<Desc/Clms Page number 1>
BESCHRIJVING behorende bij een INVOEROCTROOIAANVRAGE ten name van :
Exxon Research and Engineering Company gevestigd te :
Florham Park, New Jersey,
Verenigde Staten van Amerika voor : "Het ondersteunen van het gewicht van een stelsel in een warme omgeving".
Gebaseerd op het octrooi in Groot-Brittannië nr. 2.062. 835 van 27 juli 1983 verleend op de aanvrage nr. 79 37 866 van 1 november 1979, met een duur van 20 jaar vanaf laatstgenoemde datum en op het Canadese octrooi nr. 1.178. 497 verleend op 27 november 1984 met een duur van 17 jaar vanaf laatstgenoemde datum.
<Desc/Clms Page number 2>
De uitvinding heeft betrekking op het ondersteunen van het gewicht van een stelsel in een warme omgeving en meer in het bijzonder doch niet uitsluitend op het ondersteunen van het gewicht van een stelsel, dat wordt blootgesteld aan een warm fluidum.
Wanneer tenminste een deel van het gewicht van een stelsel, dat is blootgesteld aan een warme omgeving, moet worden ondersteund, zijn de ondersteuningsorganen of (1) zodanig opgesteld, dat deze zich buiten de warme omgeving bevinden of (2) bevinden deze zich in de warme omgeving en bestaan zij of uit een legering, welke bestendig is tegen hoge temperaturen, of een goedkoper materiaal, dat tegen de invloed van hoge temperaturen is beschermd of in sterkte aan hoge temperaturen is aangepast. In de laatste twee gevallen kunnen de ondersteuningsorganen worden afgekoeld opdat de sterkte daarvan tenminste adequaat is om het gewicht te ondersteunen. In sommige gevallen wordt het gewicht van een dergelijk stelsel door meer dan een van de bovengenoemde typen ondersteuningsorganen ondersteund.
In vele gevallen moet tenminste een deel van het gewicht van een stelsel door gekoelde organen in de warme omgeving worden ondersteund.
Een gebruikelijke constructie voor deze gevallen bestaat daarin, dat de open zijden van een ondersteuningsbalk of bint met een I-doorsnede met een dunne metalen plaat is afgesloten om aan elke zijde van de centrale ribben een leiding te vormen en door de leidingen lucht en/of stoom te blazen.
Een bezwaar van deze constructie is, dat een inrichting en vermogen nodig zijn om de lucht en/of stoom door de leiding te blazen. Een andere constructie bestaat daarin, dat er gebruik wordt gemaakt van de trek van een schoorsteen om lucht via de leidingen aan te zuigen, doch dit heeft het bezwaar, dat de trek van de schoorsteen wordt gereduceerd. Een bezwaar, dat voor de beide bovengenoemde constructies geldt, is, dat de warmte, die door de koellucht en/of stoom wordt afgevoerd, bij afvoer uit de leidingen bij een zo lage temperatuur, die in het algemeen onvoorspelbaar is, aanwezig is, dat de afgevoerde warmte niet op een normale wijze kan worden gebruikt en dien, tengevolge het thermische rendement van de uitrusting waarin de warme omgeving optreedt wordt gereduceerd.
De uitvinding voorziet in een inrichting voorzien van organen, welke
<Desc/Clms Page number 3>
een gebied bepalen voor het onderbrengen van een warme omgeving, en een stelsel, waarvan tenminste een deel zich in het genoemde gebied bevindt en waarvan tenminste een deel van het gewicht daarvan wordt ondersteund op en/of door ondersteuningsorganen met het kenmerk, dat de ondersteuningsorganen zijn voorzien van tenminste een in hoofdzaak horizontale van een aantal pijpen voorziene warmte-uitwisselaar, welke tussen de uiteinden daarvan aan het genoemde gebied is blootgesteld, en organen, welke de warmte-uitwisselaar aan tegenover elkaar gelegen zijden van het genoemde gebied ondersteunen.
Een van een aantal pijpen voorziene warmte-uitwisselaar wordt gedefinieerd als een warmte-uitwisselaar, welke is voorzien van een buitenleiding, die tenminste een binnenleiding omgeeft en dient voor het verschaffen van een stroomkanaal voor fluidum tussen de buitenwand (wanden) van de binnenleiding (leidingen) en de binnenwand van de buitenleiding, en waarbij een aantal binnenleidingen naast elkaar in de buitenleiding kan zijn opgesteld of steeds een binnenleiding binnen een andere kan zijn opgesteld of zodanig is opgesteld, dat enige binnenleidingen naast elkaar liggen en sommige in elkaar zijn gelegen.
Bij voorkeur zijn organen aanwezig, welke met de warmte-uitwisselaar zijn verbonden of daarmede kunnen worden verbonden om daaraan een koelfluidum met een zodanige snelheid toe te voeren, dat de temperatuur van de warmte-uitwisselaar in een gebied wordt gehouden, waarin de sterkte van de warmte-uitwisselaar voldoende is om het genoemde deel van het gewicht van het stelsel tijdens het bedrijf te ondersteunen.
Bij voorkeur treedt het koelfluidum de warmte-uitwisselaar aan dezelfde zijde van het genoemde gebied binnen als waarin het fluidum de warmte-uitwisselaar verlaat.
De warmte-uitwisselaar kan aan een uiteinde zijn bevestigd, waarbij het andere uiteinde vrij is om een thermische uitzetting en samentrekking op te nemen.
De warme omgeving kan worden verkregen door een warm fluidum. Het warme fluidum kan bestaan uit een gas, dat zwaveloxide en water bevat (het gas kan bijvoorbeeld een verbrandingsgas zijn). Bij voorkeur wordt het koelfluidum zodanig door de warmte-uitwisselaar gevoerd, dat de temperatuur van de warmte-uitwisselaar, welke in contact staat met het warme
<Desc/Clms Page number 4>
gas, boven het dauwpunt wordt gehouden.
De inrichting kan zijn voorzien van een leiding om tenminste een deel van het koelfluidum uit een uitlaat van de warmte-uitwisselaar naar een inlaat van een warmte-overdrachtsuitrusting te voeren, welke tenminste een deel van het genoemde stelsel vormt, waardoor tijdens het bedrijf tenminste een deel van het koelfluidum tenminste een deel van een warmte-uitwisselfluidum vormt, dat door de warmte-overdrachtsuitrusting wordt gevoerd.
Tenminste een deel van het warmte-uitwissel, fluidum kan worden gevormd door tenminste een deel van het uit de warmte-uitwisselaar met een een aantal pijpen teruggewonnen koelfluidum.
EMI4.1
o Het warme gebied kan een temperatuur van of meer, bijvoorbeeld 900 tot 13500C hebben en in sommige gevallen (bijvoorbeeld een stoomkraakoven, waarin het genoemde stelsel de kraakspoelen omvat) kunnen de temperaturen in het gebied van 925 tot 131SoC zijn gelegen.
De uitvinding voorziet voorts in een oven of een soortgelijke verwarmingsinstallatie, welke is voorzien van een inrichting zoals deze boven is beschreven.
De uitvinding voorziet voorts in een werkwijze voor het bedrijven van de bovenbeschreven inrichting of de genoemde oven, welke de genoemde inrichting omvat, welke werkwijze omvat het door het genoemde gebied voeren van een warm gas teneinde te voorzien in de warme omgeving, het aan een pijp van een warmte-uitwisselaar met een aantal pijpen toevoeren van een koelfluidum en het uit een goederen pijp van de warmte-uitwisselaar met een aantal pijpen terugwinnen van het koelfluidum teneinde de warmteuitwisselaar op een zodanige temperatuur te houden, dat de sterkte van de warmte-uitwisselaar voldoende is om het genoemde deel van het gewicht van het stelsel te ondersteunen.
Bij voorkeur wordt de uitvinding zodanig toegepast, dat de buitenste pijp van de warmte-uitwisselaar met een aantal pijpen afmetingen heeft, welke tenminste adequaat zijn voor het ondersteunen van de belasting, welke door het genoemde deel van het gewicht van het stelsel bij de operationele temperatuur van de buitenste pijp wordt opgelegd. De buitenste pijp werkt als een holle ondersteuningsbalk en kan elke willekeurige dwarsdoorsnede vorm hebben-bijvoorbeeld onder meer cirkelvormig, rechthoekig,
<Desc/Clms Page number 5>
vierkant zijn. Rechthoekige (bijvoorbeeld vierkant) dwarsdoorsnede configuraties verdienen de voorkeur voor het gemakkelijk passen in of om andere uitrustingsonderdelen.
De binnenste pijp (pijpen) hebben bij voorkeur op een bekende wijze zodanige afmetingen, dat wordt voorzien in een adequate regeling van de bedrijfstemperatuur van de buitenste pijp, bij voorkeur bij een aanvaardbare stroomsnelheid van het koelfluidum. De temperatuur regeling kan voor een bepaald stroomoppervlak van de binnenste pijp (pijpen) en een bepaalde koelmiddelstroomsnelheid worden gemodifieerd door gebruik te maken van verlengde warmte-overdrachtsoppervlakken, welke bij de binnenpijp (pijpen) en/of de buitenpijp behoren. De bedrijfstemperatuur van de buitenste pijp zal afhankelijk zijn van het materiaal waaruit de pijp is vervaardigd.
Een uit goedkoop koolstofstaal bestaande buitenste pijp zal een buitenoppervlak de temperatuur hebben, welke niet hoger ligt dan 4000C of in de buurt daarvan, en de overeenkomstige maximale oppervlakte temperaturen voor Cr (2t%) Mo (l%) staal zullen ongeveer 540 C bedragen en voor 18/8 roestvrij staal ongeveer 7900C zijn. Het is duidelijk, dat het niet nodig is dure warmte bestendige materialen zoals HK-40 te gebruiken of gebruik te maken van een thermische isolatie om de buitenste pijp tegen de invloed van hoge temperaturen te beschermen.
De uitvinding zal nu worden beschreven onder verwijzing naar de bijgaande schematische tekeningen, waarin :
Figuur 1 een schematische verticale doorsnede van een procesfluidum verwarmingsoven (bijvoorbeeld een stroomkraakoven voor de olefineproduktie of een"visbreaking"-oven) is, en
Figuur 2 een schema van een deel van een oven, zoals die is weergeeven in figuur 1, overeenkomstig de uitvinding.
Wanneer eerst wordt verwezen naar figuur 1 omvat de oven 10 verticale wanden 11, welke met een vuurvast materiaal zijn bekleed, en welke wanden een aantal secties met gereduceerd horizontaal dwarsdoorsnede oppervlak bij de hogere niveaus bepalen en welke secties zijn verbonden door hellende secties. De bovenste sectie 12 is met een (niet weergegeven) schoorsteen verbonden voor het afvoeren van verbrandingsgassen uit de bovenzijde van de oven 10.
Bij de basis van de oven is een geschikt aantal branders (niet weergegeven) aanwezig, die door een ovenvloer 13 worden ondersteund. Aan de
<Desc/Clms Page number 6>
of elke brander wordt brandstof toegevoerd, welke in een vlam 14 boven de vloer 13 wordt verbrand. In de nabijheid van de vlam 14 treedt een sterke straling op en bij meer veraf gelegen plaatsen boven de vlam geschiedt het grootste gedeelte van de verwarming van de vlam door convectie via het medium van de verbrandingsgassen en het overschot aan warme lucht.
De meeste brandstoffen bevatten zwavel en derhalve bevatten de ver- brandingsgassen zwaveloxiden naast de waterdamp, welke wordt gevormd door oxidatie van de waterstof bevattende componenten van de brandstof.
In het algemeen wordt het procesfluidum, dat moet worden verhit, meer of minder in tegenstroom ten opzichte van de verbrandingsgassen geleid, zodat een koelfluidum wordt gebruikt voor het terugwinnen van warmte uit de verbrandingsgassen bij de bovenzijde van de oven en wel in hoofdzaak door een convectie-warmteoverdracht, en wordt het verwarmde fluidum ten- slotte in hoofdzaak door stalingswarmte-overdracht in de nabijheid van de vlam 14 verwarmd. Derhalve treedt, zoals uit figuur 1 blijkt, het pro- cesfluidum de oven 10 bij de bovenzijde via de buis 15 binnen en doorloopt een (of meer) stellen of rijen buizen 16, die in een convectie sectie 17 van de oven zijn opgesteld voor het terugwinnen van warmte uit de warme verbrandingsgassen, die zich naar boven naar de bovenste sectie 12 en de schoorsteen vanuit een onderste sectie 18, welke een vuurkist omvat, bewegen.
Het fluidum beweegt zich door de buizen 16 in een in het alge- meen tegenstroombaan ten opzichte van de verbrandingsgassen en rela- tief warmfluidum circuleert vanuit de buizen 16 naar een of meer rijen buizen 19 in de onderste sectie 18, welke de vlam omgeeft, waarin een groot gedeelte van de warmte bij hoge temperatuur uit de straling in de onderste sectie 18 wordt teruggewonnen. Het fluidum verlaat de rij of rijen buizen 19 via een uitlaat of uitlaten 20 bij een relatief hoge tem- peratuur.
De buizen 16 in de convectie sectie 17 worden gewoonlijk door een pijpenplaat (niet weergegeven in figuur 1) bij elk uiteinde van de res- pectieve rij (en dikwijls ook in tussen gelegen punten, niet weergegeven) ondersteunt en de pijpenplaten bestaan gewoonlijk uit gietijzer of staal of gegoten legeringen voor hoge temperatuur. Het is duidelijk, dat voor vele ovens van het onder verwijzing naar figuur 1 beschreven type, een convectie rij van buizen 16 zeer zwaar kan zijn, zelfs bij een oven met
<Desc/Clms Page number 7>
een middelmatig uitgangsvermogen, en gewoonlijk heeft een dergelijke rij een gewicht van enige tonnen.
Een gedeelte van dit gewicht kan door een relatief koelgebied boven de confectie sectie 17 worden ondersteund doch tenminste een deel van de belasting moet worden ondersteund in het meest warme gebied-dat wil zeggen bij de bodem van de sectie 17 in de oven 10. Bovendien moet de ondersteuning voor de rij pijpen bij voorkeur in staat zijn de thermische uitzetting-en samentrekkingsbewegingen op te nemen opdat de voorspelde bedrijfslevensduur van de pijpen 16 wordt verkregen, meer in het bijzonder wanneer een procesfluidum, dat door de rij wordt gevoerd, ontvlambaar is en/of een relatieve hoge druk bezit.
Thans wordt verwezen naar figuur 2, waarin een rij 29 van de pijpen 16 van de convectie sectie 17 is weergegeven, welke met een uiteinde is opgenomen in een pijpenplaat 30. De pijpen 16 zijn in verticale dwarsdoorsnede afgebeeld. Andere gelijke pijpenplaten (niet weergegeven) bevinden zich bij het andere uiteinde van de pijpen 16 en in tussen gelegen punten.
Tenminste een deel van het gewicht van de rij 29 en de pijpenplaten 30 wordt opgenomen door een of meer warmte-uitwisselaars 31 met twee pijpen (waarvan er in figuur 2 slechts een is weergegeven). De rij en pijpenplaten kunnen direct op de warmte-uitwisselaars 31 of indirect via een geschikte tussengelegen onderdelen (niet weergegeven) rusten. Elke warmte-uitwisselaar 31 strekt zich uit over de stroombaan 33 van de warme gassen, welke wordt bepaald tussen verticale wanden 34, 35 van de convectie sectie 17 van de oven, en wordt opgenomen in en ondersteund door de verticale wanden 34, 35 aan elke zijde van de baan 33. De warmte-uitwisselaars 31 kunnen direct op een of beide wanden of indirect via een geschikt tussen gelegen onderdeel (niet weergegeven) worden ondersteund.
De warmte-uitwisselaars 31 kunnen alle met de inlaten en uitlaten daarvan aan dezelfde zijde van de baan 17 zijn opgesteld doch in sommige gevallen zijn andere opstellingen meer geschikt en/of passend. Zoals aangegeven in figuur 2, bezit de warmte-uitwisselaar 31 de inlaat en uitlaat daarvan bij de wand 34 en wordt een koelfluidum aan de centrale pijp 36 bij het inlaateind 37 toegevoerd en uit de buitenste pijp 38 via het uitlaateind 39 teruggewonnen. Het koelfluidum wordt bij voorkeur met een zodanige snelheid door de warmte-uitwisselaar 31 gevoerd, dat het buiten-
<Desc/Clms Page number 8>
oppervlak van de buitenste pijpen 38 een temperatuur boven het dauwpunt van het zich naar boven bewegende warme gas in de baan 33 bezit om corosie te vermijden.
Teneinde rekening te houden met thermische uitzetting en samentrekking, laat men tenminste een uiteinde van de warmte-uitwisselaar 31 vrij om te bewegen. Het verdient de voorkeur, dat het uiteinde, dat de inlaat en uitlaat bezit, (aan de wand 34) is bevestigd en het tegen over gelegen eind bij de wand 35 niet op deze wijze is bevestigd.
De afmetingen van de buitenste pijp 38 worden zodanig gekozen, dat deze een adequate stijfheid voor buiging heeft om de belasting, welke op de pijp wordt uitgeoefend, te ondersteunen. De binnenste pijp 36 heeft zodanige afmetingen, dat een gewenste warmte overdracht optreedt tussen koelvloeistof, welke door de buitenste ring (tussen de pijpen 36 en 38) passeert en het koelfluidum in de pijp 36 bij aanvaardbare stroomsnelheden van het koelfluidum. De warmte-overdrachtskarakteristieken kunnen op een bekende wijze worden gemodifieerd door het aanbrengen van vinnen, pennen en andere verlengde vlakken en schotten, binnen en/of buiten een of beide van de pijpen 36 en/of 38.
De binnenste pijp 36 wordt praktisch in het geheel niet belast en kan zonder dat moeilijkheden optreden uitzetten en samentrekken.
Het is duidelijk, dat het koelfluidum dat door de warmte-uitwisselaar 31 wordt gevoerd, elk fluidum kan zijn, dat op een geschikte wijze ter beschikking staat en in staat is de buitenste pijp 38 op een adequaat lage temperatuur voor het ondersteunen van de daarop uitgeoefende belasting te houden. Het koelfluidum kan bestaan uit lucht, stoom, water of een procesfluidum, zoals een koolwaterstof. De temperatuur waarbij het koelfluidum aan het uitlaateind 39 wordt teruggewonnen, moet zo laag zijn, dat de de belasting ondersteunende functie van de buitenste pijp 38 wordt onderhouden doch afgezien van deze beperking, kan het fluidum elke willekeurige temperatuur bezitten. Derhalve kan koelfluidum uit de warmte-uitwisselaar 31 worden teruggewonnen bij een voorspelbare temperatuur, welke voldoende hoog is om van nut te zijn.
Indien het koelfluidum bijvoorbeeld uit lucht bestaat, kan deze lucht uit de warmte-uitwisselaar worden afgevoerd bij een temperatuur, welke voldoende hoog is om de lucht als verhitte verbrandingslucht voor de branders te gebruiken, waardoor de belasting van
<Desc/Clms Page number 9>
een (niet weergegeven) lucht voorverhitter van de oven wordt gereduceerd.
Bij een ander voorbeeld kan wanneer het koelfluidum bestaat uit een procesfluidum (bijvoorbeeld afkomstig is uit een koolwaterstofstoomkraakinstallatie of"visbreaker") het fluidum tenminste een deel van het procesfluidum vormen, dat de pijpen 16 van de convectie sectie binnentreedt. Bij een verder voorbeeld kan het koelfluidum bestaan uit water of stoom ten gebruike bij stoomkraken en/of voor andere industri le doeleinden. Stoom bijvoorbeeld voor stoomkraken, kan in de warmte-uitwisselaar
EMI9.1
o o tot temperaturen van ongeveer 500 tot bijvoorbeeld 530 C worden oververhit. Omdat de verwarming van het koelfluidum in de warmte-uitwisselaar 31 in hoofdzaak voorspelbaar is, is het derhalve mogelijk de op deze wijze teruggewonnen warmte te gebruiken in plaats van deze te ellimineren, waardoor het thermische rendement van de oven wordt verhoogd.
Een verder voordeel van de uitvinding is, dat de inhoud van de warmte-uitwisselaar 31 volledig kan worden afgevoerd, waardoor het mogelijk is puin weg te spoelen, bijvoorbeeld koolwaterstoffen te verwijderen, teneinde potenti le problemen, zoals belastingscorrosie scheuren en bakken bij bepaalde toepassingen te reduceren.
Ofschoon onder verwijzing naar figuur 2 is beschreven, dat het koelfluidum zich eerst door de binnenste pijp 36 en daarna door de buitenste pijp 38 beweegt, is het duidelijk, dat het koelfluidum eerst aan de buitenste pijp 38 kan worden toegevoerd en uit het uiteinde 37 van de binnenste pijp 36 kan worden teruggewonnen om de mate van koeling van de buitenste pijp 38 te vergroten. Een potentieel bezwaar van de bedrijfsmodes, waarbij de warme gassen in de baan 33 worden verkregen door het verbranden van brandstoffen, welke zwavel bevatten, is het probleem van zure corrosie, doch dit kan tenminste in enige mate tot een gereduceerd door een adequate hoeveelheid warmte uitwisseling in het deel van de warmteuitwisselaar 31 buiten de baan 33 te verschaffen.
Wanneer het echter waarschijnlijk is, dat het probleem van zure corrosie of een andere corrosie bij lage temperatuur niet kan worden opgelost (bijvoorbeeld bij het ondersteunen van belastingen in kernreactoren) kan het de voorkeur verdienen het koelfluidum initieel in de buitenste pijp 38 te laten circuleren.
Bij de meeste toepassingen van de uitvinding blijkt het geschikt te
<Desc/Clms Page number 10>
zijn, dat de buitenste pijp 38 een rechthoekige dwarsdoorsnede heeft, zodat potenti le problemen betreffende het aanpassen van de warmte-uitwisselaar 31 aan andere uitrustingsonderdelen tot een minimum worden teruggebracht of in hoofdzaak worden vermeden. De binnenste pijp (pijpen) 36 kunnen elke gewenste vorm hebben (bijvoorbeeld een cirkelvormige dwarsdoorsnede bezitten en optioneel zijn voorzien van niet afgebeelde verlengde warmte-overdrachtsvlakken), welke vorm geschikt en doeltreffend is voor het verzekeren van een adequate warmte-overdracht vanuit de buitenste pijp 38 teneinde de sterkte van deze laatste bij een acceptabele fluidum stroomsnelheid door de warmte-uitwisselaar 31 te onderhouden.
De keuze van de buitenste en binnenste pijpen 38,36 in overeenstemming met het bovenstaande, valt binnen het vermogen van de op dit terrein competente technicus.
De uitvinding is niet beperkt tot de bovengenoemde bepaalde toepassingen doch kan op een meer ruime schaal worden toegepast-bijvoorbeeld bij koolwaterstof omvormereenheden, waarbij de temperatuur in de convectie sectie van de oven gewoonlijk is gelegen in het gebied van 800 tot 1300 C, en in het algemeen op verbrandingsuitrustingen.
<Desc / Clms Page number 1>
DESCRIPTION associated with an IMPORT APPLICATION for:
Exxon Research and Engineering Company located in:
Florham Park, New Jersey,
United States of America for: "Supporting the weight of a system in a warm environment."
Based on Great Britain Patent No. 2,062. 835 of July 27, 1983 issued on application No. 79 37 866 of November 1, 1979, for a period of 20 years from the latter date and on Canadian Patent No. 1,178. 497 granted on November 27, 1984 with a duration of 17 years from the latter date.
<Desc / Clms Page number 2>
The invention relates to supporting the weight of a system in a warm environment and more particularly, but not exclusively, to supporting the weight of a system exposed to a hot fluid.
When at least part of the weight of a system exposed to a warm environment is to be supported, the support members or (1) are arranged to be outside the warm environment or (2) they are in the warm environment and they consist either of an alloy resistant to high temperatures, or a cheaper material, which is protected against the influence of high temperatures or is adapted in strength to high temperatures. In the latter two cases, the support members can be cooled so that their strength is at least adequate to support the weight. In some cases, the weight of such a system is supported by more than one of the above types of support members.
In many cases at least part of the weight of a system must be supported by cooled organs in the warm environment.
A common construction for these cases is that the open sides of an I-section support beam or bint are closed with a thin metal plate to form a conduit on each side of the central ribs and air and / or through the conduits blowing steam.
A drawback of this construction is that an apparatus and power are required to blow the air and / or steam through the pipe. Another construction consists in that the draft of a chimney is used to draw air through the pipes, but this has the drawback that the draft of the chimney is reduced. A drawback that applies to the above two constructions is that the heat which is removed by the cooling air and / or steam is present when discharged from the pipes at such a low temperature, which is generally unpredictable, that the heat dissipated cannot be used normally and should be reduced due to the thermal efficiency of the equipment in which the warm environment occurs.
The invention provides an apparatus provided with means which
<Desc / Clms Page number 3>
define an area for accommodating a warm environment, and a system, at least a part of which is located in said area and at least a part of the weight of which is supported on and / or by support members characterized in that the support members are provided with at least one substantially horizontal multi-pipe heat exchanger exposed between said ends to said region, and members supporting the heat exchanger on opposite sides of said region.
A multi-pipe heat exchanger is defined as a heat exchanger, which includes an outer conduit surrounding at least one inner conduit and serves to provide a fluid flow channel between the outer wall (s) of the inner conduit (conduits ) and the inner wall of the outer pipe, and wherein a number of inner pipes can be arranged next to each other in the outer pipe or one inner pipe can always be arranged within another or such that some inner pipes lie next to each other and some of them are located in one another.
Preferably, means are provided which are connected to or may be connected to the heat exchanger to supply a cooling fluid thereto at a rate such that the temperature of the heat exchanger is maintained in a range in which the strength of the heat exchanger is maintained. heat exchanger is sufficient to support said part of the weight of the system during operation.
Preferably, the cooling fluid enters the heat exchanger on the same side of said region as the fluid exits the heat exchanger.
The heat exchanger may be attached at one end, the other end being free to accommodate thermal expansion and contraction.
The warm environment can be obtained by a warm fluid. The hot fluid may consist of a gas containing sulfur oxide and water (the gas may, for example, be a combustion gas). Preferably, the cooling fluid is passed through the heat exchanger such that the temperature of the heat exchanger which is in contact with the hot
<Desc / Clms Page number 4>
gas is kept above the dew point.
The device may be provided with a conduit for passing at least a portion of the cooling fluid from an outlet of the heat exchanger to an inlet of a heat transfer equipment, which forms at least a portion of said system, whereby at least one part of the cooling fluid forms at least part of a heat exchange fluid which is passed through the heat transfer equipment.
At least a portion of the heat exchange fluid can be formed by at least a portion of the cooling fluid recovered from the multi-pipe heat exchanger.
EMI4.1
The warm region may have a temperature of or more, for example 900 to 13500C and in some cases (for example a steam cracking furnace, wherein said system includes the crackers), the temperatures may be in the range of 925 to 131SoC.
The invention further provides an oven or a similar heating installation, which is provided with a device as described above.
The invention further provides a method of operating the above-described device or said furnace, comprising said device, said method comprising passing a hot gas through said area to provide the hot environment, pipe it of a multi-pipe heat exchanger supplying a cooling fluid and recovering the cooling fluid from a goods pipe of the multi-pipe heat exchanger so as to maintain the heat exchanger at such a temperature that the strength of the heat exchanger is sufficient to support the stated part of the weight of the system.
Preferably, the invention is practiced such that the outer pipe of the multi-pipe heat exchanger has dimensions at least adequate to support the load imposed by said portion of the weight of the system at the operating temperature of the outer pipe is imposed. The outer pipe acts as a hollow support beam and can be of any cross-sectional shape - for example, circular, rectangular,
<Desc / Clms Page number 5>
be square. Rectangular (e.g. square) cross-sectional configurations are preferred for easy fitting into or around other equipment parts.
The inner pipe (s) are preferably sized in a known manner to provide adequate control of the operating temperature of the outer pipe, preferably at an acceptable cooling fluid flow rate. The temperature control can be modified for a given inner pipe (s) flow area and a particular coolant flow rate using extended heat transfer surfaces associated with the inner pipe (s) and / or the outer pipe. The operating temperature of the outer pipe will depend on the material from which the pipe is made.
An inexpensive carbon steel outer pipe will have an outer surface temperature not higher than 4000C or close to it, and the corresponding maximum surface temperatures for Cr (2%) Mo (1%) steel will be approximately 540C and for 18/8 stainless steel are about 7900C. Obviously, it is not necessary to use expensive heat-resistant materials such as HK-40 or use thermal insulation to protect the outer pipe from the influence of high temperatures.
The invention will now be described with reference to the accompanying schematic drawings, in which:
Figure 1 is a schematic vertical section of a process fluid heating furnace (for example, a flow cracking furnace for olefin production or a "visbreaking" furnace), and
Figure 2 shows a schematic view of a part of an oven, as shown in figure 1, according to the invention.
Referring first to Figure 1, the furnace 10 includes vertical walls 11, which are lined with a refractory material, and which walls define a plurality of sections of reduced horizontal cross-sectional area at the higher levels and which sections are joined by inclined sections. The top section 12 is connected to a chimney (not shown) for exhausting combustion gases from the top of the furnace 10.
At the base of the oven is a suitable number of burners (not shown) supported by an oven floor 13. To the
<Desc / Clms Page number 6>
or each burner is supplied with fuel, which is burned in a flame 14 above the floor 13. In the vicinity of the flame 14, strong radiation occurs and at more distant locations above the flame, most of the heating of the flame takes place by convection via the medium of the combustion gases and the surplus of warm air.
Most fuels contain sulfur, and therefore the combustion gases contain sulfur oxides in addition to the water vapor, which is formed by oxidation of the hydrogen-containing components of the fuel.
Generally, the process fluid to be heated is conducted more or less in countercurrent to the combustion gases, so that a cooling fluid is used to recover heat from the combustion gases at the top of the furnace mainly by convection heat transfer, and the heated fluid is finally heated essentially by radiant heat transfer in the vicinity of the flame 14. Thus, as shown in Figure 1, the process fluid enters the furnace 10 at the top through the tube 15 and passes through one (or more) sets or rows of tubes 16 arranged in a convection section 17 of the furnace for recovering heat from the hot combustion gases moving upward to the upper section 12 and the chimney from a lower section 18 comprising a firebox.
The fluid travels through the tubes 16 in a generally countercurrent path with respect to the combustion gases and relatively hot fluid circulates from the tubes 16 to one or more rows of tubes 19 in the bottom section 18, surrounding the flame, wherein much of the high temperature heat from the radiation in the lower section 18 is recovered. The fluid exits the row or rows of tubes 19 through an outlet or outlets 20 at a relatively high temperature.
The pipes 16 in the convection section 17 are usually supported by a pipe sheet (not shown in Figure 1) at each end of the respective row (and often also in intermediate points, not shown) and the pipe plates usually consist of cast iron or high temperature steel or cast alloys. It is clear that for many ovens of the type described with reference to Figure 1, a convection row of tubes 16 can be very heavy, even with an oven with
<Desc / Clms Page number 7>
medium output power, and usually such a row has a weight of several tons.
A portion of this weight may be supported by a relatively cooling area above the confection section 17, but at least a portion of the load must be supported in the warmest area - that is, at the bottom of the section 17 in the oven 10. In addition, the support for the row of pipes is preferably able to accommodate the thermal expansion and contraction movements so that the predicted service life of the pipes 16 is obtained, more particularly when a process fluid passing through the row is flammable and / or has a relatively high pressure.
Reference is now made to Figure 2, which shows a row 29 of the pipes 16 of the convection section 17, which is end-received in a pipe plate 30. The pipes 16 are shown in vertical cross section. Other equal tube plates (not shown) are located at the other end of the tubes 16 and at intermediate points.
At least part of the weight of the row 29 and the tube plates 30 is taken up by one or more two-tube heat exchangers 31 (only one of which is shown in Figure 2). The row and tubular plates can rest directly on the heat exchangers 31 or indirectly through a suitable intermediate parts (not shown). Each heat exchanger 31 extends over the hot gas flow path 33, which is defined between vertical walls 34, 35 of the convection section 17 of the oven, and is received and supported by the vertical walls 34, 35 on each side of the track 33. The heat exchangers 31 can be supported directly on one or both walls or indirectly via a suitable intermediate part (not shown).
The heat exchangers 31 can all be arranged with the inlets and outlets thereof on the same side of the track 17, but in some cases other arrangements are more suitable and / or appropriate. As shown in Figure 2, the heat exchanger 31 has its inlet and outlet at the wall 34 and a cooling fluid is supplied to the central pipe 36 at the inlet end 37 and recovered from the outer pipe 38 via the outlet end 39. The cooling fluid is preferably passed through the heat exchanger 31 at such a speed that the outside
<Desc / Clms Page number 8>
surface of the outer pipes 38 has a temperature above the dew point of the upwardly moving hot gas in the path 33 to avoid corrosion.
In order to account for thermal expansion and contraction, at least one end of the heat exchanger 31 is left free to move. It is preferable that the end having the inlet and outlet is attached (to the wall 34) and the opposite end to the wall 35 is not secured in this manner.
The dimensions of the outer pipe 38 are selected to have adequate flexural rigidity to support the load applied to the pipe. The inner pipe 36 is sized such that a desired heat transfer occurs between coolant passing through the outer ring (between pipes 36 and 38) and the cooling fluid in pipe 36 at acceptable cooling fluid flow rates. The heat transfer characteristics can be modified in a known manner by applying fins, pins and other elongated surfaces and baffles, inside and / or outside one or both of the pipes 36 and / or 38.
The inner pipe 36 is practically not loaded at all and can expand and contract without difficulty.
It is understood that the cooling fluid passed through the heat exchanger 31 may be any fluid which is suitably available and capable of providing the outer pipe 38 at an appropriately low temperature to support the applied thereon. keep tax. The cooling fluid can consist of air, steam, water or a process fluid, such as a hydrocarbon. The temperature at which the cooling fluid is recovered at the outlet end 39 must be so low that the load supporting function of the outer pipe 38 is maintained, but apart from this limitation, the fluid may be of any temperature. Therefore, cooling fluid from the heat exchanger 31 can be recovered at a predictable temperature which is sufficiently high to be of use.
For example, if the cooling fluid consists of air, this air can be exhausted from the heat exchanger at a temperature high enough to use the air as heated combustion air for the burners, thereby reducing the load on
<Desc / Clms Page number 9>
an oven air preheater (not shown) is reduced.
In another example, when the cooling fluid consists of a process fluid (for example, it comes from a hydrocarbon steam cracker or "fishbreaker"), the fluid may form at least a portion of the process fluid entering the pipes 16 of the convection section. In a further example, the cooling fluid may consist of water or steam for use in steam cracking and / or for other industrial purposes. For example, steam for steam cracking can be placed in the heat exchanger
EMI9.1
o o until temperatures of about 500 to, for example, 530 C are overheated. Therefore, since the heating of the cooling fluid in the heat exchanger 31 is substantially predictable, it is possible to use the heat recovered in this way instead of eliminating it, thereby increasing the thermal efficiency of the furnace.
A further advantage of the invention is that the contents of the heat exchanger 31 can be completely discharged, which makes it possible to wash away debris, for example to remove hydrocarbons, in order to solve potential problems, such as stress corrosion cracking and firing in certain applications. reduce.
Although it has been described with reference to Figure 2 that the cooling fluid first travels through the inner pipe 36 and then through the outer pipe 38, it is understood that the cooling fluid can first be supplied to the outer pipe 38 and out of the end 37 of the the inner pipe 36 can be recovered to increase the degree of cooling of the outer pipe 38. A potential drawback of the operating modes in which the hot gases in the web 33 are obtained by burning fuels containing sulfur is the problem of acid corrosion, but this can be at least reduced to some extent by an adequate amount of heat exchange in the portion of the heat exchanger 31 outside the web 33.
However, if it is likely that the problem of acid corrosion or other low temperature corrosion cannot be solved (e.g., in supporting loads in nuclear reactors), it may be preferable to initially circulate the cooling fluid in the outer pipe 38.
It has been found to be suitable in most applications of the invention
<Desc / Clms Page number 10>
that the outer pipe 38 has a rectangular cross-section, so that potential problems related to adapting the heat exchanger 31 to other equipment parts are minimized or substantially avoided. The inner pipe (s) 36 can have any desired shape (e.g., have a circular cross-section and optionally include extended heat transfer surfaces not shown), which shape is suitable and effective to ensure adequate heat transfer from the outer pipe 38 in order to maintain the strength of the latter at an acceptable fluid flow rate through the heat exchanger 31.
The selection of the outer and inner pipes 38.36 in accordance with the above is within the capability of the skilled technician.
The invention is not limited to the above particular applications, but may be more widely practiced - for example, in hydrocarbon converter units, where the temperature in the convection section of the furnace is usually in the range of 800 to 1300 ° C, and in the generally on combustion equipment.