BRPI0616773A2 - trocador de calor - Google Patents
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Abstract
TROCADOR DE CALOR. Trocador de calor para resfriar um gás de alta temperatura que deixa uma unidade/dispositivo de reação, que compreende um elemento de acoplamento para o dispositivo/unidade de reação (A), um tubo de transporte e resfriamento de gás (b) e um casco de cobertura (C).
Description
"TROCADOR DE CALOR"
A presente invenção é relativa a um trocador de calor. Mais especificamente, a presente invenção é relativa a um trocador de calor para resfriamento rápido de gás em alta temperatura.
Ainda mais especificamente, a presente invenção é relativa a um trocador de calor para o resfriamento de gás de síntese (singás) que vem da oxidação catalítica parcial de hidrocarbonetos leves, por exemplo, metano, conhecida como oxidação catalítica parcial (CPO).
E conhecido que a preparação de singás, uma mistura gasosa que contém H2 e CO em diversas proporções, pode ser efetuada pela oxidação catalítica parcial de gás natural, metano ou misturas de hidrocarbonetos gasosos/líquidos a partir de instalações de refinarias ou petroquímicas em reatores tubulares de leito fixo, que podem operar, dependendo do catalisador utilizado, em pressões que se situam desde 1 até 150 atmosferas e temperaturas mais elevadas do que 500 °C, as quais, em alguns casos, podem alcançar e exceder 1000 °C.
O resfriamento rápido de singás na saída da unidade de reação é uma necessidade a não ser desprezada, uma vez que se este gás for mantido naquelas temperaturas, mesmo por curtos períodos de tempo, ele pode fornecer subprodutos indesejados tais como álcoois ou olefinas (substancialmente etileno e propileno) ou mesmo regenerar o metano de partida. Sistemas para resfriar rapidamente um gás que está em uma temperatura elevada estão mencionados na literatura, por exemplo, nas Patentes U.S. 2.896.927 e U.S. 4.377.132 ou em uma brochura Alstom "Syngás Cooler Systems for Gasification Plants". Alguns métodos e equipamento relevante incluem o resfriamento direto de gás por meio de água (têmpera). Esta solução, contudo, tem a desvantagem de ter que separar o singás resfriado do vapor aquoso formado.
Outros sistemas industriais consistem de equipamento para resfriamento indireto, os quais permitem a recuperação de calor contido no singás, para a produção de vapor de alta pressão.
O objetivo da presente invenção é relativo a um dispositivo para resfriamento indireto efetivo e rápido de singás em aplicações nas quais a recuperação térmica do calor sensível do gás não é requerida, para simplicidade de engenharia ou por razões econômicas. Por exemplo, na produção de hidrogênio em sistemas de escala media ou pequena.
Os Requerentes verificaram, portanto, um trocador de calor particularmente adequado para o resfriamento rápido de gases que estão em uma temperatura mais elevada do que 500 °C, por exemplo entre 750 e 1100 0C e que permite evitar qualquer contato entre o gás quente e o líquido de resfriamento, normalmente água.
O objetivo da presente invenção, portanto, é relativo a um trocador de calor para o resfriamento rápido de um gás em alta temperatura, que deixa um dispositivo/unidade de reação, que compreende um elemento de acoplamento ao dispositivo/unidade de reação, um tubo de resfriamento e transporte de gás e um casco de cobertura, no qual dois:
a) o elemento de acoplamento substancialmente cilíndrico, está situado entre a unidade de reação e o casco do trocador, ele é internamente resfriado por meio de um fluido de resfriamento, normalmente água, e é conectado axialmente por meio de um duto de passagem direta à linha de alimentação do gás quente que vem da unidade de reação;
b) o tubo de transporte e de resfriamento do gás quente é fixado à base do elemento de acoplamento, conectado à unidade de reação no duto de passagem direta, dito tubo de transporte e de resfriamento do gás quente consistindo de duas seções:
- a primeira seção substancialmente linear é inserida em uma posição coaxial em um segundo tubo que tem um diâmetro maior que o cobre, de modo a formar um espaço anelar oco no qual o fluido de resfriamento, geralmente água, escoa, uma extremidade de dita primeira seção formando o duto de passagem direta do elemento de acoplamento;
- a segunda seção fixada em uma maneira contínua à primeira sessão na outra extremidade, substancialmente encurvada em um semicírculo, envolve em espiral, sem tocá-la, no mínimo parte de dita primeira seção encamisada;
c) o casco de cobertura é substancialmente cilíndrico, fechado em uma extremidade e aberto na outra extremidade, ele é conectado a dito elemento de acoplamento e compreende, no mínimo, as aberturas para descarregar o líquido de resfriamento e o gás resfriado.
De acordo com a presente invenção, o elemento de acoplamento é atravessado axialmente pelo duto de passagem direta, conectado ao dispositivo de reação, por exemplo, um reator CPO para a produção de singás a uma temperatura que se situa desde 500 até 1000 °C.
O tubo externo que recobre a primeira seção do tubo de transporte do gás quente é conectada em uma extremidade, a um ou mais dutos de alimentação específicos do líquido de resfriamento que atravessam o elemento de acoplamento. O elemento de acoplamento, além disto, é resfriado de maneira independente por meio de um duto que alimenta o líquido de resfriamento em correspondência com seu eixo. Dito fluido é descarregado do elemento depois de seguir um trajeto espiral a partir do interior para fora, por meio de uma abertura conectada à superfície lateral do próprio elemento.
Em uma configuração alternativa da presente invenção, o fluido de resfriamento que circula dentro do elemento de acoplamento para resfriamento independente pode ser descarregado dentro do volume contido no casco do trocador.
A outra extremidade do segundo tubo que recobre a primeira seção é livre, e termina com a seção encurvada substancialmente em um semicírculo, de modo que o líquido de resfriamento pode descarregar livremente, porém na direção oposta, para o interior do espaço fechado do casco, depois de escoar na camisa entre os dois tubos.
O trajeto do líquido dentro do volume do casco é guiado por chicanas ortogonais ao eixo, que também atuam como um suporte para ambas as seções do tubo de transporte de gás.
A segunda seção do tubo de transporte e de resfriamento, é substancialmente contínua até a primeira, sem interrupção, e se desenvolve em espiral. Para economizar espaço, as espiras preferivelmente envolvem, sem tocá-la, a primeira seção do tubo coberto. Contudo, é possível que as espiras se desenvolvam a jusante da primeira seção.
A outra extremidade do tubo de transporte, isto é, a extremidade da seção espiral, é conectada a uma abertura presente no casco para a descarga do gás resfriado fora do trocador de calor, objeto da presente invenção.
O casco tem uma forma substancialmente cilíndrica com o diâmetro da base substancialmente idêntico àquele do elemento de acoplamento e maior do que o diâmetro das espiras. Desta maneira, o casco inclui seu espaço interno o sistema de tubo das primeira e segunda seções. O espaço do casco é preenchido com fluido de resfriamento, o qual é descarregado pelo trocador através de uma abertura de descarga adequada. Em uma configuração alternativa da presente invenção, o líquido circulante, destinado ao resfriamento do elemento de acoplamento, também converge para o espaço do casco. O líquido total é descarregado do trocador objeto da presente invenção através da abertura adequada situada no casco. Em qualquer caso, seja operando com a primeira ou segunda modalidade alternativa, o sistema de tubo oco da primeira e segunda seções é completamente imerso no líquido de resfriamento.
O trocador de calor objeto da presente invenção pode ser mais bem entendido fazendo referência aos esquemas das figuras anexas, que representam uma configuração ilustrativa, porém não limitativa, e nas quais: A figura 1 representa uma vista em corte plana longitudinal do trocador global;
A figura 2 representa uma vista frontal plana do esquema da figura 1 produzido de acordo com a seção ZZ.
Com referência às figuras, o trocador de calor objeto da presente invenção compreende o elemento de acoplamento A, o sistema de tubo para o transporte e resfriamento de gás Beo casco C.
O elemento de acoplamento A também inclui os dutos 1 e 2 para a alimentação do fluido de resfriamento (água), que convergem para um duto coaxial 7, e o duto de resfriamento 4, para o resfriamento independente do elemento de acoplamento, que alimenta água para o centro da espiral 4' a partir da qual ele sai através de 5.
O sistema de tubo de transporte e resfriamento de gás B compreende a primeira seção de tubo 6, o tubo coaxial que o encamisa 7 e a segunda seção do tubo espiral 8. A primeira seção do tubo 6 inclui por sua vez a primeira extremidade 3 que coincide com o duto axial de passagem direta do elemento A, e a segunda extremidade curvilínea 3'. O tubo coaxial 7 encamisa a primeira seção começando da extremidade 3 até a extremidade encurvada 3'. Nesta extremidade 3' o tubo coaxial não é fechado, para permitir à água ser descarregada dentro do casco, como será descrito ainda mais.
O casco C inclui a abertura de descarga 9 do gás resfriado, a abertura 10 da água e chicanas de suporte 11 das duas seções do tubo de transporte de gás.
A operação do trocador de calor objeto da presente invenção parecerá evidente com base nos desenhos e no que está descrito acima. Em particular, o gás quente 12 que deixa a unidade de (não mostrado) é introduzido no trocador de calor por meio do duto de passagem direta 3 do elemento de acoplamento A. O gás escoa para o interior da primeira seção 6 do tubo B de resfriamento e transporte de gás e em seguida para o interior da segunda seção 8 para ser então descarregado em uma baixa temperatura através da abertura de descarga do gás 9. Quando o gás escoa através da primeira seção 6, ele sofre um primeiro resfriamento rápido por meio da água, alimentada através de 1 e 2, a qual circula dentro do espaço anelar oco entre os tubos 6 e 7 até a extremidade 3\ Aqui a água escoa livremente no espaço fechado do casco, enchendo-o, e ela ainda resina o gás que escoa através da seção 8 do tubo de resfriamento e é descarregada a partir da abertura 10.
Durante operação, para impedir superaquecimento do
elemento de acoplamento, este último é resfriado por meio do sistema especifico que consiste do duto 4, que alimenta água para o sistema 4' que se desenvolve em uma espiral, e do duto de descarga 5.
Claims (8)
1. Trocador de calor para o resfriamento rápido de um gás a temperatura elevada deixando um dispositivo/ unidade de reação, caracterizado pelo fato de que compreende um elemento de acoplamento para o dispositivo/unidade de reação (A), um tubo de resfriamento e transporte de gás (b), e um casco de cobertura (C), em que: a) o elemento de acoplamento (A), substancialmente cilíndrico, estar situado entre a unidade de reação e o casco do trocador (C), ele ser internamente resfriado por meio de um fluido de resfriamento, normalmente água, e ser conectado axialmente por meio de um duto de passagem direta (3) à linha de alimentação do gás quente (12) que vem da unidade de reação; b) o tubo de transporte e resfriamento do gás (B) ser fixado à base do elemento de acoplamento (A), conectado à unidade de reação no duto de passagem direta (3), dito tubo de transporte e resfriamento de gás consistindo de duas seções: - a primeira seção (6) substancialmente linear é inserida em uma posição coaxial para o interior de um segundo tubo (7) que tem um diâmetro maior que o encamisa, de modo a formar o espaço oco anelar no qual o fluido de resfriamento, normalmente água, escoa, uma extremidade (3) de dita primeira seção formando o duto de passagem direta do elemento de acoplamento; - a segunda seção (8) fixada em uma maneira contínua à primeira seção (6), na outra extremidade (3'), substancialmente encurvada em um semicírculo, envolve em espiral, sem tocá-la, no mínimo parte da primeira seção coberta (6); c) o casco de cobertura (C) é substancialmente cilíndrico, fechada em uma extremidade, aberto na outra extremidade, conectado a dito elemento de acoplamento e compreende, no mínimo, as aberturas para descarregar o líquido de resfriamento (10) e o gás resfriado (9).
2. Trocador de calor de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato do tubo externo (7) que encamisa a primeira seção (6) do tubo de transporte (B) do gás quente ser conectada em uma extremidade a um ou mais dutos de alimentação específicos do líquido de resfriamento (1,2) que cruzam o elemento de acoplamento (A).
3. Trocador de calor de acordo com a reivindicação 1 ou 2, caracterizado pelo fato do elemento de acoplamento (A) compreender um duto independente (4) que alimenta o líquido de resfriamento em correspondência com seu eixo, dito fluido de resfriamento sendo descarregado por meio de uma abertura (5) conectada à superfície lateral do próprio elemento, depois de seguir um trajeto espiral (4') a partir do interior para fora.
4. Trocador de calor de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes, caracterizado pelo fato da outra extremidade do segundo tubo (7) que cobre a primeira seção (6) ser livre e terminar com uma seção curvilínea, de modo que o líquido de resfriamento pode desembocar livremente na direção oposta para o interior do espaço oco do casco depois de escoar na camisa entre os dois tubos.
5. Trocador de calor de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes, caracterizado pelo fato da segunda seção (8) do tubo de resfriamento e transporte ser essencialmente contínua até a primeira seção sem interrupções e se desenvolver em uma espiral.
6.Trocador de calor de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes, caracterizado pelo fato da outra extremidade do tubo de transporte, isto é, a extremidade da seção em espiral ser conectada a uma abertura (9) na cobertura para descarregar o gás resfriado fora do trocador de calor.
7.Trocador de calor de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes, caracterizado pelo fato do casco (C) ter uma forma substancialmente cilíndrica, com o diâmetro de base substancialmente idêntico àquele do elemento de acoplamento e maior do que o diâmetro das espiras.
8.Trocador de calor de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes, caracterizado pelo fato do casco (C) conter em seu espaço interno o sistema de tubo oco das primeira e segunda seções, dito espaço sendo preenchido pelo líquido de resfriamento que é descarregado a partir do trocador através da abertura de descarga adequada (10).
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