DE2007528A1

DE2007528A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Gas fuhrung in Hochdruckwarmetauschern

Info

Publication number: DE2007528A1
Application number: DE19702007528
Authority: DE
Inventors: Paul Dipl Ing 5841 Lichtendorf COIc 1 10 Mevenkamp
Original assignee: Friedrich Uhde GmbH
Current assignee: ThyssenKrupp Industrial Solutions AG
Priority date: 1970-02-19
Filing date: 1970-02-19
Publication date: 1971-09-09
Also published as: JPS534161B1; BE762188A; FR2080630B1; DK132616B; GB1351996A; DK132616C; DE2007528C3; FR2080630A1; NL7100636A; NL169919C; US3704690A; NL169919B; DE2007528B2

Description

.FRIEDRICH UHDE GMBH
Dortmund

Aktenzeichen: 35 009
16. Februar 1970

Verfahren und Vorrichtung zur Gasführung in Hochdruckwärmetauschern.

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Gasführung in Hochdruckwärmetauschern, insbesondere in Ammoniak-Synthese-Anlagen mit Wärmeaustausch zwischen heißem Kreislaufgas und Wasser.

Bei derartigen Wärmetauschern ist es erforderlich, den Eigenschaften des heißen abzukühlenden Gases Rechnung zu tragen, da anderenfalls mit vorzeitiger Beschädigung des Apparates zu rechnen ist.

Im Ammoniak-Synthese-Reaktor werden die stickstoffhaltigen und Stickstoffverbindungen enthaltenden Gase auf eine Temperatur von ca. 480 C und darüber gebracht. In bekannten Ammoniak-Synthese-Reaktoren wird dieses Gas im Wärmetausch mit frischem in Reaktion-gehenden Gas gebracht und gibt seine Wärme an dieses Kreislaufgas ab. Die noch ca. 100 - 250 C heißen Gase verlassen den Ammoniak-Synthese-Reaktor und werden zur Dampferzeugung eingesetzt. Mit einer Temperatur von ca. 2 50 °C stellt das Gas keine Gefahr für den Werkstoff von Wärmetauschern dar, da bei dieser Temperatur eine kritische Aufnitrierung der drucktragenden Wand noch nicht eintritt. Im Ammoniak-Synthese-Reaktor kann das heiße Kreislaufgas von ca. 480 C und darüber keine Einwirkung auf den drucktragenden Mantel des Reaktionsgefäßes ausüben, da der drucktragende Mantel von dem einströmenden kalten Kreislaufgas gekühlt wird. Im Zuge zu wirtschaftlicheren Ammoniak-Synthese-Anlagen folgte eine Entwicklung, die es ermöglicht, das heiße Reaktionsgas von ca. 480 C aus dem Ammoniak-Synthese-Reaktor herauszuführen, erst zur Dampferzeugung einzusetzen und seine Restwärme zur Aufheizung des frischen Kreislaufgases auszunutzen. Bei Obergang auf diese Verfahrensweise wird es erforderlich einen Hochdruckwärmetauscher zu entwickeln, bei dem das heiße stickstoffhaltige und/oder Stickstoffverbindungen enthaltende Gas keinen schädigenden Einfluß auf die Konstruktion ausübt. Stickstoffhaltige und/ oder Stickstoffverbindungen enthaltende Gase führen bei gewissen Temperaturen zu unzulässigen Aufnitrierungen des Materials. Aufnitrie-

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rung bedeutet gleichzeitig Versprödung und damit Neigung zur Rißbildung sobald das Konstruktionselement Spannungen ausgesetzt wird. Wärmetauscher in Ammoniak-Synthese-Anlagen, wie hier z.B. nach dem Ammoniak-Synthese-Konverter, sind großen Druck- und Temperaturbereichen ausgesetzt; so unterliegen sie im Stillstand nur der Umgebungstemperatur und dem Umgebungsdruck von 1 at. Im Betrieb jedoch steigt die Temperatur auf 480 ⁰C und höher und der Druck auf 300 at und höher. Findet nun im Betrieb einerseits eine Aufnitrierung der Oberfläche der drucktragenden Teile statt und kommen dann hohe Spannungen, hervorgehend aus Druck- und Temperaturanstieg hinzu, wird die Rißgefahr bedeutend heraufgesetzt. Die Rißgefahr kann nur durch turnusmäßiges Auswechseln der gefährdeten Teile gemindert werden. Auswechseln bedeutet zusätzliche Investitionskosten und Produktionsausfall.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der Gasführung und eine Konstruktion des Wärmetauschers so zu entwickeln, daß die Einflüsse, wie Gaszusammensetzung, Druck und Temperatur des Gases nicht gleichzeitig wirksam werden.

Überraschenderweise wurde gefunden, daß diese Probleme gelöst werden, wenn die drucktragenden Mantelteile des Wärmetauschers gegen die über 300 C heißen Gase geschützt werden. Dieses wird dadurch erreicht, daß das an der Vorkammer aufgegebene heiße Kreis laufgas ein Gasführungsrohr und eine Gasführungshaube durchströmt, wonach es über den plattierten Rohrboden zentral in die ausreichend nitrierbeständigen Wärmetauscherrohre eintritt, diese mit einer Richtungsumkehr durchströmt und seine Wärme teilweise an das um die Rohre befindliche Medium abgibt, peripheral den Rohrboden verläßt, in den Raum zwischen Gasführungshaube und Vorkammermantel strömt, die Gasführungshaube dabei druckentlastet und die Vorkammer über einen Stutzen verläßt. Die Temperatur des aus den Wärmetauscherrohren austretenden Gases liegt zweckmäßigerweise unterhalb der Nitriertemperatur, vorzugsweise unterhalb 360 ⁰C. Die Vorkammer wird zweckmäßigerweise aus einem zentralen Gasführungsrohr und einer zentralen Gasführungshaube, welche druckentlastet und weitgehend nitrierbeständig sind und einem druckbelasteten Vorkammermantel gebildet. Die Gasführungshaube wird gasdicht mit der Plattierung des Rohrbodens verschweißt. Um Wärmeübertragung vom Gasführungsrohr und der Gasführungshaube an das abgekühlte Gas zu vermindern, werden diese isoliert.

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Um eine übermäßige Wärmeübertragung an den drucktragenden Eintrittsetutzen zu verhindern, wird zwischen Gaseinführungsstutzen und Gasführungsrohr ein Spalt zum Durchleiten von Kühlgas vorgesehen.

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, daß heißes Kreis laufgas einer Ammoniak-Synthese-Anlage zur Hochdruckdampferzeugung herangezogen werden kann. Die Gasführung wird so gewählt, daß die Probleme, wie kritische Aufnitrierung des Werkstoffes, hohe Temperatur und hohe Druckbeanspruchung nicht summarisch, sondern nur getrennt auftreten und somit lösbar sind. Das Gasführungsrohr und die Gasführungshaube sind aus weitgehend nitrierbeständigem Material hergestellt und eine minimale Aufnitrierung ist bei ihnen belanglos, da sie druckentlastet sind. Den drucktragenden Rohrboden schützt eine gasseitige Plattierung vor Aufnitrierung. Der drucktragende Mantel der Vorkammer wird von Kreislaufgas beaufschlagt, welches eine Temperatur aufweist, die unterhalb der kritischen Nitriertemperatur liegt. Für die Dimensionierung der Wandstärke ist es daher nicht erforderlich, eine Schädigung infolge Nitrierung zu berücksichtigen. Der Hochdruckwärmetauscher kann mit geringem Einsatz von hochwertigem, weitgehend nitrierbeständigem Material gebaut werden. Die Erzeugung von Hochdruckdampf in einer Ammoniak-Synthese-Anlage wird somit besonders wirtschaftlich.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in Fig. 1 dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben:

Das den Konverter verlassende heiße Kreislaufgas tritt am Stutzen 1 durch das Gasführungsrohr 2 in den Hochdruckwärmetauscher ein und gelangt in die Gasführungshaube 3 die zentral an dem Rohrboden U gasdicht verschweißt ist. Gasführungsrohr 2 und Gasführungshaube 3 sind aus weitgehend nitrierbeständigem Material hergestellt .und mit einer Innen- 5 bzw. Außenisolierung 6 versehen. Hierdurch wird eine Aufheizung des drucktragenden Stutzens 1 und des drucktragenden Vorkammermantels 7 vermieden. Zum Schutz gegen unzulässige Aufnitrierung ist der Rohrboden U im Bereich der zentralen Gasführungshaube 3 mit weitgehend nitrierbeständigem Werkstoff 8 plattiert. Da die Beanspruchungsverhältnisse auf der Rohrbodenoberfläche gering sind, ist nicht zu erwarten, daß die Plattierungsschicht infolge Nitrierung anreißt. In die Bohrungen des Rohrbodens U sind ausreichend nitrierbeständige Wärmetauscherrohre 9 eingesetzt und gasdicht mit der Plattierung 8

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verschweißt. Das Gas strömt aus der Gasführungshaube 3 durch die Rohre 9 nach Richtungsumkehr am Wärmetauscherende 10 und Abkühlung auf eine Temperatur unterhalb der Nitriertemperatur in den Raum 11 zwischen Gasführungshaube 3 und Mantel 7. Das unter Hochdruck stehende in den Wärmetauscher eintretende Gas erleidet beim Durchgang durch die Wärmetauscherrohre nur minimalen Druckverlust, so daß die Druckbelastung des Gasführungsrohres und der Gasführungshaube ebenfalls minimal sind. Ober den Stutzen 12 verläßt das abgekühlte Kreislaufgas den Hochdruckwärmetauscher. Zum weiteren Schutz des Stutzens 1 gegen unzulässig hohe Temperaturen, trotz isoliertem Gasführungsrohr, wird durch die Bohrung 13 kaltes Gas in den Spalt zwischen Stutzenwand 1 und Gasführungsrohr 2 eingeblasen. Dieses kalte Gas umspült das Gasführungsrohr 2 und vermischt sich danach mit dem " Gas, das durch den Stutzen 12 den Wärmetauscher verläßt.

Das Wasser, das als Hochdruckdampf den Wärmetauscher verläßt, wird seitlich bei IU in den Wasserdampfraum eingeführt. Die Wasserwege für den Naturumlauf sind so ausgeführt, daß der Rohrboden U auf der Wasserseite mit Wasser gleicher Temperatur beaufschlagt wird. Der erzeugte Dampf verläßt durch Stutzen 15 den Wärmetauscher.

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Claims

-,£.- 35 009 Paten tansprüche

1. Verfahren zur Gasführung in Hochdruckwärmetauschern in Ammoniak-Synthese-Anlagen mit Wärmetausch zwischen heißem Kreislaufgas und Wasser, dadurch gekennzeichnet, daß das an der Vorkammer aufgegebene heiße Kreislaufgas ein Gasführungsrohr und eine Gasführungshaube durchströmt, wonach es über den plattierten Rohrboden zentral in die ausreichend nitrierbeständigen Wärmetauscherrohre eintritt, diese mit einer Richtungsumkehr durchströmt und seine Wärme an das um die Rohre befindliche Medium abgibt, peripheral den Rohrboden verläßt, in den Raum zwischen Gaszuführungshaube und Vorkammermantel strömt, die Gasführungshaube druckentlastet und die Vorkammer über einen Stutzen verläßt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur des aus den Wärmetauscherrohren austretenden Gases unterhalb der Nitriertemperatur, vorzugsweise unterhalb 360 C, liegt.

3. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, bestehend aus einem Röhrenbündel und einer Vorkammer, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorkammer aus einem zentralen Gasführungsrohr und einer zentralen Gasführungshaube, welche druckentlastet und weitgehend nitrierbeständig sind und einem druckbelasteten Vorkammermantel gebildet wird.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Gasführungshaube gasdicht mit der Plattierung des Rohrbodens verbunden ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Gasführungsrohr und die Gasführungshaube isoliert sind.

6. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß sich zwischen Gasführungsstutzen und Gasführungsrohr ein Spalt zum Durchleiten von Kühlgas befindet.

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