FR2514119A1

FR2514119A1 - TUBULAR HEAT EXCHANGER FOR HIGH PRESSURE AND TEMPERATURE GASES

Info

Publication number: FR2514119A1
Application number: FR8119126A
Authority: FR
Inventors: Gilbert Charles Duponteil
Original assignee: STRUTHERS WELLS SA
Current assignee: STRUTHERS WELLS SA
Priority date: 1981-10-06
Filing date: 1981-10-06
Publication date: 1983-04-08
Also published as: IT1201958B; IT8223630A0; DE3236857A1

Abstract

A heat exchanger for utilising the heat of a pressurised hot gas comprises a distributor chamber, from which extend a number of tubes open on both sides and surrounded virtually over their entire length by tube pieces which are closed on one side and which open into one wall of a collecting chamber surrounding the distributor chamber. The tube pieces closed on one side are surrounded by a cooling chamber.

Description

ECHANGEUR DE CHALEUR TUBULAIRE POUR GAZ A PRESSION ET
TEMPERATURE ELEVEES
L'invention se rapporte aux échangeurs de chaleur pour gaz à pression et température élevées et, plus particulièrement, aux chaudières de récuperation.TUBULAR HEAT EXCHANGER FOR PRESSURE GASES AND
HIGH TEMPERATURE
The invention relates to heat exchangers for gases at high pressure and temperature and, more particularly, recovery boilers.

Les difficultés de construction posées par ces appareils croissent avec la température et la pression du gaz à refroidir et avec la pression de la vapeur que l'on veut produire. La composition du gaz augmente aussi ces difficultés : c'est particulièrement le cas des gaz rencontrés dans les processus de synthèse de l'ammoniac, ou autres gaz industriels, contenant une forte proportion d'hydrogène et d'azote qui entraîne des phénomènes de fragilisation et de corrosion des aciers lorsqu'ils sont à pression et/ou à température élevée.The construction difficulties posed by these devices increase with the temperature and the pressure of the gas to be cooled and with the pressure of the vapor which it is desired to produce. The composition of the gas also increases these difficulties: this is particularly the case of gases encountered in the synthesis processes of ammonia, or other industrial gases, containing a high proportion of hydrogen and nitrogen which leads to embrittlement phenomena and corrosion of steels when they are at high pressure and / or high temperature.

Ces phénomènes se rencontrent notamment dans les échangeurs à tubes droits ou à tubes en U souvent utilisés dans les applications à température et pression élevées.These phenomena are encountered in particular in exchangers with straight tubes or U-tubes often used in applications at high temperature and pressure.

Dans les échangeurs à tubes droits, la dilatation des tubes montés entre deux plaques de support, n'est pas possible; lesdites plaques sont soumises à la haute pression et doivent être épaisses. Le gaz à refroidir arrive dans une bote chaude qui est soumise à la fois à la haute pression et à la température élevée. La plaque de support située du côté de l'entrée du gaz est soumise à des différences de température considérables sur ses faces et à une corrosion importante aux endroits de passage des tubes. Les échangeurs à tubes en U ont également une boîte chaude d'entrée soumise à la fois à la haute pression et à la température élevée et une plaque de support de tubes soumise à des contraintes thermiques importantes, qui se manifestent. aussi bien suivant l'épaisseur de la plaque que suivant sa dimension transversale.Cette plaque est également sujette à corrosion aux endroits. de passage des tubes.In straight tube heat exchangers, expansion of the tubes mounted between two support plates is not possible; said plates are subjected to high pressure and must be thick. The gas to be cooled arrives in a hot box which is subjected to both high pressure and high temperature. The support plate located on the side of the gas inlet is subjected to considerable temperature differences on its faces and to significant corrosion at the places of passage of the tubes. The U-tube heat exchangers also have a hot inlet box subjected to both high pressure and high temperature and a tube support plate subjected to significant thermal stresses, which manifest themselves. depending on the thickness of the plate as well as on its transverse dimension.This plate is also prone to corrosion in places. passage of tubes.

Dans ce genre d'échangeurs, on est alors conduit à utiliser des aciers spéciaux pour réaliser ou vetir certaines parties de forte épaisseur de l'appareil.In this type of exchanger, we are then led to use special steels to make or clothe certain very thick parts of the device.

Les échangeurs des types susvisés présentent , outre leur cout élevé et leur poids relativement important, l'inconnénient d'être sujets à des contraintes mécaniques supplémentaires dues aux différences de température dans les épaisseurs des parois ou des plaques de support des faisceaux de tubes échangeurs.Exchangers of the abovementioned types have, in addition to their high cost and their relatively large weight, the fact that they are subject to additional mechanical stresses due to temperature differences in the thicknesses of the walls or of the support plates of the bundles of exchanger tubes.

L'invention propose, en vue de supprimer ces inconvénients, l'application nouvelle, aux échangeurs pour gaz à pression et température élevées, d'un dispositif du type "bayonnette." connu en soi, mais qui sera utilisé en amenant le gaz à refroidir par les tubes intérieurs du faisceau.The invention proposes, with a view to eliminating these drawbacks, the novel application, to exchangers for gases at high pressure and temperature, of a device of the "bayonet" type. known per se, but which will be used by causing the gas to cool through the interior tubes of the bundle.

Suivant un mode d'exécution préféré, la boîte chaude munie d'une plaque de support des tubes intérieurs et d'une tubulure d'entrée du gaz à refroidir, est disposée à l'intérieur de la boîte froide, munie d'une plaque de support des tubes extérieurs et d'une tubulure de sortie du gaz refroidi, les parois de la boîte chaude étant séparées des parois de la boîte froide et ladite tubulure d'entrée traversant une paroi du corps de la boîte froide, tandis que les tubes intérieurs traversent la plaque de support des tubes extérieurs.According to a preferred embodiment, the hot box provided with a support plate for the interior tubes and an inlet pipe for the gas to be cooled, is disposed inside the cold box, provided with a plate. for supporting the outer tubes and an outlet pipe for the cooled gas, the walls of the hot box being separated from the walls of the cold box and said inlet pipe passing through a wall of the body of the cold box, while the tubes inner tubes pass through the support plate of the outer tubes.

Selon une forme d'exécution plus particulière, ladite tubulure d'entrée est garnie d'une chemise a' isolation thermique
Suivant une autre particularité de l'invention, la paroi de la boite froide opposée à la plaque de support des tubes extérieurs est munie d'un couvercle étanche et amovible.According to a more particular embodiment, said inlet pipe is lined with a thermally insulated jacket
According to another feature of the invention, the wall of the cold box opposite the support plate for the outer tubes is provided with a waterproof and removable cover.

D'autres particularités, ainsi que les avantages de l'invention, apparaîtront clairement à la lumière de la description ci-après
A la figure unique du dessin annexé, on a représenté, en coupe verticale, une chaudière de récupération de chaleur conforme à un mode d'exécution préféré de l'invention.Other particularities, as well as the advantages of the invention, will become clear in the light of the description below
In the single figure of the accompanying drawing, there is shown, in vertical section, a heat recovery boiler according to a preferred embodiment of the invention.

Une calandre 1 dans laquelle l'eau d'alimentation à vaporiser pénètre à une extrémité (à droite sur la figure) en 10, est munie, à son extrémité opposée, d'une plaque 20 dans laquelle sont fixés, par soudage par exemple; des tubes extérieurs 21 fermés à une extrémité et logeant des tubes intérieurs 31, ouverts à l'extrémité correspondante. Pour simplifier, on a représenté deux couples de tubes seulement, alors que le faisceau comporte, de manière connue en soi, une pluralité de couples de tubes constituant un vaporisateur.A calender 1 into which the feed water to be vaporized enters at one end (on the right in the figure) at 10, is provided, at its opposite end, with a plate 20 in which are fixed, by welding for example; outer tubes 21 closed at one end and housing inner tubes 31, open at the corresponding end. For simplicity, only two pairs of tubes have been shown, while the bundle comprises, in a manner known per se, a plurality of pairs of tubes constituting a vaporizer.

A l'autre extémité, les tubes 31, après avoir traversé la plaque 20, sont fixés, par exemple par soudage, à une plaque 30 constituant la paroi antérieure d'une boîte d'entrée de gaz 3.At the other end, the tubes 31, after passing through the plate 20, are fixed, for example by welding, to a plate 30 constituting the front wall of a gas inlet box 3.

Le gaz à refroidir pénètre dan-s la boîte 3 par une tubulure d'entrée 32 qui traverse en 22, la paroi d'une bolte de sortie de gaz 2 dont la paroi antérieure est constituée par la plaque 20 et la paroi postérieure, par un couvercle amovible 23. La paroi de la boite 2 est munie en 24 d'une tubulure de sortie de gaz 25.The gas to be cooled enters the box 3 through an inlet pipe 32 which passes through at 22, the wall of a gas outlet box 2, the front wall of which is constituted by the plate 20 and the rear wall, through a removable cover 23. The wall of the box 2 is provided at 24 with a gas outlet pipe 25.

La tubulure 32 est munie d'une chemise 33 d'isolation thermique, permettant d'éviter son échauffement par le gaz entrant. La boîte 3 est logée à l'intérieur de la boîte 2 et ses parois ne sont pas en contact avec celles de la boîte 2.The tubing 32 is provided with a thermal insulation jacket 33, making it possible to prevent it from heating up by the incoming gas. Box 3 is housed inside box 2 and its walls are not in contact with those of box 2.

A son extrémité de droite, la calandre 1 est munie d'un trou d'homme 11 et, à sa partie supérieure par exemple, d'une tubulure 12 d'évacuation de la vapeur et, selon les cas, de l'eau chaude produites, comme on l'expliquera par la suite. At its right end, the grille 1 is provided with a manhole 11 and, at its upper part for example, a tube 12 for evacuating steam and, as the case may be, hot water produced, as will be explained later.

L'appareil est alimenté en continu, en eau par la tubulure 10, en gaz chaud à pression élevée par la tubulure 32.The apparatus is supplied continuously, with water through the pipe 10, with hot gas at high pressure through the pipe 32.

Le gaz chaud pénètre dans la "bolte chaude" 3, puis dans le faisceau intérieur 31 où il commence à- refroidir ; le faisceau intérieur étant ouvert à son extrémité, le gaz déjà partiellement refroidi passe dans les espaces annulaires compris entre les tubes 31 et 21 et, convenablement refroidi, il traverse la plaque 20, pénètre dans la "boite froide" 2 et sort par la tubulure 25.The hot gas enters the "hot bowl" 3, then into the interior bundle 31 where it begins to cool; the inner bundle being open at its end, the gas, already partially cooled, passes into the annular spaces between the tubes 31 and 21 and, suitably cooled, it crosses the plate 20, enters the "cold box" 2 and exits through the pipe 25.

Les calories cédées par le faisceau vaporisateur à l'eau contenue dans la calandre vaporisent cettre eau.The calories given off by the vaporizing beam to the water contained in the grille vaporize this water.

La vapeur produite est, de façon connue en soi, soit évacuée par les tubulures 12 (chaudière du type rebouilleur dans laquelle la vapeur est séparée de l'eau dans la calandre) soit, en même temps que de l'eau, envoyée vers un ballon extérieur (chaudière à recirculation extérieure, dans laquelle la séparation eau-vapeur s'effectue dans le ballon).The steam produced is, in a manner known per se, either evacuated through the pipes 12 (boiler of the reboiler type in which the steam is separated from the water in the shell) or, together with water, sent to a external tank (boiler with external recirculation, in which the water-steam separation takes place in the tank).

L'invention ne porte pas sur cette partie de l'appareil, qui pourrait même être du type économiseur, c'est-à-dire produire de l'eau chaude à température légèrement inférieure à celle de vaporisation.The invention does not relate to this part of the apparatus, which could even be of the economizer type, that is to say produce hot water at a temperature slightly lower than that of vaporization.

L'appareil peut être installé horizontalement, comme illustré au dessin, ou verticalement, la boîte de sortie étant placée en haut ou en bas.The device can be installed horizontally, as illustrated in the drawing, or vertically, the outlet box being placed at the top or bottom.

Si l'on suppose, pour fixer les idées, que le gaz pénètre en 32 à une température de 4000C et sous une pression de 200 bars, compte tenu de la perte dè charge dans le faisceau vaporisateur, qui est de l'ordre de 1 Kg/cm2, la pression sera par exemple de 199 bars à l'intérieur de la chambre 5 et la température du gaz refroidi sera par exemple 3600C. If it is assumed, to fix the idea, that the gas penetrates in 32 at a temperature of 4000C and under a pressure of 200 bars, taking into account the pressure drop in the vaporizing beam, which is of the order of 1 Kg / cm2, the pressure will be for example 199 bars inside the chamber 5 and the temperature of the cooled gas will be for example 3600C.

Il est évident que les parois en contact avec l'extérieur de la calandre 1 et de la boite 2 devront etre suffisamment résistantes pour supporter les pressions élevées qui règnent côté-gaz et coté vapeur. A cet effet, les parois de la boîte 2 et de la calandre pourront être constituées en acier allié d'épaisseur relativement grande (par exemple 300 mm pour la boite 2, 100 mm pour la calandre 1), apte à résister aux conditions de température et de pression.It is obvious that the walls in contact with the outside of the grille 1 and of the box 2 must be strong enough to withstand the high pressures which prevail on the gas side and on the steam side. For this purpose, the walls of the box 2 and of the grille can be made of alloy steel of relatively large thickness (for example 300 mm for the box 2, 100 mm for the grille 1), capable of withstanding the temperature conditions. and pressure.

En ce qui concerne les phénomènes de fragilisation et de corrosion liés aux conditions de température et de pression et à la teneur éventuelle du gaz en hydrogène et en azote, la conception de la chaudière décrite permet, comme on l'expliquera ci-après, de se protéger contre ces phénomènes sans devoir utiliser dans les parties les plus repaisses, des parois ou des revêtements en alliages spéciaux, à haute teneur en nickel-chrome par exemple, présentant un coût élevé.As regards the embrittlement and corrosion phenomena linked to the temperature and pressure conditions and to the possible hydrogen and nitrogen content of the gas, the design of the boiler described makes it possible, as will be explained below, to protect against these phenomena without having to use in the thickest parts, walls or coatings of special alloys, with a high nickel-chromium content for example, presenting a high cost.

Par ailleurs, les contraintes mécaniques liées aux différences de température dans les épaisseurs de métal sont considérablement réduites.Furthermore, the mechanical stresses linked to temperature differences in the thicknesses of metal are considerably reduced.

Ces résultats remarquables sont obtenus, en premier lieu, grâce à l'application nouvelle, au refroidissement et à la récupération de chaleur d'un gaz à haute. température et haute pression, d'une chaudière munie d'un échangeur du type "bayonnette", présentant la particularité selon laquelle le gaz est introduit par le tube intérieur
En effet il en résulte que - le gaz chaud n'ayant pas de contact avec la boîte 2 et la plaque 20, celles-ci ne seront pas soumises aux conditions de corrosion et de fragilisation les plus sévères t elles peuvent donc être construites en acier faiblement allié, peu onéreux - l'échange thermique maximum entre le gaz eut l'eau ne s'effectue pas au niveau de la plaque 20, mais est reporté à l'extrémité opposée du faisceau de tubes 21-31.Au niveau de la plaque 20, la différence de température entre gaz et eau n'est que de 40 à 500C : les contraintes thermiques sont faibles et il n'y a pas de risque de formation de poches de vapeur. A l'extrémité opposée, où ce risque existe, l'inspection de la chaudière est facile (trou d'homme 11) ; - les tubes extérieurs 21 n'étant soumis qu'au gaz refroidi, ils peuvent être réalisés en acier faiblement allié et les phénomènes de corrosion sous contrainte observés sur les alliages fortement alliés en présence d'eau de chaudière se trouvent éliminés.These remarkable results are obtained, firstly, thanks to the new application, cooling and heat recovery of a high gas. temperature and high pressure, of a boiler fitted with a "bayonet" type exchanger, having the particularity that the gas is introduced through the inner tube
Indeed, it follows that - the hot gas having no contact with the box 2 and the plate 20, these will not be subjected to the most severe corrosion and embrittlement conditions t they can therefore be constructed of steel low-alloy, inexpensive - the maximum heat exchange between the gas and the water does not take place at the level of the plate 20, but is carried over to the opposite end of the bundle of tubes 21-31. plate 20, the temperature difference between gas and water is only 40 to 500C: the thermal stresses are low and there is no risk of the formation of vapor pockets. At the opposite end, where this risk exists, inspection of the boiler is easy (manhole 11); - The outer tubes 21 are only subjected to cooled gas, they can be made of low-alloy steel and the stress corrosion phenomena observed on high-alloyed alloys in the presence of boiler water are eliminated.

L'agencement de la boîte chaude 3, disposée à l'intérieur de la boîte froide 2 et complètement distincte de celle-ci, permet de séparer les parties à haute température de celles à température plus basse et d'éviter les contraintes qui seraient dues aux gradients thermiques élevés dans les fortes épaisseurs de la bote 2 et de la plaque 20.The arrangement of the hot box 3, arranged inside the cold box 2 and completely separate from the latter, makes it possible to separate the parts at high temperature from those at lower temperature and to avoid the constraints which would be due at high thermal gradients in the large thicknesses of box 2 and plate 20.

On notera que la plaque 20 ne sera pas soumise à des différences de température importantes, ni dans le sens de son épaisseur, ni dans le sens de son diamètre, ce qui réduit au maximum les contraintes thermiques.It will be noted that the plate 20 will not be subjected to significant temperature differences, neither in the direction of its thickness, nor in the direction of its diameter, which minimizes thermal stresses.

Les parois intérieures de la boîte 3 et de la plaque 30 sont évidemment soumises à la température la plus élevée, mais, par contre, la pression différentielle est faible (de l'ordre de 1 kg/cm2). Elles peuvent donc être réalisées en métal mince. I1 s'agira d'alliages spéciaux mentionnés cidessus, mais, compte tenu de la faible épaisseur (par exemple 6mm pour la boîte 3, 20mm pour la plaque 30) la construction est aisée et peu onéreuse.The interior walls of the box 3 and of the plate 30 are obviously subjected to the highest temperature, but, on the other hand, the differential pressure is low (of the order of 1 kg / cm 2). They can therefore be made of thin metal. These will be the special alloys mentioned above, but, taking into account the small thickness (for example 6mm for the box 3, 20mm for the plate 30) the construction is easy and inexpensive.

Le couvercle 23 permet le démontage du faisceau de tubes intérieurs, tout en assurant l'étanchéité du gaz sous pression.The cover 23 allows the disassembly of the inner tube bundle, while ensuring the tightness of the gas under pressure.

En résumé, la chaudière décrite est de construction relativement peu onéreuse, l'épaisseur de toutes les parties soumises à haute température étant réduite et les enveloppes de forte épaisseur sur lesquelles regne la pression n'étant soumises qu'à des gradients thermiques modérés.In summary, the boiler described is of relatively inexpensive construction, the thickness of all the parts subjected to high temperature being reduced and the very thick envelopes on which the pressure prevails being subjected only to moderate thermal gradients.

I1 va se soi que des modifications dans la forme et l'agencement des différentes parties de l'appareil décrit et représenté peuvent être apportées, sans s'écarter de l'esprit de l'invention. It goes without saying that modifications in the shape and arrangement of the various parts of the apparatus described and shown can be made, without departing from the spirit of the invention.

Claims

Patent claims

1. Bayonet type heat exchanger intended for

cooling of a gas at high pressure and temperature, comprising a hot box (3) provided with a pipe (32) for entering the gas to be cooled and a support plate (30) for a first bundle of tubes exchanger; a cold box (2), fitted with an outlet pipe for the cooled gas (25) and a support plate (20) for a second bundle of exchanger tubes; the tubes of one of the bundles being open at their free end and housed inside the tubes, closed at their free end, of the other bundle, characterized in that said first bundle is composed of the inner tubes (31) , while the second beam is made up of the outer tubes (21).

2. Heat exchanger according to claim 1, characterized in that the hot box (3) is arranged inside the cold box (2), the walls of the hot box being separated from those of the cold box and the said inlet tubing (32) passing through a wall (22) of the body of the cold box, while the inner tubes (31) of the bundle passing through the support plate (20) of the outer tubes.

3. Heat exchanger according to claim 2, characterized in that said inlet pipe (32) is provided with a thermal insulation jacket (33).

4. Heat exchanger according to claim 2 or 3b, characterized in that the. wall of the cold box (2) opposite the support plate (20) of the outer tubes is provided with a waterproof and removable cover (23).

5. Heat exchanger according to one of claims 1 to 4, characterized in that the walls of the cold box (2) and of the plate (20) for supporting the outer tubes (21) have a thickness substantially greater than that of the walls of the hot box (3) and of the plate (30) for supporting the inner tubes (31).

6. Heat recovery boiler comprising a heat exchanger according to one of claims l to 5.