Теплообменник

011836 Настоящее изобретение относится к теплообменнику. Более конкретно, изобретение относится к теплообменнику для быстрого охлаждения высокотемпературного газа. Еще более конкретно, изобретение относится к теплообменнику для охлаждения синтез-газа (синтетического газа), получаемого при неполном каталитическом окислении легких углеводородов, например метана. Известно, что получение синтетического газа, газовой смеси, содержащей в различных пропорцияхH2 и CO, может осуществляться путем неполного каталитического окисления природного газа, метана или газожидкостных углеводородных смесей на нефтеперерабатывающих и нефтехимических заводах в стационарных трубчатых реакторах, которые в зависимости от используемого катализатора могут работать в диапазоне давлений от 1 до 150 атм и при температурах выше 500 С, которые в некоторых случаях могут достигать и превышать 1000 С. На выходе реакторной установки требуется быстрое охлаждение синтетического газа, поскольку,если газ даже очень недолго сохраняет высокую температуру, могут образовываться нежелательные побочные продукты, такие как спирты или олефины (по существу, этилен и пропилен), или даже может регенерироваться исходный метан. Системы быстрого охлаждения высокотемпературного газа известны,например, из US 2896927 и US 4377132 или из брошюры ALSTOM Syngas Cooler Systems for Gasification Plants. Некоторые способы и относящееся к ним оборудование основаны на непосредственном охлаждении газа водой (резкое охлаждение). Недостатком такого решения является необходимость отделения охлажденного синтетического газа от образовавшегося водяного пара. Другие промышленные системы содержат оборудование для охлаждения с использованием промежуточного хладоносителя, которое позволяет рекуперировать тепло синтетического газа для получения пара высокого давления. Целью настоящего изобретения является создание устройства для эффективного и быстрого охлаждения синтетического газа с использованием промежуточного хладоносителя, когда в целях упрощения конструкции или по экономическим причинам рекуперации теплосодержания газа не требуется, например, при производстве водорода в средних или небольших установках. Предлагается теплообменник, особенно подходящий для быстрого охлаждения газов с температурой выше 500 С, например в диапазоне от 750 до 1000 С, который позволяет исключить контакт между горячим газом и охлаждающей жидкостью, обычно водой. Согласно изобретению теплообменник для быстрого охлаждения высокотемпературного газа, выходящего из реакторной установки/реакторного устройства, содержит соединительный элемент для присоединения к реакторной установке/устройству; охлаждающую и транспортирующую трубу для газа и закрывающий кожух, при этом: а) по существу, цилиндрический соединительный элемент расположен между реакторной установкой и кожухом теплообменника, охлаждается изнутри охлаждающей жидкостью, обычно водой, и соосно соединен посредством пропускного канала с трубопроводом подачи горячего газа, поступающего из реакторной установки; б) охлаждающая и транспортирующая труба для горячего газа прикреплена к основанию соединительного элемента, соединенного с реакторной установкой, у пропускного канала и состоит из двух участков: по существу, прямолинейного первого участка, вставленного коаксиально во вторую трубу большего диаметра, охватывающую его с образованием кольцевого пространства, в котором течет охлаждающая жидкость, обычно вода, при этом конец первого участка образует указанный пропускной канал соединительного элемента, и второго участка, прикрепленного без разрыва к первому участку на его другом конце, по существу,изогнутом в форме полуокружности, и окружающего в виде спирали по меньшей мере часть закрытого первого участка, не касаясь его; в) закрывающий кожух выполнен, по существу, цилиндрическим, закрыт на одном конце и открыт на другом конце, соединен с соединительным элементом и имеет, по меньшей мере, отверстие для выпуска охлаждающей жидкости и охлажденного газа. Пропускной канал проходит по оси соединительного элемента, соединенного с реакторным устройством, например с реактором для производства синтетического газа при температуре в диапазоне от 500 до 1100 С путем неполного каталитического окисления легких углеводородов. Наружная труба, охватывающая первый участок транспортирующей трубы для горячего газа, соединена на одном конце с одним или несколькими специальными каналами подачи охлаждающей жидкости, которые проходят через соединительный элемент. Соединительный элемент независимо охлаждается с помощью канала, подающего охлаждающую жидкость по его оси. Эта жидкость после прохождения по спиральному пути изнутри наружу вытекает из соединительного элемента через отверстие на его боковой поверхности.-1 011836 В альтернативном варианте осуществления изобретения охлаждающая жидкость, циркулирующая внутри соединительного элемента (для независимого охлаждения), может вытекать во внутреннее пространство кожуха теплообменника. Другой конец второй трубы, закрывающей первый участок, открыт и оканчивается участком, изогнутым, по существу, в форме полуокружности, так что охлаждающая жидкость после протекания между двумя трубами может свободно вытекать в замкнутое пространство кожуха, но в обратном направлении. Путь жидкости внутри кожуха определяется направляющими перегородками, расположенными перпендикулярно к его оси и служащими также опорами для обоих участков транспортирующей трубы для газа. Второй участок охлаждающей и транспортирующей трубы соединен с первым участком, по существу, без разрыва и выполнен в виде спирали. В целях экономии пространства витки спирали предпочтительно окружают первый участок трубопровода, не касаясь его. Однако спираль может быть расположена за первым участком, если смотреть по ходу процесса. Другой конец транспортирующей трубы, т.е. конец спирального участка, соединен с отверстием в кожухе, предназначенным для выпуска охлажденного газа из теплообменника наружу. Кожух имеет, по существу, цилиндрическую форму с диаметром, по существу, равным диаметру соединительного элемента и превышающим диаметра спирали. Таким образом, во внутреннем пространстве кожуха находятся первый и второй участки трубы. Пространство внутри кожуха наполнено охлаждающей жидкостью, которая вытекает из теплообменника через соответствующее выпускное отверстие. В альтернативном варианте осуществления изобретения циркулирующая жидкость, предназначенная для охлаждения соединительного элемента, тоже сливается внутрь кожуха. Вся жидкость выходит из теплообменника через соответствующее отверстие, расположенное на кожухе. В любом случае в первом или втором альтернативных вариантах осуществления изобретения состоящая из первого и второго участков трубная система полностью погружена в охлаждающую жидкость. Для лучшего понимания изобретение иллюстрируется чертежами, которые не ограничивает его объем, при этом: на фиг. 1 показан продольный разрез теплообменника; на фиг. 2 - разрез по линии ZZ на фиг. 1. Теплообменник согласно изобретению содержит соединительный элемент A; транспортирующую и охлаждающую трубную систему В для газа и кожух С. Соединительный элемент A имеет каналы 1 и 2 для подачи охлаждающей жидкости (воды), которые переходят в коаксиальную трубу 7, и охлаждающий канал 4 для независимого охлаждения соединительного элемента, по которому вода поступает к центру спирали 4', из которой она выходит через отверстие 5. Транспортирующая и охлаждающая трубная система В для газа содержит первый участок 6; окружающую его коаксиальную трубу 7 и второй участок в виде спиральной трубы 8. Первый конец 3 первого участка 6 совпадает с осевым пропускным каналом элемента А, а второй конец 3' выполнен криволинейным. Коаксиальная труба 7 охватывает первый участок от его конца 3 до криволинейного конца 3',где труба не закрыта, что позволяет воде сливаться внутрь кожуха, как описано ниже. Кожух С имеет выпускное отверстие 9 для охлажденного газа, выпускное отверстие 10 для воды и опорные перегородки 11 для двух участков транспортирующей трубы для газа. Работа теплообменника понятна из чертежей и представленного выше описания. В частности, горячий газ 12, выходящий из реакторной установки (не показана), поступает в теплообменник через пропускной канал 3 соединительного элемента А. Газ проходит по первому 6 и второму 8 участкам охлаждающей и транспортирующей трубы В и выходит с низкой температурой через выпускное отверстие 9 для газа. Когда газ проходит по первому участку 6, он подвергается первому быстрому охлаждению водой, подаваемой по каналам 1 и 2, которая циркулирует в кольцевом полом пространстве между трубами 6 и 7 и на конце 3' свободно вытекает в замкнутое пространство кожуха. Вода заполняет это пространство, дополнительно охлаждает газ, проходящий по участку 8 охлаждающей трубы, и выходит из отверстия 10. Для того чтобы при работе предотвратить перегрев соединительного элемента, он охлаждается посредством особой системы, состоящей из канала 4, по которому вода поступает в систему 4', выполненную в виде спирали, и выпускного канала 5. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ 1. Теплообменник для быстрого охлаждения высокотемпературного газа, выходящего из реакторной установки/реакторного устройства, содержащий соединительный элемент (А) для присоединения к реакторной установке/устройству; охлаждающую и транспортирующую трубу (В) для газа и закрывающий кожух (С), при этом: а) цилиндрический соединительный элемент (А) расположен между реакторной установкой и кожухом (С) теплообменника, охлаждается изнутри охлаждающей жидкостью, обычно водой, и соосно соединен посредством пропускного канала (3) с трубопроводом (12) подачи горячего газа, поступающего из реакторной установки; б) транспортирующая и охлаждающая труба (В) для горячего газа прикреплена к основанию соединительного элемента (А), соединенного с реакторной установкой, у пропускного канала (3) и состоит из двух участков: прямолинейного первого участка (6), вставленного коаксиально во вторую трубу (7) большего диаметра, охватывающую его с образованием кольцевого пространства, в котором течет охлаждающая жидкость, обычно вода, при этом конец (3) первого участка образует указанный пропускной канал соединительного элемента, и второго участка (8), прикрепленного без разрыва к первому участку (6) на его другом конце (3'),изогнутом в форме полуокружности, и окружающего в виде спирали по меньшей мере часть закрытого первого участка (6), не касаясь его; в) закрывающий кожух (С) выполнен цилиндрическим, закрыт на одном конце и открыт на другом конце, соединен с соединительным элементом и имеет по меньшей мере отверстия (9, 10) для выхода охлаждающей жидкости и охлажденного газа. 2. Теплообменник по п.1, в котором наружная труба (7), охватывающая первый участок (6) транспортирующей трубы (В) для горячего газа, на одном конце соединена с одним или несколькими специальными каналами (1, 2) для подачи охлаждающей жидкости, которые пересекают соединительный элемент (А). 3. Теплообменник по п.1 или 2, в котором соединительный элемент (А) имеет независимый канал(4), подающий охлаждающую жидкость по его оси, при этом после прохождения охлаждающей жидкости по спиральному пути (4') изнутри наружу она вытекает через отверстие (5), предусмотренное на боковой поверхности соединительного элемента. 4. Теплообменник по любому из предшествующих пунктов, в котором другой конец второй трубы(7), закрывающей первый участок (6), открыт и оканчивается криволинейным участком, так что охлаждающая жидкость после прохождения между двумя трубами может свободно течь в обратном направлении во внутреннее пространство кожуха. 5. Теплообменник по любому из предшествующих пунктов, в котором второй участок (8) охлаждающей и транспортирующей трубы соединен с первым участком без разрыва и выполнен в виде спирали. 6. Теплообменник по любому из предшествующих пунктов, в котором другой конец транспортирующей трубы, т.е. конец спирального участка, соединен с предусмотренным на кожухе отверстием (9) для выхода охлажденного газа из теплообменника наружу. 7. Теплообменник по любому из предшествующих пунктов, в котором кожух (С) имеет цилиндрическую форму с диаметром основания, равным диаметру соединительного элемента и превышающим диаметр спиралей. 8. Теплообменник по любому из предшествующих пунктов, в котором первый и второй участки трубы находятся во внутреннем пространстве кожуха (С), наполненном охлаждающей жидкостью, которая вытекает из теплообменника через соответствующее выпускное отверстие (10).