IT201800004827A1

IT201800004827A1 - Scambiatore di calore a doppio tubo e relativo metodo di fabbricazione

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Publication number: IT201800004827A1
Application number: IT102018000004827A
Authority: IT
Priority date: 2018-04-24
Filing date: 2018-04-24
Publication date: 2019-10-24
Also published as: CN112005071B; CA3096970A1; HUE063515T2; EP3784973A1; CN112005071A; ES2961914T3; EP3784973C0; US20210140714A1; EP3784973B1; WO2019207384A1; US11668529B2; KR20210003127A; RU2771115C1; KR102593746B1

Description

Descrizione di un brevetto d’invenzione

DESCRIZIONE

La presente invenzione riguarda uno scambiatore di calore a doppio tubo per il raffreddamento rapido di un primo fluido ad alta temperatura mediante un secondo fluido, in ebollizione o no, attraverso uno scambio termico indiretto. In particolare, la presente invenzione riguarda un cosiddetto “quencher” per gas caldi uscenti da fornaci di cracking con vapore di idrocarburi per la produzione di olefine.

In alcuni processi chimici, i fluidi scaricati da reattori chimici ad alta temperatura devono essere raffreddati in breve tempo (frazioni di secondo) in modo da bloccare possibili reazioni chimiche residue. I gas caldi scaricati dalle fornaci di cracking con vapore degli idrocarburi costituiscono un esempio importante. Questi gas sono anche chiamati “cracked gas” o gas di cracking. Il gas di cracking è scaricato dalla fornace a una temperatura di 800-850°C e a una pressione di 160-210 kPa(a) circa, e deve essere raffreddato rapidamente sotto i 500°C. Il gas di cracking è carico di sostanze carboniose e asfaltiche, le quali possono essere causa di significativi sedimenti e di erosione delle parti in pressione.

I processi di produzione industriale di nerofumo (“carbon-black”) e di vinile-cloruromonomero (VCM) sono altri processi dove è richiesto il raffreddamento rapido di un gas ad alta temperatura e molto sporco. Il gas per nerofumo è tipicamente scaricato dal combustore degli idrocarburi a una temperatura superiore a 1200°C e deve essere immediatamente raffreddato di almeno 300-400°C. Il VCM viene scaricato dalla fornace di cracking del dicloroetilene a una temperatura di circa 500-600°C, e deve essere immediatamente raffreddato a circa 300°C.

Per effettuare un raffreddamento rapido e indiretto di un fluido di processo, in condizioni operative severe, uno scambiatore di calore a doppio tubo, o un “quencher” a doppio tubo, rappresenta una soluzione preferita. Un “quencher” a doppio tubo è principalmente costituito da due tubi disposti concentricamente fra di loro. Solitamente il fluido caldo e sporco fluisce nel tubo interno, mentre il fluido di raffreddamento fluisce nell’interstizio anulare fra il tubo esterno e il tubo interno. Ogni tubo è provvisto delle proprie connessioni di ingresso e di uscita per la circolazione continua dei fluidi. I fluidi possono scambiare calore, senza contatto diretto fra di loro, tramite una configurazione equicorrente o contro-corrente.

Uno scambiatore di calore a doppio tubo offre importanti vantaggi tecnologici per le operazioni di raffreddamento rapido. Innanzitutto, la velocità del fluido di raffreddamento che fluisce nell’interstizio anulare tra i due tubi è elevata e uniforme per la maggior parte dell’interstizio, riducendo le zone morte o a bassa velocità. Ciò garantisce un buon coefficiente di trasferimento di calore all’esterno del tubo interno. Di conseguenza, le temperature operative metalliche e gli stress termo-meccanici del tubo interno possono essere attenuati. Per l’applicazione tipica del gas di cracking, la velocità dell’acqua in ebollizione nell’interstizio anulare è circa 1,5-3,0 m/s e la più alta temperatura operativa metallica del tubo interno, nel quale fluisce il gas di cracking, si aggira sui 390-420°C, mediata nello spessore.

Un secondo vantaggio di uno scambiatore di calore a doppio tubo risiede nelle alte velocità che possono essere instaurate nel tubo interno. Siccome il tubo interno non ha significative discontinuità o ostacoli lungo il tubo, il fluido non ha punti di impatto. Di conseguenza, l’erosione e il deposito di sporco possono essere ridotti o eliminati. Inoltre, alte velocità comportano alti coefficienti di scambio termico, necessari per un raffreddamento rapido. Velocità tipiche del gas di cracking all’ingresso del tubo interno sono di 100-150 m/s.

Infine, grazie alla semplice geometria tubolare, il tubo interno può essere pulito con un metodo meccanico senza particolari difficoltà. Quindi, un fluido che comporta elevati depositi di sporco può essere fatto fluire nel tubo interno senza problemi.

Diverse soluzioni tecnologiche per scambiatori di calore a doppio tubo sono state proposte. Alcune di queste sono richiamate qui di seguito.

Il documento US 3583476 descrive un dispositivo per il raffreddamento del gas proveniente da fornaci di cracking con vapore di idrocarburi. Il tubo interno riceve il gas di cracking caldo e il tubo esterno forma una camera di raffreddamento fra il tubo interno e il tubo esterno. L’acqua di raffreddamento, proveniente da un corpo cilindrico in posizione elevata, circola nella camera di raffreddamento. Per smorzare le dilatazioni termiche differenziali fra tubo interno e tubo esterno, il dispositivo secondo US 3583476 è caratterizzato da un tubo interno costituito da due sezioni, entrambe fisse in corrispondenza di una loro estremità, mentre in corrispondenza dell’altra estremità queste due sezioni possono scorrere assialmente. L’interstizio anulare formato dalle porzioni di scorrimento delle due sezioni è sigillato da una iniezione di vapore. Questo dispositivo, quindi, è principalmente rivolto a risolvere il problema critico degli stress termomeccanici dovuti alle dilatazioni termiche differenziali fra tubo interno e tubo esterno.

Il documento US 4457364 descrive un altro dispositivo per il raffreddamento del gas da fornaci di cracking con vapore di idrocarburi. Tale dispositivo è costituito da un fascio tubiero di tubi scambiatori di tipo a doppio tubo. Ogni tubo scambiatore è costituito da un tubo esterno e da un tubo interno disposti concentricamente, dove il gas di cracking e l’acqua di raffreddamento fluiscono rispettivamente nel tubo interno e nell’interstizio anulare. La parte terminale di ogni tubo scambiatore è provvista di un collettore ovale o pseudo-ovale per l’acqua, posto in comunicazione con l’interstizio anulare.

Il documento US 5690168 descrive la parte terminale di transizione di uno scambiatore a doppio tubo per il gas da fornace di cracking con vapore di idrocarburi. La parte terminale di transizione dello scambiatore è caratterizzata da un interstizio anulare formato tra un manicotto interno e una parete esterna. L’interstizio anulare è riempito di materiale refrattario per proteggere la parete esterna dall’alta temperatura. L’interstizio anulare è provvisto, in corrispondenza di una sua estremità, di un cono di transizione connesso alla porzione di ingresso del gas di cracking e, in corrispondenza dell’altra estremità, di un anello di chiusura connesso al tubo esterno. La parte terminale di transizione può ridurre le temperature operative, grazie al materiale refrattario, e può attenuare gli stress termici, grazie al cono di transizione, della porzione di ingresso calda dello scambiatore.

Il documento US 2007/193729 descrive la transizione della parte terminale di uscita di uno scambiatore di calore a doppio tubo operante come “quencher” di gas di cracking. Questa transizione della parte terminale di uscita è provvista di un elemento interno e di un elemento esterno di montaggio che formano un interstizio anulare fra di loro. L’interstizio anulare è riempito di materiale isolante (refrattario) per ridurre la temperatura operativa metallica dell’elemento esterno di montaggio. La transizione ha una forma conica per distribuire meglio gli stress termo-meccanici dovuti alle differenti temperature operative metalliche dei componenti dello scambiatore.

Un’altra parte terminale di transizione di uno scambiatore di calore a doppio tubo per raffreddare rapidamente gas di cracking è descritta nel documento US 7287578. L’acqua di raffreddamento fluisce nel tubo esterno e il gas di cracking caldo fluisce nel tubo interno. Il tubo esterno e il tubo interno sono reciprocamente connessi, in corrispondenza delle rispettive estremità adiacenti, mediante un elemento di connessione che ha la forma di una forcella. Tale elemento di connessione chiude la parte terminale dell’interstizio anulare formato fra il tubo interno e il tubo esterno. La connessione di ingresso o di uscita del tubo esterno è direttamente collegata all’elemento di connessione, in modo da raffreddare efficacemente tale elemento di connessione.

In tutti i documenti citati, i parametri più critici per la progettazione di processo e termomeccanica di un “quencher” a doppio tubo sono rappresentati dalle temperature operative metalliche delle connessioni fra il tubo esterno e il tubo interno, nonché dagli stress termomeccanici derivanti dalle dilatazioni termiche differenziali fra il tubo esterno e il tubo interno. Le soluzioni tecniche citate presentano sia vantaggi, sia potenziali svantaggi. L’iniezione di vapore nel tubo interno introduce una complessità di progettazione dovuta alle camere di vapore all’ingresso e all’uscita del fluido caldo e la necessità di avere un continuo flusso di vapore. Il rivestimento refrattario può subire un deterioramento delle proprietà chimiche e meccaniche nel corso del tempo. I manicotti disposti sul lato del tubo interno presentano un rischio di deformazione in condizioni di funzionamento severe e cicliche.

Da un punto di vista generale, i fluidi summenzionati, per esempio il gas di cracking e il gas per nerofumo, sono a temperature talmente elevate che il tubo interno è conseguentemente soggetto a temperature metalliche locali elevate. Tali temperature metalliche elevate sono pericolose, in quanto possono portare a corrosione e surriscaldamento locali. Più specificamente, nel caso in cui il fluido di raffreddamento sia acqua in ebollizione ad alta pressione, sorgono due ulteriori problemi critici. In primo luogo, i sali e gli ossidi metallici dispersi nell’acqua possono depositarsi sulle parti in pressione all’ingresso del fluido caldo, comportando rapidi danni dovuti a corrosione e surriscaldamento. Inoltre, gli alti flussi termici tipici dell’ebollizione possono generare un fenomeno di calefazione, con conseguente surriscaldamento e alterazione del metallo.

In base a una configurazione preferita di “quencher” a doppio tubo, il fluido caldo di processo scorre nel tubo interno. Quindi, il tubo interno è in contatto sia con il fluido caldo, sia con il fluido freddo, mentre il tubo esterno è in contatto solo con il fluido freddo. I due tubi operano a temperature metalliche diverse, e ciò significa che i due tubi subiscono dilatazioni termiche diverse sia in direzione longitudinale, sia in direzione radiale. Conseguentemente, la progettazione di un “quencher” a doppio tubo deve essere rivolta a smorzare le dilatazioni termiche differenziali dei due tubi.

In caso di fluidi molto sporchi, come il gas di cracking e il gas per nerofumo, le operazioni di produzione sono spesso interrotte per attività di pulizia. Perciò, il “quencher” a doppio tubo subisce molti cicli di temperature e pressione. La progettazione, pertanto, deve anche essere rivolta a resistere alla fatica ciclica.

In base a quanto precede, risulta chiaro che i componenti più critici di uno scambiatore di calore a doppio tubo per il raffreddamento rapido di un fluido di processo ad alta temperatura sono le porzioni terminali e, più precisamente, le connessioni fra il tubo interno e il tubo esterno. La porzione terminale calda, che è quella attraverso la quale entra il fluido caldo, è quella più critica in quanto è soggetta alle più alte velocità e temperature, nonché ai più alti flussi termici e gradienti termici. Come sopra menzionato, i componenti critici dello scambiatore di calore possono soffrire per:

a) surriscaldamento,

b) corrosione,

c) erosione,

d) elevati stress termo-meccanici locali,

e) cicli a fatica,

f) choc termici.

Una conformazione appropriata delle porzioni terminali, e soprattutto delle connessioni fra tubo interno e tubo esterno, può allungare la vita operativa e migliorare l’affidabilità del “quencher” a doppio tubo. In particolare, il progetto di un “quencher” per una fornace di cracking con vapore dovrebbe essere atto sia a evitare o ridurre i punti caldi della parete del tubo interno e della connessione fra tubo interno e tubo esterno, sia a evitare o ridurre i depositi di impurezze lato acqua sulle superfici di scambio termico e l’ingolfamento di vapore nell’interstizio anulare. Il progetto deve anche evitare punti di impatto nel tubo interno per il gas di cracking, smorzare i gradienti termici nelle parti in pressione e assorbire le dilatazioni termiche differenziali.

Scopo della presente invenzione è pertanto quello di realizzare uno scambiatore di calore a doppio tubo che sia in grado di risolvere gli inconvenienti sopra citati della tecnica nota in una maniera semplice, economica e particolarmente funzionale.

Nel dettaglio, è uno scopo della presente invenzione quello di realizzare uno scambiatore di calore a doppio tubo che sia in grado di potenziare la vita operativa e l’affidabilità dell’apparecchiatura in maniera alternativa rispetto alle soluzioni tecniche di tipo noto. Più specificamente, la presente invenzione riguarda un innovativo “quencher” a doppio tubo per le fornaci di cracking con vapore degli idrocarburi per la produzione di olefine. Questo scopo è ottenuto grazie a una innovativa configurazione di uno scambiatore di calore a doppio tubo in grado di ridurre i depositi di sporco sulle superfici di scambio termico, le temperature operative metalliche e gli stress nelle parti in pressione.

Un altro scopo della presente invenzione è quello di fornire un metodo di fabbricazione di uno scambiatore di calore a doppio tubo.

Questi scopi secondo la presente invenzione vengono raggiunti realizzando uno scambiatore di calore a doppio tubo e un relativo metodo di fabbricazione come esposti nelle rivendicazioni indipendenti.

Ulteriori caratteristiche dell’invenzione sono evidenziate dalle rivendicazioni dipendenti, che sono parte integrante della presente descrizione.

Le caratteristiche e i vantaggi di uno scambiatore di calore a doppio tubo secondo la presente invenzione risulteranno maggiormente evidenti dalla descrizione seguente, esemplificativa e non limitativa, riferita ai disegni schematici allegati nei quali:

la figura 1 è una vista in sezione longitudinale di uno scambiatore di calore a doppio tubo secondo la tecnica nota;

la figura 2A è una vista parziale, in sezione longitudinale, di una prima forma di realizzazione dello scambiatore di calore a doppio tubo secondo l’invenzione;

la figura 2B è una vista parziale, in sezione longitudinale, di una seconda forma di realizzazione dello scambiatore di calore a doppio tubo secondo l’invenzione;

la figura 2C è una vista parziale, in sezione longitudinale, di una terza forma di realizzazione dello scambiatore di calore a doppio tubo secondo l’invenzione;

la figura 3A è una vista parziale, in sezione longitudinale, di una quarta forma di realizzazione dello scambiatore di calore a doppio tubo secondo l’invenzione;

la figura 3B è una vista parziale, in sezione longitudinale, di una quinta forma di realizzazione dello scambiatore di calore a doppio tubo secondo l’invenzione;

la figura 3C è una vista parziale, in sezione longitudinale, di una sesta forma di realizzazione dello scambiatore di calore a doppio tubo secondo l’invenzione;

la figura 4A è una vista parziale, in sezione longitudinale, di una settima forma di realizzazione dello scambiatore di calore a doppio tubo secondo l’invenzione;

la figura 4B è una vista parziale, in sezione longitudinale, di una ottava forma di realizzazione dello scambiatore di calore a doppio tubo secondo l’invenzione;

la figura 4C è una vista parziale, in sezione longitudinale, di una nona forma di realizzazione dello scambiatore di calore a doppio tubo secondo l’invenzione;

la figura 5 è una vista parziale, in sezione longitudinale, di una decima forma di realizzazione dello scambiatore di calore a doppio tubo secondo l’invenzione;

la figura 6 è una vista parziale, in sezione longitudinale, di una undicesima forma di realizzazione dello scambiatore di calore a doppio tubo secondo l’invenzione;

la figura 7 è una vista in sezione trasversale, ottenuta secondo la linea X-X’ di figura 4C, di una dodicesima forma di realizzazione dello scambiatore di calore a doppio tubo secondo l’invenzione;

le figure 8A-8F sono viste in sezione che mostrano in sequenza un primo metodo di fabbricazione dello scambiatore di calore a doppio tubo secondo l’invenzione; e

le figure 9A-9E sono viste in sezione che mostrano in sequenza un secondo metodo di fabbricazione dello scambiatore di calore a doppio tubo secondo l’invenzione.

Si precisa che, in tutte le figure allegate, numeri di riferimento uguali corrispondono a elementi uguali o tra loro equivalenti.

Con riferimento alla figura 1, viene mostrato uno scambiatore di calore a doppio tubo secondo la tecnica nota, indicato complessivamente con il numero di riferimento 1. La disposizione dello scambiatore di calore 1 può essere verticale, orizzontale o qualsiasi altra. Lo scambiatore di calore 1 è costituito da un tubo esterno 2 e da un tubo interno 3, concentricamente disposti in modo da formare un primo interstizio anulare 14 fra tale tubo esterno 2 e tale tubo interno 3.

Il tubo esterno 2 è provvisto di almeno una prima connessione 4 e di almeno una seconda connessione 5 per immettere ed estrarre, rispettivamente, un primo fluido F1. Ogni connessione 4 e 5 del tubo esterno 2 è preferibilmente collocata presso una rispettiva estremità 8 e 9 di tale tubo esterno 2. Il tubo interno 3 è a sua volta provvisto di almeno una prima connessione 6 e di almeno una seconda connessione 7 per immettere ed estrarre, rispettivamente, un secondo fluido F2. Ogni connessione 6 e 7 del tubo interno 3 è preferibilmente collocata presso una rispettiva estremità 10 e 11 di tale tubo interno 3 ed è collegata ad apparecchiature, o condotti, posti sul lato a monte 100 e/o sul lato a valle 200 dello scambiatore di calore 1. I due fluidi F1 e F2 sono contattati indirettamente, per lo scambio termico, tramite una configurazione equi-corrente o controcorrente. Di conseguenza, la direzione dei flussi del primo fluido F1 e del secondo fluido F2 può essere differente rispetto a quanto mostrato in figura 1.

Il tubo interno 3 e il tubo esterno 2 sono connessi fra loro mediante una prima parete di montaggio 12 e una seconda parete di montaggio 13. La prima parete di montaggio 12 connette la prima estremità 8 del tubo esterno 2 al tubo interno 3 in un primo punto 21 che si trova tra le due connessioni 6 e 7 del tubo interno 3. La seconda parete di montaggio 13 connette la seconda estremità 9 del tubo esterno 2 al tubo interno 3 in un secondo punto 38 che si trova anch’esso tra le due connessioni 6 e 7 del tubo interno 3. Le due pareti di montaggio 12 e 13 chiudono il primo interstizio anulare 14 alle due estremità.

Come illustrato in figura 1, che rappresenta una delle possibili condizioni di funzionamento dello scambiatore di calore 1, il primo fluido F1 entra nel primo interstizio anulare 14 attraverso la prima connessione 4, fluisce lungo il primo interstizio anulare 14 e quindi esce da tale primo interstizio anulare 14 attraverso la seconda connessione 5. Il secondo fluido F2 entra nel tubo interno 3 attraverso la prima connessione 6, fluisce lungo il tubo interno 3 e quindi esce dal tubo interno 3 attraverso la seconda connessione 7. I due fluidi F1 e F2 scambiano calore in modo indiretto attraverso la parete del tubo interno 3 circondata dal primo interstizio anulare 14.

Con riferimento alla figura 2A, viene mostrata una prima forma di realizzazione dello scambiatore di calore 1 a doppio tubo secondo l’invenzione. Più specificamente, la figura 2A mostra una porzione terminale dello scambiatore di calore 1. Lo scambiatore di calore 1, in maniera di per sé nota, è provvisto di un tubo esterno 2 e di un tubo interno 3 concentricamente disposti in modo da formare un primo interstizio anulare 14. Il tubo esterno 2 è provvisto di almeno una prima connessione 4 e di almeno una seconda connessione (non mostrata in figura 2A, ma equiparabile alla seconda connessione 5 di figura 1) per immettere ed estrarre, rispettivamente, un primo fluido F1. Il tubo interno 3 è a sua volta provvisto di almeno una prima connessione 6 e di almeno una seconda connessione (non mostrata in figura 2A, ma equiparabile alla seconda connessione 7 di figura 1) per immettere ed estrarre, rispettivamente, un secondo fluido F2. Ogni connessione 6 e 7 del tubo interno 3 è collegata ad apparecchiature, o condotti, posti sul lato a monte 100 e/o sul lato a valle 200 dello scambiatore di calore 1. La porzione di scambiatore di calore 1 mostrata in figura 2A illustra solamente la connessione di ingresso 4 del tubo esterno 2 e la connessione di ingresso 6 del tubo interno 3.

Come mostrato in figura 2A, il primo fluido F1 e il secondo fluido F2 scorrono nel primo interstizio anulare 14 essenzialmente con una configurazione equi-corrente. Tuttavia, la direzione dei due fluidi F1 e F2 può essere differente rispetto a quella mostrata in figura 2A. Per esempio, i due fluidi F1 e F2 possono scorrere con configurazione contro-corrente. In altre parole, la connessione di ingresso 4 del tubo esterno 2, come da figura 2A, può essere mutata in connessione di uscita, mantenendo inalterato il flusso del secondo fluido F2 nel tubo interno 3. In alternativa, la connessione di ingresso 6 del tubo interno 3, come da figura 2A, può essere mutata in connessione di uscita, mantenendo inalterato il flusso del primo fluido F1 nel tubo esterno 2.

Il tubo esterno 2 è connesso, in corrispondenza di una sua prima estremità 8, al tubo interno 3 in un punto 21 collocato fra la connessione di ingresso 6 e la connessione di uscita 7 del tubo interno 3. La connessione tra il tubo esterno 2 e il tubo interno 3 nel punto 21 è ottenuta mediante una parete di montaggio 35 che chiude la parte terminale del primo interstizio anulare 14.

Secondo l’invenzione, la parete di montaggio 35 forma un secondo interstizio anulare 19 esposto all’aria e sostanzialmente a forma di tasca. In altre parole, una prima estremità anulare del secondo interstizio anulare 19 è chiusa dalla parete di montaggio 35, mentre l’estremità anulare opposta del secondo interstizio anulare 19 è aperta per consentire il passaggio di aria dall’ambiente. Nel secondo interstizio anulare 19 non fluisce quindi alcun fluido, poiché tale secondo interstizio anulare 19 è rivolto verso la superficie esterna dello scambiatore di calore 1. Il secondo interstizio anulare 19 può essere interposto fra il tubo interno 3, o l’apparecchiatura a monte 100 o a valle 200, o il tubo interno 3 e l’apparecchiatura a monte 100 o a valle 200, e la parete di montaggio 35. Se la prima estremità 10 del tubo interno 3 è collocata dentro il secondo interstizio anulare 19, una porzione di tale secondo interstizio anulare 19 risulta essere formata fra la parete di montaggio 35 e l’apparecchiatura a monte 100 o a valle 200 connessa alla prima estremità 10 del tubo interno 3.

Il secondo interstizio anulare 19 non è in comunicazione di fluido né con il primo interstizio anulare 14, né con il tubo interno 3 ed è, almeno parzialmente, circondato dal primo interstizio anulare 14. La porzione specifica del primo interstizio anulare 14 che circonda il secondo interstizio anulare 19 può essere considerata come un interstizio anulare 18 addizionale. Questo interstizio anulare 18 addizionale è in comunicazione di fluido con il primo interstizio anulare 14. In altre parole, l’interstizio anulare 18 addizionale è parte integrante del primo interstizio anulare 14.

La parte terminale 23 del secondo interstizio anulare 19, vale a dire la parte chiusa dalla parete di montaggio 35, ha preferibilmente una forma convessa, o una forma a “U”, rivolta verso tale secondo interstizio anulare 19. La prima estremità 10 del tubo interno 3, corrispondente alla connessione di ingresso 6 del tubo interno 3, può essere collocata dentro o fuori il secondo interstizio anulare 19. Nella figura 2A, la prima estremità 10 del tubo interno 3 è mostrata al di fuori del secondo interstizio anulare 19.

Il profilo della parete di montaggio 35 che è rivolto verso il primo interstizio anulare 14 e che si trova in prossimità della connessione 21 è preferibilmente curvilineo e con una continua pendenza verso l’interstizio anulare 18 addizionale. La parete di montaggio 35 è preferibilmente costituita da un pezzo metallico ottenuto da forgiatura o da getto fuso, fabbricato in acciaio al carbonio, acciaio basso legato o lega al nickel per alte temperature.

La connessione di ingresso 4 del tubo esterno 2 è preferibilmente installata sul tubo esterno 2. Alternativamente, la connessione di ingresso 4 del tubo esterno 2 può essere installata sulla parete di montaggio 35 o sia sulla parete di montaggio 35, sia sul tubo esterno 2. Secondo una configurazione vantaggiosa dello scambiatore di calore 1, la connessione di ingresso 4 del tubo esterno 2 è installata in corrispondenza dell’interstizio anulare 18 addizionale.

Il tubo interno 3 può avere un diametro interno uniforme o non uniforme. Per esempio, il tubo interno 3 può avere almeno due diametri interni D1 e D2 tra loro differenti. In una possibile configurazione dello scambiatore di calore 1, la porzione di tubo interno 3 posta fra la connessione di ingresso 6 e la connessione 21 con la parete di montaggio 35 può avere un diametro interno D2 diverso dal diametro interno D1 della porzione di tubo interno 3 posta fra la connessione 21 con la parete di montaggio 35 e la connessione di uscita 7.

Con riferimento alla figura 2B, viene mostrata una seconda forma di realizzazione dello scambiatore di calore 1 a doppio tubo secondo l’invenzione. Più specificamente, la figura 2B mostra una porzione terminale dello scambiatore di calore 1. Lo scambiatore di calore 1 di figura 2B è essenzialmente identico a quello di figura 2A, salvo che per il tubo interno 3. In questa seconda forma di realizzazione il tubo interno 3 è costituito da tre sezioni, vale a dire una prima sezione 24, una seconda sezione 25 e una terza sezione 36. La terza sezione 36 è parte integrante della parete di montaggio 35. In altre parole, la terza sezione 36 è formata di pezzo con la parete di montaggio 35. La prima sezione 24 e la seconda sezione 25 sono connesse fra loro attraverso la terza sezione 36, che è installata fra la prima sezione 24 e la seconda sezione 25. La prima estremità 21 della prima sezione 24 è connessa alla terza sezione 36, mentre la seconda estremità (non mostrata) della prima sezione 24 corrisponde alla connessione di uscita 7 del tubo interno 3. La prima estremità 10 della seconda sezione 25 corrisponde alla connessione di ingresso 6 del tubo interno 3, mentre la seconda estremità 26 della seconda sezione 25 è connessa alla terza sezione 36. La seconda estremità 26 della seconda sezione 25, connessa alla terza sezione 36, può essere collocata dentro o fuori rispetto al secondo interstizio anulare 19 esposto all’aria.

Con riferimento alla figura 2C, viene mostrata una terza forma di realizzazione dello scambiatore di calore 1 a doppio tubo secondo l’invenzione. Più specificamente, la figura 2C mostra una porzione terminale dello scambiatore di calore 1. Lo scambiatore di calore 1 di figura 2C è essenzialmente identico a quello di figura 2A, salvo che per il tubo interno 3. Il tubo interno 3 è costituito da due sezioni, vale a dire una prima sezione 24 e una seconda sezione 25. La seconda sezione 25 è parte integrante della parete di montaggio 35. In altre parole, la seconda sezione 25 è formata di pezzo con la parete di montaggio 35. La prima estremità 21 della prima sezione 24 è connessa alla parete di montaggio 35, mentre la seconda estremità (non mostrata) della prima sezione 24 corrisponde alla connessione di uscita 7 del tubo interno 3. La prima estremità 10 del tubo interno 3, che corrisponde a una estremità della parete di montaggio 35, può essere collocata dentro o fuori rispetto al secondo interstizio anulare 19 esposto all’aria.

Con riferimento alle figure 3A, 3B e 3C, sono rispettivamente mostrate una quarta, una quinta e una sesta forma di realizzazione dello scambiatore di calore 1 a doppio tubo secondo l’invenzione. Più specificamente, le figure 3A, 3B e 3C mostrano una porzione terminale dello scambiatore di calore 1. Lo scambiatore di calore 1 di figura 3A è essenzialmente identico a quello di figura 2A, salvo che per la parete di montaggio 35 che è costituita da due elementi di montaggio 15 e 16 congiunti da una connessione intermedia 37. Il tubo esterno 2 è connesso, in corrispondenza di una sua prima estremità 8, al primo elemento di montaggio 15. La connessione intermedia 37 fra il primo elemento di montaggio 15 e il secondo elemento di montaggio 16 è preferibilmente collocata fra il secondo interstizio anulare 19 esposto all’aria e l’interstizio anulare 18 addizionale. La parte terminale 23 del secondo interstizio anulare 19 è preferibilmente delimitata solo dal secondo elemento di montaggio 16. Il primo elemento di montaggio 15 e il secondo elemento di montaggio 16 sono costituiti, di preferenza, da pezzi metallici ottenuti da forgiatura o da getto fuso, fabbricati in acciaio al carbonio, acciaio basso legato o lega al nickel per alte temperature, e possono avere una forma generale, per esempio, ad anello o curvilinea.

Lo scambiatore di calore 1 mostrato in figura 3B è essenzialmente identico a quello mostrato in figura 2B, salvo che per la parete di montaggio 35 che è costituita da due elementi di montaggio 15 e 16 congiunti da una connessione intermedia 37. Il tubo esterno 2 è connesso, in corrispondenza di una sua prima estremità 8, al primo elemento di montaggio 15. La connessione intermedia 37 fra il primo elemento di montaggio 15 e il secondo elemento di montaggio 16 è preferibilmente collocata fra il secondo interstizio anulare 19 esposto all’aria e l’interstizio anulare 18 addizionale. La parte terminale 23 del secondo interstizio anulare 19 è preferibilmente delimitata solo dal secondo elemento di montaggio 16. Il primo elemento di montaggio 15 e il secondo elemento di montaggio 16 sono costituiti, di preferenza, da pezzi metallici ottenuti da forgiatura o da getto fuso, fabbricati in acciaio al carbonio, acciaio basso legato o lega al nickel per alte temperature, e possono avere una forma generale, per esempio, ad anello o curvilinea.

Lo scambiatore di calore 1 mostrato in figura 3C è essenzialmente identico a quello mostrato in figura 2C, salvo che per la parete di montaggio 35 che è costituita da due elementi di montaggio 15 e 16 congiunti da una connessione intermedia 37. Il tubo esterno 2 è connesso, in corrispondenza di una sua prima estremità 8, al primo elemento di montaggio 15. La connessione intermedia 37 fra il primo elemento di montaggio 15 e il secondo elemento di montaggio 16 è preferibilmente collocata fra il secondo interstizio anulare 19 esposto all’aria e l’interstizio anulare 18 addizionale. La parte terminale 23 del secondo interstizio anulare 19 è preferibilmente delimitata solo dal secondo elemento di montaggio 16. Il primo elemento di montaggio 15 e il secondo elemento di montaggio 16 sono costituiti, di preferenza, da pezzi metallici ottenuti da forgiatura o da getto fuso, fabbricati in acciaio al carbonio, acciaio basso legato o lega al nickel per alte temperature, e possono avere una forma generale, per esempio, ad anello o curvilinea.

Con riferimento alle figure 4A, 4B e 4C, sono rispettivamente mostrate una settima, un’ottava e una nona forma di realizzazione dello scambiatore di calore 1 a doppio tubo secondo l’invenzione. Più specificamente, le figure 4A, 4B e 4C mostrano una porzione terminale dello scambiatore di calore 1. Lo scambiatore di calore 1 di figura 4A è essenzialmente identico a quello di figura 3A, salvo che per la parete di montaggio 35 che è costituita da un ulteriore terzo elemento di montaggio 17. Questo terzo elemento di montaggio 17 corrisponde a un tubo intermedio che è installato fra il primo elemento di montaggio 15 e il secondo elemento di montaggio 16 e che è disposto concentricamente rispetto al tubo interno 3 e al tubo esterno 2. Di preferenza, la prima estremità 8 del tubo esterno 2 è adiacente alla prima estremità 22 del tubo intermedio 17. La prima estremità 8 del tubo esterno 2 è congiunta alla prima estremità 22 del tubo intermedio 17 mediante il primo elemento di montaggio 15. La seconda estremità 20 del tubo intermedio 17 è congiunta al secondo elemento di montaggio 16.

Lo scambiatore di calore 1 di figura 4B è essenzialmente identico a quello di figura 3B, salvo che per la parete di montaggio 35 che è costituita da un ulteriore terzo elemento di montaggio 17. Questo terzo elemento di montaggio 17 corrisponde a un tubo intermedio che è installato fra il primo elemento di montaggio 15 e il secondo elemento di montaggio 16 e che è disposto concentricamente rispetto al tubo interno 3 e al tubo esterno 2. Di preferenza, la prima estremità 8 del tubo esterno 2 è adiacente alla prima estremità 22 del tubo intermedio 17. La prima estremità 8 del tubo esterno 2 è congiunta alla prima estremità 22 del tubo intermedio 17 mediante il primo elemento di montaggio 15. La seconda estremità 20 del tubo intermedio 17 è congiunta al secondo elemento di montaggio 16.

Lo scambiatore di calore 1 di figura 4C è essenzialmente identico a quello di figura 3C, salvo che per la parete di montaggio 35 che è costituita da un ulteriore terzo elemento di montaggio 17. Questo terzo elemento di montaggio 17 corrisponde a un tubo intermedio che è installato fra il primo elemento di montaggio 15 e il secondo elemento di montaggio 16 e che è disposto concentricamente rispetto al tubo interno 3 e al tubo esterno 2. Di preferenza, la prima estremità 8 del tubo esterno 2 è adiacente alla prima estremità 22 del tubo intermedio 17. La prima estremità 8 del tubo esterno 2 è congiunta alla prima estremità 22 del tubo intermedio 17 mediante il primo elemento di montaggio 15. La seconda estremità 20 del tubo intermedio 17 è congiunta al secondo elemento di montaggio 16.

Con riferimento alla figura 5, è mostrata una decima forma di realizzazione dello scambiatore di calore 1 a doppio tubo secondo l’invenzione. Più specificamente, la figura 5 mostra una porzione terminale dello scambiatore di calore 1. Lo scambiatore di calore 1 di figura 5 può essenzialmente corrispondere a una qualsiasi delle precedenti forme di realizzazione, dalla prima alla nona, salvo per il fatto che il tubo esterno 2 è costituito da due sezioni, vale a dire una prima sezione 26 e una seconda sezione 27, connesse mediante un quarto elemento di montaggio 28. La prima sezione 26 e la seconda sezione 27 hanno rispettivi diametri interni D3 e D4 differenti tra loro. In base a una configurazione vantaggiosa, il diametro interno D4 della seconda sezione 27 è maggiore del diametro interno D3 della prima sezione 26. Una prima estremità 29 della prima sezione 26 è connessa al quarto elemento di montaggio 28, mentre l’altra estremità (non mostrata) della prima sezione 26 corrisponde alla seconda estremità 9 del tubo esterno 2. Una estremità 30 della seconda sezione 27 è connessa al quarto elemento di montaggio 28, mentre l’altra estremità della seconda sezione 27 corrisponde alla prima estremità 8 del tubo esterno 2. Di preferenza, il quarto elemento di montaggio 28 è installato presso la connessione 21 della parete di montaggio 35. Il quarto elemento di montaggio 28 è preferibilmente un cono o uno pseudo-cono.

Con riferimento alla figura 6, è mostrata una undicesima forma di realizzazione dello scambiatore di calore 1 a doppio tubo secondo l’invenzione. Più specificamente, la figura 6 mostra una porzione terminale dello scambiatore di calore 1. Lo scambiatore di calore 1 di figura 6 può essenzialmente corrispondere a una qualsiasi delle precedenti forme di realizzazione, dalla prima alla decima, salvo per il fatto che nel primo interstizio anulare 14 è installato un setto 32, o un elemento di incanalamento, che forma un terzo interstizio 33 con il tubo esterno 2. Il terzo interstizio 33, in corrispondenza di una prima estremità 31 del setto 32, è chiuso ed è in comunicazione di fluido solo con la connessione di ingresso 4 del tubo esterno 2. In corrispondenza della seconda estremità 34 del setto 32, il terzo interstizio 33 è invece in comunicazione di fluido con il primo interstizio anulare 14. La seconda estremità 34 del setto 32, che è in comunicazione di fluido con il primo interstizio anulare 14, è collocata presso la connessione 21 della parete di montaggio 35 o nella porzione del primo interstizio anulare 14 che corrisponde all’interstizio anulare 18 addizionale.

La connessione di ingresso 4 non è preferibilmente installata in corrispondenza dell’interstizio anulare 18 addizionale. Di preferenza, il setto 32 è un tubo concentricamente disposto rispetto al tubo esterno 2. Il setto 32 forma preferibilmente un terzo interstizio 33 con geometria anulare.

Con riferimento alla figura 7, è mostrata una dodicesima forma di realizzazione dello scambiatore di calore 1 a doppio tubo secondo l’invenzione. Più specificamente, la figura 7 mostra una sezione trasversale (X-X’) dello scambiatore di calore 1 mostrato in figura 4C. Lo scambiatore di calore 1 di figura 7 può essenzialmente corrispondere a qualsiasi delle precedenti forme di realizzazione, dalla prima alla undicesima, salvo per il fatto che nel secondo interstizio anulare 19 esposto all’aria sono installati uno o più elementi 39 atti a trasferire calore. Questi elementi 39 possono essere a contatto con la parete di montaggio 35, con il tubo interno 3, con le apparecchiature o condotti a monte 100 o a valle 200. Questi elementi 39 sono fabbricati con un materiale idoneo al trasporto di calore in modo efficiente, quindi con una elevata conduttività termica. Questi elementi 39 possono essere costituiti da alette, pioli, barrette o qualsiasi materiale di riempimento.

Con riferimento alle figure 8A-8F, vengono mostrate in sequenza le fasi di un primo metodo di fabbricazione dello scambiatore di calore 1 a doppio tubo secondo l’invenzione. Più specificamente, le figure 8A-8F mostrano le fasi di fabbricazione di uno scambiatore di calore 1 a doppio tubo come quello descritto in figura 4B. Le figure 8A-8F mostrano una porzione terminale dello scambiatore di calore 1. In accordo a questo primo metodo di fabbricazione, lo scambiatore di calore 1 di figura 4B può essere fabbricato attraverso le seguenti fasi:

a) il secondo elemento di montaggio 16 è saldato alla seconda sezione 25 del tubo interno 3, formando una prima parte dello scambiatore di calore 1 (figura 8A);

b) il primo elemento di montaggio 15 è saldato al tubo intermedio 17, formando una seconda parte dello scambiatore di calore 1 (figura 8B);

c) la seconda parte di figura 8B è saldata alla prima parte di figura 8A mediante il secondo elemento di montaggio 16, formando una terza parte dello scambiatore di calore 1 (figura 8C); d) la prima sezione 24 del tubo interno 3 è saldata alla terza parte di figura 8C mediante il secondo elemento di montaggio 16, formando una quarta parte dello scambiatore di calore 1 (figura 8D);

e) la connessione di ingresso 4 del tubo esterno 2 è saldata al tubo esterno 2, formando una quinta parte dello scambiatore di calore 1 (figura 8E); f) la quinta parte di figura 8E è saldata alla quarta parte di figura 8D mediante il primo elemento di montaggio 15, formando una sesta parte (figura 8F) che corrisponde all’intero scambiatore di calore 1 a doppio tubo secondo l’invenzione.

Le fasi di fabbricazione da a) a f) rappresentano quindi un metodo di fabbricazione dello scambiatore di calore 1 a doppio tubo secondo l’invenzione, nella fattispecie lo scambiatore di calore 1 secondo la figura 4B. La sequenza delle fasi di fabbricazione di cui sopra può comunque essere diversa, senza modificare sostanzialmente il metodo di fabbricazione dello scambiatore di calore 1 come da figura 4B. Nel caso in cui la connessione di ingresso 4 del tubo esterno 2 fosse installata sul primo elemento di montaggio 15, o sul primo elemento di montaggio 15 e sul tubo esterno 2, la fase e) potrebbe essere eliminata. La saldatura della connessione di ingresso 4 del tubo esterno 2 potrebbe quindi essere inclusa nella fase b), oppure potrebbe essere eseguita in una fase g) successiva alla fase f).

Con riferimento alle figure 9A-9E, vengono mostrate in sequenza le fasi di un secondo metodo di fabbricazione dello scambiatore di calore 1 a doppio tubo secondo l’invenzione. Più specificatamente, le figure 9A-9E mostrano le fasi di fabbricazione di uno scambiatore di calore 1 a doppio tubo come quello descritto in figura 4C. Le figure 9A-9E mostrano una porzione terminale dello scambiatore di calore 1. In accordo a questo secondo metodo di fabbricazione, lo scambiatore di calore 1 di figura 4C può essere fabbricato attraverso le seguenti fasi:

a) il primo elemento di montaggio 15 è saldato al tubo intermedio 17, formando una prima parte dello scambiatore di calore 1 (figura 9A);

b) la prima parte di figura 9A è saldata alla seconda sezione 25 del tubo interno 3 mediante il secondo elemento di montaggio 16, formando una seconda parte dello scambiatore di calore 1 (figura 9B);

c) la prima sezione 24 del tubo interno 3 è saldata alla seconda parte di figura 9B mediante il secondo elemento di montaggio 16, formando una terza parte dello scambiatore di calore 1 (figura 9C);

d) la connessione di ingresso 4 del tubo esterno 2 è saldata al tubo esterno 2, formando una quarta parte dello scambiatore di calore 1 (figura 9D); e) la quarta parte di figura 9D è saldata alla terza parte di figura 9C mediante il primo elemento di montaggio 15, formando una quinta parte (figura 9E) che corrisponde all’intero scambiatore di calore 1 a doppio tubo secondo l’invenzione.

Le fasi di fabbricazione da a) a e) rappresentano quindi un metodo di fabbricazione dello scambiatore di calore 1 a doppio tubo secondo l’invenzione, nella fattispecie lo scambiatore di calore 1 secondo la figura 4C. La sequenza delle fasi di fabbricazione di cui sopra può comunque essere diversa, senza modificare sostanzialmente il metodo di fabbricazione dello scambiatore di calore 1 come da figura 4C. Nel caso in cui la connessione di ingresso 4 del tubo esterno 2 fosse installata sul primo elemento di montaggio 15, o sul primo elemento di montaggio 15 e sul tubo esterno 2, la fase d) potrebbe essere eliminata. La saldatura della connessione di ingresso 4 del tubo esterno 2 potrebbe quindi essere inclusa nella fase a), oppure potrebbe essere eseguita in una fase f) successiva alla fase e).

In base alle forme di realizzazione dello scambiatore di calore 1 delle figure 2A-2C, 3A-3C, 4A-4C, 5 e 6, il primo fluido F1, che fluisce nel primo interstizio anulare 14, e il secondo fluido F2, che fluisce nel tubo interno 3, scambiano calore per contatto indiretto. I due fluidi F1 e F2 si scambiano la maggior parte del calore attraverso la parete del tubo interno 3 che è a contatto con il primo fluido F1. Una piccola porzione di calore è invece scambiata fra i due fluidi F1 e F2 attraverso un’altra parete del tubo interno 3 che è a contatto con il secondo interstizio anulare 19. Il meccanismo per il maggior trasferimento di calore attraverso la parete del tubo interno 3 a contatto diretto con il primo fluido F1 è predominantemente basato sulla convezione dei fluidi, in quanto i coefficienti convettivi sono normalmente elevati per le alte velocità dei fluidi. Il meccanismo per il rimanente trasferimento di calore attraverso la parete del tubo interno 3 a contatto con il secondo interstizio anulare 19 è invece basato sulla somma della convezione dei fluidi, della conduzione termica delle pareti e dell’irraggiamento attraverso il secondo interstizio anulare 19.

Secondo una configurazione vantaggiosa dello scambiatore di calore 1, il primo fluido F1 è il fluido più freddo e il secondo fluido F2 è quello più caldo. Il primo fluido F1 è quindi il fluido di raffreddamento e riceve calore dal secondo fluido F2. Comunemente, in base alla figura 1, il primo fluido F1 e il secondo fluido F2 si scambiano calore secondo un assetto equi-corrente quando la connessione di ingresso 4 del tubo esterno 2 è più vicina alla connessione di ingresso 6 del tubo interno 3 di quanto lo sia la connessione di uscita 5 del tubo esterno 2 alla connessione di ingresso 6 del tubo interno 3. Al contrario, il primo fluido F1 e il secondo fluido F2 si scambiano calore secondo un assetto contro-corrente.

In base alle forme di realizzazione dello scambiatore di calore 1 delle figure 2A-2C, 3A-3C, 4A-4C e 5, il primo fluido F1 è immesso nello scambiatore di calore 1 attraverso la connessione di ingresso 4 del tubo esterno 2, mentre il secondo fluido F2 è immesso nello scambiatore di calore 1 attraverso la connessione di ingresso 6 del tubo interno 3. Il primo fluido F1 è immesso nel primo interstizio anulare 14 preferibilmente in corrispondenza dell’interstizio anulare 18 addizionale. Quindi, il primo fluido F1 fluisce prima nell’interstizio anulare 18 addizionale e poi nella restante porzione del primo interstizio anulare 14, verso la connessione di uscita 5 del tubo esterno 2. Il secondo fluido F2 fluisce lungo il tubo interno 3 verso la connessione di uscita 7 del tubo interno 3. Il primo fluido F1 e il secondo fluido F2 si scambiano calore con un assetto equicorrente.

Secondo un’altra configurazione, la connessione 4 del tubo esterno 2 mostrata nelle figure 2A-2C, 3A-3C, 4A-4C e 5 corrisponde alla connessione di uscita del primo fluido F1. In tal caso, la direzione del flusso del primo fluido F1 è opposta quella mostrata nelle figure da 2A-2C, 3A-3C, 4A-4C e 5. Il primo fluido F1 è immesso attraverso una connessione di ingresso (non mostrata) del tubo esterno 2, fluisce nel primo interstizio anulare 14 e poi nella porzione del primo interstizio anulare 14 che corrisponde all’interstizio anulare 18 addizionale, verso una connessione di uscita del tubo esterno 2.

Con riferimento alla figura 6, il primo fluido F1 è immesso nello scambiatore di calore 1 in corrispondenza di un setto 32. Tale setto 32 raccoglie il primo fluido F1 dalla connessione di ingresso 4 del tubo esterno 2 e lo convoglia nel terzo interstizio 33 verso la porzione del primo interstizio anulare 14 che corrisponde all’interstizio anulare 18 addizionale. Il primo fluido F1 fuoriesce dal terzo interstizio 33 attraverso la rispettiva estremità aperta 34 e comincia a fluire nella porzione del primo interstizio anulare 14 che corrisponde all’interstizio anulare 18 addizionale. Il primo fluido F1 fluisce quindi nella parte rimanente del primo interstizio anulare 14, verso la connessione di uscita 5 del tubo esterno 2.

Secondo un’altra configurazione, la connessione 4 del tubo esterno 2 mostrata nella figura 6 corrisponde alla connessione di uscita del primo fluido F1. In tal caso, la direzione del flusso del primo fluido F1 è opposta rispetto a quella mostrata nella figura 6. Il primo fluido F1 è immesso attraverso una connessione di ingresso (non mostrata) del tubo esterno 2, fluisce nel primo interstizio anulare 14 e poi nella porzione del primo interstizio anulare 14 che corrisponde all’interstizio anulare 18 addizionale. Il primo fluido F1 entra quindi nel terzo interstizio 33 attraverso la rispettiva estremità aperta 34 e fluisce verso la connessione di uscita 4.

Secondo una configurazione vantaggiosa, il primo fluido F1 è acqua in ebollizione a una pressione di saturazione superiore a 4000 kPa(a), mentre il secondo fluido F2 è un gas di processo caldo scaricato da un reattore chimico. Se il reattore chimico è una fornace di cracking con vapore degli idrocarburi per la produzione di olefine, il fluido di processo è un gas di cracking, e lo scambiatore di calore 1 a doppio tubo è un “quencher” per gas di cracking, preferibilmente installato in configurazione verticale e con la connessione di ingresso 6 del gas di cracking preferibilmente posizionata nella parte terminale inferiore. Il gas di cracking entra nel tubo interno 3, attraverso la connessione di ingresso 6, a una temperatura e a una pressione rispettivamente di circa 800-850°C e 160-210 kPa(a). Il gas entra a una velocità che solitamente è superiore a 90-100 m/s ed è carico di particolato carbonioso e asfaltico. Lungo il tubo interno 3, il gas di cracking scambia calore, con contatto indiretto, con l’acqua in ebollizione e quindi si raffredda. Il raffreddamento è rapido (frazioni di secondo) grazie agli elevati coefficienti di trasferimento di calore sia dal lato acqua, sia dal lato gas. Approssimativamente, tali coefficienti sono dell’ordine di 500 W/m<2>°C per il gas e 20000 W/m<2>°C per l’acqua. Durante il raffreddamento, il gas deposita una significativa quantità di sostanze carboniose e cerose sul tubo interno 3. Tale deposito può portare a una interruzione della produzione e a una conseguente necessità di pulizia chimica o meccanica. L’acqua in ebollizione fluisce nel primo interstizio anulare 14 asportando il calore dalla parete di montaggio 35 e dal tubo interno 3, scambiando quindi calore con il gas di cracking secondo un assetto equi-corrente. La velocità dell’acqua varia solitamente da 1,5 m/s a 3,0 m/s. Il tubo esterno 2 è connesso, tramite tubazioni, a un corpo cilindro remoto (non mostrato nelle figure) e posizionato a una elevazione superiore rispetto al “quencher”. La miscela acquavapore prodotta nel “quencher” si muove verso il corpo cilindrico. La miscela acqua-vapore che lascia il “quencher” è rimpiazzata da acqua proveniente dal corpo cilindrico. La circolazione fra il “quencher” e il corpo cilindrico è naturale ed è azionata dalla differenza di densità tra la miscela salente e l’acqua discendente. Con riferimento alle figure da 2A a 5, l’acqua è immessa nel “quencher” attraverso la connessione di ingresso 4, installata in corrispondenza dell’interstizio anulare 18 addizionale. L’acqua in ebollizione fluisce nell’interstizio anulare 18 addizionale e quindi lungo la rimanente porzione del primo interstizio anulare 14. Con riferimento alla figura 6, l’acqua è immessa nel “quencher” attraverso la connessione di ingresso 4, che non è preferibilmente in corrispondenza dell’interstizio anulare 18 addizionale. In questo ultimo caso, l’acqua è convogliata in basso dal setto 32. In corrispondenza dell’estremità aperta 34 del setto 32, l’acqua fuoriesce dal terzo interstizio 33 ed entra nella porzione del primo interstizio anulare 14 che corrisponde all’interstizio anulare 18 addizionale e quindi fluisce verso l’alto, scambiando calore col gas di cracking, verso la connessione di uscita (non mostrata). Dal momento che l’acqua che fluisce nel primo interstizio anulare 14 è in ebollizione ed è a una temperatura sostanzialmente uguale a quella dell’acqua che fluisce nel terzo interstizio 33, l’acqua che scorre nel terzo interstizio 33 non subisce una ebollizione, o subisce una marginale ebollizione. Di conseguenza, la circolazione naturale dell’acqua non è disturbata dal flusso di acqua nel terzo interstizio 33.

Le figure 2A-2C, 3A-3C, 4A-4C, 5 e 6 rappresentano soluzioni tecnologiche vantaggiose dal punto di vista della fabbricazione dello scambiatore di calore 1, perché consentono una connessione 21, 26 di alta qualità fra la parete di montaggio 35 e il tubo interno 3. Inoltre, le soluzioni tecnologiche come da figure 3B, 3C, 4B e 4C risultano vantaggiose perché la parete di montaggio 35 può essere realizzata in due elementi 15 e 16, anche di materiale diverso. Le soluzioni come da figure 4B e 4C sono inoltre vantaggiose in quanto la porzione del primo interstizio anulare 14 che corrisponde all’interstizio anulare 18 addizionale è facilmente estendibile quanto necessario a regolarizzare e ben sviluppare il flusso del primo fluido F1 lungo l’interstizio anulare 18 addizionale. Il primo fluido F1 può quindi efficacemente fluire, con flusso regolare e longitudinale, attorno alla connessione 21 della parete di montaggio 35 e al tubo interno 3. Le figure 5 e 6 rappresentano ulteriori soluzioni tecnologiche vantaggiose, perché il quarto elemento di montaggio 28 e il setto 32 possono avere una forma tale da imporre al primo fluido F1 di fluire, ad alta velocità e con flusso regolare, sulla connessione 21 della parete di montaggio 35 e sul tubo interno 3.

Secondo un’altra configurazione vantaggiosa dello scambiatore di calore 1, gli elementi per il trasferimento di calore 39, installati nel secondo interstizio anulare 19, sono costituiti da alette, saldate al tubo intermedio 17 oppure al tubo interno 3, che si estendono nella direzione longitudinale del tubo interno 3. Queste alette 39 sono in contatto sia con il tubo intermedio 17, sia con il tubo interno 3. Le alette 39 migliorano il trasferimento di calore fra il primo fluido F1, circolante nel primo interstizio anulare 14, e il secondo fluido F2, circolante nel tubo interno 3.

L’innovativo scambiatore di calore 1 a doppio tubo, in base alle forme di realizzazione vantaggiose di cui sopra, offre i seguenti vantaggi:

- il primo fluido F1 ha essenzialmente una velocità elevata, uniforme e diretta longitudinalmente attorno alla parete di montaggio 35, in particolare in corrispondenza della connessione 21 al tubo interno 3. Nel caso di un “quencher” per gas di cracking in posizione verticale, l’acqua in ebollizione scorre a elevata velocità sulla parete di montaggio 35, specialmente in corrispondenza della connessione 21 al tubo interno 3, muovendosi verso l’alto con un flusso ben sviluppato. Quindi, l’effetto di raffreddamento e di rimozione del vapore è uniforme ed efficiente: non vi sono zone di ristagno o di ricircolo, o zone a bassa velocità, attorno alla parete di montaggio 35 in prossimità della connessione 21. L’ingolfamento del vapore non è possibile. Una simile termo-fluido-dinamica è di grande importanza in quanto la parete di montaggio 35 lavora alle più alte temperature metalliche e ai più altri flussi termici;

- nel caso in cui lo scambiatore di calore 1 a doppio tubo sia un “quencher” per gas di cracking in posizione verticale, i depositi di sali e impurezze dal lato acqua, se presenti, difficilmente possono manifestarsi in corrispondenza della connessione 21 della parete di montaggio 35 con il tubo interno 3. La parete di montaggio 35, in prossimità della connessione 21, non è infatti il punto più basso per l’acqua e ha preferibilmente una pendenza continua. Inoltre, il flusso d’acqua imposto ha una forte azione pulente. Tali depositi possono manifestarsi sul fondo del primo interstizio anulare 14, ovvero sul fondo della porzione del primo interstizio anulare 14 corrispondente all’interstizio anulare 18 addizionale, quindi lontano dalle superfici più calde. Sul fondo del primo interstizio anulare 14 può essere installata una connessione di spurgo (non mostrata nelle figure) al fine di rimuovere definitivamente eventuali depositi. Di conseguenza, il rischio di corrosione e surriscaldamento dal lato acqua è effettivamente ridotto o eliminato;

- la forma a “U” della parte terminale 23 del secondo interstizio anulare 19, rivolta verso tale secondo interstizio anulare 19, contribuisce ad attenuare gli stress termo-meccanici. Tale forma attenua i gradienti termici attraverso lo spessore e introduce un grado di flessibilità in direzione radiale e longitudinale. Quindi, la parete di montaggio 35 riesce efficacemente ad assorbire le dilatazioni termiche differenziali fra il tubo interno 3 e il tubo esterno 2. Inoltre, la parete di montaggio 35 ha di preferenza, sul lato del primo interstizio anulare 14 e in prossimità della connessione 21, un profilo curvilineo che coopera nell’azione di flessibilità e di attenuazione dello stato tensionale delle parti in pressione. Questa capacità di attenuazione è di grande importanza, perché la parete di montaggio 35 costituisce l’elemento più critico dal punto di vista termomeccanico;

- la connessione di ingresso 4 non ha un effetto meccanico, o ha un modesto effetto meccanico, sul tubo interno 3 e sulla connessione 21 della parete di montaggio 35. Ciò semplifica significativamente la progettazione in quanto gli stress termo-meccanici sono quasi indipendenti dalle connessioni;

- l’impatto diretto del primo fluido F1 sul tubo interno 3 e sulla connessione 21 della parete di montaggio 35 è evitato, in quanto la connessione di ingresso 4 del tubo esterno 2 può essere collocata a distanza. Ciò riduce il rischio di erosione e choc termici sulle parti in pressione, che sono critiche dal punto di vista termomeccanico;

- il piccolo trasferimento di calore fra i due fluidi F1 e F2 attraverso il secondo interstizio anulare 19 è utile, in quanto contribuisce ad attenuare i gradienti termici fra la parete di montaggio 35 e il tubo interno 3. Maggiore è tale trasferimento di calore, minori sono gli stress termo-meccanici sulla parete di montaggio 35;

- i metodi di fabbricazione dello scambiatore di calore 1 a doppio tubo, descritti nelle figure 8A-8F e 9A-9E, consentono di ottenere un’alta qualità di fabbricazione per tale scambiatore di calore 1. Quasi tutte le saldature fra i vari componenti sono a piena penetrazione e possono essere radiografate al 100%. Molte saldature sono anche di tipo testa-a-testa. Di conseguenza, sicurezza e affidabilità dello scambiatore di calore 1 sono assicurate.

Si è così visto che lo scambiatore di calore a doppio tubo secondo la presente invenzione realizza gli scopi in precedenza evidenziati.

Lo scambiatore di calore a doppio tubo della presente invenzione così concepito è suscettibile in ogni caso di numerose modifiche e varianti, tutte rientranti nel medesimo concetto inventivo; inoltre tutti i dettagli sono sostituibili da elementi tecnicamente equivalenti. In pratica i materiali utilizzati, nonché le forme e le dimensioni, potranno essere qualsiasi a seconda delle esigenze tecniche.

L’ambito di tutela dell’invenzione è pertanto definito dalle rivendicazioni allegate.

Claims

RIVENDICAZIONI 1. Scambiatore di calore (1) a doppio tubo comprendente un tubo esterno (2) e un tubo interno (3) concentricamente disposti in modo da formare un primo interstizio anulare (14) fra detto tubo esterno (2) e detto tubo interno (3), in cui detto tubo esterno (2) è provvisto di almeno una connessione di ingresso (4) e di almeno una connessione di uscita (5) per immettere ed estrarre, rispettivamente, un primo fluido (F1) fluente nel primo interstizio anulare (14), in cui detto tubo interno (3) è provvisto di almeno una connessione di ingresso (6) e di almeno una connessione di uscita (7) per immettere ed estrarre, rispettivamente, un secondo fluido (F2) fluente in detto tubo interno (3) per uno scambio indiretto di calore con il primo fluido (F1), in cui detta connessione di ingresso (6) e detta connessione di uscita (7) del tubo interno (3) sono congiunte ad apparecchiature o condotti posti sul lato a monte (100) e/o sul lato a valle (200) dello scambiatore di calore (1), e in cui una parete di montaggio (35) connette una prima estremità (8) di detto tubo esterno (2) a detto tubo interno (3), in modo tale da chiudere il primo interstizio anulare (14) in corrispondenza della prima estremità (8) di detto tubo esterno (2), detto scambiatore di calore (1) essendo caratterizzato dal fatto che un secondo interstizio anulare (19) è formato fra detto tubo interno (3), o dette apparecchiature o condotti, o detto tubo interno (3) e dette apparecchiature o condotti, e detta parete di montaggio (35), in cui detto secondo interstizio anulare (19) è esposto all’aria e non è in comunicazione di fluido né con il primo interstizio anulare (14), né con detto tubo interno (3), e in cui detto secondo interstizio anulare (19) è almeno parzialmente circondato dal primo interstizio anulare (14).
2. Scambiatore di calore (1) a doppio tubo secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che detta parete di montaggio (35) è costituita da un primo elemento di montaggio (15) e da un secondo elemento di montaggio (16), reciprocamente congiunti mediante una connessione intermedia (37), in cui il primo elemento di montaggio (15) è connesso alla prima estremità (8) di detto tubo esterno (2), e in cui il secondo elemento di montaggio (16) è connesso a detto tubo interno (3).
3. Scambiatore di calore (1) a doppio tubo secondo la rivendicazione 2, caratterizzato dal fatto che detta parete di montaggio (35) è costituita da un ulteriore terzo elemento di montaggio (17), in cui detto terzo elemento di montaggio (17) è installato in corrispondenza di detta connessione intermedia (37) fra il primo elemento di montaggio (15) e il secondo elemento di montaggio (16), in modo tale che una prima estremità (22) del terzo elemento di montaggio (17) sia connessa al primo elemento di montaggio (15) e la seconda estremità (20) del terzo elemento di montaggio (17) sia connessa al secondo elemento di montaggio (16).
4. Scambiatore di calore (1) a doppio tubo secondo la rivendicazione 3, caratterizzato dal fatto che detto terzo elemento di montaggio (17) è un tubo concentricamente disposto rispetto a detto tubo interno (3) e a detto tubo esterno (2).
5. Scambiatore di calore (1) a doppio tubo secondo la rivendicazione 2 o 3, caratterizzato dal fatto che detto tubo interno (3) è costituito da una prima sezione (24) e da una seconda sezione (25), in cui detta seconda sezione (25) è formata di pezzo con il secondo elemento di montaggio (16), e in cui detta prima sezione (24) è connessa, in corrispondenza di una sua estremità (21), a detta seconda sezione (25).
6. Scambiatore di calore (1) a doppio tubo secondo la rivendicazione 2 o 3, caratterizzato dal fatto che detto tubo interno (3) è costituito da una prima sezione (24), una seconda sezione (25) e una terza sezione (36), in cui detta terza sezione (36) è installata fra la prima sezione (24) e la seconda sezione (25), in cui detta terza sezione (36) è formata di pezzo con detto secondo elemento di montaggio (16), in cui detta prima sezione (24) è connessa, in corrispondenza di una sua estremità (21), alla terza sezione (36), e in cui detta seconda sezione (25) è connessa, in corrispondenza di una sua estremità (26), alla terza sezione (36).
7. Scambiatore di calore (1) a doppio tubo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 1 a 6, caratterizzato dal fatto che detta connessione di ingresso (4) o detta connessione di uscita (5) del tubo esterno (2) sono installate in corrispondenza del secondo interstizio anulare (19).
8. Scambiatore di calore (1) a doppio tubo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 1 a 6, caratterizzato dal fatto che un elemento convogliatore (32) è installato nel primo interstizio anulare (14), in cui detto elemento convogliatore (32) forma un terzo interstizio (33) con detto tubo esterno (2), in cui detto elemento convogliatore (32), in corrispondenza di una sua prima estremità (31), è in comunicazione di fluido con detta connessione di ingresso (4) o detta connessione di uscita (5) del tubo esterno (2), e in cui detto elemento convogliatore (32), in corrispondenza di una sua seconda estremità (34), è in comunicazione di fluido con il primo interstizio anulare (14).
9. Scambiatore di calore (1) a doppio tubo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 1 a 8, caratterizzato dal fatto che detto tubo interno (3) ha almeno due diametri interni (D1, D2) tra loro differenti.
10. Scambiatore di calore (1) a doppio tubo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 1 a 9, caratterizzato dal fatto che detto tubo esterno (2) è costituito da una prima sezione (26), da una seconda sezione (27) e da un quarto elemento di montaggio (28), in cui detto quarto elemento di montaggio (28) è installato fra la prima sezione (26) e la seconda sezione (27) in modo tale che detto quarto elemento di montaggio (28), in corrispondenza di una sua prima estremità (29), sia connesso a una estremità della prima sezione (26) e, in corrispondenza dell’altra sua estremità (30), sia connesso a una estremità della seconda sezione (27), e in cui il diametro interno della prima sezione (26) è differente rispetto al diametro interno della seconda sezione (27).
11. Scambiatore di calore (1) a doppio tubo secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che detta parete di montaggio (35) è costituita da un pezzo metallico ottenuto da forgiatura o da getto fuso.
12. Scambiatore di calore (1) a doppio tubo secondo la rivendicazione 2 o 3, caratterizzato dal fatto che detto primo elemento di montaggio (15) e detto secondo elemento di montaggio (16) sono rispettivamente costituiti da pezzi metallici ottenuti da forgiatura o da getto fuso.
13. Scambiatore di calore (1) a doppio tubo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 1 a 12, caratterizzato dal fatto che la parte terminale (23) del secondo interstizio anulare (19), delimitata dalla parete di montaggio (35), è provvista di una forma convessa o a “U” rivolta verso il secondo interstizio anulare (19).
14. Scambiatore di calore (1) a doppio tubo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 1 a 13, caratterizzato dal fatto che la parete di montaggio (35), sul lato del primo interstizio anulare (14) e in prossimità della connessione con il tubo interno (3), è provvista di un profilo curvilineo e con una continua pendenza.
15. Scambiatore di calore (1) a doppio tubo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 1 a 14, caratterizzato dal fatto che nel secondo interstizio anulare (19) sono installati uno o più elementi (39) atti al trasferimento di calore, posti in contatto con detta parete di montaggio (35), o con detto tubo interno (3), o con dette apparecchiature o condotti, o con una qualsiasi combinazione di detta parete di montaggio (35), detto tubo interno (3) e dette apparecchiature o condotti.
16. Scambiatore di calore (1) a doppio tubo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 1 a 15, caratterizzato dal fatto che il primo fluido (F1) è acqua di raffreddamento in ebollizione, il secondo fluido (F2) è un gas di processo caldo, e lo scambiatore di calore (1) è uno scambiatore per il raffreddamento rapido (“quencher”) installato in una fornace di cracking con vapore degli idrocarburi per la produzione di olefine.
17. Metodo di fabbricazione di uno scambiatore di calore (1) a doppio tubo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 2, 3 o 6, caratterizzato dal fatto di comprendere, non necessariamente in sequenza, le seguenti fasi: a) saldare il secondo elemento di montaggio (16) alla seconda sezione (25) di detto tubo interno (3), formando una prima parte dello scambiatore di calore (1); b) saldare il terzo elemento di montaggio (17), se presente, al primo elemento di montaggio (15), formando una seconda parte dello scambiatore di calore (1); c) saldare la seconda parte dello scambiatore di calore (1) alla prima parte dello scambiatore di calore (1) mediante il secondo elemento di montaggio (16), formando una terza parte dello scambiatore di calore (1); d) saldare la prima sezione (24) di detto tubo interno (3) alla terza parte dello scambiatore di calore (1) mediante il secondo elemento di montaggio (16), formando una quarta parte dello scambiatore di calore (1); e) saldare al tubo esterno (2) la connessione di ingresso (4) o la connessione di uscita (5) di detto tubo esterno (2), formando una quinta parte dello scambiatore di calore (1); e f) saldare la quinta parte dello scambiatore di calore (1) alla quarta parte dello scambiatore di calore (1) mediante il primo elemento di montaggio (15), formando l’intero scambiatore di calore (1).
18. Metodo secondo la rivendicazione 17, caratterizzato dal fatto che detta connessione di ingresso (4) o detta connessione di uscita (5) di detto tubo esterno (2) non sono saldate alla quinta parte dello scambiatore di calore (1), ma sono saldate alla sesta parte dello scambiatore di calore (1).
19. Metodo di fabbricazione di uno scambiatore di calore (1) a doppio tubo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 2, 3 o 5, caratterizzato dal fatto di comprendere, non necessariamente in sequenza, le seguenti fasi: a) saldare il terzo elemento di montaggio (17), se presente, al primo elemento di montaggio (15), formando una prima parte dello scambiatore di calore (1); b) saldare la prima parte dello scambiatore di calore (1) alla seconda sezione (25) di detto tubo interno (3) mediante il secondo elemento di montaggio (16), formando una seconda parte dello scambiatore di calore (1); c) saldare la prima sezione (24) di detto tubo interno (3) alla seconda parte dello scambiatore di calore (1) mediante il secondo elemento di montaggio (16), formando una terza parte dello scambiatore di calore (1); d) saldare a detto tubo esterno (2) la connessione di ingresso (4) o la connessione di uscita (5) di detto tubo esterno (2), formando una quarta parte dello scambiatore di calore (1); e e) saldare la quarta parte dello scambiatore di calore (1) alla terza parte dello scambiatore di calore (1) mediante il primo elemento di montaggio (15), formando l’intero scambiatore di calore (1).
20. Metodo di fabbricazione secondo la rivendicazione 19, caratterizzato dal fatto che detta connessione di ingresso (4) o detta connessione di uscita (5) di detto tubo esterno (2) non sono saldate alla quarta parte dello scambiatore di calore (1), ma sono saldate alla quinta parte dello scambiatore di calore (1).