BRPI1002138A2 - trocador de calor para refrigeração de gás de reação, incluindo uma conexão tubular entre um tubo refrigerado e um tubo não refrigerado - Google Patents

Abstract

TROCADOR DE CALOR PARA REFRIGERAçãO DE GáS DE REAçãO, INCLUINDO UMA CONEXãO TUBULAR ENTRE UM TUBO REFRIGERADO E UM TUBO NãO REFRIGERADO. A invenção refere-se a um trocador de calor para refrigeração de gás de reação incluindo uma conexão tubular entre um tubo refrigerado e um tubo não refrigerado, por meio do que um tubo interno refrigerado (3) é envolvido por uma camisa tubular (4) e está conectado ao tubo quente não refrigerado através de uma cabeça de entrada (11) que está conectada ao tubo não refrigerado e tem uma seção transversal em formato de garfo. A cabeça de entrada (11) é dotada de uma seção tubular externa (13) e uma seção tubular interna (12), entre as quais está disposto um espaço intermediário que é preenchido com um material de isolamento térmico. A seção tubular externa (13) está conectada à camisa tubular (4) . A seção tubular interna (12) é ligeiramente espaçada de modo axial do tubo interno (3) e uma vedação está disposta entre as faces terminais do tubo interno (3) e a seção tubular interna (12). A vedação é concretizada como um anel em formato de U (19) e está disposta em um recesso (18) na face terminal da seção tubular interna (12) da cabeça de entrada (11), por meio do que o recesso (18) é formado radialmente para fora de uma região de borda projetada para fora (17) da seção tubular interna (12) que está ligeiramente espaçada de modo axial do tubo interno (3). O espaçamento ligeiramente axial entre a região de borda (17) da seção tubular interna (12) da cabeça de entrada (11) e o tubo interno (3) é igual ou menor do que a expansão térmica máxima da cabeça de entrada (11).

Description

Relatório Descritivo da Patente de Invenção para: "TROCADORDE CALOR PARA REFRIGERAÇÃO DE GÁS DE REAÇÃO, INCLUINDO UMACONEXÃO TUBULAR ENTRE UM TUBO REFRIGERADO E UM TUBO NÃOREFRIGERADO".

A presente invenção se refere a um trocador de calorpara refrigeração de gás de reação e inclui uma conexãotubular entre um tubo refrigerado e um tubo não refrigeradotendo as características da porção introdutória dareivindicação 1.

Um trocador de calor desse tipo para refrigeração degás de reação e incluindo uma conexão tubular é conhecidodo documento DE 195 31 330 C2. Gás de reação é produzidomediante uma reação térmica de hidrocarbonetos em um fornode reação. Tais fornos de reação são dotados de uma sériede tubos de reação externamente aquecidos, através dosquais os hidrocarbonetos que estão sendo usados sãotransportados, acompanhados pela adição de vapor de água. 0gás de reação produzido deixa os tubos de reação em umatemperatura de até 900 °C e deve ser resfriado muitorapidamente para estabilizar sua composição molecular. Arefrigeração rápida do gás de reação é realizada emrefrigeradores de gás de reação por meio de umatransferência de calor do gás · de reação para a água deevaporação que está sob uma alta pressão.Com a conexão tubular conhecida do documento DE 195 31330 C2, a extremidade do tubo não refrigerado é dotada deuma cabeça de entrada, a qual é alargada de uma maneira emforma de garfo e é dotada de uma seção tubular interna euma externa. O espaço intermediário entre as duas seçõestubulares é preenchido com um material de isolamentotérmico. A seção tubular externa é soldada ao envoltóriotubular ou camisa do tubo duplo refrigerado. A seçãotubular interna é axialmente espaçada do tubo interno dotubo duplo refrigerado, por meio do qual uma vedação, aqual é concretizada como um anel (em formato de C, O, U ouV), está disposta entre as faces terminais da seção tubularinterna e o tubo interno; o anel de vedação se destina aimpedir penetração de gás de reação no material deisolamento térmico.

Uma cabeça de entrada em formato de garfo, a qual épreenchida com material de isolamento térmico, para aconexão de um tubo não refrigerado com um tubo refrigerado,é também usada com o trocador de calor para refrigeração dogás de reação conhecido do documento EP 810 414 BI. Com otrocador de calor conhecido, o tubo refrigerado écompreendido de um tubo interno, que é envolvido, de umamaneira radialmente espaçada, por um envoltório tubular.

Uma câmara de água para o fornecimento de um refrigeranteenvolve a extremidade de entrada do tubo refrigerado. Acâmara de água é compreendida de uma parte sólida, quadradaou retangular, na qual é introduzida uma porção em recessotendo uma seção transversal circular. A porção em recessoacomoda um único tubo refrigerado, por meio da qual o tubointerno do tubo refrigerado é soldado na base da porção emrecesso e o envoltório tubular é soldado à câmara de água.A seção tubular externa da cabeça de entrada é soldada àcâmara de água sobre aquele lado que está defronte aoenvoltório tubular, enquanto que a seção tubular internada cabeça de entrada está axialmente espaçada do tubointerno do tubo refrigerado.

Em virtude do movimento axial entre o tubo interno e aseção tubular interna, as cabeças de entrada conhecidaspermitem uma expansão de comprimento irrestrita causadatermicamente. O isolamento térmico que é introduzido fazcom que a seção tubular externa da cabeça de entrada, aqual está fixamente conectada ao tubo refrigerado, assumauma temperatura de parede que está abaixo da temperatura dogás que flui através do tubo não refrigerado. Astemperaturas de parede que os tubos atingem no local deconexão dessa forma se adaptam umas às outras, minimizandoassim as tensões térmicas no local de conexão. O anel devedação (em formato de C, 0, U ou V) entre a seção tubularinterna e o tubo interno impede a penetração de gás dereação no material de isolamento térmico da cabeça deentrada. Acima de 550°C, carbono pode se precipitar do gásde reação e pode se depositar sobre o anel de vedação. Comouma conseqüência, o anel de vedação pode romper, de modoque o gás de reação pode penetrar no material de isolamentotérmico. Como uma outra conseqüência, a precipitação decarbono da corrente de vazamento do gás de reação pode sedepositar sobre o material de isolamento térmico, levando aforças de deformação na seção tubular interna e a forçascircunferenciais na seção tubular externa da cabeça de entrada.

O objetivo da presente invenção é configurar otrocador de calor do tipo anteriormente mencionado, o qualinclui uma conexão tubular entre um tubo não refrigerado eum refrigerado, de tal forma que a vedação relativa ao gásde reação é aperfeiçoada quando carbono é precipitado.

O objetivo da invenção é concretizado para um trocadorde calor do tipo anteriormente mencionado, o qual incluiuma conexão tubular entre um tubo não refrigerado e umrefrigerado, caracterizado pelos aspectos da reivindicação1. Modalidades vantajosas da invenção são o assunto em dasreivindicações dependentes.

Com o trocador de calor da invenção, o qual inclui umaconexão tubular entre um tubo refrigerado e um nãorefrigerado, o anel de vedação, o qual é concretizado comoum anel em formato de U, assume a tarefa de um primeiromeio de vedação, até que ele atinja uma temperatura de 500a 600°C. Se acima de 550°C, a precipitação de carbono dogás de reação começa, a extensão de comprimento ou expansãoda seção tubular interna termicamente acarretada progrideaté um ponto em que o vão entre a região de borda projetadapara fora da seção tubular interna disposta radialmentepara dentro do anel de vedação e o tubo interno é reduzido,de modo que resulta em um contato metal a metal. Talcontato impede a penetração de gás de reação em direção aoanel de vedação e ao espaço intermediário entre as seçõestubulares interna e externa da cabeça de entrada e atuacomo um segundo meio de vedação. Em uma outra modalidade dainvenção, a membrana flexível, a qual fecha o espaçointermediário que é preenchido com o material de isolamentotérmico, mantém o gás de reação que ainda poderia penetrarcompletamente distante do material de isolamento térmico.Dessa forma, a membrana flexível serve como um terceiromeio de vedação.

Diversas modalidades exemplificativas da invençãoserão descritas subseqüentemente em maiores detalhes e sãoilustradas nas figuras, nas quais:- a Fig. 1 é uma vista em seção transversallongitudinal através da porção inferior de um trocador decalor tendo uma conexão tubular de acordo com a invenção;

- a Fig. 2 mostra a área detalhada Z da Fig. 1 ou Fig. 3; e

- a Fig. 3 é uma vista em seção transversallongitudinal através da porção inferior de um trocador decalor tendo uma conexão tubular diferente de acordo com ainvenção.

Um gás de reação é produzido em um forno de reaçãoatravés da reação de hidrocarbonetos com vapor de água. 0forno de reação é fornecido com tubos de reação 1, os quaissão aquecidos externamente e através dos quais flui omaterial que está sendo usado. O gás de reação, o qualdeixa os tubos de reação 1 em uma temperatura de até 900°C,passa diretamente para um refrigerador de gás de reação, oqual está disposto diretamente acima do forno de reação. Norefrigerador de gás de reação, a composição molecular dogás de reação é estabilizada através de refrigeração etroca de calor abruptos com a água de evaporação que estásob alta pressão.

0 refrigerador de gás de reação contém uma pluralidadede tubos de refrigeração 2, os quais estão dispostos em umalinha próximos uns dos outros, de modo que cada tubo derefrigeração 2 esteja associado a um dos tubos de reaçãonão refrigerados 1 e esteja disposto em uma extensão axialdos mesmos. Cada tubo de refrigeração 2 é compreendido deum tubo interno refrigerado 3 o qual é envolvido por umenvoltório tubular ou camisa 4 acompanhado pela formação deum espaço anular através do qual o refrigerante flui.Conforme ilustrado, os diâmetros internos do tubo de reação-1 e do tubo interno 3 são comumente de uma magnitudesimilar.

O fornecimento e extração do refrigerante são,respectivamente, realizados através de uma câmara de água5, a qual envolve a extremidade inferior ilustrada e aextremidade superior não ilustrada do tubo de refrigeração

2. A câmara de água 5 é fabricada a partir de uma peçasólida, quadrada ou retangular na qual é formada uma porçãoem recesso 6 tendo uma seção transversal circular; um tubode refrigeração 2 está associado a cada porção em recesso

6. A camisa tubular 4 é soldada à câmara de água 5 sobreaquele lado que está defronte ao tubo de reação 1. Ao fazerisso, no local de solda, o diâmetro interno da camisatubular 4 coincide com o diâmetro da porção em recesso 6.

A porção em recesso 6 é formada na peça que forma acâmara de água 5 até uma profundidade tal que uma baseanular 7 tendo uma pequena espessura residual se mantém. 0tubo interno 3 é soldado nessa base 7. A superfície da baseanular 7 é delimitada pelo diâmetro externo do tubo interno3 e o diâmetro da porção em recesso 6.

Um furo 8 se abre, de preferência tangencialmente, emcada porção em recesso 6 no nível da base 7. Os furos 8são, respectivamente, conectados através de uma peça deconexão 9 com uma linha de fornecimento 10 para orefrigerante. 0 refrigerante passa através do furo 8 eentra na porção em recesso 6 em uma alta velocidade,gerando um fluxo rotativo em torno do tubo interno 3. Essefluxo assegura uma boa refrigeração da base 7 da porção emrecesso 6 e também impede o depósito de partículas sobre abase 7 que poderia levar a um super-aquecimento localizadoprejudicial.

A extremidade de descarga do tubo de reação 1 éalargada de uma maneira em forma de garfo e forma umacabeça de entrada 11. Essa cabeça de entrada 11 écompreendida de uma seção tubular interna 12, a qual formaa extensão do tubo de reação 1 e uma seção tubular externa13; as duas seções tubulares são conectadas umas às outrasem uma extremidade. A seção tubular externa 13 é soldada aolado inferior da câmara de água 5. A seção tubular interna12 da cabeça de entrada 11 é axialmente espaçada em relaçãoao tubo interno 3.Um isolamento térmico é introduzido no espaçointermediário anular entre a seção tubular interna 12 e aseção tubular externa 13 de cabeça de entrada 11. Oisolamento térmico é compreendido de várias camadas de ummaterial de isolamento térmico, as quais estão dispostasuma após a outra na direção axial. Na modalidade ilustrada,três camadas são fornecidas e, em particular, uma primeiracamada 14, uma segunda camada 15 e uma terceira camada 16.

As camadas 14, 15 e 16 diferem umas das outras quanto à suacondutividade térmica. A esse respeito, as camadas 14, 15 e16 são introduzidas no espaço intermediário de tal formaque a primeira camada 14, a qual está defronte ao tubointerno 3, tem o menor coeficiente de condutividade térmicae a terceira camada 16, a qual está defronte ao tubo dereação 1, tem o coeficiente de condutividade térmica maisalto. A camada 15 disposta entre as mesmas tem umcoeficiente de condutividade térmica mediano. O efeito deisolamento das camadas 14, 15 e 16, portanto, aumenta emdireção ao tubo interno 3, isto é, em uma direção paralonge do tubo de reação 1. Os diferentes coeficientes decondutividade térmica podem ser variados pela seleção demateriais ou da densidade ou da espessura das camadas 14,15 e 16. A altura das camadas individuais 14, 15 e 16 nadireção axial pode diferir e é determinada pela alteraçãodesejada no efeito de isolamento.

As diferenças nos coeficientes de condutividadetérmica estão entre 10 W/m*K sobre aquele lado que estádefronte ao tubo de reação 1 e 0,2 a 0,6 W/m*K sobre aquelelado que está defronte ao tubo interno 3. 0 isolamentotérmico pode ser compreendido de um material mineral oufibroso e é introduzido no espaço intermediário como umamassa curável e vertida ou fundida, ou como uma partemoldada.

O diâmetro interno da seção tubular interna 12 é omesmo que o diâmetro interno do tubo interno 3. Conformepode ser reconhecido a partir da Fig. 2, a face terminal daseção tubular interna 12 tem uma região de borda 17 queprovém do diâmetro interno e se projeta para fora.

Radialmente para fora da região de borda 17, a faceterminal da seção tubular interna 12 é dotada de um recessoanular 18. Um anel de vedação, concretizado como um anel 19em formato de U, é colocado no recesso 18. As pernas doanel 19 em formato de U repousam contra a base do recesso18 e contra a face terminal do tubo interno 3. O anel 19 emformato de U serve como uma primeira vedação que, em baixastemperaturas, impede o escape de gás de reação em direçãoao espaço intermediário dentro da cabeça de entrada 11 e domaterial de isolamento térmico introduzido no mesmo.O espaçamento axial da região de borda 17 dispostainternamente da seção tubular interna 12 a partir da faceterminal do tubo interno 3 é menor do que a extensão ouexpansão máxima do comprimento da cabeça de entrada 11acarretada termicamente que ocorre durante a operação emvirtude da dimensão da cabeça de entrada 11. Quando umatemperatura predeterminada foi atingida, à medida que aexpansão do comprimento progride, o espaçamento entre acabeça de entrada 11 e o tubo interno 13 é reduzido,resultando em um contato metal a metal entre a região deborda 17 projetada para fora da seção tubular interna 12 eo tubo interno 3. Esse contato metal a metal atua como umasegunda vedação e, em temperaturas maiores, impede umapenetração de gás de reação em direção ao anel 19 emformato de U e ao espaço intermediário dentro da cabeça deentrada 11 ou limita, pelo menos extensivamente, talpenetração.

O espaço intermediário dentro da cabeça de entrada 11que acomoda o material de isolamento térmico é fechado poruma membrana elástica anular 20 que não é permeável a gás.

A membrana 20 é presa de maneira vedante às seçõestubulares interna e externa 12, 13. A membrana 20 é, depreferência, corrugada. Ela serve como uma terceira vedaçãoe impede que gás de exaustão, o qual poderia ter penetradoatravés do anel 19 em formato de U, atinja o material deisolamento térmico.

Ao invés da câmara de água 5 descrita acima, a cabeçade entrada 11 poderia também ser soldada a um meio decoleta de configuração diferente para o fornecimento dorefrigerante ao tubo refrigerado.

Conforme mostrado na Fig. 3, a cabeça de entrada 11também pode ser conectada diretamente ao tubo refrigerado,o qual é compreendido do tubo interno 3 e da camisa tubular4, mediante soldagem da seção tubular externa 13 da cabeçade entrada 11 para fora do tubo refrigerado. A seçãotubular interna 12 da cabeça de entrada 11 é concretizadada maneira descrita acima e está disposta transversalmentea partir da extremidade fechada do tubo refrigerado, pormeio do qual um anel 19 em formato de U é fornecido como umanel de vedação no recesso 18 da face terminal da seçãotubular interna 12 radialmente para fora adiante da regiãode borda projetada 17 e o espaço intermediário entre asseções tubulares interna e externa 12, 13 da cabeça deentrada 11 é fechado pela membrana impermeável a gás 20.

Claims (6)

1. Trocador de calor para refrigeração de gás de reaçãoincluindo uma conexão tubular entre um tubo refrigerado eum tubo não refrigerado, por meio do qual um tubo internorefrigerado (3) é envolvido por uma camisa tubular (4) e éconectado ao tubo quente não refrigerado através da cabeçade entrada (11) que está conectada ao tubo não refrigeradoe tem uma seção transversal em formato de garfo, a cabeçade entrada sendo fornecida com uma seção tubular externa(13) e uma seção tubular interna (12), entre as quais estádisposto um espaço intermediário que é preenchido com ummaterial de isolamento térmico, por meio do qual a seçãotubular externa (13) é conectada à camisa tubular (4) e aseção tubular interna (12) está ligeiramente espaçada demodo axial do tubo interno (3) e uma vedação está dispostaentre as faces terminais do tubo interno (3) e a seçãotubular interna (12) caracterizado pelo fato de que avedação é concretizada como um anel em formato de U (19) eestá disposta em um recesso (18) na face terminal da seçãotubular interna (12) da cabeça de entrada (11), e em que orecesso (18) é formado radialmente para fora de uma regiãode borda projetada para fora (17) da seção tubular interna(12) que está ligeiramente espaçada de modo axial do tubointerno (3) e em que o espaçamento ligeiramente axial entrea região de borda (17) da seção tubular interna (12) dacabeça de entrada (11) e o tubo interno (3) é igual oumenor do que a expansão térmica máxima da cabeça de entrada(11).

2. Trocador de calor, de acordo com a reivindicação 1,caracterizado pelo fato de que, disposta acima do espaçointermediário da cabeça de entrada (11) que acomoda omaterial de isolamento térmico, está uma membrana flexível,impermeável a gás (20) que é fundida, de uma maneiravedante, com as seções tubulares interna e externa (12, 13)da cabeça de entrada (11).

3. Trocador de calor, de acordo com a reivindicação 2,caracterizado pelo fato de que a membrana impermeável a gás(20) é corrugada.

4. Trocador de calor, de acordo com a reivindicação 1,caracterizado pelo fato de que a seção tubular externa (13)da cabeça de entrada (11) e a camisa tubular (4) sãoconectadas a uma câmara de água (5) nas extremidades queestão, respectivamente, dispostas transversalmente uma daoutra, por meio do que a câmara de água (5) é compreendidade uma peça sólida em formato de haste na qual porções emrecesso circulares (6) são introduzidas, as quais,respectivamente, envolvem um único tubo interno (3) , o qualé soldado a uma base fina (7) da porção em recesso (6), epor meio da qual o diâmetro da porção em recesso (6)corresponde ao diâmetro interno da camisa tubular (4).

5. Trocador de calor, de acordo com a reivindicação 4,caracterizado pelo fato de que a seção tubular externa (13)da cabeça de entrada (11) está conectada diretamente àcamisa tubular (4).

6. Trocador de calor, de acordo com a reivindicação 1,caracterizado pelo fato de que o material de isolamentotérmico é construído a partir de uma pluralidade de camadas(14, 15, 16) que estão dispostas umas após as outras nadireção axial e os coeficientes de condutividade térmicadas quais aumentam à medida que a distância do tubo interno(3) aumenta.