IT9047720A1 - Apparato per processi termici ad alta temperatura, con sorgente di calore ad incandescenza a superfici radianti e serpentini per il fluido di processo. - Google Patents

Description

La presente invenzione ha per oggetto un apparato per processi termici, particolarmente del tipo usato per processi ad alta temperatura nel settore petrolifero e petrolchimico.

La maggior parte dei processi termici ad alta temperatura realizzati industrialmente è basata sulla trasmissione di calore per irraggiamento da una fiamma libera sospesa ad un accumulatore di calore costituito da un serpentino ove fluisce il fluido di processo che assorbe calore dalla fiamma.

Il grande svantaggio delle fiamme libere come sorgenti di calore radiante è costituito dalla difficoltà di controllare le caratteristiche geometriche e termiche delle fiamme stesse, specialmente in condizioni operative variabili.

Le caratteristiche geometriche e termiche delle fiamme possono essere variate solo entro limiti molto ristretti; di conseguenza, si verificano notevoli disuniformità di flusso termico lungo lo sviluppo del serpentino, e lungo la circonferenza del tubo del serpentino stesso, in funzione della possibilità di posizionamento del serpentino rispetto alla fiamma. In generale, si verificano nei forni di processo industriale disuniformità di flusso termico dell'ordine di grandezza di 3 - 4 (massimo-medio).

L'introduzione di bruciatori a superficie radiante ha costituito una importante innovazione nella trasmissione di calore ad alta temperatura per irraggiamento, in quanto il processo di combustione non avviene nella fiamma libera sospesa, ma sulla superficie incandescente del bruciatore stesso.

In questi bruciatori, infatti, una miscela di aria e combustibile gassoso attraversa lo strato poroso della superficie del bruciatore, e viene accesa sulla sua superficie, la quale si comporta quindi come una superficie incandescente a temperatura costante e geometria uniforme.

E' inoltre possibile variare la geometria della superficie radiante, in modo da rendere uniforme il flusso termico realizzando una elevata efficienza nello scambio di calore per irraggiamento.

I bruciatori a superficie radiante, che presentano inoltre altri vantaggi quali: ridotte emissioni di ossidi di azoto ( inferiori a 20 ppm) di ossido di carbonio e di incombusti { inferiori rispettivamente a 15 ppm e 5 ppm), bassa rumorosità, rapida risposta a variazioni di carico, buona operabilità e bassa perdita di carico, sono però soggetti al vincolo che le superfici radianti non possono essere affacciate, ossia non possono vedersi l'una con l'altra. Se ciò si verificasse, si avrebbero, sulle zone del bruciatore che si affacciano, degli incrementi della temperatura della superficie del bruciatore che potrebbero compromettere la sua integrità fisica, e che comunque darebbero luogo a delle disuniformità nella distribuzione del flusso termico emesso dalla superficie dei bruciatori stessi.

Secondo l'invenzione, si prevede un apparato per processi termici del genere citato, provvisto di serpentini con tubi dotati di due alette longitudinali diametralmente opposte, con il duplice scopo di costituire uno schermo tra le superfici dei bruciatori, e di incrementare il flusso termico nelle zone del tubo meno soggette all'irraggiamento termico, in modo da realizzare un flusso termico radiale più uniforme .

Vantaggi e caratteristiche dell'invenzione risulteranno evidenti dalla descrizione che segue, facendo riferimento ai disegni allegati, che rappresentano a titolo di esempio non limitativo una preferita forma di esecuzione dell'invenzione stessa.

Nei disegni:

la fig.1 rappresenta una vista schematica della apparecchiatura secondo l'invenzione;

le figg. 2 e 2A rappresentano un forno convenzionale per la produzione di ketene mediante pirolisi di acido acetico, visto rispettivamente in sezione trasversale e longitudinale;

le figg. 3 e 3A rappresentano lo stesso forno realizzato secondo il trovato oggetto della presente invenzione;

la fig. 4 mostra un forno convenzionale di preriscaldamento e vaporizzazione di un fluido, visto in sezione.

Con riferimento alla figura 1, l'apparecchiatura secondo l'invenzione comprende i bruciatori a superficie radiante costituiti dalle camere 1 contenenti la miscela di aria e combustibile, ciascuna delle quali reca il passaggio di ingresso 2 della miscela aria/gas che si incendia all'esterno della superficie porosa 3 irraggiando calore. Tra i due bruciatori a superficie è situato il serpentino costituito dai tubi 4, entro i quali scorre il fluido di processo, dotati di alette longitudinali 5, fissate sui tubi.

I tubi con le alette hanno il duplice compito di effettuare una azione di schermo tra le superfici 3 dei due bruciatori evitando che si possa avere un irraggiamento di calore tra di essi, ed una azione di promozione dello scambio di calore tra la superficie radiante dei bruciatori nelle zone di tubo meno soggette all'irraggiamento termico. Infatti il calore trasmesso alle alette 5 per irraggiamento viene convogliato, per conduzione attraverso il metallo delle alette, al serpentino. La quantità di calore assorbito dalle alette per irraggiamento dipende dalla larghezza delle alette stesse, mentre la quantità di calore trasferito al tubo dipende dallo spessore delle alette e dalla conducibilità termica del metallo delle alette. E’ cosi possibile, dimensionando in modo appropriato le alette, avere un flusso di calore uniforme lungo tutta la circonferenza del tubo che costituisce il serpentino.

Ciò non si verifica negli apparati di scambio termico ad alta temperatura attualmente impiegati in processi industriali, e costituisce il notevole vantaggio di poter trasferire, a parità di superficie di scambio di calore del serpentino, quantità di calore più elevate, e/o, a parità di massima temperatura di metallo ammissible del serpentino stesso, la stessa quantità di calore con un serpentino di superficie inferiore.

Infatti, nei forni attualmente impiegati in processi industriali, il flusso totale di calore trasferito è quello medio tra il flusso massimo delle zone del tubo più soggette all'irraggiamento, e quello minimo delle zone meno soggette all'irraggiamento. In questi forni, il rapporto tra il flusso massimo e quello medio, nelle migliori condizioni di geometria attualmente impiegate, è di circa 1:1,2.

Il trasferimento di calore è limitato dal fatto che la temperatura del fluido di processo, in contatto con la parete del tubo del serpentino, risulta tanto più elevata rispetto alla temperatura della massa del fluido, quanto più è elevato il flusso di calore. Di conseguenza, il flusso massimo di.calore non può eccedere quello per il quale si avrebbero delle temperature di parete del fluido superiori a quella di stabilità del fluido di processo, al di sopra della quale inizierebbero reazioni di decomposizione , con possibile sporcamente del serpentino, generalmente per deposizione di coke, e diminuzione delle rese di reazione.

Con un flusso di calore uniforme lungo la circonferenza del tubo è possibile operare con un flusso di calore uguale al massimo ammissibile su tutta la circonferenza del tubo del serpentino, incrementando così il trasferimento di calore dalla sorgente radiante al serpentino stesso.

A migliore comprensione, nelle figure 2 e 2A è rappresentato un forno convenzionale di reazione per la produzione di ketene mediante pirolisi di acido acetico secondo l'attuale tecnologia. Il fluido di processo viene fatto fluire nei serpentini 6 situati nella camera radiante 7, e costituiti da tubi orizzontali appoggiati sul supporto 10. Il fluido di processo entra in corrispondenza dell'arrivo 8 ed esce dai raccordi di uscita 9.

Sui due lati della camera radiante 7 sono situati i bruciatori il. I gas combusti escono dal passaggio di uscita 12.

Nelle figure 3 e 3A è rappresentato lo stesso forno realizzato con bruciatori a superficie radiante, e con serpentini dotati di alette longitudinali secondo la presente invenzione.

Il fluido entra nei serpentini 6 dotati di alette 13 dagli ingressi 14 ed esce dai serpentini dalle uscite 15. I serpentini 6 sono sospesi nella camera radiante 7 tramite i supporti 16. I bruciatori 17 sono situati tra i serpentini, in modo che ciascun serpentino si trovi tra due superfici radianti.

I gas combusti lasciano la camera radiante 7 dalla uscita 18. Si ottiene così uno scambio di calore tra la superficie incandescente dei bruciatori 17 e la superficie dei serpentini con le alette longitudinali 13 che formano un piano parallelo a quello delle superfici dei bruciatori 17. La presenza delle alette longitudinali 13 permette di avvicinare al massimo la superficie dei bruciatori a quella dei serpentini, non essendo possibile che la fiamma dei bruciatori possa venire in contatto con i serpentini, come si verificherebbe in un forno convenzionale ove si avvicinassero troppo i bruciatori ai serpentini, perchè si avrebbero in questi ultimi dei surriscaldamenti locali che ne comprometterebbero la loro integrità fisica.

La possibilità di avvicinare al massimo i bruciatori ai serpentini permette di ridurre notevolmente il volume della camera radiante. A questo proposito, si noti che l'ingombro trasversale e longitudinale del forno convenzionale delle figure 2 e 2A risulta quasi triplo di quello del forno secondo la invenzione, illustrato schematicamente nelle figure 3 e 3A.

L'invenzione permette inoltre di realizzare un efficiente trasferimento di calore tra la superficie incandescente dei bruciatori e quella dei serpentini alettati, con conseguente riduzione della quantità di combustibile bruciato. Le ridotte misure della camera radiante permettono inoltre di ridurre le perdite di calore all'esterno, contribuendo così ad incrementare ulteriormente l'efficenza dell'apparato. Nell'esempio illustrato, tra ogni coppia di serpentini sono situati due bruciatori verticali: uno in corrispondenza alla prima metà del serpentino, e l'altro per la seconda metà.

Con questa disposizione è possibile operare con due diversi flussi di calore nella prima parte e nella seconda parte del serpentino, a seconda delle necessità del processo. Se necessario, sarebbe possibile installare, tra ogni coppia di serpentini, tre o più bruciatori con la possibilità di regolare il flusso di calore in tre o più diverse zone del serpentino stesso.

Ciò può essere ottenuto facilmente in quanto i gas combusti emessi da ogni bruciatore si muovono verso l'uscita, situata in alto, senza interferire con i gas combusti, a temperature diverse, degli altri bruciatori. Questa caratteristica, al contrario, e difficilmente realizzabile negli apparati attualmente impiegati, essendovi una interferenza tra i gas combusti emessi dai bruciatori situati in basso nella camera radiante e quelli situati in alto. Pertanto, l'apparecchiatura secondo l'invenzione permette di regolare il gradiente di temperatura del fluido nel suo attraversamento dei serpentini.

Questi vantaggi sono ancora più marcati nei forni di preriscaldamento e vaporizzazione di fluidi.

Nella figura 4 è rappresentato un forno di questo tipo, per il preriscaldamento e la vaporizzazione parziale di grezzo petrolifero che va in carica ad una unità di distillazione atmosferica.

Con riferimento alla figura 4, il grezzo entra dagli ingressi 20 ai serpentini 21 ed esce dalle uscite 22 preriscaldato e parzialmente vaporizzato. I serpentini 21 sono disposti sulle pareti della camera radiante 23 ed i bruciatori 24 sono situati sulla suola della camera radiante, mentre i gas combusti lasciano la camera radiante dall'uscita 25.

E' evidente che i serpentini ricevono il calore per irraggiamento dalle fiamme dei bruciatori 24 da un solo lato, e si hanno disuniformità più marcate del flusso termico lungo la circonferenza dei tubi che costituiscono i serpentini.

Si hanno inoltre delle disuniformità addizionali lungo i serpentini in senso verticale al variare dell'altezza dei tubi rispetto all'altezza del centro delle fiamme dei bruciatori, A titolo di esempio nella tabella 1 che segue, sono riportate le caratteristiche principali di un forno convenzionale, e di uno equivalente realizzato secondo l'invenzione.

TABELLA 1

FORNO FORNO CON BRUCIATORE CONVENZIONALE A SUPERFICIE RADIANTE

Calore assorbito, kCal/hr 49168000 49168000

Tipo bruciatori a tiraggio naturale a superficie radiante Numero bruciatori 36 35 Combustibile bruciato, kCal/hr 83103000 52680000 Flusso termico medio,kCal/hr 30100 42140

2

Superficie dei serpentini, m 1652 1169

Tipo di serpentini orizzontale verticale

5

Volume camera radiante, m 1813 616

2

Sup. della camera radiante,m 967 442 Emissione ΝΟχ , Kg/hr 13,7 2,3

Dall’esame della tabella che precede, risultano evidenti i vantaggi che si conseguono con 1 'insegnamento tecnico del trovato, sopratutto per quanto riguarda il consumo di combustibile, l'ingombro dell'impianto, il flusso termico medio e la diminuzione della emissione di ossidi d'azoto.

La presente invenzione è stata illustrata e descritta con riferimento ad una sua preferita forma di esecuzione, ma si intende che varianti costruttive potranno esservi in pratica apportate da un esperto del ramo, variando ad esempio la posizione delle alette in modo da formare uno schermo unendo tubi di serpentini diversi, ed utilizzando bruciatori a superficie radiante orizzontale anziché verticale, e/o bruciatori con superficie non piana, senza peraltro uscire dall'ambito di protezione della presente privativa industriale.

Claims (8)

1. RIVENDICAZIONI 1. Apparato per processi termici ad alta temperatura, caratterizzato dal fatto di comprendere, in combinazione, almeno una coppia di superfici radianti fornite di sorgenti di calore ad incandescenza, ed uno o più serpentini interposti tra le dette superfici radianti, costituiti da un tubo recante una coppia di alette longitudinali continue, disposte in posizioni diametralmente opposte, e parallele alle dette superfici radianti.
2. 2. Apparato secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che i tubi che formano i serpentini sono disposti verticalmente, e le dette alette sono fissate al tubo in posizione tale da costituire uno schermo sostanzialmente integrale tra le dette superfici di irraggiamento.
3. 3. Apparato secondo le rivendicazioni 1 e 2, caratterizzato dal fatto che il materiale conduttore delle alette, la loro larghezza, e lo spessore sono tali da ottenere, oltre all'effetto di schermaggio, una distribuzione uniforme del calore per tutta la circonferenza del tubo, anche nelle zone meno soggette all'irraggiamento termico.
4. 4. Apparato secondo le rivendicazioni da 1 a 3, caratterizzato dal fatto che le superfici radianti sono disposte secondo una schiera di elementi paralleli sistemati verticalmente, ed interposti tra una corrispondente serie di serpentini muniti di alette longitudinali, in modo che ciascuna coppia di superfici radianti sia schermata dalle alette del serpentino interposto.
5. 5- Apparato secondo le rivendicazioni da 1 a 4, caratterizzato dal fatto che la pluralità di serpentini riceve il fluido in arrivo da un unico collettore di alimentazione, ed il fluido in uscita dalla zona di scambio termico dei detti serpentini è convogliato in un unico collettore di uscita.
6. 6. Apparato secondo le rivendicazioni da 1 a 5, caratterizzato dal fatto che le superfici radianti dei bruciatori sono posizionate rispetto ai serpentini in modo da poter variare, senza che si verifichino interferenze tra gli stessi bruciatori, i flussi termici nelle varie zone di ciascun serpentino, in funzione delle caratteristiche del processo di scambio termico.
7. 7. Apparato secondo le rivendicazioni da 1 a 6, caratterizzato dal fatto che le superfici di irraggiamento hanno una forma diversa dalla forma piana, ed i tubi che costituiscono i serpentini hanno un orientamento diverso dal verticale.
8. 8 Apparato per processi termici ad alta temperatura, munito di serpentini per il fluido di processo e sorgenti di calore ad irraggiamento, secondo le rivendicazioni da 1 a 7, sostanzialmente come descritto ed illustrato nei disegni allegati.