ES2331082T3 - Aparato para refrigerar un medio gaseoso caliente. - Google Patents
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Abstract
Aparato (1) para refrigerar un medio gaseoso caliente que comprende: un recipiente (2) en el que está dispuesto un mazo (3) de un número de tubos (4) en un compartimiento (5) de medio refrigerante y en el que en uso un medio refrigerante líquido (6) fluye alrededor del mazo de tubos (3); (i) dichos tubos (4) están montados al menos en o en la proximidad de sus extremos de aguas arriba en un escudo térmico (7), (ii) dichos tubos (4) se extienden, además, a través de un pilote de soporte (8) montado a una distancia desde el escudo térmico (7) determinando un espacio delantero (9) entre el escudo térmico (7) y la placa de soporte (8) en el recipiente separada del compartimiento de medio refrigerante (5), (iii) medios (10) para añadir refrigerante líquido al espacio delantero (9), (iv) los orificios (11) en la placa de soporte (8) son mayores que los tubos (4) que definen un espacio anular (12) entre el tubo y la placa de soporte, cuyo espacio anular (12) conecta en comunicación de fluido el espacio delantero (9) con el compartimiento de medio refrigerante (5), de tal manera que, en uso, el refrigerante líquido puede fluir en la misma dirección de la corriente que el medio gaseoso caliente en los tubos (4) desde el espacio delantero (9) hacia el compartimiento de medio refrigerante (5), (v) en el que una extensión (13) del tipo de reborde está presente alrededor del tubo (4) en el espacio delantero (9) fijado a la placa de soporte (8) y que tiene un orificio (14) en el escudo térmico (7) y en el que el orificio de entrada de los tubos (4) en el escudo térmico (7) está configurado de forma cónica y en el que la extensión (3) del tipo de reborde se extiende entre 30 y 70% de la longitud d a lo largo de la parte de entrada de forma cónica, según se mide desde el punto en el tubo en el que la parte cónica comienza a expandirse en el diámetro y en el que la longitud d representa la longitud total de la parte cónica, según se mide a lo largo de la superficie del tubo y en la dirección del flujo de gas.
Description
Aparato para refrigerar un medio gaseoso
caliente.
La invención se refiere a un aparato para
refrigerar un medio gaseoso caliente por intercambio de calor
indirecto con un medio refrigerante líquido.
Tales dispositivos de intercambio de calor se
utilizan en una gran escala en muchos sectores de la industria, por
ejemplo en la industria del petróleo para refrigerar productos
obtenidos a partir de cilindros trituradores hidráulicos y
reactores para la oxidación parcial de combustibles que contienen
(hidro) carburos, tales como gas natural, petróleo, carbón y
similares.
Típicamente, el intercambio de calor tiene lugar
por el paso de los gases calientes a través de un tubo y el
contacto del exterior del tubo con el medio refrigerante. Si el
medio refrigerante es agua, se puede producir vapor de manera
ventajosa como un sub-producto del proceso de
intercambio de calor en el aparato.
Cuando para fines de refrigeración se hacen
pasar los gases calientes a través de tubos que son refrigerados
con un medio de refrigerante sobre el lado exterior, las paredes de
los tubos adquieren una alta temperatura debido a la transmisión de
calor desde los gases calientes hacia el tubo metálico, cuyo calor
es transmitido adicionalmente al medio refrigerante.
Un ejemplo de un medio gaseoso caliente que debe
refrigerarse es el gas de síntesis caliente producido por oxidación
parcial de combustible que contiene (hidro)carburo, que es
refrigerado generalmente en un intercambiador de calor colocado
cerca del gasificador, produciendo de esta manera vapor a alta
presión. Una zona crítica es la entrada de gas del intercambiador
de calor, donde el gas de síntesis caliente entra en los tubos del
aparato de intercambio de calor. El espesor de pared de la zona de
entrada debe reducirse al mínimo, pero debería ser suficientemente
grueso para asegurar la integridad mecánica basada en la presión y
cargas térmicas. La velocidad del gas en la zona de entrada debería
ser suficientemente alta para prevenir la incrustación (por
ejemplo, 12 m/s), pero, por otra parte, suficientemente baja para
asegurar coeficientes de transmisión de calor suficientemente bajos
en el lado del gas. En particular, es deseable obtener un óptimo
entre la incrustación y la velocidad.
El documento
US-A-3610329 describe un
intercambiador de calor para refrigerar los gases calientes que
proceden de un proceso de gasificación. La sección de entrada
orientada verticalmente está protegida contra el calor excesivo por
ladrillos localizados entre la placa de soporte y el espacio desde
el que fluye el gas caliente. Los tubos a través de los cuales
fluye el gas caliente atraviesan los ladrillos. En una forma de
realización del documento
US-AS-3610328 como se muestra en la
figura 4, la sección de entrada de los tubos es refrigerada
utilizando un refrigerante que tiene una temperatura baja. El
refrigerante utilizado es descargado desde la sección de entrada
por medio de un conducto separado. Un inconveniente de este diseño
es el uso de los ladrillos, que se pueden caen en uso.
Un diseño mejorado, que no utiliza ladrillos, se
describe en el documento
US-A-5671807 y en el documento
US-A-4245696. Estas publicaciones
describen una sección de entrada de un aparato de intercambio de
calor de este tipo, en el que los tubos están montados en sus
extremos de aguas arriba en una placa adicional de tubos, definida
también en esta descripción como un escudo térmico, y una placa de
soporte. Entre el escudo térmico y la placa de soporte está
presente un espacio al que se añade medio refrigerante. Este medio
refrigerante refrigerará el escudo térmico y el exterior de los
tubos y se descarga desde dicho espacio a través de un espacio
anular que rodea los tubos cuando pasan por la placa de soporte. En
dicho espacio anular, el medio refrigerante fluye en la misma
dirección de la corriente que el gas caliente que fluye en los
tubos.
El documento
EP-A-290812 describe un recipiente
de intercambio de calor que tiene una sección de entrada, en el que
los tubos están montados en sus extremos de aguas arriba en una
placa de soporte. El refrigerante utilizado para refrigerar la
sección de entrada se pasa posteriormente a lo largo del extremo de
aguas abajo de los tubos a través de un segundo tubo que rodea toda
la longitud de los tubos. Este tipo de camisa de tubos externos
tiene orificios para permitir que el refrigerante sea descargado en
el espacio que rodea los tubos y sea descargado desde el recipiente
a través de un único orificio de salida.
El documento
EP-A-774103 describe un aparato que
tiene una sección de entrada, en el que los tubos están montados en
sus extremos de aguas arriba en un escudo térmico y una placa de
soporte. Entre el escudo térmico y la placa de soporte está
presente un espacio. Como en las referencias anteriores, un espacio
anular está presente alrededor de los tubos cuando pasan por la
placa de soporte. A dicho espacio anular se añade medio
refrigerante, de tal manera que pasa por la placa de soporte en una
dirección a contra corriente al gas caliente que fluye en los
tubos. Adicionalmente, está presente un reborde para guiar el medio
refrigerante a lo largo del exterior de los tubos dentro del
espacio entre el escudo térmico y la placa de soporte. El
refrigerante es descargado en una posición cerca del escudo térmico
y es descargado a través de orificios en la placa de soporte hacia
el compartimiento principal de refrigerante.
Un inconveniente de los aparatos de la técnica
anterior mencionados anteriormente es que la refrigeración del
extremo de aguas arriba de los tubos y del escudo térmico no es
suficiente. La presente invención implica un diseño que pretende
solucionar dicho inconveniente.
Se proporciona un aparato más mejorado con el
siguiente aparato. El aparato (1) para refrigerar un medio gaseoso
caliente comprende: un recipiente (2) en el que está dispuesto un
mazo (3) de un número de tubos (4) en un compartimiento (5) de
medio refrigerante y en el que en uso un medio refrigerante líquido
(6) fluye alrededor del mazo de tubos (3);
- (i)
- dichos tubos (4) están montados al menos en o en la proximidad de sus extremos de aguas arriba en un escudo térmico (7),
- (ii)
- dichos tubos (4) se extienden, además, a través de un pilote de soporte (8) montado a una distancia desde el escudo térmico (7) determinando un espacio delantero (9) entre el escudo térmico (7) y la placa de soporte (8) en el recipiente separada del compartimiento de medio refrigerante (5),
- (iii)
- medios (10) para añadir refrigerante líquido al espacio delantero (9),
- (iv)
- los orificios (11) en la placa de soporte (8) son mayores que los tubos (4) que definen un espacio anular (12) entre el tubo y la placa de soporte, cuyo espacio anular (12) conecta en comunicación de fluido el espacio delantero (9) con el compartimiento de medio refrigerante (5), de tal manera que, en uso, el refrigerante líquido puede fluir en la misma dirección de la corriente que el medio gaseoso caliente en los tubos (4) desde el espacio delantero (9) hacia el compartimiento de medio refrigerante (5),
- (v)
- en el que una extensión (13) del tipo de reborde está presente alrededor del tubo (4) en el espacio delantero (9) fijado a la placa de soporte (8) y que tiene un orificio (14) en el escudo térmico (7) y en el que el orificio de entrada de los tubos (4) en el escudo térmico (7) está configurado de forma cónica y en el que la extensión (3) del tipo de reborde se extiende entre 30 y 70% de la longitud d a lo largo de la parte de entrada de forma cónica, según se mide desde el punto en el tubo en el que la parte cónica comienza a expandirse en el diámetro y en el que la longitud d representa la longitud total de la parte cónica, según se mide a lo largo de la superficie del tubo y en la dirección del flujo de gas.
Los solicitantes han encontrado que la
combinación del reborde específico y el flujo en la misma dirección
de la corriente que el medio refrigerante a lo largo del extremo de
aguas arriba de los tubos proporciona una refrigeración mejorada de
la sección de entrada del intercambiador de calor.
La figura 1 representa de forma esquemática una
vista en sección de un intercambiador de calor de la invención
conectado a un reactor.
La figura 2 es una vista detallada del frente
refrigerado del intercambiador de calor de la presente
invención.
La figura 3 es una vista detallada del frente
refrigerado de otra forma de realización del intercambiador de
calor de la presente invención.
La figura 1 ilustra parte del aparato de
intercambio de calor (1) de acuerdo con la invención para
refrigerar un medio gaseoso caliente. También se muestra el extremo
inferior de un reactor de oxidación o gasificación parcial (20), en
el que se produce un gas de síntesis caliente que es refrigerado de
manera adecuada por el aparato (1). El aparato (1) comprende un
recipiente (2), en el que un mazo (3) de un número de tubos (4)
están dispuestos en un compartimiento del medio refrigerante (5). El
número de tubos en el aparato es adecuadamente al menos 4. El
número máximo de tubos será determinado por la capacidad de
refrigeración requerida por aparato y puede alcanzar hasta 24
inclusive, siendo convenientes entre 6 y 20. El mazo de tubos se
puede disponer como un conjunto de tubos orientados paralelos
rectos, en el que, por ejemplo, los extremos de salida de gas de
los tubos están dispuestos en un segundo escudo de placas de tubos
conectado en comunicación de fluido con una salida de gas común del
aparato de intercambio de calor. Ventajosamente, por razones de
ahorro de espacio, se aplican tubos arrollados helicoidalmente,
como se muestra en la figura 1. La figura 1 muestra también un
extremo de salida de gas (17) de los tubos (4).
En uso, un medio refrigerante líquido (6) fluirá
libremente alrededor del mazo de tubos (3). Un medio refrigerante
adecuado es agua. En uso, el agua se evaporará para producir vapor.
En el resto de la descripción, se hace referencia al agua como el
medio de refrigeración. Debe entenderse que en lugar de agua se
pueden utilizar también otros medios de refrigeración en las formas
de realización siguientes. Los medios para descargar vapor en la
parte superior del recipiente (2) y los medios opcionales para
añadir medio refrigerante fresco, con preferencia agua,
directamente al compartimiento del medio refrigerante (5), como
estarán presentes en el aparato de acuerdo con la invención, no se
muestran en la figura 1. No obstante, es ventajoso que
sustancialmente toda el agua, de manera conveniente más del 90% en
peso y con preferencia el 100% del agua de refrigeración fresca sea
proporcionada al compartimiento del medio refrigerante (5) a través
de medios (10), el espacio delantero (9) y el espacio anular
(12).
En la figura 1 se muestra que los tubos (4)
están montados en sus extremos de aguas arriba en un escudo térmico
(7). Justamente aguas abajo en la dirección del flujo de gas
caliente, los tubos (4) se extienden adicionalmente a través de una
placa de soporte (8). El escudo térmico (7) está montado a una
distancia de la placa de soporte (8) determinando un espacio
delantero (9) entre dicho escudo térmico (7) y dicha placa de
soporte (8) en el recipiente (2). La placa de soporte separa el
espacio delantero (9) del compartimiento del medio refrigerante
(5). Este espacio delantero debería ser suficientemente grande para
que el agua añadida por los medios (10) refrigere suficientemente
el escudo térmico y los medios de aguas arriba de los tubos. No
obstante, este espacio no debería ser demasiado grande para evitar
que el agua se evapore en este espacio. Ejemplos de dimensiones
adecuadas se describen en los documentos
US-A-5671807,
US-A-4245696 y
EP-A-774103 referidos
anteriormente.
El escudo térmico y la placa de soporte están
orientados con preferencia verticalmente, como se muestra en la
figura 1. Esta orientación permite conectar el reactor de
gasificación (20) y el aparato de intercambio de calor (1) más
eficientemente. La eficiencia se consigue porque el área de la
superficie que requiere revestimiento refractario, se reduce al
mínimo.
A continuación se hace referencia a la figura 2,
que muestra una vista más detallada de la sección de entrada de la
figura 1. A través de los medios (10) se añade agua al espacio
delantero (9). Con preferencia, los medios (10) son un conducto
para el transporte de agua que se extiende desde un depósito de agua
exterior al recipiente a través de la placa de soporte (8) hasta un
distribuidor de medio refrigerante (19) que tiene múltiples
orificios de salida en el espacio delantero (9). Los orificios de
salida (18) están distribuidos con preferencia entre los varios
orificios de entrada de los tubos con una dirección de flujo de
salida preferida hacia el escudo térmico para conseguir una
refrigeración óptima de dicha placa. Si el volumen de agua añadida
por los medios (10) no es, en uso, suficiente para compensar el
volumen de agua, que se evapora en el compartimiento del medio
refrigerante principal (5), está presente de manera adecuada un
medio adicional para añadir agua al compartimiento de refrigerante
principal (5).
La figura 2 muestra que los orificios (11) en la
placa de soporte (8) son mayores que los tubos (4) que definen un
espacio anular (12) entre el tubo y la placa de soporte. A través de
este espacio anular (12) puede fluir líquido en la misma dirección
de la corriente que el medio gaseoso caliente en los tubos (4) desde
el espacio delantero (9) hacia el compartimiento del medio
refrigerante (5). El flujo de refrigerante en la misma dirección de
la corriente es ventajoso debido a que se consigue una refrigeración
más eficiente del escudo térmico (7) y del extremo de entrada de
los tubos (4) que cuando el refrigerante fluye a contra corriente,
como se describe en el documento
EP-A-774103. La refrigeración de
estas partes críticas se mejora adicionalmente posicionando la
extensión del tipo de reborde (13) alrededor del tubo (4) en el
espacio delantero (9). El reborde (13) está fijado a la placa de
soporte (8). La extensión del tipo de reborde tiene un orificio (14)
para la entrada de medio refrigerante. El orificio (14) es con
preferencia un orificio circular completo, como se muestra en la
figura 2. Para conseguir la refrigeración óptima de dichas partes
críticas, el orificio (14) está en el escudo térmico (7), como se
muestra en la figura 1. De manera ventajosa, el reborde es simétrico
rotatorio, por ejemplo un manguito, como se muestra en la figura
2.
El orificio de entrada de los tubos (4) en el
escudo térmico (7) está configurado cónico, como se muestra en las
figuras 1 y 2. Esto significa que el orificio interior del tubo (4)
cuando pasa por el escudo térmico (7) es mayor que el orificio
interior del tubo (4) cuando pasa por la placa de soporte (8). El
ángulo, alfa, entre la superficie de entrada interior del tubo (4)
de la parte frusto cónica de dicho tubo y el eje del tubo es
preferentemente menor que 30º, más preferentemente está entre 5 y
25º y de manera más preferida está entre 10 y 25º. La esquina entre
la superficie interior configurada cónica del tubo (4) y la
superficie del escudo térmico es con preferencia lisa para evitar
turbulencia del gas caliente que pasa por ese punto. Los
solicitantes han encontrado que tal diseño evita adicionalmente
superficies metálicas de alta temperatura local en un punto en el
aparato donde tales temperaturas pueden ser excesivas. Con
preferencia, la forma de la extensión del tipo de reborde (13) se
extiende paralela con la forma del extremo interior de los tubos
(4). Por lo tanto, la forma de la extensión del tipo de reborde
estará compuesta con preferencia de una parte tubular fijada a una
parte frusto cónica, como se muestra en la figura 2. Más
preferentemente, la longitud de la entrada configurada cónica es
sustancialmente la misma que la profundidad del espacio delantero.
La extensión del tipo de reborde (13) solamente tendrá entonces una
forma frusto cónica. El reborde se extiende una longitud d1 desde
el punto donde el reborde comienza a expandirse en el diámetro. Esta
longitud d1 está entre 30 y 70% de la longitud d a lo largo de la
parte de entrada configurada de forma cónica, como se mide desde el
punto en el tubo donde la parte cónica comienza a expandirse en el
diámetro. La longitud d es la longitud total de la parte cónica
cuando se mide a lo largo de la superficie del tubo y en la
dirección del flujo de gas. La simulación por ordenador ha mostrado
que tal diseño consigue un efecto de refrigeración óptimo sobre el
escudo térmico (7) y el extremo de entrada de los tubos (4).
La figura 2 muestra también un anillo espaciador
(15) para fijar el tubo (4) en la placa de soporte (8). El anillo
espaciador (15) está provisto con un orificio (16) a través del cual
el agua que fluye desde el espacio delantero puede fluir hacia el
compartimiento del medio refrigerante (5). Dicho anillo (15) puede
estar posicionado en cualquier localización en el espacio anular
(12) como se ilustra en los documentos
US-A-5671807 y
US-A-4245696. Con preferencia, el
anillo espaciador (15) está posicionado en el orificio (11) en el
lado de la placa de soporte (8) que mira hacia el compartimiento
del medio refrigerante (5). Esta localización es ventajosa debido a
que en el caso de calentamiento excesivo, se evita de esta manera la
formación de vapor en el espacio anular (12), debido a que se puede
escapar entonces más libremente hacia el espacio delantero (9)
desde donde se puede descargar, por ejemplo, a través de un sistema
de termo sifón, que no se muestra en la figura. Éste es un
inconveniente del diseño del documento
US-A-5671807, donde se puede formar
vapor en el espacio anular debido a que no puede fluir fácilmente
hacia el espacio delantero y salida del recipiente a través de
válvulas de escape, que no se muestran en las figuras por
simplicidad. Está claro que sustancialmente todo el área exterior
del tubo (4) está en contacto directo con el agua en el
compartimiento de medio de refrigeración (5). Con sustancialmente
todo se entiende aquí al menos el 90% del área de la superficie
exterior de los tubos (4).
La figura 3 es como la figura 2. En esta figura,
en una forma de realización preferida, el reborde se extiende a
través de la placa de soporte (8) y elimina la necesidad de un
anillo de soporte adicional como en la figura 2. esta extensión del
tipo de reborde (20) está cerrada en su extremo que mira hacia el
compartimiento del medio refrigerante (5), excepto uno o más
orificios (22) para permitir el flujo de agua desde el espacio
anular (12) hasta el compartimiento de medio refrigerante (5). Con
preferencia, esta extensión del tipo de reborde (20) fija el tubo
(4) a la placa de soporte (8) por medio de soldadura (21) entre la
extensión del tipo de reborde (20) y la placa de soporte (8) y la
extensión del tipo de reborde (20) y el tubo (4) como se ilustra en
la figura 3.
La invención se refiere también al uso de un
aparato como se ha descrito anteriormente para refrigerar gases
calientes que tienen una temperatura entre 700 y 1600ºC, con
preferencia entre 1000 y 1600ºC contra agua como medio refrigerante
para preparar vapor que tiene una presión de hasta 15 MPa.
Claims (8)
1. Aparato (1) para refrigerar un medio gaseoso
caliente que comprende: un recipiente (2) en el que está dispuesto
un mazo (3) de un número de tubos (4) en un compartimiento (5) de
medio refrigerante y en el que en uso un medio refrigerante líquido
(6) fluye alrededor del mazo de tubos (3);
- (i)
- dichos tubos (4) están montados al menos en o en la proximidad de sus extremos de aguas arriba en un escudo térmico (7),
- (ii)
- dichos tubos (4) se extienden, además, a través de un pilote de soporte (8) montado a una distancia desde el escudo térmico (7) determinando un espacio delantero (9) entre el escudo térmico (7) y la placa de soporte (8) en el recipiente separada del compartimiento de medio refrigerante (5),
- (iii)
- medios (10) para añadir refrigerante líquido al espacio delantero (9),
- (iv)
- los orificios (11) en la placa de soporte (8) son mayores que los tubos (4) que definen un espacio anular (12) entre el tubo y la placa de soporte, cuyo espacio anular (12) conecta en comunicación de fluido el espacio delantero (9) con el compartimiento de medio refrigerante (5), de tal manera que, en uso, el refrigerante líquido puede fluir en la misma dirección de la corriente que el medio gaseoso caliente en los tubos (4) desde el espacio delantero (9) hacia el compartimiento de medio refrigerante (5),
- (v)
- en el que una extensión (13) del tipo de reborde está presente alrededor del tubo (4) en el espacio delantero (9) fijado a la placa de soporte (8) y que tiene un orificio (14) en el escudo térmico (7) y en el que el orificio de entrada de los tubos (4) en el escudo térmico (7) está configurado de forma cónica y en el que la extensión (3) del tipo de reborde se extiende entre 30 y 70% de la longitud d a lo largo de la parte de entrada de forma cónica, según se mide desde el punto en el tubo en el que la parte cónica comienza a expandirse en el diámetro y en el que la longitud d representa la longitud total de la parte cónica, según se mide a lo largo de la superficie del tubo y en la dirección del flujo de gas.
2. Aparato de acuerdo con la reivindicación 1,
en el que los tubos (4) están fijados a la placa de soporte (8) por
medio de anillos espaciadores (15), en el que los anillos
espaciadores (15) están provistos con orificios que conectan en
comunicación de fluido el espacio anular (12) con el compartimiento
de medio refrigerante (5).
3. Aparato de acuerdo con la reivindicación 2,
en el que los anillos (15) están posicionados en el orificio (11)
en el lado de la placa de soporte (8) que mira hacia el
compartimiento del medio refrigerante (5).
4. Aparato de acuerdo con la reivindicación 1,
en el que la extensión del tipo de reborde se extiende a través de
la placa de soporte (8) y está cerrada en su extremo que mira hacia
el compartimiento del medio refrigerante (5), excepto uno o más
orificios (21) para permitir que el medio refrigerante fluya desde
el espacio anular (12) hasta el compartimiento del medio
refrigerante (5).
5. Aparato de acuerdo con la reivindicación 4,
en el que la extensión del tipo de reborde fija el tubo (4) a la
placa de soporte (8) por medio de soldadura (21) entre la extensión
del tipo de reborde y la placa de soporte (8) y la extensión del
tipo de reborde (20) y el tubo (4).
6. Aparato de acuerdo con una cualquiera de las
reivindicaciones 1 a 5, en el que el ángulo (alfa) entre la
superficie de entrada interior del tubo (4) de la parte frusto
cónica de dicho tubo y el eje del tubo (4) es menor que 30º.
7. Aparato de acuerdo con una cualquiera de las
reivindicaciones 1 a 6, en el que el número de tubos (4) está entre
6 y 24 inclusive.
8. Utilización del aparato de acuerdo con las
reivindicaciones 1 a 7 para refrigerar gases calientes que tienen
una temperatura entre 700 y 1600ºC contra agua como medio
refrigerante para preparar vapor que tiene una presión de hasta 15
MPa.
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| EP04102286 | 2004-05-25 | ||
| EP04102286 | 2004-05-25 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| ES2331082T3 true ES2331082T3 (es) | 2009-12-21 |
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ID=34929128
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| ES05742985T Active ES2331082T3 (es) | 2004-05-25 | 2005-05-03 | Aparato para refrigerar un medio gaseoso caliente. |
Country Status (11)
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