<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.