IT201800004154A1

IT201800004154A1 - Scambiatore di calore a fascio tubiero tle privo di setti o diaframmi forati di supporto

Info

Publication number: IT201800004154A1
Application number: IT102018000004154A
Authority: IT
Inventors: Gaetano Galatello-Adamo
Original assignee: Galatello Adamo Gaetano
Priority date: 2018-03-30
Filing date: 2018-03-30
Publication date: 2019-09-30

Description

Descrizione dell’invenzione industriale dal titolo: SCAMBIATORE DI CALORE A FASCIO TUBIERO TLE PRIVO DI SETTI O DIAFRAMMI FORATI DI SUPPORTO,

DESCRIZIONE

La presente invenzione riguarda uno scambiatore di calore a fascio tubiero, in particolare uno scambiatore di calore a piastra tubiera sottile comunemente chiamato TLE, Transfer Line Exchanger,-usato per raffreddare i gas in uscita da forni di cracking, ad esempio per la produzione di etilene, dove vapor d’acqua ad alta pressione è prodotto al di fuori dei tubi di scambio, caratterizzato dal fatto che, in tutti i casi in cui la lunghezza ed il diametro dei tubi del fascio tubiero non sono in grado di garantire di per sé la stabilità dei tubi stessi, i tradizionali diaframmi forati o setti che vengono tradizionalmente utilizzati con il duplice scopo di sostenere i tubi e di far effettuare al fluido esterno ai tubi (lato mantello) un percorso più tortuoso, ad eccezione di quello più vicino alla piastra calda, a cui è demandato il compito di definire da progetto la velocità dell’acqua sulla piastra tubiera sono eliminati e sostituiti da una pluralità di griglie o grate metalliche, opportunamente distanziate lungo l’asse principale dello stesso scambiatore, le quali sono formate da una serie di tubi/tiranti, fra loro paralleli, di diametro ridotto, (indicativamente 1⁄4 del diametro del tubo di scambio), ancorati ad un cilindro periferico, intero e saldato in continuo sulla superficie interna del mantello dello scambiatore, dove ognuno dei tubi/tiranti risulta tangente, ed in solo appoggio, a tutti i tubi di scambio termico, fra loro paralleli, di una singola fila del fascio tubiero, ostacolandone il movimento.

Per ostacolare il movimento dei tubi di scambio termico nelle quattro direzioni è quindi necessario, nel caso di maglie quadrate, che ciascun tubo di scambio venga a contatto con un tubo di sostegno/tirante anche in altre tre direzioni, angolarmente distanziate fra loro di 90°.

Secondo una peculiare caratteristica dell’invenzione, per lasciare comunque lungo i tubi di scambio termico, passaggi liberi che evitano l’accumulo di materiale indesiderato, i tubi/tiranti che costituiscono ogni griglia, non sono mai allineati con quelli delle griglie superiore e inferiore, in modo da venire a contatto con ciascuno dei tubi del fascio tubiero in un punto, che risulta, per ciascun tubo, angolarmente distanziato rispetto al punto di contatto che lo stesso tubo di scambio termico ha con le altre griglie che costituiscono la gabbia.

In questo modo il flusso del fluido di scambio termico nel mantello sarà:

orizzontale sul primo passaggio nello spazio compreso tra la piastra calda ed il primo ed unico diaframma tradizionale al di sopra della piastra calda il cui posizionamento, come già accennato, ha il compito di stabilire, secondo il progetto, la velocità dell’acqua sulla stessa piastra; e

assiale per tutto il percorso successivo sino all’uscita, eliminando il pericolo di accumuli di scorie.

Inoltre, secondo un’altra peculiare caratteristica dell’invenzione, il tratto dello scambiatore di calore compreso tra il raccordo di ingresso e quello di uscita del fluido di scambio termico, occupato dai tubi del fascio tubiero, è di diametro ridotto rispetto alle sezioni di attacco del cono di ingresso e del cono di uscita in modo da evitare la formazione di bypass dello stesso fluido lungo la superficie interna del mantello. E’ superfluo osservare che si potrà ricorrere alle griglie in tutti i casi in cui il fascio tubolare non sia stabile in assenza di diaframmi di supporto.

STATO DELL’ARTE

E’ noto che la vita degli scambiatori a piastra tubiera sottile utilizzati in uscita da forni di cracking, in particolare per la produzione di etilene, è condizionata dalla corrosione lato gas della piastra tubiera calda.

Gli scambiatori di calore a fascio tubiero sono esenti da qualsiasi fenomeno di corrosione quando l’acqua di raffreddamento è sufficientemente pulita, ovvero non contiene residui organici o inorganici che possano rimanere intrappolati tra un tubo ed il relativo foro del diaframma.

La corrosione avviene quando la piastra tubiera si sporca a causa dei depositi di particelle provenienti dal contenitore dell’acqua bollente. Dato che la piastra tubiera è la parte più bassa del sistema di circolazione dell’acqua, tutte le parti più pesanti tendono a depositarvisi sopra, a maggior ragione in presenza di ostacoli quali gli stessi tubi dello scambiatore.

Tali depositi vengono trascinati dall’acqua che scorre da un lato all’altro della piastra a velocità notevole (circa 1,2-1,5 m/sec) e si depositano sul lato opposto a quello di ingresso dell’acqua.

Questo a sua volta facilita la formazione di ulteriore deposito di materiale che produce un innalzamento della temperatura della piastra tubiera, dando origine alla corrosione.

Gli effetti della corrosione si manifestano soprattutto sulla saldatura fra piastra tubiera e tubi: una volta innescata, la corrosione progredisce fino alla rottura della parte aggredita.

Compito del presente trovato è quello di ovviare agli inconvenienti sopra menzionati fornendo uno scambiatore di calore dotato di caratteristiche che riducono la formazione di scorie nei punti critici, ed impediscono il loro accumulo, garantendo così una lunga vita al TLE. A tale scopo l’inventore ha sperimentalmente verificato che in scambiatori di calore TLE, di altezza sino a 8 metri, in cui lo spessore della piastra tubiera è inferiore a 40 mmm, ed i tubi del fascio tubiero di diametro superiore o uguale a 45 mm, i diaframmi di supporto sono eliminabili, in quanto la dilatazione dei tubi è compensata dall’elasticità della piastra tubiera, mentre per altezza superiori agli 8 metri, ha realizzato uno scambiatore di calore a fascio tubiero con involucro in pressione e piastra tubiera sottile, che presenta, in sostituzione delle lamiere forate di supporto, o diaframmi, lungo lo stesso fascio tubiero, a valle di un unico diaframma posizionato al di sopra della piastra forata (calda), ispezionabile e pulibile come previsto per la piastra tubiera calda, una o più gabbie formate da almeno quattro griglie parallele, distanziate assialmente fra loro, ciascuna delle quali griglie è formata da una pluralità di tubi/tiranti fra loro paralleli, in numero di uno per ogni fila di tubi di scambio termico, le quali griglie sono alternativamente disposte in modo che i tubi/tiranti di ogni griglia intermedia siano perpendicolari rispetto sia ai tubi/tiranti della griglia sovrastante che ai tubi/tiranti di quella sottostante e vengano a contatto con ciascuno dei tubi verticali di scambio termico solo in un punto di tangenza, ostacolando il movimento del tubo verso quella direzione. Così in ciascuna delle quattro griglie che vanno a costituire una sorta di gabbia per i tubi di scambio termico, il contatto con i tubi di scambio termico di una linea avverrà in un punto diverso, angolarmente distanziato di 90° rispetto alle altre, impedendo il movimento di ogni tubo in tutte e quattro le direzioni.

Con tale artificio, il contatto tra tubo di sostegno e tubo di scambio termico risulta quindi puntiforme e quindi inadatto a trattenere residui, mentre viene garantito il libero passaggio del flusso di scambio per tutto il percorso verso l’uscita superiore.

Onde evitare la formazione di bypass a ridosso del mantello da parte dell’acqua, il diametro del mantello stesso è ridotto nella parte compresa fra l’ingresso e l’uscita del fluido di scambio nel fascio tubiero, lasciando comunque uno spazio di sicurezza che impedisca ai tubi periferici del fascio di venire in contatto con il mantello stesso. Tale spazio sarà pari all’TL dei tubi 30/40 mm.

Vantaggiosamente è inoltre previsto che su tutta la piastra tubiera lato gas sia effettuato un deposito di saldatura antierosione di 5-6 mm di una lega Nickel-Cromo ALLOY 617 che unisce le caratteristiche di alta resistenza all’urto del gas caldo (che contiene particelle di coke che viaggiano alla velocità del gas fino a 200m/s), ad un espansione termica compatibile con quella del materiale in cui è realizzata la piastra stessa, preferibilmente acciaio legato debolmente a molibdeno o cromo molibdeno.

Ulteriori caratteristiche e vantaggi dell’invenzione saranno meglio illustrati sulla base della descrizione che segue facendo riferimento alle allegate tavole di disegno che ne rappresentano a solo titolo esemplificativo e non limitativo una preferita forma di realizzazione. Nelle tavole:

la fig. 1 mostra schematicamente una sezione in elevazione di uno scambiatore di calore a fascio tubiero di tipo tradizionale;

la fig.2 mostra schematicamente una sezione in elevazione di uno scambiatore nel cui interno è posizionata, a solo titolo indicativo, una gabbia secondo il presente trovato;

le figg. 3,4,5 e 6 sono le sezioni trasversali rispettivamente delle griglie a maglia quadrata indicate in fig.2, a partire dalla piastra tubiera, con I, II, II e IV, che sono formate secondo il trovato da tubi/tiranti di diametro ridotto rispetto ai tubi di scambio termico;

la fig. 7 è una vista in prospettiva di una gabbia parzialmente sezionata che mostra le quattro griglie a maglia quadrata che fanno da supporto al fascio tubiero, distanziate verticalmente fra loro ed ancorate ad un rivestimento anulare saldato alla superficie interna del mantello;

la fig. 8 è una vista schematica parziale di una zona di base dello scambiatore che illustra il particolare del deposito di saldatura che ricopre la superficie della piastra calda da proteggere. Con riferimento alle figure, in fig. 1 è mostrato schematicamente uno scambiatore a fascio tubiero, secondo lo stato della tecnica, indicato genericamente con 8.

Lo scambiatore 8 ha un involucro in pressione 10 con una piastra tubiera di ingresso 12 che separa l’interno dell’involucro da un collettore o cono di ingresso 14 che viene definito freddo o caldo in funzione del tubo che lo connette al forno.

Nel caso in cui i TLE hanno il cono freddo, il materiale della flangia di ingresso al cono 14 è realizzato in “low alloy” (0,5 Mo o 1.25 Cr.- 0,5 Mo).

Nel caso in cui i TLE hanno il cono caldo il materiale della flangia di ingresso è in Alloy 6 o materiali simili.

In entrambi i casi il cono inferiore è rivestito di refrattario, la cui geometria è variabile come definito da una analisi fluidodinamica del gas.

La piastra tubiera 12 ha una pluralità di passaggi 16 in essa di comunicazione con l’interno dei tubi di scambio termico 15 formanti il fascio tubiero.

All’interno dell’involucro o mantello 10 sono presenti dei piatti 19 di lamiera trasversali detti diaframmi che hanno il duplice scopo di sostenere i tubi di scambio 15 e di controllare il regime idraulico nel mantello stesso, aumentando le turbolenze e di conseguenza il coefficiente di scambio termico.

Vantaggiosamente, la piastra tubiera calda 16 è ottenuta da un disco fucinato in acciaio bassolegato, di spessore tale da poter ricavare per asportazione:

la flangiatura di connessione alla flangia del cono di ingresso;

la preparazione per la saldatura al mantello i colletti necessari per la saldatura dei tubi alla piastra tubiera con sistema IBW ( internal bore welding).

Gli elementi innovativi della presente invenzione sono anche a prima vista percepibili confrontando la fig.1 con la fig. 2, e con le figure successive, dove è illustrato schematicamente uno scambiatore secondo il presente trovato, in cui è evidente:

l’assenza di diaframmi o setti che supportano i tubi di scambio e che determinano un percorso tortuoso all’interno del mantello: resta solo il primo diaframma posizionato al di sopra della piastra tubiera e che definisce, come già detto, la velocità dell’acqua, proveniente dal raccordo di entrata nello scambiatore, sulla stessa piastra; il restringimento delle sezioni trasversali dello scambiatore a valle ed a monte dei raccordi di ingresso e di uscita del fluido di scambio termico (acqua) dai tubi del fascio tubiero nello stesso scambiatore; e

la presenza di una pluralità di griglie a maglia quadrata perpendicolari ai tubi del fascio tubiero costituite da tubi o tiranti di diametro ridotto rispetto agli stessi tubi di scambio termico, che vanno a formare una o più gabbie posizionate al di sopra di detto diaframma sovrastante la piastra tubiera. E’ da sottolineare che in fig.2, viene disegnata una sola gabbia all’interno dello scambiatore, la cui posizione è data a scopo puramente illustrativo e non già limitativo.

Secondo un’altra caratteristica della invenzione, per fornire una vita lunghissima alle saldature tubo-piastra ed alla stessa piastra tubiera 12, tutta la superficie esposta all’impatto del gas caldo, (quella dal lato del cono di ingresso 14) che contiene particelle di coke che viaggiano alla velocità del gas fino a 200 m/s, viene rivestita con saldatura in ALLOY 617 di spessore da 5 a 6 mm(fig.8).

Entrando nel dettaglio di fig.2, il fluido di raffreddamento, nel caso specifico acqua, entra nell’involucro in pressione 10 attraverso un raccordo 20 ed esce da un raccordo superiore 22 dopo aver seguito un percorso assiale per tutto il percorso verso l’uscita.

Secondo una caratteristica peculiare della presente invenzione, tranne un primo diaframma 24 immediatamente a ridosso della piastra tubiera 12 gli altri diaframmi o setti tradizionalmente utilizzati nell’involucro a pressione, che definivano un percorso sinuoso del fluido di scambio, sono sostituiti da supporti studiati in modo da contenere il movimento dei tubi di scambio termico 15, lasciando sempre libera, per ciascuno di essi, una linea di passaggio verticale per il fluido di scambio.

Ciò si ottiene installando, per ogni fila verticale di tubi 15, un tubo/tirante 26 di diametro ridotto rispetto al diametro dei tubi di scambio, (a solo titolo indicativo circa 1⁄4 del diametro dei tubi di scambio) che viene ancorato alla periferia ad un rivestimento anulare 25, saldato completamente sulla superficie interna del mantello, avente uno spessore compreso fra 5 e 8 mm. Ogni tubo/tirante 26 risulta perpendicolare, tangente, ed in solo appoggio, a tutti i tubi 15, fra loro paralleli, di una singola fila del fascio tubiero, ostacolandone il movimento.

Come si vede nelle figure da 2 a 5 detti tubi/tiranti 26, fra loro paralleli, configurano delle griglie a maglia rettangolare, I,II,II,e IV, opportunamente distanziate lungo l’asse principale dello stesso scambiatore 10.

Essendo perpendicolari rispetto sia ai tubi/tiranti della griglia sovrastante che ai tubi/tiranti di quella sottostante, detti tubi 26 vengano a contatto con ciascuno dei tubi di scambio 15 solo in un punto di tangenza, ostacolando il movimento del tubo verso quella direzione. Così in ciascuna delle quattro griglie il contatto con i tubi di scambio termico di una linea avverrà in un punto diverso, angolarmente distanziato di 90°.

Nella forma realizzativa illustrata in fig.7, le quattro griglie sono ancorate al rivestimento anulare 25, a sua volta saldato sul mantello 10, ad una distanza fra loro tra i 10 ed i 30 cm, e vengono a formare una vera e propria gabbia. E’ evidente che il numero di gabbie viene deciso dal progettista in funzione del diametro e della lunghezza dei tubi.

Claims

RIVENDICAZIONI 1) Scambiatore di calore a fascio tubiero TLE con involucro in pressione ed avente la piastra tubiera di ingresso che separa l’interno dell’involucro da un collettore di arrivo del fluido da raffreddare, dove la piastra tubiera presenta passaggi di comunicazione con l’interno dei tubi del fascio tubiero, ed è dotata dal lato del collettore di uno strato di indurimento formato da un deposito di saldatura in materiale più duro della piastra e dal lato opposto un colletto sporgente attorno a ciascun passaggio sul quale è saldato un corrispondente tubo del fascio tubiero, a distanza dalla superficie interna della piastra, caratterizzato dal fatto che: qualora il fascio tubiero non sia stabile in assenza di diaframmi di supporto, detti tubi di scambio termico sono supportati, dopo un primo diaframma più vicino alla piastra calda, a cui è demandato il compito di definire da progetto la velocità dell’acqua sulla piastra tubiera, da una o più gabbie formate da una pluralità di griglie o grate metalliche, disposte perpendicolarmente a detti tubi di scambio termico, opportunamente distanziate lungo l’asse principale dello stesso scambiatore, le quali sono formate da una serie di tubi/tiranti fra loro paralleli, ancorati ad un cilindro periferico, intero e saldato in continuo sulla superficie interna del mantello dello scambiatore, dove ognuno dei tubi/tiranti risulta tangente, ed in solo appoggio, a tutti i tubi di scambio termico di una singola fila del fascio tubiero, ostacolandone il movimento; e dal fatto che: i tubi/tiranti che costituiscono ogni griglia, non sono mai allineati con quelli delle griglie superiore e inferiore, in modo da venire a contatto con ciascuno dei tubi del fascio tubiero in un punto, che risulta, per ciascuno degli stessi tubi, angolarmente distanziato rispetto al punto di contatto che lo stesso tubo di scambio termico ha con le altre griglie che costituiscono la gabbia.
2) Scambiatore di calore a fascio tubiero come alla rivendicazione 1 caratterizzato dal fatto che nel caso di maglie quadrate, per ostacolare il movimento dei tubi di scambio termico nelle quattro direzioni, una gabbia è formata da quattro grate in modo che ciascun tubo di scambio viene a contatto con un tubo di sostegno/tirante anche in altre tre direzioni, angolarmente distanziate fra loro di 90°.
3) Scambiatore di calore a fascio tubiero come ad una qualunque delle rivendicazioni precedenti caratterizzato dal fatto che il diametro del tubo/tirante è ridotto rispetto a quello dei tubi del fascio tubiero, preferibilmente compreso tra 1/3 ed 1/5 del diametro del tubo di scambio, ancora meglio 1⁄4 .
4) Scambiatore di calore a fascio tubiero come ad una qualunque delle rivendicazioni precedenti caratterizzato dal fatto che è previsto il restringimento delle sezioni trasversali dello scambiatore a valle ed a monte dei raccordi di ingresso e di uscita del fluido di scambio termico (acqua) nello stesso scambiatore, onde evitare la formazione di bypass a ridosso della superficie interna del mantello da parte dello stesso fluido di scambio termico.
5) Scambiatore di calore come alla rivendicazione 2 caratterizzato dal fatto che la distanza tra le griglie della gabbia è compresa tra 75 mm e 300 mm.
6) Scambiatore di calore come alla riv.5 in cui la distanza tra le griglie della gabbia è di 100 mm.
7) Scambiatore come alla rivendicazione 4 in cui il diametro del mantello nella parte compresa fra l’ingresso e l’uscita del fluido di scambio termico, dove sono tutti i tubi del fascio tubiero, è pari all’OTL (limite del tubo esterno) 16- 32 mm, meglio 18-30 mm, ancor meglio 20-30 mm.
8) Scambiatore di calore come alla rivendicazione 4 in cui il diametro delle due virole all’ingresso ed all’uscita dell’acqua è pari all’OTL 160-170 mm in modo da lasciare comunque uno spazio di sicurezza in grado di impedire ai tubi esterni del fascio di venire in contatto con il mantello stesso durante l’esercizio dello scambiatore.
9) Scambiatore di calore come ad una qualunque delle rivendicazioni precedenti caratterizzato dal fatto che su tutta la piastra tubiera lato gas è effettuato un deposito di saldatura antierosione di 5-6 mm di una lega Nickel-Cromo ALLOY 617 che unisce le caratteristiche di alta resistenza all’urto del gas caldo (che contiene particelle di coke che viaggiano alla velocità del gas fino a 200m/s), ad un espansione termica compatibile con quella del materiale in cui è realizzata la piastra stessa, preferibilmente acciaio legato debolmente a molibdeno o cromo molibdeno.