IT201600097320A1

IT201600097320A1 - Scambiatore di calore a flusso incrociato

Info

Publication number: IT201600097320A1
Application number: IT102016000097320A
Authority: IT
Inventors: Lorenzo Bruno; Rosario Galati; Lino Carlessi
Original assignee: Saipem Spa
Priority date: 2016-09-28
Filing date: 2016-09-28
Publication date: 2018-03-28
Also published as: US11033857B2; HUE054776T2; EP3519752B1; BR112019006138A2; RS61911B1; SI3519752T1; WO2018060810A1; US20200030743A1; DK3519752T3; EP3519752A1; BR112019006138B1; PT3519752T; SA519401351B1; PL3519752T3; ES2871002T3; MX2019003541A; HRP20210882T1; LT3519752T

Description

Titolo: “Scambiatore di calore a flusso incrociato”

Descrizione

Campo della tecnica dell’invenzione

La presente invenzione trova applicazione nel campo della depurazione di gas al fine di ridurre le emissioni di inquinanti nell’ambiente.

Stato dell’arte

Un impianto di raffineria è una struttura molto complessa, all’interno della quale sono disposti gli impianti per la lavorazione dei greggi pesanti, per la produzione di idrocarburi e di importanti sotto-prodotti per l’industria petrolchimica, e numerose strutture che forniscono servizi ausiliari.

Si possono menzionare, in particolare, impianti per il trattamento delle acque reflue, la centrale termoelettrica, un impianto per la depurazione dei fumi sviluppati dalle caldaie (SNOX/WSA) ed un impianto per la produzione di zolfo liquido a partire da idrogeno solforato (impianto Claus).

Fra questi, l’impianto SNOX/WSA è utilizzato per l’abbattimento dell’anidride solforosa contenuta nei fumi provenienti da caldaie o da off gas provenienti dai processi di combustione dell’acido solfidrico, da FCC (Fluid Catalytic Cracking), dall’incenerimento di acido solfidrico esausto, etc.

L’impianto comprende essenzialmente una sezione di reazione, una sezione di raffreddamento dei gas ed una sezione di condensazione, come schematicamente illustrato in figura 1.

1) sezione di reazione

In questa sezione, l’anidride solforosa reagisce cataliticamente con l’ossigeno per dare anidride solforica. La reazione, condotta a circa 400°C, è la seguente:

SO2+ 1⁄2 O2�SO3

Al reattore può essere eventualmente associato un reattore per l’abbattimento degli NOx.

2) sezione di raffreddamento

I gas provenienti dalla sezione di reazione catalitica sono raffreddati fino ad una temperatura di circa 260°C. Parte dell’anidride solforica si combina con vapore acqueo dando acido solforico in fase di vapore, come qui a seguito indicato:

SO3+ H2O(v)� H2SO4(v)

3) sezione di condensazione

All’interno di uno scambiatore a tubi di vetro, il gas è raffreddato con aria, completando così la condensazione dell’acido solforico:

H2SO4(v)� H2SO4(l)

L’acido solforico così condensato, una volta raffreddato, è stoccato per poi essere utilizzato come sottoprodotto.

Fra le sezioni di reazione e di condensazione di un impianto SNOX/WSA è inserito un GGHE (gas-gas heat exchanger o anche GGH) che ha lo scopo di riscaldare i fumi contenenti SO2raffreddando i fumi ricchi di anidride solforica uscenti dalla zona di reazione.

Sono noti scambiatori gas-gas utilizzati negli impianti SNOX/WSA che hanno dimensioni rilevanti, in grado di trattare portate anche di 1 MNm<3>/ora, raggiungono valori di duty di circa 50 Gcal/ora e presentano una superficie di scambio fino a 100.000 m<2>.

Nei primi impianti SNOX di elevata portata (900.000-1.200.000 Nm<3>/ora) sono stati utilizzati scambiatori gas-gas di tipo Ljungström.

Questo tipo di scambiatori è costituito da un cilindro ruotante al cui interno dei lamierini ondulati formano dei setti.

In ciascun settore passano, in tempi successivi, i due fluidi (caldo e freddo).

Tali scambiatori sono caratterizzati da un basso costo di investimento e da una facilità di pulizia e di lavaggio, nonché dalla possibilità di sostituire facilmente le parti corrose grazie alla divisione della superficie in cestelli di riempimento rimovibili.

Proprio la costruzione ed il funzionamento di uno scambiatore Ljungström originano però l’inconveniente di una parziale miscelazione tra i due gas; solo con particolari accorgimenti si può ridurre il cosiddetto “trafilamento” dal 5% al 2%.

Le prestazioni dell’impianto SNOX risentono di ciò riducendo notevolmente l’abbattimento dell’anidride solforosa dal 98% al 94%.

Risulta quindi evidente la necessità di sviluppare uno scambiatore di calore per gas che possa essere impiegato in un impianto SNOX/WSA senza diminuirne le prestazioni.

Oggetto dell’invenzione

Un primo oggetto della presente invenzione è rappresentato da uno scambiatore di calore cross-flow.

In accordo con un ulteriore oggetto, è descritto un metodo per effettuare uno scambio termico fra due fluidi gassosi mediante l’impiego di tale scambiatore.

In un ulteriore oggetto, la presente invenzione descrive un impianto SNOX/WSA che comprende uno scambiatore di calore di tipo cross-flow.

Ulteriori oggetti dell’invenzione sono rappresentati da aspetti particolari dello scambiatore e dell’impianto descritto.

Breve descrizione delle figure

La figura 1 mostra lo schema di un impianto SNOX/WSA tradizionale;

la figura 2 mostra il percorso dei due flussi all’interno di uno dei moduli dello scambiatore dell’invenzione;

la figura 3 mostra uno schema dei percorsi dei due flussi all’interno dello scambiatore dell’invenzione; la figura 4 mostra uno schema dei percorsi dei due flussi all’interno dello scambiatore dell’invenzione dotato di by-pass al terzo modulo (A) e al secondo modulo (B);

la figura 5 mostra una forma realizzativa dello scambiatore dell’invenzione comprendente un telaio;

la figura 6 è una rappresentazione schematica del sistema dell’invenzione comprendente due scambiatori integrati;

la figura 7 mostra schematicamente un impianto SNOX/WSA con il sistema di scambiatori della presente invenzione;

la figura 8 è una rappresentazione schematica dell’impianto dell’invenzione in cui il sistema di scambiatori integrati comprende il sistema di by-pass del primo modulo (A) e del secondo modulo (B);

la figura 9 rappresenta l’impianto dell’invenzione, in cui lo scambiatore comprende il telaio di supporto;

la figura 10 schematizza un impianto secondo la presente invenzione.

Descrizione dettagliata dell’invenzione

Secondo un primo oggetto, la presente invenzione descrive uno scambiatore di calore cross-flow (a flusso incrociato) in controcorrente.

Il termine “cross-flow” è da intendersi riferito al percorso dei due fluidi di scambio, che si muovono con direzioni inclinate, e preferibilmente perpendicolari, fra di loro.

Come verrà descritto qui a seguito, infatti, secondo la presente invenzione ciascuno dei due fluidi fra i quali si realizza lo scambio termico si muove lungo un percorso che comprende porzioni perpendicolari alla direzione dell’altro fluido.

Con il termine controcorrente, invece, si intende che i due fluidi si muovono complessivamente seguendo versi opposti, come verrà qui a seguito descritto.

Per gli scopi della presente invenzione, i due fluidi sono in fase gassosa e si parlerà pertanto di scambiatore gas-gas cross-flow (gas-gas heat exchanger, GGHE o GGH).

In particolare, un primo gas è rappresentato da un gas ricco di anidride solforosa (SO2), ad esempio contenuta nei fumi provenienti dalle caldaie.

Per gli scopi presenti, tale gas è il gas da sottoporre a riscaldamento (a cui, per semplicità, si farà riferimento come anidride solforosa o SO2o “primo gas”).

Per quanto concerne il secondo gas, questo è un gas ricco di anidride solforica (SO3), che, ad esempio, è prodotta in una sezione di reazione catalitica di un impianto SNOW/WSA.

Per gli scopi presenti, tale gas è il gas da sottoporre a raffreddamento (a cui, per semplicità, si farà riferimento come anidride solforica o SO3o “secondo gas”).

Lo scambiatore dell’invenzione, in particolare, è del tipo a piastre.

Più in dettaglio, come rappresentato nelle figure 2 e 3, una pluralità di piastre 2 è organizzata in moduli (o batterie) 3,4,5,6, all’interno dei quali le piastre 2 sono disposte in modo ortogonale o sub-ortogonale rispetto ad un piano del modulo α,α’,α’’,α’’’ con facce fra loro parallele.

In particolare, in ciascuna piastra 2 si riconoscono una prima faccia (o superficie) di riscaldamento 2a ed una seconda faccia (o superficie) di raffreddamento 2b.

Le piastre 2 sono disposte in ciascun modulo 3,4,5,6 in modo che le facce di riscaldamento 2a di due piastre affiancate siano fra loro opposte, delimitando così uno spazio di riscaldamento 7.

Allo stesso modo, le due facce di raffreddamento 2b di due piastre affiancate delimitano fra loro uno spazio di raffreddamento 8.

Gli spazi di riscaldamento 7 e di raffreddamento 8, quindi, sono alternati fra loro.

Vantaggiosamente, gli spazi di riscaldamento 7 e di raffreddamento 8 all’interno di ciascun modulo sono isolati in modo che non vi sia miscelazione fra i due gas né una loro dispersione in atmosfera, per esempio sigillati da opportune saldature (non rappresentate) (fully welded plate heat exchanger).

All’interno di ciascun modulo 3,4,5,6 l’anidride solforosa attraversa gli spazi di riscaldamento 7 orizzontalmente secondo una direzione x, mentre l’anidride solforica attraversa gli spazi di raffreddamento 8 verticalmente dall’alto verso il basso, secondo una direzione y, perpendicolare alla direzione x.

Per gli scopi della presente invenzione, quindi, il flusso di anidride solforosa attraversa gli spazi di riscaldamento 7 di ciascun modulo 3,4,5,6 seguendo una direzione (direzione x) orizzontale o sub-orizzontale, sostanzialmente parallela al piano α,α’,α’’,α’’’; l’anidride solforica, invece, attraversa gli spazi di raffreddamento 8 seguendo una direzione (direzione y) verticale o sub-verticale, sostanzialmente ortogonale ai piani α,α’,α’’,α’’’.

All’interno di ciascun modulo, pertanto, i flussi dei due gas hanno percorsi fra loro perpendicolari.

Lo scambiatore 1 dell’invenzione comprende in particolare una pluralità di moduli 3,4,5,6 (o batterie), preferibilmente tre o quattro, disposti su piani α,α’,α’’,α’’’ fra loro sovrapposti; vantaggiosamente, quindi, lo scambiatore 1 ha uno sviluppo complessivamente verticale (si veda la figura 3).

Per garantirne l’operatività, i moduli 3,4,5,6 dello scambiatore sono in comunicazione di fluido fra di loro.

In particolare, gli spazi di raffreddamento 8 dei moduli 3,4,5,6 sono in collegamento di fluido diretto fra di loro; cioè, l’anidride solforica passa direttamente da un modulo a quello successivo (sottostante/sul piano inferiore) grazie alla corrispondenza fra i rispettivi spazi di raffreddamento 8 dei moduli.

Al contrario, la comunicazione di fluido fra gli spazi di riscaldamento 7 è indiretta; a tale scopo, lo scambiatore 1 comprende convogliatori 9,9’,9’’ (che possono anche essere nella forma di condotti) in grado di raccogliere il flusso di SO2in uscita da un modulo e di inviarlo al modulo successivo (superiore/sul piano superiore).

Nel complesso, pertanto, il flusso dell’anidride solforica segue un percorso verticale verso il basso (cioè dal piano α’’’ al piano α), mentre il flusso dell’anidride solforosa segue un percorso “a serpentina” dal basso verso l’alto (cioè dal piano α al piano α’’’), come rappresentato in figura 3, andando cosi a realizzare uno scambio termico fra i due fluidi complessivamente in controcorrente.

Un percorso “a serpentina” per gli scopi della presente invenzione deve intendersi come un percorso che comprende tratti orizzontali alternati a tratti verticali in cui, preferibilmente, i tratti orizzontali successivi sono su piani paralleli e sovrapposti.

Lo scambiatore 1 comprende inoltre condotti per l’ingresso dei gas da riscaldare 11 e da raffreddare 12 e condotti di uscita dei gas riscaldati 13 e raffreddati 14.

Per comodità di spiegazione, si fa qui riferimento al primo modulo di riscaldamento 3 come al modulo situato più in basso nello scambiatore 1 (corrispondente all’ultimo modulo di raffreddamento dell’anidride solforica) sopra il quale sono posti il secondo 4, il terzo 5 ed eventualmente il quarto 6 modulo; l’ultimo modulo di riscaldamento, situato più in alto, corrisponde quindi al primo modulo di raffreddamento, e viceversa.

Secondo una forma realizzativa particolare dello scambiatore 1 dell’invenzione, in corrispondenza del condotto per l’ingresso dell’anidride solforosa 11 nello scambiatore 1 è previsto un sistema in grado di diminuire il flusso di anidride solforosa al primo modulo di riscaldamento 3 e/o per deviare almeno una porzione di tale flusso ad un modulo successivo (superiore), ad esempio, al secondo 4, terzo 5 o quarto modulo 6 di riscaldamento.

Preferibilmente, la deviazione è verso il terzo modulo di riscaldamento 5.

Tale configurazione dello scambiatore 1 è ad esempio rappresentata nella figura 4A, in cui tale sistema (sistema by-pass) è generalmente indicato con il riferimento 15.

Il by-pass 15 è quindi in grado di diminuire la portata di anidride solforosa al primo modulo di riscaldamento 3.

In particolare, il by-pass 15 può essere realizzato mediante setti o serrande, eventualmente dotate di un attuatore esterno (non rappresentato), in grado di modificare la portata di anidride solforosa al primo modulo 3 o, secondo un aspetto preferito dell’invenzione, in favore del terzo modulo 5 dello scambiatore.

Tale forma di realizzazione presenta il vantaggio di consentire la riduzione o anche l'annullamento dello scambio termico all’interno del primo modulo 3, mantenendo di conseguenza costante la temperatura dell’anidride solforica.

L’impiego del by-pass 15 è specialmente vantaggioso in condizioni di basso carico di anidride solforica (quando la portata si riduce fino al 30% della portata a regime), in cui nella zona fredda dello scambiatore 1, rappresentata in particolare dall’ultimo modulo di raffreddamento 3, la temperatura del gas può raggiungere temperature vicine al dew point.

Tali condizioni, infatti, sono in grado di determinare un sensibile aumento del rischio di corrosione nell’ultimo modulo di raffreddamento 3 e, di conseguenza, della sezione di condensazione dell’impianto SNOX/WSA.

Vantaggiosamente, inoltre, è possibile evitare la tracciatura elettrica dei condotti di uscita dell’anidride solforosa, cioè il riscaldamento delle pareti dei condotti mediante resistenze elettriche, in quanto non si producono punti freddi che potrebbero causare la condensazione dell’acido solforico.

In una forma realizzativa preferita dello scambiatore di calore 1 dell’invenzione, questo è situato a valle rispetto ad un elettrofiltro, che è in grado di ridurre la concentrazione di polveri ad un valore < 2 mg/Nm<3>.

In particolare, tale elettrofiltro è posto lungo i condotti 11 che convogliano l’anidride solforosa in ingresso nel primo modulo 3 (si veda la figura 1).

Secondo una forma di realizzazione della presente invenzione, lo scambiatore 1 dell’invenzione comprende inoltre una struttura di sostegno (si veda la figura 5).

Tale struttura è preferibilmente rappresentata da un telaio 16 che comprende una struttura portante di sostegno vincolata a terra per l’aggancio e la sospensione del modulo inferiore 3 (che è il primo modulo di riscaldamento/ultimo modulo di raffreddamento) a detto telaio.

Preferibilmente, inoltre, sul telaio 16 poggiano gli altri moduli superiori 4,5,6.

Tale configurazione dello scambiatore 1 è in grado di rendere il primo modulo di riscaldamento 3 indipendente dai moduli sovrastanti 4,5,6.

Vantaggiosamente, pertanto, è possibile sganciare il primo modulo 3 dal telaio 16, ad esempio per effettuarne la manutenzione nel caso in cui si rendesse necessario sostituire una o più delle sue piastre 2 in quanto corrose, secondo modalità molto più rapide e semplici rispetto ad uno scambiatore sprovvisto del telaio.

In accordo con un ulteriore oggetto della presente invenzione, è descritto un sistema 100 comprendente due scambiatori di calore 101,101’ secondo quanto sopra descritto, fra loro integrati.

La forma realizzativa che prevede due scambiatori di calore trova prevalentemente applicazione quando la portata dei fluidi da trattare è superiore a 500.000 Nm<3>.

Tale sistema è ad esempio rappresentato nella figura 6.

In particolare, nel sistema 100 descritto, ciascuno scambiatore 101,101’ comprende primi 103,103’, secondi 104,104’, terzi 105,105’ ed eventualmente anche quarti moduli 106,106’ (la figura 6 rappresenta lo schema di uno scambiatore a tre moduli).

L’anidride solforosa entra in ciascuno dei primi moduli 103,103’ tramite un apposito condotto comune 107 che convoglia l’anidride solforosa proveniente dai fumi delle caldaie e si divide in due condotti secondari 108,108’ in ingresso nei singoli moduli 103,103’.

All’uscita, il gas è condotto tramite opportuni condotti/convogliatori 109,109’ ai rispettivi secondi moduli 104,104’.

In uscita, l’anidride solforosa è raccolta e condotta ai terzi moduli di riscaldamento 105,105’ tramite un opportuno condotto/convogliatore comune 110 che si divide in due condotti secondari 111,111’.

L’anidride solforosa riscaldata esce dai terzi moduli 105,105’ tramite distinti condotti/convogliatori 112,112’ che conducono il gas riscaldato nella sezione di conversione dell’impianto SNOX/WSA.

Secondo la presente invenzione, con opportune modifiche strutturali, è anche possibile realizzare un sistema di due scambiatori fra loro integrati, ognuno comprendente quattro moduli.

Come per lo scambiatore 1 sopra descritto, pertanto, la comunicazione di fluido fra gli spazi di riscaldamento 7 dei moduli 103,104,105,103’,104’,105’ è indiretta.

Per quanto concerne l’anidride solforica, questa è condotta all’interno del sistema tramite un condotto 120, che si dirama in due condotti laterali 121,121’, ognuno dei quali entra nel rispettivo terzo modulo 105,105’ (si veda la figura 7).

L’anidride solforica in uscita dai terzi moduli 105,105’ passa attraverso i successivi secondi moduli 104,104’ e primi moduli 103,103’ grazie alla connessione di fluido diretta fra gli spazi di raffreddamento 8, che combaciano fra i moduli superiori ed i moduli inferiori.

Più in particolare, quindi, il sistema dell’invenzione 100 comprende due scambiatori di calore 101,101’ in controcorrente e a flusso incrociato (crossflow) per il riscaldamento di un primo gas ed il raffreddamento di un secondo gas, ciascuno scambiatore comprendente: una pluralità di moduli 103,104,105 e 103’,104’,105’ in comunicazione di fluido fra di loro, ciascun modulo 103,104,105 e 103’,104’,105’ essendo disposto su di un piano α1,α2,α3 e rispettivamente α1’,α2’,α3’ detti piani essendo fra loro sovrapposti, ciascun modulo 103,104,105 e 103’,104’,105’ comprendente una pluralità di piastre 2 di scambio termico aventi ciascuna una faccia di riscaldamento 2a ed una faccia di raffreddamento 2b, dette piastre 2 essendo disposte ortogonali o sub-ortogonali al piano del rispettivo modulo α1,α2,α3,α1’,α2’,α3’ ed essendo fra loro parallele così da definire spazi di riscaldamento 7 in cui detto primo gas scorre in una direzione x (come descritto sopra, tale direzione è sostanzialmente parallela ai piani α1,α2,α3,α1’,α2’,α3’ di ciascun modulo), e spazi di raffreddamento 8 in cui detto secondo gas scorre in una direzione y, perpendicolare alla direzione x (come descritto sopra, tale direzione è sostanzialmente ortogonale ai piani α1,α2,α3,α1’,α2’,α3’ di ciascun modulo), detti spazi 7,8 essendo alternati fra loro, e ciascuno scambiatore 101,101’ essendo caratterizzato dal fatto che all’interno di ognuno di essi gli spazi di raffreddamento 8 dei moduli 103,104,105 e rispettivamente 103’,104’,105’ sono in comunicazione di fluido diretta fra di loro e dal fatto che opportuni condotti/convogliatori 109,109’,110 mettono in comunicazione di fluido fra di loro rispettivamente gli spazi di riscaldamento 7 dei primi moduli 103,103’ con quelli dei secondi moduli 104,104’ e gli spazi di riscaldamento 7 dei secondi moduli 104,104’ con quelli dei terzi moduli 105,105’, detto sistema 100 comprendente inoltre condotti 107 per l’ingresso del gas da riscaldare nei primi moduli 103,103’, condotti 112,112’ per l’uscita di detto gas (riscaldato) dai terzi moduli 105,105’,condotti per l’ingresso 120 del gas da raffreddare nei terzi moduli 105,105’ e condotti 114,114’ per l’uscita di detto gas (raffreddato) dai primi moduli 103,103’.

Pertanto, l’integrazione dei due scambiatori 101,101’ comprende l’impiego di condotti comuni 107 per l’ingresso nel sistema, cioè nei primi moduli 103,103’, del gas da riscaldare, e/o di un condotto/convogliatore comune 110 che convoglia detto primo gas dai secondi 104,104’ ai terzi moduli 105,105’.

Inoltre, anche il condotto 120 per l’ingresso del gas da raffreddare nel sistema di scambiatori 100 può essere comune ai due scambiatori 101,101’.

Il gas raffreddato ed il gas riscaldato, invece, escono da ciascuno scambiatore 101,101’ mediante condotti 112,112’ e 114,114’ indipendenti e non comuni.

Anche il sistema 100 sopra descritto comprendente due scambiatori 101,101’ integrati fra loro può comprendere un sistema per diminuire il flusso di anidride solforosa ai primi moduli 103,103’ e/o per deviare almeno una porzione di tale flusso ad un modulo successivo (sovrapposto): il secondo 104,104’ (figura 8A) o il terzo 105,105’ (figura 8B).

Tale sistema di by-pass 115,115’ può essere realizzato mediante setti o serrande, eventualmente dotati di un attuatore esterno (non rappresentato) secondo quanto sopra descritto.

Anche il sistema integrato di scambiatori 100 può comprendere una struttura, ad esempio nella forma di un telaio 116, comprendente elementi di aggancio dei primi moduli 103,103’ a detto telaio 116 (come rappresentato nella figura 9).

Grazie alla configurazione indipendente del primo modulo 103,103’, la manutenzione dell’impianto risulta facilitata potendo essere più facile smontare tale modulo 103,103’ e sostituirlo senza dover rimuovere i restanti moduli 104,104’,105,105’,106,106’.

In un aspetto preferito dell’invenzione, anche nella configurazione doppia, il sistema di scambiatori di calore 100 può essere posto a valle di un elettrofiltro.

In particolare, tale elettrofiltro (non mostrato in figura) è posto nel condotto 107 che convoglia l’anidride solforosa in ingresso nei primi moduli 103,103’ del sistema di scambiatori di calore della presente invenzione 100.

L’elettrofiltro è vantaggiosamente in grado di ridurre la concentrazione di polveri ad un valore < 2 mg/Nm<3>.

Grazie al suo utilizzo, quindi, è possibile mantenere più pulito lo scambiatore, riducendone i tempi ed i costi di manutenzione.

In un ulteriore oggetto, la presente invenzione descrive un impianto SNOX/WSA 200 che comprende:

- una sezione di reazione catalitica/conversione dell’anidride solforosa 210,

- una sezione di raffreddamento 220,

- una sezione di condensazione 230,

ed eventualmente una o più sezioni di rimozione dei NOx (DeNOx) 240,

in cui la sezione di raffreddamento 220 comprende lo scambiatore di calore 1 o il sistema di scambiatori di calore 100 della presente invenzione.

In particolare, in tale impianto 200 la sezione di reazione catalitica 210 e la/e sezione/i DeNOx 240 sono funzionalmente integrate con lo scambiatore di calore 1 o con il sistema di scambiatori di calore 100 dell’invenzione.

A tale scopo, come rappresentato nelle figure 8 e 9, il condotto di uscita dell’anidride solforosa riscaldata 112,112’ è funzionalmente collegato con la sezione di reazione catalitica dell’impianto SNOX/WSA 210.

Con il termine “funzionalmente collegata” si intende che l’anidride solforosa in uscita dall’ultimo modulo di riscaldamento 5,6,105,105’ è condotta alla sezione di reazione catalitica 210 dell’impianto 200.

La presente invenzione consente quindi di posizionare le sezioni dello SNOX sopra lo scambiatore termico, consentendo uno sviluppo verticale, piuttosto che orizzontale, dell’impianto 200 stesso.

La configurazione dell’impianto SNOX/WSA qui sopra descritto consente inoltre di ottenere l’uscita dei fumi freddi contenenti anidride solforica nella parte inferiore dell’impianto, minimizzando così i condotti che congiungono lo scambiatore 1,100 e la sezione di condensazione 230 e, di conseguenza, i possibili rischi di corrosione.

Anche questo aspetto concorre ad un lay-out verticale e complessivamente più compatto di un impianto SNOX/WSA.

La presente invenzione, pertanto, mette a disposizione un metodo per effettuare lo scambio di calore fra un primo gas ed un secondo gas impiegando lo scambiatore di calore 1 o il sistema di scambiatori sopra descritto 100.

Preferibilmente, detto primo gas è rappresentato dall’anidride solforosa (SO2), mentre detto secondo gas è l’anidride solforica (SO3).

Più in generale, il metodo dell’invenzione per riscaldare un primo gas e raffreddare un secondo gas, comprendente le fasi di:

- creare un flusso a serpentina dal basso verso l’alto di detto primo gas, detto flusso comprendente tratti orizzontali alternati a tratti verticali, in cui detti tratti orizzontali sono su piani sovrapposti;

- creare un flusso verticale di detto secondo gas dall’alto verso il basso verticalmente,

comprendente la fase di attuare lo scambio termico fra detto primo e detto secondo gas nei tratti orizzontali del flusso a serpentina di detto secondo gas.

Più in particolare, tale metodo comprende la fase di alimentare ciascuno dei moduli dello scambiatore o del sistema di scambiatori 3,4,5,6,103,104,105,103’,104’,105’ in modo che detto primo gas percorra lo scambiatore dal basso verso l’alto attraversando spazi di riscaldamento 7 di moduli successivi e sovrapposti che non sono in diretto collegamento di fluido fra loro ed in modo che detto secondo gas percorra lo scambiatore dall’alto verso il basso attraversando spazi di raffreddamento 8 di moduli successivi e sottostanti che sono in diretto collegamento di fluido fra di loro.

In particolare, all’interno di ciascun modulo detto primo gas attraversa ciascuno spazio di riscaldamento 7 secondo una direzione x (definita come sopra) e detto secondo gas attraversa ciascuno spazio di raffreddamento 8 secondo una direzione y (definita come sopra), perpendicolare a detta direzione x, realizzando in questo modo un flusso incrociato e controcorrente ed uno scambio termico fra detti primo e secondo gas.

Secondo un aspetto particolare, il metodo può comprendere inoltre una fase di filtrazione dell’anidride solforosa allo scopo di ridurre la concentrazione di polveri, preferibilmente ad un valore <2 mg/Nm<3>, prima della prima fase di scambio termico e, in particolare, prima dell’alimentazione al primo modulo 3,103,103’.

Secondo un altro aspetto dell’invenzione, l’alimentazione del primo gas può escludere almeno parzialmente uno dei moduli dello scambiatore 1 o del sistema di scambiatori dell’invenzione 100.

Pertanto, è possibile che in almeno un modulo 3,4,5,6,103,104,105,103’,104’,105’ si realizzi solo in parte o non si realizzi del tutto lo scambio termico fra i due gas.

Da quanto sopra esposto risulteranno evidenti alla persona esperta nel settore i vantaggi offerti dallo scambiatore dell’invenzione.

Innanzitutto, sono evitate le contaminazioni fra i due flussi di gas, cosa che permette di mantenere le prestazioni dell’impianto SNOX/WSA intorno al 98%, quindi molto Elevate.

Inoltre, è possibile variare le condizioni operative così da ridurre i cosiddetti “punti morti” del gas, che potrebbero diversamente produrre la condensazione ad acido solforico e la conseguente progressiva corrosione delle sue piastre.

La possibilità di introdurre un by-pass consente inoltre di evitare l’abbassamento della temperatura della zona fredda dello scambiatore o del sistema di scambiatori in condizioni di basso carico.

In precedenza, per evitare il rischio di corrosione, veniva ridotta la superficie di scambio producendo un aumento della temperatura dell’anidride solforica di circa 320-350°C, successivamente ridotta mediante un waste heat boiler (WHB), che è in grado di variare la temperatura operando una variazione della pressione del prodotto, prima di entrare nella sezione di condensazione dell’impianto SNOX.

L’impianto realizzato secondo la presente invenzione è pertanto molto più flessibile, consentendo di operare anche in condizioni di basso carico.

Ancora, non è strettamente necessario tracciare elettricamente i condotti in uscita per l’anidride solforica.

Grazie alla presente invenzione, quindi, non è più necessaria la presenza del WHB fra la sezione dello scambiatore di calore e la sezione WSA di condensazione, concorrendo ad una semplificazione dell’impianto e ad una riduzione dei costi di realizzazione.

Nel complesso, lo scambiatore risulta essere molto compatto, così da consentire di inserire la sezione di conversione dell’SO2e la/e sezione/i DeNOX nella zona superiore,integrate con lo scambiatore stesso.

L’impianto, quindi, si presenta con uno sviluppo prevalentemente verticale e con un minor ingombro.

In ultimo, la manutenzione dello scambiatore, e quindi dell’impianto SNOX/WSA che lo comprende, è nel complesso più facile, grazie al fatto che i moduli della zona fredda dello scambiatore (rappresentata dall’ultimo modulo di raffreddamento dell’anidride solforica) possono essere supportati in modo indipendente da quelli superiori; è possibile pertanto smontarli facilmente ed indipendentemente per effettuarne la manutenzione o per la sostituzione nel caso di corrosione, senza dover intervenire su altre parti dello scambiatore e/o dell’impianto SNOX.

Tale configurazione, inoltre, non impedisce un’appropriata dilatazione del primo modulo, che, agganciato e sospeso al telaio, può dilatarsi verso il basso, lasciando liberi gli altri moduli sovrastanti di dilatarsi verso l’alto.

Claims

RIVENDICAZIONI: 1. Scambiatore di calore in controcorrente e a flusso incrociato (cross-flow) (1) per il riscaldamento di un primo gas ed il raffreddamento di un secondo gas, comprendente una pluralità di moduli (3,4,5,6) in comunicazione di fluido fra di loro, ciascun modulo (3,4,5,6) essendo disposto su di un piano (α,α’,α’’,α’’’), detti piani (α,α’,α’’,α’’’) essendo fra loro sovrapposti, comprendente inoltre condotti (11) per l’ingresso di detto primo gas, condotti (12) per l’ingresso di detto secondo gas e condotti (13) per l’uscita di detto primo gas e condotti (14) per l’uscita di detto secondo gas in e dallo scambiatore (1), ciascun modulo (3,4,5,6) comprendente una pluralità di piastre (2) di scambio termico aventi ciascuna una faccia di riscaldamento (2a) ed una faccia di raffreddamento (2b), dette piastre (2) essendo disposte ortogonali al piano di ciascun modulo (α,α’,α’’,α’’’) e fra loro parallele così da definire spazi di riscaldamento (7) fra dette facce di riscaldamento (2a) e spazi di raffreddamento (8) fra dette facce di raffreddamento (2b), detti spazi di riscaldamento (7) e di raffreddamento (8) essendo alternati fra loro, in cui detto primo gas attraversa lo scambiatore dal modulo inferiore (3) al modulo superiore (5 o 6) attraversando ciascuno spazio di riscaldamento (7) con una direzione x sostanzialmente parallela al piano di ciascun modulo (α,α’,α’’,α’’’) e in cui detto secondo gas attraversa lo scambiatore (1) dal modulo superiore (5 o 6) al modulo inferiore (3) attraversando ciascuno spazio di raffreddamento (8) con una direzione y sostanzialmente ortogonale al piano di ciascun modulo (α,α’,α’’,α’’’), detto scambiatore (1) essendo caratterizzato dal fatto che gli spazi di raffreddamento (8) fra un modulo e quello immediatamente sottostante (6 e 5, 5 e 4, 4 e 3) sono in comunicazione di fluido diretta fra di loro, mentre gli spazi di riscaldamento (7) fra un modulo e quello immediatamente e sovrapposto (3 e 4, 4 e 5, 5 e 6) sono in comunicazione di fluido fra di loro tramite condotti/convogliatori (9,9’,9’’), creando così un percorso “a serpentina” di detto secondo gas.
2. Lo scambiatore di calore (1) secondo la rivendicazione precedente, comprendente tre (3,4,5) o quattro moduli (3,4,5,6).
3. Lo scambiatore di calore (1) secondo la rivendicazione 1 o 2, in cui i condotti per l’ingresso del primo gas (11) comprendono un sistema di by-pass (15) per condurre almeno una porzione di detto primo gas al secondo modulo (4) o al terzo (5) modulo di riscaldamento.
4. Lo scambiatore di calore (1) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti comprendente un telaio (16), detto telaio (16) comprendente una struttura portante poggiante a terra per l’aggancio e la sospensione del primo modulo (3) dello scambiatore a detto telaio (16).
5. Un sistema (100) comprendente due scambiatori di calore (101,101’) in controcorrente e a flusso incrociato (cross-flow) per il riscaldamento di un primo gas ed il raffreddamento di un secondo gas, ciascuno scambiatore comprendente: una pluralità di moduli (103,104,105 e 103’,104’,105’) in comunicazione di fluido fra di loro, ciascun modulo (103,104,105 e 103’,104’,105’) essendo disposto su di un piano (α1,α2,α3 e α1’,α2’,α3’), detti piani (α1,α2,α3 e α1’,α2’,α3’) essendo fra loro sovrapposti, ciascun modulo (103,104,105 e 103’,104’,105’) comprendente una pluralità di piastre (2) di scambio termico aventi ciascuna una faccia di riscaldamento (2a) ed una faccia di raffreddamento (2b), dette piastre (2) essendo disposte ortogonali al piano del rispettivo modulo (α1,α2,α3,α1’,α2’,α3’) e fra loro parallele così da definire spazi di riscaldamento (7) fra due facce di riscaldamento (2a) e spazi di raffreddamento (8) fra due facce di raffreddamento (2b), detti spazi di riscaldamento (7) e di raffreddamento (8) essendo alternativi fra loro, in cui detto primo gas attraversa ciascuno scambiatore (101,101’) dal modulo inferiore (103,103’) al modulo superiore (105,105’ o 106,106’) attraversando ciascuno spazio di riscaldamento (7) con una direzione x sostanzialmente parallela al piano del rispettivo modulo (α1,α2,α3,α1’,α2’,α3’) e in cui detto secondo gas attraversa ciascuno scambiatore (101,101’) dal modulo superiore (106,106’ o 105,105’) al modulo inferiore (103,103’) attraversando ciascuno spazio di raffreddamento (8) con una direzione y sostanzialmente ortogonale al piano del rispettivo modulo (α1,α2,α3,α1’,α2’,α3’), detto sistema essendo caratterizzato dal fatto che all’interno di ciascuno scambiatore (101,101’) gli spazi di raffreddamento (8) fra un modulo e quello immediatamente sottostante (106 e 105, 105 e 104, 104 e 103 e 106’ e 105’, 105’ e 104’, 104’ e 103’) sono in comunicazione di fluido diretta fra di loro, mentre gli spazi di riscaldamento (7) fra un modulo e quello immediatamente sovrapposto (103 e 104,104 e 105,105 e 106, e 103’ e 104’,104’ e 105’, 105’ e 106’) sono in comunicazione di fluido fra di loro tramite condotti 109,109’,110 che creano così un percorso “a serpentina” di detto secondo gas, detto sistema (100) comprendente condotti per l’uscita (112,112’) di detto gas dai moduli superiori (105,105’ o 106,106’), condotti per l’ingresso (120) di detto secondo gas nei moduli superiori (105,105’ o 106,106’), condotti per l’uscita (114,114’) dai primi moduli (103,103’) ed un condotto (107) per l’ingresso di detto primo gas nei primi moduli di ciascuno scambiatore (103,103’), detto condotto (107) essendo comune ai due scambiatori (101,101’).
6. Il sistema secondo la rivendicazione precedente, comprendente ulteriormente un condotto comune (110) ai due scambiatori (101,101’) per convogliare detto primo gas in uscita dagli spazi di riscaldamento (7) di detti secondi moduli (104,104’) agli spazi di riscaldamento (7) di detti terzi moduli (105,105’).
7. Il sistema secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 5 o 6, comprendente ulteriormente condotti (112,112’) fra loro indipendenti per l’uscita di detto primo gas riscaldato da detti moduli superiori (105,105’ o 106,106’).
8. Il sistema secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 5 a 7, in cui detto condotto per l’ingresso del primo gas (107) nei primi moduli (103,103’) comprende un sistema di by-pass (115,115’) per condurre almeno una porzione di detto primo gas ai secondo moduli (104,104’) o ai terzi moduli (105,105’).
9. Un impianto SNOX/WSA (200) comprendente una sezione di reazione catalitica (210), una sezione di raffreddamento (220) ed una sezione di condensazione (230) ed eventualmente una o più sezioni di rimozione dei NOx (240), caratterizzato dal fatto che detta sezione di raffreddamento (220) comprende uno scambiatore di calore (1) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti da 1 a 4.
10. Un impianto SNOX/WSA (200) comprendente una sezione di reazione catalitica (210), una sezione di raffreddamento (220), una sezione di condensazione (230) ed eventualmente una o più sezioni di rimozione dei NOx (240), caratterizzato dal fatto che detta sezione di raffreddamento (220) comprende il sistema di scambiatori termici (100) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti da 5 a 8.
11. L’impianto SNOX/WSA (200) secondo la rivendicazione precedente, comprendente condotti per l’uscita del primo gas riscaldato (112,112’) dai terzi moduli di riscaldamento (105,105’), che sono in collegamento di fluido con la sezione di rimozione dei NOx dell’impianto (240).
12. L’impianto SNOX/WSA (200) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 9 a 11, in cui i condotti (120,121,121’) per l’ingresso del secondo gas da raffreddare sono in collegamento di fluido con la sezione di reazione catalitica (210) dell’impianto SNOX/WSA.
13. L’impianto SNOX/WSA (200) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 9 a 12, comprendente ulteriormente un telaio (16,116), detto telaio comprendente una struttura portante poggiante a terra per agganciare e sospendere i primi moduli (3,103,103’) degli scambiatori (1,101,101’) a detto telaio (16,116).
14. Metodo per riscaldare un primo gas e raffreddare un secondo gas, comprendente le fasi di: - creare un flusso a serpentina dal basso verso l’alto di detto primo gas, detto flusso comprendente tratti orizzontali alternati a tratti verticali, in cui detti tratti orizzontali sono su piani sovrapposti; - creare un flusso verticale di detto secondo gas dall’alto verso il basso, comprendente la fase di attuare lo scambio termico fra detto primo e detto secondo gas nei tratti orizzontali del flusso di detto secondo gas.
15.Il metodo per riscaldare un primo gas e raffreddare un secondo gas secondo la rivendicazione precedente che viene attuato in uno scambiatore di calore (1) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni dalla 1 alla 4 o in un sistema (100) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni dalla 5 alla 8.
16. Il metodo per riscaldare un primo gas e raffreddare un secondo gas secondo la rivendicazione 14 o 15 attuato in un impianto secondo una qualsiasi delle rivendicazioni dalla 9 alla 13.