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(11) | EP 0 053 248 A2 |
| (12) | EUROPÄISCHE PATENTANMELDUNG |
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| (54) | Wärmeaustauscher |
| (57) Wärmeaustauscher für den Einsatz in Kohlehydrieranlagen bei Drücken von 200 bis 700
bar und Temperaturen von 100 bis 500 °C mit einem in einem geschlossenen Druckbehälter
angeordneten Rohrbündel, mit rohrseitigem Ein-und Austrittstutzen für den Kohlebrei
und/oder Kreisgas, mit mantelseitigen Ein- und Austrittstutzen für das wärmeabgebende
Kreisgas, bei dem die Innenrohre zwischen durch Rohrplatten abgeschlossenen Hauben
angeordnet sind, und die Hauben durch Haubenstutzen mit den rohrseitigen Ein- und
Austrittstutzen für den Kohlebrei und/oder das Kreisgas verbunden sind, mit folgenden
Merkmalen:
a) Der Druckbehälter (1) ist aus niedriglegiertem Stahl (2,25% Cr, 1% Mo) mit Wanddicken zwischen 150 und 250 mm, vorzugsweise zwischen 180 und 220 mm, gefertigt; bei Außendurchmessern zwischen 1000 und 2500 mm. b) Das Rohrbündel, bestehend aus den Innenrohren (4) und Schikaneblechen (13, 14) ist aus einem austenitischen CrNi-Stahl gefertigt, wobei die Innenrohre (4) Innendurchmesser von 40 bis 60 mm bei Wanddicken von 2 bis 3 mm aufweisen. c) Die Schikanebleche bestehen abwechselnd aus Ringblechen (13) und Scheiben oder Kreisabschnitten (14) mit Blechdicken von 12 bis 16 mm und sind an einer der Rohrplatten (5, 6) über Zuganker (15) befestigt. d) Die Hauben (7, 8) sind als Halbkugeln ausgebildet. e) Einer der Haubenstutzen (9) weist ein Dehnungsausgleich-Zwischenstück (16) auf. f) Die mantelseitigen Ein- und Austrittstutzen (17, 18) für das wärmeabgebende Kreisgas sind an den Mantelhauben (2, 3) angeordnet. |
[0001] Die vorliegende Erfindung betrifft einen Wärmeaustauscher für den Einsatz in Kohlehydrieranlagen bei Drücken von 200 bis 700 bar und Temperaturen von 100 bis 500oC mit einem in einem geschlossenen Druckbehälter angeordneten Rohrbündel mit rohrseitigen Ein- und Austrittstutzen für den Kohlebrei und/oder Kreisgas, mit mantelseitigen Ein- und Austrittstutzen für das wärmeabgebende Kreisgas, bei dem die Innenrohre zwischen durch Rohrplatten abgeschlossenen Hauben angeordnet sind, und die Hauben durch Haubenstutzen mit den rohrseitigen Ein- und Austrittstutzen für den Kohlebrei und/oder das Kreisgas verbunden sind.
[0002] Es ist bekannt, Wärmeaustauscher von 600 mm Durchmesser und Rohrbündellängen von 18 m zu bauen. Die Innenrohre haben einen Außendurchmesser von 23 mm und einen Innendurchmesser von 14 mm. Unter diesen Voraussetzungen ist es möglich, zwischen 200 bis 300 parallel zu einem Rohrbündel angeordnete Innenrohre in einem Druckbehälter unterzubringen. Die Hauben bei den bekannten Ausführungen sind kegelförmig, die Wärmedehnungsdifferenz zwischen Rohrbündel und Druckbehälter wird über eine Stopfbüchse aufgenommen. Die bekannte Bauweise hat verschiedene Nachteile. So beanspruchen die kegelförmigen Hauben bei größeren Durchmessern noch mehr toten Raum als bei früher üblichen Durchmessern. Der Kohlebrei und das Kreisgas, die bei den bekannten Konstruktionen um die Rohre geführt werden, lassen sich bei Durchmessern . größer als 600 mm nicht mehr gleichmäßig über den ganzen Querschnitt des Mantelraumes verteilen.
[0003] Bei der Fahrweise mit Kohlebrei und Kreisgas um die Rohre ist, wie sich gezeigt hat, der Einbau von Schikanen nicht möglich: dies ist in zweifacher Hinsicht nachteilig. Einmal wird die Wärmeübergangszahl kleiner als bei einer durch Schikane erzielten Querströmung, und zum anderen ist die Stabilität der Innenrohre durch Schwingungen gefährdet, die Schwingungsgefahr kann nur zum Teil durch den Einbau von Innenrohren mit 4,5 mm Wanddicke bei einem Außendurchmesser von 23 mm eingedämmt werden. Außerdem ist nicht zu vermeiden, daß an der Stopfbüchse Undichtigkeiten auftreten.
[0004] Es war daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Wärmeaustauscher für den Einsatz in Kohlehydrieranlagen anzugeben, der zum einen materialsparend für Kohlebrei- und Kreisgasdurchsätze bis über 5·105 kg h-1, zum anderen reparaturfreundlich ausgelegt ist.
[0005] Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch die Kombination folgender Merkmale:
a) Der Druckbehälter ist aus niedriglegiertem Stahl (2,25 % Cr, 1 % Mo) mit Wanddicken zwischen 150 und 250 mm, gefertigt; bei Außendurchmessern zwischen -1 000 und 2 500 mm.
b) Das Rohrbündel, bestehend aus den Innenrohren und Schikaneblechen ist aus einem austenitischen CrNi-Stahl gefertigt, wobei die Innenrohre (4) Innendurchmesser von 40 bis 60 mm, bei Wanddicken von 2 bis 3 mm aufweisen.
c) Die Schikanebleche bestehen abwechselnd aus Ringblechen und Scheiben mit Blechdicken von 12 bis 16 mm und sind an einer Rohrplatte über Zuganker befestigt.
d) Die Hauben mit Wanddicken von 20 bis 40 mm sind als Halbkugeln ausgebildet.
e) Einer der Haubenstutzen weist ein Dehnungsausgleich-Zwischenstück auf.
f) Die mantelseitigen Ein- und Austrittstutzen für das wärmegebende Kreisgas sind an den Mantelhauben angeordnet.
[0006] Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind die Haubenstutzen mit den rohrseitigen Ein- und Austrittstutzen für den Kohlebrei und/oder das Kreisgas über Schweißnähte verbunden.
[0007] Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist eine Haube als Prallkörper im Abstand von 500 bis 1 000 mm vom mantelseitigen Eintrittstutzen angeordnet. Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen vor allen Dingen darin, daß mit größeren Durchmessern zugleich materialsparend gebaut werden kann. Ein- und Ausbau beschädigter oder verstopfter Bündel ist schneller möglich als bei der bisher bekannten Konstruktion. Die Anordnung mantelseitiger Schikanen erhöht den Wärmeübergang und vermeidet die Gefahr von Schwingungen der Innenrohre. Durch den Einbau eines Dehnungszwischenstückes wird ausgeschlossen, daß rohrseitig strömender Kohlebrei und/oder Kreisgas sich mit dem wärmeabgebenden, mantelseitig strömenden Kreisgas vermischen. Durch die Ausführung der Hauben als Halbkugeln wird gegenüber der spitzwinkligen, kegelförmigen Haube Druckbehälterraum gespart.
[0008] Die Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen Figur 1 einen Längsschnitt durch einen Wärmeaustauscher gemäß der Erfindung, Figur 2 eine vergrößerte Teilansicht dieses Wärmeaustauschers.
[0009] In einem Druckbehälter, bestehend aus einem zylindrischen Mantel 1 mit einer angeflanschten Mantelhaube 2, sowie einer angeschweißten Mantelhaube 3 ist ein Rohrbündel angeordnet. Dieses Rohrbündel besteht seinerseits aus Innenrohren 4, die in Rohrplatten 5 und 6 eingeschweißt sind. Die Hauben 7 und 8 dichten den rohrseitig strömenden Kohlebrei und/oder das Kreisgas ab. Ein Haubenstutzen 9 verbindet die Haube 7 mit dem rohrseitigen Austrittstutzen 11. Ein Haubenstutzen 10 verbindet die Haube 8 mit dem rohrseitigen Eintrittstutzen 12. Die Schweißverbindung zwischen den Haubenstutzen 9, 10 und Aus- und Eintrittstutzen ist in Figur 2 dargestellt. Das Rohrbündel enthält mantelseitig Schikanebleche, die entweder aus abwechselnd angeordneten Ringblechen 13 und Scheiben 14 bestehen.
[0010] Eine andere Ausführungsform der Schikanebleche, die nicht dargestellt ist, jedoch bei liegenden Wärmeaustauschern angewendet wird, besteht aus Kreisabschnitten.
[0011] Die Schikanebleche sind mit Zugankern 15 an einer der beiden Platten 5, 6 befestigt. Der Mantel 1 und das Rohrbündel haben im Betrieb unterschiedliche Wandtemperaturen, außerdem bestehen sie aus Werkstoffen mit unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten; deswegen ist ein Dehnungsausgleich-Zwischenstück 16 im Haubenstutzen 9 oder 10 eingebaut. Der mantelseitige Eintrittstutzen 17 wird so angeordnet, daß der Strömungsimpuls mit der Haube 7 abgelenkt wird. Mantelseitige Ein- und Austrittstutzen 18 können entsprechend den Erfordernissen der Rohrleitungsführung beliebig auf einem Breitenkreis der kugelförmigen Mantelhaube gedreht werden.
a) Der Druckbehälter (1) ist aus niedriglegiertem Stahl (2,25 % Cr, 1 % Mo) mit Wanddicken zwischen 150 und 250 mm, vorzugsweise zwischen 180 und 220 mm, gefertigt; bei Außendurchmessern zwischen 1 000 und 2 500 mm.
b) Das Rohrbündel, bestehend aus den Innenrohren(4) und Schikaneblechen (13, 14) ist aus einem austenitischen CrNi-Stahl gefertigt, wobei die Innenrohre (4) Innendurchmesser von 40 bis 60 mm bei Wanddicken von 2 bis 3 mm aufweisen.
c) Die Schikanebleche bestehen abwechselnd aus Ringblechen (13) und Scheiben oder Kreisabschnitten (14) mit Blechdicken von 12 bis 16 mm und sind an einer der Rohrplatten (5, 6) über Zuganker (15) befestigt.
d) Die Hauben (7, 8) sind als Halbkugeln ausgebildet.
e) Einer der Haubenstutzen (9) weist ein Dehnungsausgleich-Zwischenstück (16) auf.
f) Die mantelseitigen Ein- und Austrittstutzen (17, 18) für das wärmeabgebende Kreisgas sind an den Mantelhauben (2, 3) angeordnet.