtes schematisches Flußdiagramm
einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt,
Fig. 2 ein vereinfachtes si-hemalisclios I liiUdia
gramm einer anderen Ausiuiiruiigslonii der vorliegen
den Erfindung und
Fig.3 ein vereinfachtes schematisches Flußdiagramni
einer anderen Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung darstellt.
Fig. 1 zeigt einen Mantel- und Röhrenwärnicaustauscher
10, der eine Vielzahl von Röhren 11 in einem
Wärmeaustauschermantel 12 besitzt. Der Wärmeaustauschermantel
12 ist in eine erste Abteilung 13 und eine zweite Abteilung 14 durch eine Trennplatte 15 geteilt,
wobei die Abteilung 14 weiterhin mit einer flußablenker.den
Platte 16 versehen ist, um für einen Gegenstrom in der Wärmetransferflüssigkeit zu sorgen, die in die
Abteilung 14 eingeleitet wird. Selbstverständlich kann die Ablenkplatte 16 fehlen.
Die Röhren 11 erstrecken sich durchgehend durch die
erste und zweite Mantelabteilung 13 und 14.
Ein bei hoher Temperatur ausströmender Reaktionsstoff wird in Leitung 17 in das Einlaßende de* Wärmeaustauschers
10 eingeleitet und durch die Röhren 11 in
einer indirekten Wärmetransfcrbeziehung mn der Wärmetransferflüssigkeil
hindurchgelcitet, die in die Abteilungen 13 und 14 — wie spüler beschrieben wird —
eingeleitet wird. Der abgekühlte ausströmende Stoff wird aus dem Wärmeaustauscher IO durch l-eitiing 18
/ur weiteren Verwendungsmöglichkeit abgezogen.
Ein Wasserstrom in Leitung 21 wird in die Abteilung
13 des Wärmeaustauschers 10 eingeleitet, wobei der Wasserstrom durch indirekten Wärmetransfer mit der
Ausströmung in den Röhren erhitzt wird. Der Wasserstrom in Leitung 21 befindet sich bei einer Temperatur
und einem Druck, bei denen seine Erhitzung in Abteilung 13 wirksam ist, um daraus Dampf erzeugen. Wie
oben erwähnt, befindet sich der Strom in Leitung 21 bei einem Überdruck im Bereich von etwa 5,6 bar bis etwa
35,0 bar, wobei ein Dampf mittleren Druckes in der Abteilung 13 er-sugt wird. Ein dampfhaltiger Strom wird
aus der Mantelabteilung 13 durch Leitung 22 abgezogen, der mit erhitztem Wasser in Leitung 23 — wie
später beschrieben wird — kombiniert wird: der kombinierte Strom in Leitung 24 wird in ein Ablrennungsgefiiß
25 eingeleitet, um Dampf von Wasser /ii trennen.
Der Dampf bei mittlerem Druck \a rd aus (jefaß 25 durch Leitung 26 abgezogen. Das Wasser wird aus dem
Gefäß 25 durch Leitung 21 abgezogen zur Einleitung in
die Mantelabtcilun)? 13.
Ein Wasserzufuhrsirorr in Leitung 31 wird in die
Mantelabteilung 14 eingeleitet, worin das Wasser gegenströmeni
in indirekte· Wärmelransferbeziehung mit der Ausströmung zusammengebracht wird, die
durch die Röhi en 11 strömt, um dadurch diesen Wasserstrom
zu erhitzen. Der Wasserstrom wird in die Abteilung 14 bei einem Druck eingeleitet, der im wesentlichen
identisch ist mit dem Druck des Wassers in Leitung 21. womit die Abteilung 14 für die Dampferzeugung in Abteilung
13 eine vorerhitzte Wasserzufuhr liefert. Der erhitzte Wasserstrom wird aus der Abteilung 14 durch
Leitung 23 zur Einleitung in das Abtrennungsgefäß 25 — wie oben beschrieben wurde — abgezogen. Selbstverständlich
kann jedoch das erhitzte Wasser, das aus der Abteilung 14 des Wärmeaustauschers 10 abgezogen
wird, in die Abteilung 13 auf eine Weise eingeleitet werden,
die anders als die oben beschriebene ist. So kann /.. H. der Wasscrslrom, der in Abteilung 14 erhitzt wird,
direkt in die Abteilung 1.3 eingeleitet werden.
Als ein Krgcbnis der Tatsache, daß die Wasserströme,
die in die Abteilung 13 u.^! 14 eingeleitet werden, sich
im Wi-SfIiI!u'lii'ii hei den j^leiilu-n Drucken heiimliM.
mehl ilii- I iennplalte 15. die die Abteilungen I 5 und 1-4
trennt, aus, da es nur ein sehr kleines Wasserleck /wischen den Abteilungen als Resultat der im wesentlichen
■> gleichen Drücke geben wird.
In (ig. 2 sind die gleichen Teile mit den gleichen
Zahlen mn einem Strich bezeichnet. F i g. 2 zeigt eine andere Ausführungstorm der vorliegenden Erfindung,
bei der die Mantelabteiiung 14' verwendet wird, um
to einen Niedrigdruckdampf zu erzeugen, und nicht, um
das Zufuhrwasser für die Erzeugung eines Dampfes bei mittlerem Druck in Abteilung 13' vorzuerhitzen. Abteilung
13' wird wie in der Ausführungsform der F i g. 1 Abteilung 13 betrieben, um einen Dampf bei mittlerem
Druck zu erzeugen, wobei das Zufuhrwasser für das Wärmegefäß in das Abtrennungsgetäß 25' durch Leitung
41 eingeleitet wird. Die Mantelabteilung 14' wird bei einem Druck betrieben, der geringer ist als der in der
Mantclabteilung 13'. um einen Nie^>
igdruckdampf zu erzeugen. Als ein Ergebnis werden die fwantelabteilungen
13' und 14'durch eine Rohrplatte getrennt und nicht durch eine einfache Trennplatte, wobei die Röhren in
die Rohrplatte dichtgewal/t sind. Wenn sich ein kleineres Led. *egen der Druckdifferenz zwischen den Abteilungen
ergibt, ergibt sich jedoch kein entgegenwirkender Effekt, da die in die Ableitungen 1V und 14 eingeleiteten
Flüssigkeiten beide Kondensat oder Wärmegefäßzufuhrwasscr sind.
Wärmegefäßzufuhrwasser wird in Leitung 51 in das
jo Abtrennungsgefäß 52 eingeleitet, wobei Wasser aus
dem Abtrennungsgefäß 52 durch Leitung 53 abgezogen wird und in die Mantelabteilung 14' eingeleitet wird, in
der das Wasser durch indirekten Wärmetransfer mit dem ausströmenden Reaktionsstoff, der durch die Röhren
11' strömt, erhitzt wird. Das durch Leitung 53 eingeleitete
Wasser befindet sich bei einer Temperatur und einem Druck, bei der die Erhitzung in Abteilung 14'
daraus eine Dampferzeugung bewirkt. Wie oben beschrieben wurde, wird das Wasser im allgemeinen bei
einem Überdruck im Bereich von etwa 1.05 bar bis etwa 3.5 bar eingeleitet. Ein dampfhaltiger Strom wird aus
Abteilung 14' durch Leitung 54 abgezogen jnd in das Ablrenmingsgefäß 52 eingeleitet, wobu der Niedrigdruckdampf
aus dem Abtrennungsgefäß 52 durch Leitung 55 abgezogen wird.
In Fig. 3 sind die gleichen Teile mit derselben Zahl
und zwei Strichen bezeichnet. Fig. 3 stellt eine weitere
Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dar, bei der Abteilung 14" dts Wärmeaustauschers 10" verwen-
M del wird um den Abkocherfordernissen für einen AL-dampfvorgang
zu genügen. Abteilung 13" des Wärmeaustauscners 10" wird verwendet, um einen Dampf bei
mittlerem Druck zu erzeugen, wie es oben bezüglich der Ausführungsform der F i g. 2 beschrieber worden ist.
Ein wäßriger Strom in Leitung 101 wird in eine Abdampfvorrichtung
102 eingeleitet, um daraus das Abdampfen von Verunreinigungen zu bewirken. So kann
z. B der Strom in Leitung 101 ein Kondensat sein, das aus dem Verfahrensvorgang wiedergewonnen wurde.
und das mit öl verschmutzt ist; dieser Strom wird in die
Abdampfvorrichtung 102 eingeleitet, um das Öl daraus abzudampfen.
Ein oben entnommener Strom, der die Verunreinigung enthält, wird aus der Abclampfvorrichtung 102
h·-. durch Leitung 103 abgezogen.
Kin Wasserboden.satz, der im wesentlichen frei von
Verunreinigungen ist, wird aus der Abdampfvorrichtuiig
102 in Leitung 104 abgezogen und ein Teil davon
als ein reiner Wasserstrom durch Leitung 105 abgezogen. Der Wasserstrom in Leitung 105 kann als Zufuhrwasser
zu einem Wärmegefäß verwendet werden. Der verbleibende Teil des Stromes in Leitung 106 wird in
Abteilung 14" des Wärmeaustauschers 10" eingeleitet, indem der Strom durch indirekten Wärmetransfer mit
der Ausströmung in den Röhren 11" erhitzt wird. Der erhitzte Strom wird aus Abteilung 14" durch Leitung
107 abgezogen und in den unteren Teil der Abdampfvorrichtung
102 eingeleitet, um mindestens einem Teil in der Hei/anfordcrungen /u genügen. |cgliche weitere
Hci/erfordernisse für die Abdampfvorrichtiing 102 können
/. B. dadurch geliefert werden, daß man Dampf in Leitung 108 in den unteren Teil der Abdampfvorrichtung
102 einleitet.
Entsprechend dieser Ausführungsform wird die Abhitze
verwendet, um einen Dampf bei mittlerem Druck
zu liefern, und ebenso die Abkocherfordernisse für einen
Abdampfvorgang. Das Kondensat, das in Leitung 101 verwendet wird, wird im allgemeinen aus dem ausströmenden
Reaktionsstoff in Leitung 18" wiedergewonnen, obgleich das Kondensat auch aus anderen
Quellen erhalten werden kann.
Die vorliegende Erfindung ist insbesondere anwendbar
auf die Wiedergewinnung von Abhitze aus einer Ausströmung aus einem Äthyl-Benzol-Dehydrierungsreaktor
fur die Herstellung von Styrol, wobei die Atisfühningsformen
tcr F i g. 1 und 3 insbesondere auf solch ein Verfahren anwendbar sind. Entsprechend einer solchen
bevorzugten Ausführungsform befindet sich der jo ausströmende Reaktionsstoff, der in den Wärmeaustauscher
eingeleitet wird, im allgemeinen bei einer Temperatur
im Bereich von etwa 593"C" bis etwa 538"C und
wird aus dem Wärmeaustauscher bei einer Temperatur
im Bereich von etwa 93' C bis etwa I49"C abgezogen. Die Stvrolausstromung enthält ebenso eine große Menge
Wasser und entsprechend kann die Ausführungsform gemäß F 1 g. 3 verwendet werden, um das Kondensat,
das aus der Styrolausströmung gewonnen wurde, zu behandeln, um die organischen Verunreinigungen aus einem
solchen Kondensat zu entfernen.
Selbstverständlich kann die Erfindung anders ausgeführt werden als sie bezüglich der bevorzugten Ausführungsformen
beschrieben wurde. So kann z. B. der Wärmeaustauscher in mehr als zwei Mantelabteilungen geteilt
sein, obgleich man zwei Abteilungen bevorzugt. Diese Ausfuhrungsform und andere sind für den Fachmann
aus der vorliegenden Erfindung leicht zu entnehmen
Die vorliegende Erfindung ist besonders vorteilhaft, ■>
<> da eine zusätzliche Wiedergewinnung von Abhitze aus
einem bei hohen Temperaturen ausströmenden Reaktionsstoff erhalten werden kann. Die Verwendung eines
einzigen Wärmeaustauschers mit gelrennten Mantelabteilungen — wie sie oben beschrieben wurde — zeigt
den Vorteil gegenüber einer Anlage mit zwei Wärmeaustauschern, da eine Anlage mit zwei Wärmeaustauschern
einen zweiten Wärmeaustauscher erfordern würde, der eine Anzahl von Röhren hat, die geringer ist
als die Anzahl von Röhren in dem ersten Wärmeaustauscher, wodurch sich eine Steigerung des Druckabfalls
ergeben würde und eine entsprechende Steigerung des Betriebsdruckes des Reaktors, der die Ausströmung liefert.
Wenn man erfindungsgemäß vorgeht, wird sich als Ergebnis eine zusätzliche Wiedergewinnung von Abhitze
ergeben, ohne daß sich die Notwendigkeit ergibt, den
Druckabfall zu steigern, um eine solche Wiedergewinnung auszuführen. So kann erfindungsgemäß die Wiedergewinnung
der Abhitze mit einem Druckabfall über die Röhrenseite des Wärmeaustauschers von weniger
als 0,7 bar ausgeführt werden, vorzugsweise von weniger als 0,21 bar. Eine zusätzliche Wiedergewinnung von
Abhitze bei einem niederen Druckabfall ist vorteilhaft, da die Hilzcwiedergcwinnung ohne eine entgegenwirkende
Steigerung des Rcaktordruckes ausgeführt wird, durch den die Ausströmung erzeugt wird.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
Claims (1)
- Patentanspruch:Wärmetauscher zur Abkühlung eines Reaktionsfluids von hoher Temperatur und niedrigem Druck, bestehend aus einem zylinderförmigen Außenmantel und Rohrböden, zwischen denen sich durchgehende Wärmetauschrohre erstrecken, wobei der Wärmetauscher in einen ersten Abschnitt zur Aufnahme eines ersten Wasserstromes und einen zweiten Abschnitt zur Aufnahme eines zweiten Wasserstromes unterteilt ist, und das abzukühlende Reaktionsfluid von einer Verteilerkammer im Wärmetauscher in die Wärmetauschrohre gelangt, diese durchströmt, und am anderen Ende des Wärmetauschers über eine Sammlerkammer den Wärmetauscher abgekühlt verläßt, wodurch die beiden, die Wärme aufnehmend* ·! Wasserströme im wesentlichen im Gegenstrom erhitzt und verdampft werden, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den beiden Abschnitten des Wärmetauschers eine für die beiden Wasserslröme undurchlässige Trennwand angeordnet ist, durch welche die Wärmetauschrohre hindurchgehen.
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