CH674258A5

CH674258A5 -

Info

Publication number: CH674258A5
Application number: CH356088A
Authority: CH
Inventors: Umberto Zardi; Giorgio Pagani
Original assignee: Ammonia Casale Sa; Umberto Zardi
Priority date: 1988-09-26
Filing date: 1988-09-26
Publication date: 1990-05-15
Also published as: EP0446392A1

Description

DESCRIZIONE DESCRIPTION

L'invenzione concerne uno scambiatore ad alte prestazioni per il recupero di calore come ad esempio da gas reagiti, comprendente una pluralità di primi tubi sporgenti da una piastra tubiera superiore ed aperti sul fondo che si innestano a baionetta in ima pluralità di secondi tubi sporgenti da una piastra tubiera inferiore e chiusi sul fondo, un'intercapedine esistendo tra la superficie esterna di detti primi tubi e la superficie interna di detti secondi tubi. The invention relates to a high-performance heat exchanger for recovering heat such as from reacted gases, comprising a plurality of first tubes protruding from an upper tube plate and open on the bottom which are bayonet-mounted in a plurality of second tubes protruding from a lower and closed tube sheet on the bottom, a cavity existing between the external surface of said first tubes and the internal surface of said second tubes.

È nota l'importanza fondamentale che lo scambio termico riveste negli impianti chimici. The fundamental importance of heat exchange in chemical plants is known.

È altresì nota l'importanza di realizzare scambiatori di calore ottimali dal punto di vista dell'affidabilità di funzionamento e dei costi di investimento. The importance of realizing optimal heat exchangers from the point of view of operating reliability and investment costs is also known.

In particolare per quegli scambiatori impiegati nei processi chimici che richiedono elevate pressioni e temperature di funzionamento con fluidi molto aggressivi, come per esempio negli impianti di sintesi dell'ammoniaca, dove diventa essenziale la scelta dei materiali così come il disegno dello scambiatore stesso, che deve poter garantire una assoluta affidibilità onde evitare rotture. Rotture che possono comportante l'arresto degli impianti con conseguenti incalcolabili danni per la mancata produzione, o rischi per la sicurezza di funzionamento. In particular for those exchangers used in chemical processes that require high pressures and operating temperatures with very aggressive fluids, such as in ammonia synthesis plants, where the choice of materials as well as the design of the exchanger itself becomes essential, which must to be able to guarantee absolute reliability in order to avoid breakages. Breakages that may lead to plant shutdown with consequent incalculable damage due to lack of production, or risks to operational safety.

Numerosa è la letteratura e lo stato dell'arte che descrivono tipi di disegno per scambiatori di calore di diffusa applicazione e operanti in genere in condizioni non critiche. Numerous are the literature and the state of the art that describe types of design for heat exchangers of widespread application and operating in general in non-critical conditions.

In particolare sono noti scambiatori di calore a teste fisse, a tubi a chioma, od a tubi a baionetta con una sola piastra tubiera. Per altro sono noti anche scambiatori di calore a teste flottanti. In particular, fixed-head, head-tube or bayonet-tube heat exchangers with a single tube plate are known. Furthermore, floating head heat exchangers are also known.

Tutti suddetti tipi di scambiatori presentano però dei gravi inconvenienti in condizioni operative critiche con fluidi ad alte pressioni e temperature. All the above types of exchangers, however, have serious drawbacks in critical operating conditions with fluids at high pressures and temperatures.

Gli scambiatori a teste fisse (fig. 1) presentano l'inconve-5 niente di non permettere, tra i tubi ed il mantello, una facile dilatazione relativa delle singole parti, rigidità che comporta quindi la possibilità di rotture meccaniche. Fixed head heat exchangers (fig. 1) have the disadvantage of not allowing, between the pipes and the casing, easy relative expansion of the individual parts, rigidity which therefore entails the possibility of mechanical breakages.

Gli scambiatori con tubi a chioma o ad «U» (fig. 2) presentano il vantaggio rispetto agli scambiatori a teste fisse di per-ìo mettere una libera dilatazione dei tubi, ma non risolvono totalmente il problema in quanto le due zone della piastra tubiera dal lato di ingresso e di uscita del fluido nei tubi ad «U» si trovano a temperature diverse, generando malformazioni della piastra e quindi sollecitazioni dei materiali. Heat exchangers with canopy or "U" shaped pipes (fig. 2) have the advantage over fixed-head heat exchangers to allow free expansion of the tubes, but they do not totally solve the problem as the two areas of the tube plate on the inlet and outlet side of the fluid in the "U" tubes they are at different temperatures, generating malformations of the plate and therefore stresses of the materials.

15 D'altronde gli scambiatori con tubi a baionetta, che permettono una libera dilatazione dei tubi e la cui piastra tubiera non subisce deformazioni, possono essere convenientemente adottati soltanto nei casi in cui il fluido all'interno del tubo a baionetta sia in stato di ebollizione ma non nel caso in cui il fluido da 20 raffreddare o riscaldare non cambi il suo stato fisico, liquido o gassoso. Infatti in quest'ultimo caso l'inevitabile scambio termico, detto scambio parassitario, tra tubo interno e tubo esterno di ciascun elemento dello scambiatore a baionetta impedisce un efficiente scambio termico tra il tubo esterno ed il fluido 25 contenuto nel mantello e quindi un corretto funzionamento dello scambiatore. 15 On the other hand, the exchangers with bayonet tubes, which allow free expansion of the tubes and whose tube plate does not undergo deformation, can be conveniently adopted only in cases where the fluid inside the bayonet tube is in a boiling state but not in the event that the fluid to be cooled or heated does not change its physical, liquid or gaseous state. In fact, in the latter case the inevitable heat exchange, said parasitic exchange, between the inner tube and the outer tube of each element of the bayonet exchanger prevents an efficient heat exchange between the outer tube and the fluid 25 contained in the shell and therefore a correct operation of the exchanger.

È quindi scopo dell'invenzione di provvedere uno scambiatore di calore avente caratteristiche strutturali e funzionali tali da permettere una assoluta affidabilità di funzionamento spe-30 cialmente in condizioni operative critiche a pressioni e temperature elevate mantenendo però uno scambio termico ottimale e una riduzione dei costi di investimento e di esercizio per la manutenzione di detti scambiatori e superare gli inconvenienti più sopra citati con riferimento alla tecnica nota. It is therefore an object of the invention to provide a heat exchanger having structural and functional characteristics such as to allow an absolute reliability of operation especially in critical operating conditions at high pressures and temperatures while maintaining an optimal heat exchange and a reduction in the costs of investment and operation for the maintenance of said exchangers and to overcome the drawbacks mentioned above with reference to the prior art.

35 Questo scopo ed altri ancora che meglio appariranno dalla descrizione che seguirà sono raggiunti da uno scambiatore di calore ad alte prestazioni per il recupero di calore come ad esempio da gas reagiti, del tipo precisato nell'introduzione della descrizione e della rivendicazione 1 che si caratterizza dal fatto 40 di comprendere una pluralità di primi tubi sporgenti da una piastra tubiera superiore e aperti sul fondo che si innestano a baionetta in una pluralità di secondi tubi sporgenti da una piastra tubiera inferiore e chiusi sul fondo, una intercapedine esistendo tra la superficie esterna di detti primi tubi e la superfìcie 45 interna di detti secondi tubi, nella quale sono provviste resistenze allo scambio termico. 35 This object and others that will appear better from the description that follows are achieved by a high-performance heat exchanger for heat recovery such as from reacted gases, of the type specified in the introduction of the description and claim 1 which is characterized from the fact of comprising a plurality of first tubes protruding from an upper tube plate and open on the bottom which are bayonet-mounted in a plurality of second tubes protruding from a lower tube plate and closed on the bottom, an interspace existing between the external surface of said first tubes and the internal surface 45 of said second tubes, in which heat exchange resistances are provided.

Vantaggiosamente le resistenze si sviluppano almeno parzialmente sulla lunghezza longitudinale di detti primi tubi. Advantageously, the resistors develop at least partially on the longitudinal length of said first tubes.

In una forma di realizzazione dell'invenzione, dette resisten-50 ze sono costituite da zone morte di fluido stagnante, in particolare da fluido fermo non circolante. In one embodiment of the invention, said resistances are made up of dead areas of stagnant fluid, in particular non-circulating still fluid.

In una forma di realizzazione particolarmente vantaggiosa e perciò preferita, è previsto l'inserimento di terzi tubi tra detti secondi e primi tubi, l'estremità inferiore dei quali viene chiusa 55 sulla corrispondente estremità inferiore di detti terzi tubi. In a particularly advantageous and therefore preferred embodiment, the insertion of third tubes between said second and first tubes is provided, the lower end of which is closed 55 on the corresponding lower end of said third tubes.

Vantaggiosamente all'interno dell'intercapedine ricavata tra detti primi e terzi tubi vengono provvisti mezzi per ulteriormente incrementare la resistenza termica e per evitare moti convettivi, in particolare con l'inserimento di isolanti fluidi e/o solidi, 60 o con la creazione di zone sotto vuoto. Advantageously, means are provided inside the interspace obtained between said first and third pipes to further increase the thermal resistance and to avoid convective motions, in particular with the insertion of fluid and / or solid insulators, 60 or with the creation of zones under vacuum.

Si è trovato inoltre maggiormente vantaggioso far passare il fluido recuperante calore in circolazione forzata all'interno dei tubi a baionetta ed il fluido riscaldante (ad esempio gas reagito) che cede calore sul lato mantello. It has also been found more advantageous to pass the heat recovery fluid in forced circulation inside the bayonet tubes and the heating fluid (for example reacted gas) which transfers heat on the casing side.

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È particolarmente sorprendente come possano venire risolti in maniera semplice e brillante gli inconvenienti più sopra citati relegando ad un ruolo assolutamente marginale ed ininfluente It is particularly surprising how the above mentioned drawbacks can be solved in a simple and brilliant way, relegating them to an absolutely marginal and irrelevant role

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lo scambio termico parassitario tra il tubo interno ed il tubo esterno della baionetta. the parasitic heat exchange between the inner tube and the outer bayonet tube.

I diversi aspetti e vantaggi dell'invenzione risulteranno maggiormente dalla descrizione dettagliata di un esempio di realizzazione di essa fatta qui di seguito con riferimento ai disegni allegati dati a titolo non limitativo e nei quali: The different aspects and advantages of the invention will become clearer from the detailed description of an example of embodiment made hereafter with reference to the attached drawings given by way of non-limiting example and in which:

le figure 1, 2, 3 e 4 sono viste in sezione con piani assiali schematiche e parziali di rispettivamente uno scambiatore a teste fisse secondo l'arte nota, uno scambiatore a tubi a chioma anch'esso secondo l'arte nota, uno scambiatore a tubi a baionetta sempre secondo l'arte nota e uno scambiatore a tubi a baionetta in una forma di realizzazione preferita secondo l'invenzione; figures 1, 2, 3 and 4 are sectional views with schematic and partial axial planes of respectively a fixed-head exchanger according to the prior art, a tube-type exchanger with canopy also according to the prior art, a heat exchanger with bayonet tubes always according to the prior art and a bayonet tube exchanger in a preferred embodiment according to the invention;

la figura 5 è una vista in sezione con piano assiale schematica e parziale di un dettaglio (su scala ingrandita) della estremità inferiore di uno di detti primi, secondi e terzi tubi nella forma di realizzazione secondo la figura 4. Figure 5 is a sectional view with a schematic and partial axial plane of a detail (on an enlarged scale) of the lower end of one of said first, second and third pipes in the embodiment according to Figure 4.

In queste figure 1, 2, 3 secondo l'arte nota e 4 secondo una forma di realizzazione preferita dell'invenzione, uno scambiatore per il recupero di calore come ad esempio da gas reagiti globalmente indicato con 1 comprende un involucro o mantello 2 chiuso almeno ad una sua estremità da un coperchio 3. In una forma di realizzazione preferita secondo l'invenzione (figg. 4 e 5) il mantello 2 ha al suo interno una pluralità di primi tubi 4 sporgenti da una piastra tubiera superiore 5 e che sono aperti sul fondo. Primi tubi 4 che si innestano a baionetta in una pluralità di secondi tubi 6 sporgenti da una piastra tubiera inferiore 7 e che sono chiusi sul fondo. Secondo un aspetto notevole dell'invenzione, tra detti secondi e primi tubi 6 e 4 sono ora intenti una pluralità di terzi tubi 8 sporgenti dalla piastra tubiera superiore 5 e le cui estremità inferiori sono chiuse sulle corrispondenti estremità inferiori di detti primi tubi 4 nel punto 9. Si vengono così a creare una prima pluralità di intercapedine 10 tra la superficie esterna di detti primi tubi 4 e la superficie interna di detti terzi tubi 8 e una seconda pluralità di intercapedine 11 tra la superficie esterna di detti terzi tubi 8 e la superficie interna di detti secondi tubi 6. La piastra tubiera superiore 5 e la piastra tubiera inferiore 7 dividono lo spazio interno del mantello 2 in tre spazi o camera 12,13 e 14. In these figures 1, 2, 3 according to the prior art and 4 according to a preferred embodiment of the invention, an exchanger for the recovery of heat as for example from reacted gases globally indicated with 1 comprises a casing or casing 2 closed at least at one end thereof by a cover 3. In a preferred embodiment according to the invention (figs. 4 and 5) the shell 2 has a plurality of first tubes 4 protruding from an upper tube plate 5 and which are open on the bottom. First tubes 4 which engage with a bayonet into a plurality of second tubes 6 protruding from a lower tube plate 7 and which are closed on the bottom. According to a noteworthy aspect of the invention, a plurality of third pipes 8 protruding from the upper tube plate 5 and whose lower ends are closed on the corresponding lower ends of said first tubes 4 at the point are now intent between said second and first tubes 6 and 4 9. A first plurality of interspace 10 is thus created between the external surface of said first tubes 4 and the internal surface of said third tubes 8 and a second plurality of interspace 11 between the external surface of said third tubes 8 and the surface interior of said second tubes 6. The upper tube plate 5 and the lower tube plate 7 divide the internal space of the shell 2 into three spaces or chamber 12, 13 and 14.

s La camera superiore 12 comprende una pluralità di aperture superiori 15 e 16 rispettivamente dei primi e terzi tubi 4 e 8, mentre la camera intermedia 13 comprende una pluralità di aperture superiori 17 dei secondi tubi 6. s The upper chamber 12 comprises a plurality of upper openings 15 and 16 respectively of the first and third tubes 4 and 8, while the intermediate chamber 13 comprises a plurality of upper openings 17 of the second tubes 6.

Secondo una forma di realizzazione preferita rappresentata io dalle figure 4 e 5 un fluido per lo scambio termico FI entra nella camera superiore 12 dall'apertura 18 e passa attraverso la pluralità di aperture superiori 15 e 16 dei primi rispettivamente terzi tubi 4 e 8. All'interno dei terzi tubi 8 si ottengono così zone morte di fluido FI stagnante per l'isolamento termico tra i 15 secondi e primi tubi 6 e 4. According to a preferred embodiment represented by figures 4 and 5, a heat exchange fluid FI enters the upper chamber 12 from the opening 18 and passes through the plurality of upper openings 15 and 16 of the first third pipes 4 and 8 respectively. thus dead areas of stagnant fluid FI are obtained inside the third pipes 8 for thermal insulation between the 15 seconds and first pipes 6 and 4.

Il fluido FI che è invece disceso lungo l'interno dei primi tubi 4 senza subire un rilevante scambio termico, risale, alla finne di quest'ultimo, lungo i secondi tubi 6 all'interno dell'intercapedine 11 subendo uno scambio termico con un secondo fluido F2 20 che si trova nel lato mantello. The fluid FI which instead descended along the inside of the first pipes 4 without undergoing a significant heat exchange, goes back, at the end of the latter, along the second pipes 6 inside the cavity 11 undergoing a heat exchange with a second fluid F2 20 located on the shell side.

Il fluido FI fuoriesce quindi dalle aperture superiori 17 nella camera intermedia 13 per poi lasciare definitivamente lo scambiatore di calore 1 dall'uscita 19. The fluid FI then flows out of the upper openings 17 into the intermediate chamber 13 and then definitively leaves the heat exchanger 1 from the outlet 19.

Il secondo fluido F2 (cioè vantaggiosamente i gas caldi rea-25 giti) che è entrato all'interno del mantello 2 dall'ingresso 20 fuoriesce dallo scambiatore di calore 1 dall'uscita 21. The second fluid F2 (i.e. advantageously the hot gases reacted 25) which entered the casing 2 from the inlet 20 comes out of the heat exchanger 1 from the outlet 21.

All'interno dell'intercapedine 10 vengono vantaggiosamente provvisti mezzi per ulteriormente incrementare la resistenza termica e per evitare moti convettivi, in particolare con l'inseri-30 mento di isolanti fluidi e/o solidi, o con la creazione di zone sotto vuoto. Means are advantageously provided inside the interspace 10 to further increase the thermal resistance and to avoid convective motions, in particular with the insertion of fluid and / or solid insulators, or with the creation of areas under vacuum.

Gli scambiatori secondo il trovato hanno applicazione in qualsiasi tipo di reattore, in particolare nei reattori descritti nei brevetti dei Richiedenti (vedasi per esempio brevetti U.S. No. 35 4 372 920, No. 4 405 562, No. 4 755 362, ecc.). The exchangers according to the invention have application in any type of reactor, in particular in the reactors described in the Applicants patents (see for example US patents No. 35 4 372 920, No. 4 405 562, No. 4 755 362, etc.) .

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2 fogli disegni 2 drawings sheets

Claims

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1. High-performance heat exchanger for recovering heat from fluids, such as from reacted gases, comprising a plurality of first tubes (4) protruding from an upper tube plate and open on the bottom which are bayonet-mounted in a plurality of second tubes (6) protruding from a lower tube plate and closed on the bottom, a cavity existing between the external surface of said first tubes and the internal surface of said second tubes, characterized in that between said first and second tubes are provided with heat exchange resistances (8).

2. High performance heat exchanger according to claim 1, characterized in that said resistances develop partially on the longitudinal length of said first pipes.

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3. High-performance heat exchanger according to claim 1, characterized in that said resistances consist of dead zones of stagnant fluid, in particular still non-circulating fluid.

High-performance heat exchanger according to claim 1, characterized in that said resistances are provided by inserting third pipes (8) between said second (6) and first pipes (4), the lower end of which is closed (9 ) on the corresponding lower end of said third pipes.

5. High performance heat exchanger according to claim 4, characterized in that inside the interspace between said first and third pipes there are provided means for further increasing the thermal resistance and for avoiding convective motions, in particular with the insertion of fluid and / or solid insulators, or with the creation of vacuum areas.

6. Procedure for commissioning a high-performance heat exchanger according to claims 3 or 5, characterized in that the heat recovery fluid is forced into forced circulation inside the bayonet pipes and the heating fluid that transfers heat on the mantle side (2).