DE102011109970A1

DE102011109970A1 - Gas/Gas-Wärmetauscher

Info

Publication number: DE102011109970A1
Application number: DE102011109970A
Authority: DE
Inventors: Karl-Heinz Daum; Hannes Storch; Wolfram Schalk
Original assignee: Outotec Oyj
Current assignee: Metso Corp
Priority date: 2011-08-11
Filing date: 2011-08-11
Publication date: 2013-02-14
Also published as: WO2013020854A3; BR112014002711B8; EP2742303A2; KR20150058539A; CN103733011B; ZA201400475B; CL2014000329A1; MA35426B1; AP2014007490A0; AU2012292997A1; WO2013020854A2; AU2012292997B2; PE20141253A1; CA2841920C; US20140182816A1; MX337045B; RU2561363C1; BR112014002711A8; US9551537B2; MY167447A

Abstract

Ein Wärmetauscher, insbesondere zur Verwendung in der Kontaktgruppe einer Schwefelsäureanlage, weist eine Kammer (2) auf, in welcher ein Rohrbündel (12) auf einem Kreisring angeordnet ist, wobei zwischen dem Rohrbündel (12) und einem das Rohrbündel (12) umgebenden Kammermantel (13) ein Gasraum (15) ausgebildet ist, eine in dem Kammermantel (13) vorgesehene Gaszufuhröffnung (6) zur Einbringung eines Gases in den Gasraum (15) im Wesentlichen radial zu dem Rohrbündel (12) und eine Gasauslassöffnung, die sich an einen von dem Rohrbündel (12) umschlossenen Innenraum (16) in im Wesentlichen axialer Richtung anschließt, eine gleichmäßige Anströmung des Rohrbündels (12) wird dadurch erreicht, dass das Zentrum (ZR) des Rohrbündels (12) gegenüber dem Zentrum (ZK) des Kammermantels (13) in einer der Gaszufuhröffnung (6) entgegengesetzten Richtung versetzt ist.

Description

Die Erfindung betrifft einen Wärmetauscher, insbesondere zur Verwendung in der Kontaktgruppe einer Schwefelsäureanlage, mit einer Kammer, in welcher ein Rohrbündel auf einem Kreisring angeordnet ist, wobei zwischen dem Rohrbündel und einem das Rohrbündel umgebenden Kammermantel ein Gasraum ausgebildet ist, einer in dem Kammermantel vorgesehenen Gaszufuhröffnung zur Einbringung eines Gases in den Gasraum in Wesentlichen radial zu dem Rohrbündel und einer Gasauslassöffnung, die sich an einen von dem Rohrbündel umschlossenen Innenraum in im Wesentlichen axialer Richtung anschließt.
Innerhalb der Kontaktgruppe von Schwefelsäureanlagen werden üblicherweise Rohrbündelwärmetauscher eingesetzt, die in vertikaler Ausführung eingebaut werden, damit eventuell anfallendes Schwefelsäurekondensat zum unteren Boden abfließen und zur Vermeidung von Korrosion dort abgezogen werden kann. Im Allgemeinen werden das SO2-Gas mantelseitig und das SO2/SO3-Gas rohrseitig geführt. Bei Großanlagen über 1.500 tato Mh werden Scheiben- und Kreisring-(”Disk and Doughnut”-)Wärmetauscher eingesetzt (vgl. Winnacker/Küchler, Chemische Technik: Prozesse und Produkte, hrsg. von Roland Dittmeyer et al., Band 3: Anorganische Grundstoffe, Zwischenprodukte, Seite 96 f., Wiley-VCH Verlag, Weinheim, 2005).
Das kalte SO2-Gas wird im Allgemeinen im Gegenstrom zu dem abzukühlenden SO3-haltigen Gas geführt. Es hat sich herausgestellt, dass das Schwefelsäurekondensat insbesondere in der ersten Kammer des Wärmetauschers starke Korrosion hervorruft, so dass hochlegierte und teure Edelstahlmaterialien verwendet werden müssen. Um die Kosten zu verringern, wurde der Wärmetauscher in zwei Teile unterteilt, so dass bei übermäßiger Korrosion nicht der gesamte Wärmetauscher sondern lediglich der mit kaltem Gas beaufschlagte Bereich, in dem eine besonders hohe Korrosion auftritt, ausgetauscht werden muss. Während man zunächst von einer gleichmäßigen Aufteilung des Wärmeübergangsbereiches ausging, wurden in jüngerer Zeit von der Anmelderin Wärmetauscher eingesetzt, bei denen in dem kalten Wärmetauschabschnitt (1. Kammer) nur ein geringerer Teil der gesamten Wärmeübergangsfläche zur Verfügung gestellt wurden. Man ist zudem von einer Anordnung, bei welcher zwei vertikal orientierte Wärmetauscher nebeneinander angeordnet sind und die Probleme hinsichtlich der Drainage aufwarf, dazu übergegangen, die Kammer, welcher das kalte SO2-Gas zugeführt wird, horizontal anzuordnen. Aus dieser ersten Kammer kann das Schwefelsäurekondensat einfach unten abgezogen werden. Das SO2-haltige Gas wurde dann in den sich anschließenden vertikalen Abschnitt mit größerer Wärmeübergangsfläche überführt. Es hat sich jedoch herausgestellt, dass es bei der radialen Anströmung des Rohrbündels in dem horizontalen Abschnitt des Wärmetauschers zu einer ungleichmäßigen Gasströmung und dadurch auch Beeinträchtigung des Wärmeübergangs kommen kann.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, einen gleichmäßigen Wärmeübergang zu erreichen. Ein Unterschreiten der Taupunkttemperatur der Schwefelsäure soll soweit möglich vermieden werden.
Diese Aufgabe wird durch die Erfindung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 im Wesentlichen dadurch gelöst, dass das Zentrum des Rohrbündels gegenüber dem Zentrum des Kammermantels in einer der Gaszufuhröffnung entgegengesetzten Richtung versetzt ist.
Bei dem herkömmlichen Wärmetauscher ist das als Kreisring angeordnete Rohrbündel konzentrisch zu der ebenfalls im Wesentlichen zylindrisch ausgebildeten Kammer des Wärmetauschers angeordnet. Gemäß der vorliegenden Erfindung wird dagegen von dieser Konzentrizität abgewichen und das Rohrbündel gegenüber dem Kammermantel versetzt, so dass der zwischen dem Rohrbündel und dem Kammermantel gebildete Gasraum von einer der Gaszufuhröffnung zugewandten maximalen Breite sich zu der entgegengesetzten Seite des Rohrbündels immer stärker verjüngt. Beim Anströmen des dem Wärmetauscher zugeführten Gases erhöht sich aufgrund der Verjüngung der Druck in dem Gasraum zunehmend bis zu einem Maximum auf der der Gaszufuhröffnung abgewandten Seite. Hierdurch kann der Druckaufbau beim Auftreffen des Gases auf das Rohrbündel im Bereich der Gaszufuhröffnung kompensiert werden, so dass das Gas über den gesamten Umfang des Rohbündels mit gleichmäßiger Geschwindigkeit durch das Rohrbündel hindurch und in den von diesem umschlossenen Innenraum eintritt. Ein gleichmäßiger Wärmeübergang in allen Bereichen des Rohrbündels kann gewährleistet werden.
Eine besonders gleichmäßige Strömungsverteilung ergibt sich erfindungsgemäß insbesondere dann, wenn das Zentrum des Rohrbündels um 30 bis 70%, vorzugsweise etwa 50% der Breite des zentrischen Gasraums gegenüber dem Zentrum des Kammermantels versetzt ist. Unter ”zentrischem Gasraum” wird hierbei der Gasraum verstanden, wie er bei einer konzentrischen Anordnung des Rohrbündels gegenüber dem Kammermantel erreicht würde. Bei einer zylindrischen Ausgestaltung der Kammer hätte das Rohrbündel in diesem Fall über seinen gesamten Umfang einen gleichmäßigen Abstand zu der Kammerwand. Auch der Gasraum hätte eine gleichmäßige Breite. Aus dieser Position wird nun das Rohrbündel um etwa 30 bis 70% der Breite des Gasraums verschoben. Wird anstelle einer zylindrischen Kammer eine polygonal oder anders geformte Kammer eingesetzt, so sind für die Verschiebung des Rohrbündels die minimalen Abstände zur Kammerwand maßgeblich. Polygonal geformte Kammern haben allerdings Nachteile hinsichtlich der Strömungsverteilung.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist die Gaszufuhr öffnung einen ovalen Querschnitt auf, wobei der maximale Durchmesser der Gaszufuhröffnung vorzugsweise 70 bis 95%, weiter bevorzugt 85 bis 90%, des Abstandes von das Rohrbündel in axialer Richtung begrenzenden Rohrplatten beträgt. Die Gaszufuhröffnung erstreckt sich somit über die wesentliche Länge des Rohrbündels.
Erfindungsgemäß ist die Hauptachse der Kammer im Wesentlichen horizontal ausgerichtet, so dass eine einfache Drainage von sich im unteren Bereich ansammelnder Schwefelsäure möglich ist. Hierzu ist erfindungsgemäß im unteren Bereich der Kammer ein Drainageauslass vorgesehen.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung weist die erste Kammer des Wärmetauschers nur etwa 10 bis 30%, vorzugsweise 15–20% der gesamten Wärmetauschfläche des Wärmetauschers auf. Dadurch lässt sich die Temperaturerhöhung des Schwefeldioxids (SO2) auf etwa 5–30 K, vorzugsweise 15–20 K, begrenzen, so dass ein Unterschreiten der Taupunkttemperatur der Schwefelsäure weitgehend vermieden wird. Entsprechend ergibt sich eine minimierte Kondensation von Schwefelsäure.
In Weiterbildung der Erfindung schließt sich an die Kammer ein vertikaler Wärmetauschabschnitt an, in welchem eine Vielzahl von Rohren in im Wesentlichen vertikaler Richtung angeordnet ist. Der vertikale Wärmetauschabschnitt weist erfindungsgemäß etwa 70 bis 90% der Wärmetauschfläche des Wärmetauschers auf. Da in diesem Bereich aufgrund der höheren Temperaturen nur geringe Korrosionsgefahren bestehen, kann der vertikale Wärmetauschabschnitt aus kostengünstigeren Materialen hergestellt werden.
Weitere Ziele, Merkmale und Anwendungsmöglichkeiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels und der Zeichnung. Dabei bilden alle beschriebenen und/oder bildlich dargestellten Merkmale für sich oder in beliebiger Kombination den Gegenstand der Erfindung, unabhängig von ihrer Zusammenfassung in den Ansprüchen oder deren Rückbeziehung.
Es zeigen:
1 schematisch einen Schnitt durch einen erfindungsgemäßen Wärmetauscher,
2 schematisch einen Schnitt durch die erste Kammer des Wärmetauschers.
Der erfindungsgemäße Gas/Gas-Wärmetauscher 1 umfasst eine im Wesentlichen horizontale Kammer 2, die über ein sich an eine Gasauslassöffnung anschließendes Gasabfuhrrohr 3 mit einem vertikalen Wärmetauschabschnitt 4 verbunden ist. Die horizontale Kammer 2 und der vertikale Wärmetauschabschnitt 4 sind über entsprechende Lagerungen 5 am Boden befestigt.
Wird der Wärmetauscher 1 in einer Kontaktgruppe einer Schwefelsäureanlage eingesetzt, so wird der horizontalen Kammer 2 über eine Gaszufuhröffnung 6 kaltes SO2-haltiges Gas zugeführt. In der Kammer 2 ist ein Scheiben- und Kreisring-Wärmetauscher 7 vorgesehen. Die Kammer 2 wird über Abdeckungen 8, 9 verschlossen, wobei die dem vertikalen Wärmetauschabschnitt 4 zugewandte Abdeckung 9 von dem Gasabfuhrrohr 3 durchtreten wird.
Auch der vertikale Wärmetauschabschnitt 4 ist als Scheiben- und Kreisring-Wärmetauscher ausgebildet, wie es in 1 schematisch dargestellt ist. Das durch das Gasabfuhrrohr 3 zentral zugeführte Gas wird radial nach außen umgelenkt und durchtritt hier nur schematisch angedeutete Rohrbündel 10, in denen zu kühlendes SO3-haltiges Gas strömt. Hinter einer Scheibe 11 wird das SO2-haltige Gas wieder nach innen umgelenkt, wobei es erneut durch ein Rohrbündel 10 hindurchtritt. Diese Ausgestaltung des vertikalen Wärmetauschers 4 ist allgemein üblich, so dass hierauf nicht näher eingegangen wird.
In 2 wird der Aufbau der ersten Wärmetauschkammer 2 näher dargestellt. In der im Wesentlichen zylindrisch ausgebildeten Kammer 2 ist ein als Kreisring ausgebildetes Rohrbündel 12 vorgesehen, das durch eine Vielzahl parallel zu dem Kammermantel 13 der Kammer 2 verlaufender Rohre 14 gebildet wird. Zwischen dem Kammermantel 13 und dem Rohrbündel 12 ist ein Gasraum 15 vorgesehen. Im Inneren des kreisringförmigen Rohrbündels 12 ist ein Innenraum 16 vorgesehen, der in das Gasabfuhrrohr 3 übergeht. In axialer Richtung wird das Rohrbündel 12 durch in 1 angedeutete Rohrplatten (Scheiben) 17 begrenzt. Da die Rohrplatten 17 vertikal angeordnet sind, kann sich bildendes Schwefelsäurekondensat nach unten abfließen und eine Korrosion hervorrufende Ansammlung des Kondensats auf den Rohrplatten wird vermieden. Im unteren Bereich der Kammer 2 ist wenigstens ein Drainageablass 18 vorgesehen, um sich ansammelndes Schwefelsäurekondensat abzuziehen.
Die Gaszufuhröffnung 6 ist oval ausgebildet, wobei der größte Durchmesser der ovalen Gaszufuhröffnung 6 etwa 70 bis 95% des Abstandes der Rohrplatten 17 und damit der Länge des Rohrbündels 12 beträgt. Dadurch wird das durch die Gaszufuhröffnung 6 zugeführte SO2-haltige Gas im Wesentlichen über die gesamte Länge des Rohrbündels 10 in den Gasraum 15 eingebracht.
Wie in 2 deutlich zu erkennen ist, ist das Rohrbündel 12 gegenüber dem Kammermantel 13 versetzt. Gemäß der Erfindung ist der Versatz hierbei so gewählt, dass das Zentrum Z_R des Rohrbündels um 30 bis 70%, insbesondere etwa 50% der Breite B des zentrischen Gasraums (ermittelt bei fiktiv konzentrisch in der Kammer 2 angeordnetem Rohrbündel 12) zu dem Zentrum Z_K der Kammer 2 versetzt ist.
Wird das SO2-haltige Gas nun durch die Gaszufuhröffnung 6 in die Kammer 2 eingeführt, so verteilt es sich in dem Gasraum 15 und strömt anschließend radial zwischen den Rohren 14 des Rohrbündels 12 in den Innenraum 16. Aufgrund der versetzten Anordnung des Rohrbündels gegenüber dem Kammermantel 13 ergibt sich eine gleichmäßige radiale Strömung des Gases über den gesamten Umfang des Rohrbündels 12. Dadurch wird auch ein gleichmäßiger Wärmeübergang über den gesamten Umfang des Rohrbündels und damit ein effektiverer Wärmetausch erreicht.
Das in den Innenraum 16 eingetretene, durch Wärmetausch mit dem in dem Rohrbündel 12 strömenden Gas erwärmte SO2-haltige Gas wird über das Gasabfuhrrohr 3 in den vertikalen Wärmetauschabschnitt 4 eingebracht und im Gegenstrom zu dem meist von oben in den vertikalen Wärmetauschabschnitt 4 eingeführten SO3-haltigen Gas weiter erwärmt.
Bezugszeichenliste

1: Wärmetauscher
2: Kammer
3: Gasabfuhrrohr
4: vertikaler Wärmetauschabschnitt
5: Lagerung
6: Gaszufuhröffnung
7: Scheiben- und Kreisring-Wärmetauscher
8, 9: Abdeckungen
10: Rohrbündel
11: Scheiben
12: Rohrbündel
13: Kammermantel
14: Rohre
15: Gasraum
16: Innenraum
17: Rohrplatten
18: Drainageablass
A: Hauptachse der Kammer 2
B: Breite des Gasraums 15
Z_K: Zentrum der Kammer 2
Z_R: Zentrum des Rohrbündels 12

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Nicht-Patentliteratur

Winnacker/Küchler, Chemische Technik: Prozesse und Produkte, hrsg. von Roland Dittmeyer et al., Band 3: Anorganische Grundstoffe, Zwischenprodukte, Seite 96 f., Wiley-VCH Verlag, Weinheim, 2005 [0002]

Claims

Wärmetauscher (1), insbesondere zur Verwendung in der Kontaktgruppe einer Schwefelsäureanlage, mit einer Kammer (2), in welcher ein Rohrbündel (12) auf einem Kreisring angeordnet ist, wobei zwischen dem Rohrbündel (12) und einem das Rohrbündel (12) umgebenden Kammermantel (13) ein Gasraum (15) ausgebildet ist, mit einer in dem Kammermantel (13) vorgesehenen Gaszufuhröffnung (6) zur Einbringung eines Gases in den Gasraum (15) im Wesentlichen radial zu dem Rohrbündel (12) und mit einer Gasauslassöffnung, die sich an einen von dem Rohrbündel (12) umschlossenen Innenraum (16) in im Wesentlichen axialer Richtung anschließt, dadurch gekennzeichnet, dass das Zentrum (Z_R) des Rohrbündels (12) gegenüber dem Zentrum (Z_K) des Kammermantels (13) in einer der Gaszufuhröffnung (6) entgegengesetzten Richtung versetzt ist.
Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Zentrum des Rohrbündels (12) um 30 bis 70% der Breite (B) des zentrischen Gasraums (15) gegenüber dem Zentrum (Z_K) des Kammermantels (13) versetzt ist.
Wärmetauscher nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Gaszufuhröffnung (6) einen ovalen Querschnitt aufweist.
Wärmetauscher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der maximale Durchmesser der Gaszufuhröffnung (6) 70 bis 95% des Abstandes von das Rohrbündel (12) in axialer Richtung begrenzenden Rohrplatten (17) beträgt.
Wärmetauscher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Hauptachse (A) der Kammer (2) im Wesentlichen horizontal ausgerichtet ist.
Wärmetauscher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an der Kammer (2) ein Drainageauslass (18) vorgesehen ist.
Wärmetauscher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kammer (2) des Wärmetauschers (1) etwa 10 bis 30% der Wärmetauschfläche des Wärmetauschers (1) aufweist.
Wärmetauscher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich an die Gasauslassöffnung der Kammer (2) ein vertikaler Wärmetauschabschnitt (4) anschließt, in welchem eine Vielzahl von Rohren in im Wesentlichen vertikaler Richtung angeordnet ist.
Wärmetauscher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der vertikale Wärmetauschabschnitt (4) etwa 70 bis 90% der Wärmetauschfläche des Wärmetauschers (1) aufweist.