рекуперативный подогреватель технологического воздуха

Формула изобретения

Рекуперативный подогреватель технологического воздуха для производства технического углерода (сажи), включающий цилиндрический корпус, в котором расположен пучок труб, изогнутых под углом 90° и закрепленных в трубных досках, разделительные перегородки, расположенные в межтрубном пространстве, диафрагму, разделяющую межтрубное пространство на зоны прямотока и противотока, воздуховод, соединяющий эти зоны, а также входные и выходные патрубки для воздуха, отличающийся тем, что цилиндрический корпус выполнен сборным в виде отдельных секций с приваренными к ним разделительными перегородками, выступающими за пределы корпуса, при этом отношение диаметра разделительных перегородок к внешнему диаметру корпуса составляет 1,07-1,03, а отношение длины пучка труб в зоне противотока к общей длине пучка труб составляет 0,85-0,95.

Описание изобретения к патенту

Настоящее изобретение относится к производству технического углерода (сажи) путем термоокислительного разложения углеводородного сырья в продуктах полного сгорания топлива, а именно к использующимся в процессе устройствам, в которых осуществляют рекуперацию тепла сажегазовой смеси для подогрева технологического воздуха.

Известен трубчатый рекуперативный теплообменник, который содержит прямоточную и противоточную секции, размещенные в одном корпусе. Секции разделены общей трубной доской, через которую проходят трубы. Выход прямоточной секции соединен трубопроводом с входом противоточной секции. В общей трубной доске по ее поверхности выполнены перепускные отверстия. (А.С. СССР №919461, МКИ F 28 D 7/00, зарегистрировано 07.12.1981 г.)

Недостатком данного рекуператора является пониженная эффективность теплообмена между высокотемпературной сажегазовой смесью и поступающим на горение холодным воздухом вследствие большого перетока нагреваемого агента через перепускные отверстия.

Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является трубчатый рекуперативный подогреватель технологического воздуха ПВ-85. ПВ-85 включает цилиндрический корпус, в котором расположен пучок труб, изогнутых под углом 90° и закрепленных в нижней и верхней трубных досках, которые в целях самокомпенсации трубного пучка также расположены под углом 90°. В межтрубном пространстве теплообменника расположены разделительные перегородки, обеспечивающие перекрестное движение воздуха, и диафрагма, разделяющая межтрубное пространство на две изолированные друг от друга зоны и воздуховод, соединяющий эти зоны, а также входные и выходные патрубки для воздуха. В первой зоне на входе сажегазового аэрозоля с температурой 800-830°С схема движения нагреваемого воздуха выполнена прямоточной с перекрестным ходом, а во второй зоне - противоточной с перекрестным ходом.

Принятая схема движения потоков позволяет защитить входную трубную решетку от перегрева и в то же время эффективно использовать теплообменную поверхность. При температуре сажегазового аэрозоля 800-830°С уровень подогрева технологического воздуха составляет 500-530°С. (Орлов В.Ю. и др. "Производство и использование технического углерода для резин", Ярославль, изд. А.Рутман, 2002, с.221-222.)

К недостаткам данной конструкции относится недостаточная герметичность разделительных перегородок, перетекание воздуха из одной полости перекрестного движения в другую в связи с тем, что кольцевое пространство между разделительными перегородками и корпусом из-за пучка труб под углом 90° выполняется величиной в 3-4 мм. Перетекание воздуха из одной полости перекрестного движения воздуха в другую снижает эффективность нагрева воздуха и приводит к увеличению разности температур аэрозоля на входе в аппарат и температурой нагретого воздуха на выходе из теплообменника. Другим недостатком конструкции является развитая прямоточно-перекрестная часть нагревательного пучка труб и уменьшенная в связи с этим противоточно-перекрестная его часть. Совокупность этих недостатков приводит к тому, что разность температур между аэрозолем на входе в рекуператор и технологического воздуха на выходе из аппарата составляет 300°С, т.е. температура подогретого технологического воздуха составляет не более 520°С.

Целью настоящего изобретения является повышение степени передачи тепла от высокотемпературного сажегазового аэрозоля к холодному технологическому воздуху и достижение при неизменной (в сравнении с прототипом) поверхности нагрева и общей массы легированной стали, из которой изготовлен теплообменник, подогрева технологического воздуха до 620-650°С. При этом температура сажегазового аэрозоля на входе в рекуператор остается на уровне 800-830°С. Повышение температуры технологического воздуха, подаваемого в процесс, приводит к снижению удельного газообразования процесса и, соответственно, снижению себестоимости целевого продукта.

Предлагаемый рекуперативный подогреватель технологического воздуха для производства технического углерода включает цилиндрический корпус, выполненный сборным в виде отдельных секций с приваренными к ним разделительными перегородками, обеспечивающими перекрестное движение воздуха и выступающими за пределы корпуса, при отношении диаметра разделительных перегородок к внешнему диаметру корпуса 1,07-1,03. В цилиндрическом корпусе расположен пучок труб, изогнутых под углом 90° и закрепленных в трубных досках, а также диафрагма, разделяющая межтрубное пространство на зоны прямотока и противотока, и воздуховод, соединяющий эти зоны, причем отношение длины пучка труб в зоне противотока к общей длине пучка труб составляет 0,85-0,95. Кроме того, имеются входные и выходные патрубки для воздуха и сажегазового аэрозоля.

Отличительными признаками данного технического решения являются выполнение цилиндрического корпуса рекуператора сборным в виде отдельных секций с приваренными к ним разделительными перегородками, обеспечивающими перекрестное движение воздуха, и которые выступают за пределы корпуса. При этом отношение диаметра разделительных перегородок к внешнему диаметру корпуса составляет 1,07-1,03, а отношение длины пучка труб в зоне противотока к общей длине пучка труб составляет 0,85-0,95.

Таким образом, предлагаемая совокупность существенных признаков при температуре подаваемого в теплообменник аэрозоля, равной 800-830°С, позволит обеспечить подогрев технологического воздуха до 620-650°С. Это, в свою очередь, снизит себестоимость получаемого продукта и, соответственно, улучшит экономические показатели процесса получения технического углерода.

Предлагаемая конструкция рекуперативного теплообменника за счет выполнения цилиндрического корпуса рекуператора сборным в виде отдельных секций с приваренными к ним разделительными перегородками, которые выступают за пределы корпуса (соотношение диаметров перегородок и внешнего диаметра корпуса теплообменника составляет 1,07-1,03), и скрепление секций корпуса между собой с помощью сварки позволит устранить образование кольцевых пространств между разделительными перегородками и корпусом, через которые происходил переток воздуха.

Поток воздуха, проходя полости подогревателя, ограниченные разделительными перегородками, наиболее полно контактирует со стенками труб, по которым течет высокотемпературный поток сажегазового аэрозоля. При этом обеспечивается наибольшая теплопередача между рабочими средами и наибольший теплосъем с нагретых труб, т.к. резко исключается количество теневых зон, которые ранее образовывались в большом количестве, особенно в зоне изгиба пучка труб по углом 90°.

Следует заметить, что увеличение величины соотношения диаметра перегородки к внешнему диаметру корпуса более 1,07 увеличивает габариты устройства и тепловые потери при сварке, а его уменьшение менее 1,03 приводит к ослаблению сварных швов.

Особенностью данной конструкции теплообменника является также соотношение размеров зон прямо- и противотока. Это достигается тем, что соотношение длины пучка труб в зоне противотока к общей длине пучка труб теплообменника составляет 0,85-0,95.

При снижении указанного соотношения менее 0,85 общая эффективность нагрева технологического воздуха снижается, а при увеличении более 0,95 возрастает гидравлическое сопротивление аппарата.

На чертеже представлен продольный разрез предлагаемого рекуперативного подогревателя технологического воздуха.

Рекуперативный подогреватель технологического воздуха содержит цилиндрический корпус 1, собранный из отдельных секций 2, образованных фрагментом корпуса 3 с приваренной к нему горизонтальной разделительной перегородкой 4. При этом отношение диаметра разделительных перегородок 4 к внешнему диаметру корпуса составляет 1,07-1,03.

Внутри корпуса 1, собранного с помощью герметически соединенного между собой путем сварки определенного числа секций 2, вертикально установлен с помощью трубных решеток 5 и 6 пучок из труб 7, изогнутых под углом 90°. Межтрубное пространство рекуператора с помощью диафрагмы 8 разделено на зону прямотока 9 (L₂) и зону противотока 10 (L ₁), которые соединены между собой воздуховодом 11. Причем диафрагма 8 установлена таким образом, что отношение длины труб в зоне 10 (L₁) к общей длине труб теплообменника составляет 0,85-0,95. Зона 9 (L₂) снабжена патрубком для ввода холодного технологического воздуха 12, установленного вблизи трубной решетки 5, а зона 10 (L₁) - патрубком 13 для вывода нагретого воздуха.

Трубчатый рекуператор работает следующим образом.

Нагреваемый технологический воздух с температурой 20°С по патрубку 12 поступает в межтрубное пространство зоны прямотока 9 (L₂), частично нагреваясь теплом сажегазового аэрозоля с температурой 830°С, который проходит по трубам 7. Огибая перегородку 4, подогретый воздух по воздуховоду 11 поступает в противоточную зону 10 (L₁ ), где, проходя полости секций подогревателя, омывает стенки труб 7 и нагревается до заданной температуры - 650°С.

Результаты испытания предлагаемого технического решения в сравнении с прототипом приведены в таблице.

Таблица.
Параметры процесса работы теплообменника	Прототип	Предлагаемое изобретение
1. Поверхность нагрева, м 2	85	85
2. Расход аэрозоля, нм3 /ч	9500	9500
3. Расход воздуха, нм3 /ч	6100	6100
4. Температура аэрозоля на входе в рекуператор, °С	800-830	800-830
5. Температура воздуха на входе в рекуператор, °С	20	20
6. Температура воздуха на выходе из рекуператора, °С	500-530	630-650

Таким образом, анализ таблицы показывает, что использование предлагаемого изобретения при сохранении неизменными всех параметров процесса подогрева технологического воздуха повышает его температуру более чем на 100°С.