DE3815572A1 - Heat exchanger - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft einen Wärmetauscher für die Dampf erzeugung im Rahmen der Ammoniak-Synthese.The invention relates to a heat exchanger for the steam generation in the context of ammonia synthesis.
Heiße Gase, die den Ammoniak-Reaktor verlassen, müssen zur Kondensation und Gewinnung des gebildeten Ammoniaks abge kühlt werden. Normalerweise geschieht dies durch Wärme austausch, häufig in der Weise, daß zumindest ein Teil des Wärmeinhalts der Reaktionsgase rückgewonnen wird. Dazu wird in der Ammoniak-Anlage im allgemeinen ein Vorwärmer oder Economizer eingesetzt. Auch ist es üblich, zumindest einen Teil des Wärmeinhalts der Reaktionsgase in einem Abwärme- Kessel zur Dampferzeugung heranzuziehen.Hot gases that leave the ammonia reactor have to Abge condensation and recovery of the ammonia formed be cooled. Usually this happens through heat exchange, often in such a way that at least part of the Heat content of the reaction gases is recovered. This will in the ammonia plant in general a preheater or Economizer used. It is also common, at least one Part of the heat content of the reaction gases in a waste heat Use the boiler to generate steam.
Nach der GB-A-20 89 951 erfolgt ein derartiger Wärmeaus tausch in einer Anzahl von U-förmigen Rohren, die an bei den Seiten in eine Rohrplatte eingelassen sind, welche die Druckkammern, enthaltend Ammoniak bzw. Wasser und Dampf, trennt. Um Probleme mit der Spannungskorrosion im Werk stoff der Rohre, die im allgemeinen aus austenitischem Stahl bestehen, in Berührung mit Wasser zu vermeiden, be stehen die Rohre vorzugsweise aus Kohlenstoff-Stahl mit geringem Anteil an Legierungselementen, was bei Tempera turen nicht über 380 bis 400°C ausreicht. Bei höheren Tem peraturen kommt es zu einem Aufsticken der dem ammoniak haltigen Reaktionsgas zugekehrten Rohrflächen. Ähnliche Bedingungen herrschen an der Rohrplatte, deren Temperatur an keiner Stelle obige Temperaturgrenze überschreiten soll, wenn sie nicht mit austenitischem legiertem Stahl überzogen ist, welcher der Nitrierung oder Aufstickung zu widerstehen vermag. Bei diesen bekannten Wärmeaustauschern hat man versucht, dieses Problem dadurch zu lösen, daß die U-Rohre so angeordnet sind, daß jedes zweite Rohrende in der Reihe der Öffnungen in der Rohrplatte heiß ist, während die dazwischen liegenden Rohrenden kühler gehalten werden. Die abwechselnde Folge heißer und kalter Rohre in der Rohr platte setzt die Temperatur der Rohrplatte soweit herab, daß die Nitrierung zurückgedrängt ist, da die Temperatur der Rohrplatte unterhalb der Eintrittstemperatur der Reaktionsgase liegt.According to GB-A-20 89 951 such a heat is applied swap in a number of U-shaped tubes attached to the sides are embedded in a tube plate, which the Pressure chambers containing ammonia or water and steam, separates. To problems with stress corrosion in the factory fabric of pipes, generally made of austenitic Steel exist to avoid being in contact with water the pipes are preferably made of carbon steel low proportion of alloying elements, what with tempera tures above 380 to 400 ° C is not sufficient. At higher temperatures temperatures, the ammonia is embroidered containing reaction gas facing pipe surfaces. Similar Conditions prevail on the tube plate, its temperature never exceed the above temperature limit if it is not with austenitic alloy Steel is coated, which is the nitriding or nitriding can withstand. In these known heat exchangers attempts have been made to solve this problem by making the U-tubes are arranged so that every other tube end in the row of openings in the tube plate is hot while the pipe ends in between are kept cooler. The alternating sequence of hot and cold pipes in the pipe plate lowers the temperature of the tube plate that the nitriding is pushed back because of the temperature the tube plate below the inlet temperature of the Reaction gases is.
Bei einer derartigen Konstruktion ist es möglich, das heiße Reaktionsgas zwischen einer Anzahl von Entrittsenden der U-Rohre zu verteilen. Die abgekühlten Reaktionsgase aus den anderen Enden der Rohre werden gesammelt und aus der Druckkammer für Reaktionsgas ausgeleitet. Der aus der britischen Patentschrift bekannte Wärmeaustauscher enthält eine "falsche" Rohrplatte parallel zu und in einem gewissen Abstand von der Rohrplatte, die den Druck aufnimmt. Die "falsche" Rohrplatte ist mit den Eintrittsenden der U-Rohre über Einsteckrohre verbunden. Man strebt dadurch einen Gasweg an vom Eintritt in die Eintrittskammer getrennt von der Rohrplatte durch die "falsche" Rohrplatte über Ein steckrohre in die U-Rohre, durch diese zurück in die Druck kammer für Reaktionsgas, in welcher diese die Außenseite der Eintrittskammer für das Reaktionsgas umströmt. Die "falsche" Rohrplatte, die kurzen Einsteckrohre und andere Wandbereiche, die die Eintrittskammer begrenzen, können aus austenitischem Stahl bestehen, welcher dem Reaktionsgas mit seinem Gehalt an Ammoniak auch bei hohen Temperaturen zu widerstehen vermag, da diese Teile nicht mit Wasser in Berührung kommen.With such a construction it is possible that the hot Reaction gas between a number of entry ends of the Distribute U pipes. The cooled reaction gases from the other ends of the tubes are collected and removed from the Pressure chamber for reaction gas escaped. The one from the British patent contains known heat exchangers a "wrong" tube plate parallel to and in some Distance from the tube plate that receives the pressure. The "wrong" tube plate is with the inlet ends of the U-tubes connected via insert pipes. You strive for one Gas path separated from entry into the entry chamber the tube plate through the "wrong" tube plate via on Push tubes into the U-tubes, through these back into the pressure Chamber for reaction gas, in which this the outside of the Entry chamber for the reaction gas flows around. The wrong" Tube plate, the short insertion tubes and other wall areas, which delimit the entry chamber can be made of austenitic Steel exist, which the reaction gas with its content to withstand ammonia even at high temperatures capable, since these parts do not come into contact with water.
Diese bekannte Konstruktion weist jedoch einige Details auf, die sie weniger zweckmäßig macht. Insbesondere ist es schwierig, eine entsprechende Abdichtung zwischen den kurzen Einsteck rohren und den U-Rohren zu erreichen, was bedeutet, daß das Reaktionsgas zwischen den kurzen Einsteckrohren und den U-Rohren in Bereichen der Rohrplatte austreten kann. In diesem Bereich findet eine sehr merkliche Nitrierung statt, oder mit anderen Worten, die den heißen Gasen aus einer Leakage ausgesetzten Bereiche machen die ganze Konstruktion weniger haltbar, wenn nicht die ganze Konstruktion voll ständig geschweißt ist. In diesem Fall ist eine periodische Inspektion der gefährdetsten Bereiche bei dem Übergang der U-Rohre in die Rohrplatte zu einem unannehmbaren Ausmaß erschwert.However, this known construction has some details, that makes them less useful. In particular, it is difficult an appropriate seal between the short insert pipes and reach the U-pipes, which means that the reaction gas between the short insertion tubes and the U-pipes can escape in areas of the pipe plate. In very noticeable nitriding takes place in this area, or in other words, the hot gases from one Areas exposed to leakage make up the whole construction less durable if not the whole construction is full is constantly welded. In this case it is periodic Inspection of the most vulnerable areas at the transition of the U pipes in the pipe plate to an unacceptable extent difficult.
Aufgabe der Erfindung ist nun ein Wärmeaustauscher, der die obigen Probleme nicht aufweist. Ausgehend von diesem Stand der Technik wird diese Aufgabe durch die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale für den erfindungsgemäßen Wärmeaus tauscher gelöst.The object of the invention is now a heat exchanger does not have the above problems. Starting from this This task is achieved by the prior art in claim 1 specified characteristics for the heat according to the invention exchanger solved.
Bei dem erfindungsgemäßen Wärmeaustauscher gelangt das Reaktionsgas zweimal durch die U-Rohre, wodurch man einen teilweise gekühlten Gasstrom erreicht, der dann zu der Rohrplatte geführt wird und der sich auch zur Einstellung der Temperatur der Rohrplatte eignet. Das vollständig gekühlte Gas wird von dem heißen Gas getrennt gehalten. Dadurch sind die Probleme einer Leakage verringert, so daß völlig geschweißte Wände zwischen Eintritt und Austritt der Reaktionsgase im wesentlichen vermieden werden können, d.h. die Inspektion der Druckkammer wird wesentlich vereinfacht.In the heat exchanger according to the invention that happens Reaction gas twice through the U-tubes, creating one partially cooled gas flow reached, which then to the Pipe plate is guided and also for adjustment the temperature of the tube plate is suitable. That completely cooled gas is kept separate from the hot gas. This reduces the problems of leakage, so that completely welded walls between entry and exit of the Reaction gases can essentially be avoided, i.e. the inspection of the pressure chamber is considerably simplified.
Die bevorzugten Ausgestaltungsformen des erfindungsgemäßen Wärmeaustauschers sind in den Unteransprüchen angegeben.The preferred embodiments of the invention Heat exchangers are specified in the subclaims.
Die Erfindung wird an den beiliegenden Zeichnungen weiter erläutert:The invention will continue from the accompanying drawings explains:
Fig. 1 zeigt einen Axial-Schnitt durch einen erfindungs gemäßen Wärmeaustauscher und Fig. 1 shows an axial section through an inventive heat exchanger and
Fig. 2 ein Beispiel der Verteilung der Enden der U-Rohre in der Rohrplatte. Fig. 2 shows an example of the distribution of the ends of the U-tubes in the tube plate.
Der in Fig. 1 gezeigte Wärmeaustauscher weist eine Druck kammer für heißes Reaktionsgas enthaltend z.B. 4-25% Ammoniak, auf. Die Druckkammer hat einen Gaseintritt 1 und einen Gasaustritt 2. Das Druckgefäß ist in zwei Räume mit Hilfe von Wänden unterteilt, nämlich den ersten Raum 3 in Verbindung mit Gaseintritt 1 und den zweiten Raum 4 in Verbindung mit dem Gasaustritt 2. Die Druckkammer für Wasser/Dampf weist eine Speisewasserzuführung 5 und einen Austritt 6 für Prozeßdampf auf. Die beiden Druckkammern haben eine gemeinsame Wand nämlich die dem Druck wider stehende Rohrplatte 7, in welcher eine Anzahl von U-Rohren 8, 9 mit beiden Enden montiert sind. Das U-Rohr 9 mündet mit beiden Enden in den ersten Raum, während die U-Rohre 8 einerseits in den ersten Raum und andererseits in den zweiten Raum münden. Von den U-Rohren 9 steht ein Ende in offener Verbindung mit dem Raum 3, während das andere Ende 11 mit einem kurzen, im wesentlichen U-förmigen Verbindungsrohr 12 mit dem einen Ende 13 des U-Rohrs 8 verbunden ist. Das andere Ende 14 des Rohrs 8 mündet in den zweiten Raum 4. Das Reaktionsgas tritt in den ersten Raum 3 über die Zu leitung 1 ein, strömt durch die Rohre 9 und teilweise gekühlt durch die Verbindungsrohre 12 in die Rohre 8 und damit in den zweiten Raum 4 und schließlich zum Austritt 2. Speisewasser tritt über den Einlaß 5 ein und umströmt die Rohre, während der gebildete Dampf die Druckkammer bei Aus laß 6 verläßt.The heat exchanger shown in Fig. 1 has a pressure chamber for hot reaction gas containing, for example, 4-25% ammonia. The pressure chamber has a gas inlet 1 and a gas outlet 2 . The pressure vessel is divided into two rooms with the help of walls, namely the first room 3 in connection with gas inlet 1 and the second room 4 in connection with gas outlet 2 . The pressure chamber for water / steam has a feed water supply 5 and an outlet 6 for process steam. The two pressure chambers have a common wall, namely the pressure-resisting tube plate 7 , in which a number of U-tubes 8 , 9 are mounted with both ends. The U-tube 9 ends with both ends in the first room, while the U-tubes 8 open on the one hand in the first room and on the other hand in the second room. One end of the U-tubes 9 is in open connection with the space 3 , while the other end 11 is connected to the one end 13 of the U-tube 8 with a short, essentially U-shaped connecting tube 12 . The other end 14 of the tube 8 opens into the second space 4 . The reaction gas enters the first space 3 via the line 1 , flows through the tubes 9 and partially cooled through the connecting tubes 12 into the tubes 8 and thus into the second space 4 and finally to the outlet 2 . Feed water enters through inlet 5 and flows around the pipes, while the steam formed leaves the pressure chamber at 6 .
Die U-Rohre 8 und 9 sind in der Rohrplatte derart angeordnet, daß die wärmsten Enden 10 der Rohre 9 zwischen den kälteren Enden 11 der Rohre 9 und den Eintrittsenden 12 der Rohre 8 verteilt sind. Die Rohrplatte 7 wird dadurch soweit gekühlt, daß deren Temperatur nicht die kritische Grenze übersteigt, bei welcher die Aufstickung des Werkstoffs gravierend wird, selbst wenn die Eintrittstemperatur der heißen Reaktions gase diese Grenze übersteigt. The U-tubes 8 and 9 are arranged in the tube plate such that the warmest ends 10 of the tubes 9 are distributed between the colder ends 11 of the tubes 9 and the inlet ends 12 of the tubes 8 . The tube plate 7 is thereby cooled so far that its temperature does not exceed the critical limit at which the nitriding of the material becomes serious, even if the inlet temperature of the hot reaction gases exceeds this limit.
Die Wände, die die Druckkammer für Reaktionsgase in zwei Räume unterteilen, sind so konstruiert, daß wenn ein einziger Deckel 15 abgenommen wird - die Rohrplatte inspiziert, wenn nötig repariert werden kann und undichte Verbindungsrohre ausgetauscht werden können. Die Rohrplatte 7 ist vozugsweise mit einer Beschichtung aus Austenit versehen, welcher dem heißen ammoniakhaltigen Reaktionsgas ohne Schwächung durch Auf stickung zu widerstehen vermag. Die Einstrittsstellen 10 für heißes Reaktionsgas sind in üblicher Weise mit Ringen aus hochlegiertem Stahl versehen, um den Einfluß der Hitze auf die Rohrplatte 7 herabzusetzen.The walls dividing the pressure chamber for reaction gases into two rooms are designed so that if a single cover 15 is removed - the tube plate can be inspected, repaired if necessary and leaky connecting pipes can be replaced. The tube plate 7 is preferably provided with a coating of austenite, which can withstand the hot ammonia-containing reaction gas without weakening by embroidery. The entry points 10 for hot reaction gas are provided in the usual way with rings made of high-alloy steel in order to reduce the influence of the heat on the tube plate 7 .
In Fig. 2 ist nun schematisch die Anordnung der Rohre 8 und 9 in der Rohrplatte 7 für einen Wärmeaustauscher mit 20×20 U-Rohren gezeigt. In der Praxis werden mehr U-Rohre verwendet, jedoch läßt sich das Prinzip auch an einer geringeren Anzahl darlegen. Jedes Rohrpaar, entsprechend einem Rohr 8 und einem Rohr 9, wird mit 1 bis 20 beziffert. Das Eintritts ende 10 wird ohne Suffix angegeben, während das Austritts ende 11 jeweils mit A bezeichnet ist. Das Eintrittsende 13 ist jeweils mit B bezeichnet, während das Austrittsende für heruntergekühltes Gas mit C angegeben ist. Die Verbindungs rohre 12 dienen zum Übergang der Rohrausgänge A mit den Rohreingängen B für jedes Rohrpaar 1 bis 20. Daraus ergibt sich, daß die heißen Eintrittsenden der ersten Gruppe von U-Rohren 9 gleichmäßig verteilt sind zwischen kälteren Austrittsenden der ersten Reihe der U-Rohre und der Eintritte der zweiten Reihe der U-Rohre 8. Die Rohrplatte 7 wird dadurch auf einem Temperaturniveau gehalten, bei dem praktisch keine Aufstickung stattfindet, selbst wenn sie aus niederlegiertem Kohlenstoffstahl hergestellt ist und mit Wasser an der anderen Seite in Berührung steht. Das besondere Merkmal der Rohranordnung liegt darin, daß jede dritte Reihe von Rohren Eintrittsenden der zweiten Gruppe der Rohre 8 ist. Dies begünstigt die gleichmäßige Verteilung der Temperatur über die Rohrplatte, ermöglicht die Verbin dungsrohre kurz zu halten, um deren Platzbedarf in der Druckkammer für das Reaktionsgas gering zu halten. In Fig. 2 the arrangement of the tubes 8 and 9 in the tube plate 7 for a heat exchanger with 20 × 20 U-tubes is now shown schematically. In practice, more U-tubes are used, but the principle can also be demonstrated in a smaller number. Each pair of tubes, corresponding to a tube 8 and a tube 9 , is numbered 1 to 20 . The entry end 10 is given without a suffix, while the exit end 11 is denoted by A. The inlet end 13 is designated by B , while the outlet end for cooled gas is indicated by C. The connecting pipes 12 serve to transition the pipe exits A with the pipe entries B for each pipe pair 1 to 20 . It follows from this that the hot inlet ends of the first group of U-tubes 9 are evenly distributed between colder outlet ends of the first row of U-tubes and the entries of the second row of U-tubes 8 . The tube plate 7 is thereby kept at a temperature level at which practically no nitriding takes place, even if it is made of low-alloy carbon steel and is in contact with water on the other side. The special feature of the pipe arrangement is that every third row of pipes is the inlet end of the second group of pipes 8 . This favors the even distribution of the temperature over the tube plate, allows the connec tion tubes to be kept short in order to keep their space requirement in the pressure chamber for the reaction gas low.
Die Erfindung wird im Folgenden an einem Beispiel eines Wärmeaustauschers für die Abwärmerückgewinnung aus der latenten Wärme des Abgases aus dem Ammoniakkonverter zur Herstellung von Hochdruckdampf erläutert.The invention is illustrated below using an example of a Heat exchanger for waste heat recovery from the latent heat of the exhaust gas from the ammonia converter Production of high pressure steam explained.
Die Ammoniakanlage arbeitete unter folgenden Bedingungen:The ammonia plant worked under the following conditions:
Produktionsleistung:1 500
Gasaustritt aus dem
Ammoniakkonverter:400 000 m³/h
(Normalbedingungen)Production output: 1,500 gas leaks from the
Ammonia converter: 400,000 m³ / h
(Normal conditions)
Molare Zusammensetzung des Reaktionsgases:Molar composition of the reaction gas:
H₂45 mol% N₂15 mol% NH₃23 mol% Anderes17 mol%H₂45 mol% N₂15 mol% NH₃23 mol% Other17 mol%
Eintrittstemperatur des
Reaktionsgases:450°C
Druck:290 bar abs.Inlet temperature of the
Reaction gas: 450 ° C pressure: 290 bar abs.
Zur Kühlung dieses Reaktionsgases wurde ein Wärmeaustauscher als Dampfkessel folgender Dimensionen angewandt:A heat exchanger was used to cool this reaction gas used as a steam boiler of the following dimensions:
Gehäusedurchmesser für
Wasser/Dampf1850/1750 mm
Durchmesser der Gaskammer2100/1750 mm
Dicke der Rohrplatte350 mm
Anzahl der U-Rohre für ersten
Durchgang200
Anzahl der U-Rohre für zweiten
Durchgang200
Durchmesser der U-Rohre für ersten
Durchgang38,1/28,96 mm
Durchmesser der U-Rohre für zweiten
Durchgang38,1/28,96 mm
Länge der U-Rohre für ersten
Durchgang12,5 m
Länge der U-Rohre für zweiten
Durchgang12,5 m
Abstand48 mm
Heizfläche585 m²Housing diameter for
Water / steam1850 / 1750 mm diameter of the gas chamber2100 / 1750 mm thickness of the tube plate350 mm Number of U-tubes for the first
Passage200 Number of U-tubes for second
Passage 200 diameters of U-tubes for first
Passage 38.1 / 28.96 mm diameter of the U-tubes for second
Passage 38.1 / 28.96 mm length of U-tubes for first
12.5 m length of U-tubes for second
Passage 12.5 m distance 48 mm heating surface 585 m²
Bei Normalbetrieb ergibt sich eine Dampfleistung von 63 500 kg/h bei 250°C unter einem Druck von 40 bar abs. Das Gas wurde auf etwa 260°C abgekühlt. Bei entsprechender Ausgestaltungsform der Rohrplatte (entsprechend Fig. 2) konnte deren Temperatur unter 380°C gehalten werden. In normal operation, the steam output is 63 500 kg / h at 250 ° C under a pressure of 40 bar abs. The gas was cooled to about 260 ° C. With a corresponding design of the tube plate (corresponding to FIG. 2), its temperature could be kept below 380 ° C.
Der Wärmeaustauscher bestand aus einem legierten Stahl enthaltend 2,25% Cr und 1% Mo.The heat exchanger consisted of an alloy steel containing 2.25% Cr and 1% Mo.
Die Rohrplatte war beschichtet mit einer austenitischen Nickel/Chrom-Legierung mit weiteren Legierungselementen wie Fe, Mn, Pi, Nb + Ta, Mo, Cu, Co, C und Si (Inconel 600) auf der der Druckkammer für Reaktionsgas zugekehrten Seite, während alle Trennwände in der Druckkammer für Reaktions gas aus austenitischem Material bestanden.The tube plate was coated with an austenitic Nickel / chrome alloy with other alloying elements like Fe, Mn, Pi, Nb + Ta, Mo, Cu, Co, C and Si (Inconel 600) on the side facing the pressure chamber for reaction gas, while all partitions in the pressure chamber for reaction gas consisted of austenitic material.
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