ITMI20081302A1 - Apparecchiatura a fascio tubiero per processare fluidi corrosivi - Google Patents

Description

APPARECCHIATURA A FASCIO TUBIERO PER PROCESSARE FLUIDI CORROSIVI

DESCRIZIONE

La presente invenzione si riferisce ad una apparecchiatura a fascio tubiero per processare fluidi corrosivi e ad una metodologia per la sua realizzazione.

Più in particolare, la presente invenzione si riferisce ad una apparecchiatura a fascio tubiero del tipo a rivestimento, adatta a processare fluidi corrosivi a pressioni e temperature medie o elevate, fino a 100 MPa e 400 °C rispettivamente, specialmente in impianti industriali per la produzione di urea.

La tecnica costruttiva delle apparecchiature industriali ad alta pressione comprendenti una sezione o una zona predisposta allo scambio termico tra fluidi, quali reattori, evaporatori, condensatori, decompositori e via dicendo, prevede normalmente l'assemblaggio di un corpo di forza compatto capace di sopportare le pressioni di esercizio garantendo la massima sicurezza e durata nel tempo, dotato dei necessari passaggi per la comunicazione e l'ispezione dall'esterno e l'ingresso e l'uscita dei fluidi di processo. Il materiale di gran lunga più utilizzato per la realizzazione del corpo di forza à ̈ l'acciaio al carbonio, data la sua eccellente combinazione di notevoli proprietà meccaniche, il suo costo relativamente basso e la disponibilità commerciale. Allo scopo di massimizzare la superficie di scambio, all'interno del corpo di forza viene usualmente realizzato un fascio tubiero costituito da un insieme di tubi anche molto numeroso, le cui estremità sono inserite a tenuta su una piastra o un tamburo forati (denominata per questo piastra tubiera), affacciati su una camera di raccolta o distribuzione del fluido. Lo scambio termico avviene attraverso la parete dei tubi, tra un primo fluido in essi circolante ed un secondo fluido circolante in una camera esterna al fascio tubiero. La piastra tubiera, insieme con le pareti dei tubi, deve sopportare l'elevato differenziale di pressione normalmente esistente tra i due fluidi, uno dei quali à ̈ solitamente vapore saturo a pressioni tra 0,5 e 4 MPa.

Nei processi che generano fluidi altamente aggressivi, almeno una delle due superfici di ciascun tubo e della piastra tubiera e almeno una parte della superficie interna del corpo di forza, segnatamente quella della camera di raccolta e/o distribuzione, sono esposte al contatto diretto con un fluido di processo con caratteristiche di elevata aggressività. Alcune note metodologie e apparecchiature generalmente utilizzate per la realizzazione dello scambio termico in questi casi sono riportate, ad esempio, nella pubblicazione tecnica “Perry's Chemical Engineering Handbook†, McGraw-Hill Book Co., 6<th>Ed. (1984), pag.

11-18.

Il problema della corrosione à ̈ stato affrontato con diverse soluzioni negli impianti industriali esistenti, e altre ne sono state proposte in letteratura. Esistono infatti numerosi metalli e leghe capaci di resistere per periodi sufficientemente lunghi alle condizioni estremamente aggressive che si realizzano all'interno di un reattore di sintesi dell'urea o di altre apparecchiature in processi coinvolgenti fluidi ad altissima corrosività, come ad esempio nella sintesi dell'acido nitrico. Tra questi si possono menzionare piombo, titanio, zirconio, niobio e parecchi acciai inossidabili ad elevate prestazioni, quali, ad esempio, acciaio AISI 316L (grado urea), acciaio INOX 25/22/2 Cr/Ni/Mo, acciai speciali austenoferritici, acciai austenitici a basso contenuto di ferrite, ecc.. Tuttavia, una apparecchiatura del tipo suddetto non sarebbe economicamente conveniente se interamente costruita con tali leghe o metalli resistenti alla corrosione, sia per la rilevante quantità di materiali ad alto costo che sarebbe necessaria allo scopo, sia per problemi strutturali e costruttivi dovuti alla necessità di utilizzare speciali metodi di saldatura e giunzione e, in certi casi, alla mancanza, in certi materiali metallici, delle eccellenti qualità meccaniche dell'acciaio al carbonio. Usualmente si ricorre alla realizzazione di recipienti o colonne in normale acciaio al carbonio, eventualmente multistrato, avente uno spessore variabile da 20 a 600 mm, in dipendenza della geometria e della pressione da sopportare (corpo di forza), la cui superficie a contatto con i fluidi corrosivi o erosivi à ̈ uniformemente coperta con un rivestimento (lining) costituito da un materiale metallico resistente alla corrosione, avente uno spessore normalmente compreso tra 2 a 30 mm .

Ad esempio, i processi per la produzione di urea normalmente utilizzati nell'industria comprendono almeno una sezione che opera ad elevate temperature e pressioni (ciclo o "loop" di sintesi), alle quali i fluidi di processo, cioà ̈ acqua, anidride carbonica, ammoniaca e specialmente le soluzioni saline contenenti carbammato di ammonio e/o urea, diventano particolarmente aggressivi. E' noto che il normale acciaio al carbonio non à ̈ in grado di resistere alla corrosione di tali fluidi ad alta temperatura, e subisce, in contatto con essi, un progressivo e rapido deterioramento che ne indebolisce la struttura fino a causare perdite verso l'esterno, o addirittura collassi strutturali con conseguenti esplosioni.

In particolare, nei processi di produzione dell'urea attualmente in uso, il carbammato di ammonio (di seguito abbreviato con il termine “carbammato†, come d'uso nel settore specifico) non trasformato in urea viene decomposto nuovamente in ammoniaca e anidride carbonica nel cosiddetto "stripper" ad alta pressione, operante sostanzialmente alla stessa pressione del reattore e ad una temperature di poco più elevata, il quale à ̈ costituito da uno scambiatore a fascio tubiero posizionato verticalmente, in cui la soluzione di urea uscente dal reattore e contenente carbammato non reagito e ammoniaca in eccesso, viene fatta scorrere in strato sottile lungo la parete interna dei tubi, mentre vapore saturo a media pressione (1-3 MPa) viene fatto circolare e condensare, alle corrispondenti temperature di equilibrio, nella camera esterna al fascio tubiero, per fornire l'energia necessaria al flash dell'ammoniaca in eccesso e alla decomposizione del carbammato. Il corpo di forza dello “stripper†à ̈ realizzato in normale acciaio al carbonio, mentre i tubi del fascio tubiero sono generalmente realizzati in un materiale resistente alla corrosione.

I gas uscenti dallo "stripper" vengono usualmente ricondensati in un condensatore del carbammato, anch'esso essenzialmente costituito da uno scambiatore a fascio tubiero, il quale viene pertanto a trovarsi a contatto con una miscela simile a quella del decompositore (con eccezione dell'urea) e quindi assai corrosiva. Anche in questo caso il rivestimento interno e il fascio tubiero sono realizzati con i suddetti particolari materiali inossidabili.

Processi di produzione dell'urea che utilizzano la suddetta metodologia di separazione e ricondensazione del carbammato ad alta pressione sono descritti, ad esempio, nei brevetti US 3.984.469, US 4.314.077, US 4.137.262, EP 504.966, tutti assegnati alla Richiedente. Un'ampia panoramica dei processi maggiormente utilizzati per la produzione dell'urea à ̈ inoltre riportata in "Encyclopedia of Chemical Technology", 4<a>Edizione (1998), Suppl.Vol., pagg. 597-621, John Wiley & Sons Pub., al cui contenuto si rimanda per ulteriori dettagli.

Nel caso particolare di uno scambiatore termico a fascio tubiero, quale ad esempio lo “stripper†o il condensatore del carbammato compresi nel ciclo (loop) di sintesi dell'urea, la soluzione ai problemi di corrosione si presenta assai complessa a causa della particolare geometria delle apparecchiature che non permette una distribuzione controllata e riproducibile delle temperature e delle composizioni dei fluidi, specialmente nel caso in cui lo scambio termico sia concomitante con le reazioni chimiche e le turbolenze che insorgono nelle zone di decomposizione del carbammato. Anche in questi casi si à ̈ tentato di prevenire la corrosione con degli opportuni rivestimenti della superficie della piastra tubiera e delle altre superfici in contatto coi fluidi corrosivi, con relativo successo, ma ancora non completamente soddisfacente.

È altresì noto che la resistenza alla corrosione degli acciai inossidabili a contatto con soluzioni saline, acide o alcaline, quali quelle di carbammato in acqua, viene notevolmente aumentata se detti fluidi contengono una piccola quantità di ossigeno, introdotto come aria o altro composto in grado di generare ossigeno, quale ozono o un perossido. Tale tecnologia à ̈ stata largamente utilizzata, ed à ̈ descritta, ad esempio, nel brevetto US 2.727.069 (Stamicarbon) e US 4.758.311 (alla Richiedente). Tuttavia, benchà ̈ costituisca un notevole miglioramento, questa soluzione tecnica presenta ancora alcuni inconvenienti, sia per il maggior controllo necessario ad evitare la formazione di zone con una concentrazione di ossigeno vicina ai limiti di esplosività, sia perché la distribuzione dell'ossigeno non à ̈ uniforme, specialmente in presenza di sistemi bifasici gas/liquido quali quelli presenti in tutto il ciclo di sintesi dell'urea, e non garantisce pertanto una soddisfacente protezione dalla corrosione in qualsiasi punto della superficie esposta.

Leghe e metalli diversi da acciaio inossidabile sono già stati proposti in precedenza come materiali per la fabbricazione di reattori e scambiatori utilizzati per la sintesi dell'urea. Così, ad esempio, UK 1.046.271 (Allied Chemical Corp.) riporta un processo per la sintesi diretta dell'urea a 205 °C e 27 MPa in cui il reattore à ̈ completamente in zirconio. È tuttavia evidente che un tale reattore presenta difficoltà di costruzione e notevoli costi.

Reattori per la sintesi dell'urea in acciaio al carbonio rivestito di zirconio o titanio sono menzionati nella pubblicazione “Chemical Engineering†del 13 maggio 1974, pagg. 118-124, come alternativa ai reattori rivestiti in acciaio inossidabile.

Nel brevetto US 4.899.813 (assegnato alla Richiedente) viene descritta la costruzione e l'uso di apparecchiature verticali a fascio tubiero specialmente adatte per l'operazione di stripping ad alta pressione della soluzione di urea proveniente dal reattore di sintesi. Al fine di impedire la corrosione nelle zone all'interno dei tubi, dove avviene lo scambio termico e la decomposizione del carbammato, ed à ̈ dunque massima l'aggressività del fluido, à ̈ stato utilizzato un fascio tubiero formato da tubi bimetallici, cioà ̈ costituiti da una parte esterna in acciaio inossidabile, e una interna, relativamente sottile (0,7-0,9 mm), in zirconio, aderente alla prima, ma non saldata ad essa. La restante parte dello scambiatore/stripper in contatto con la soluzione di urea à ̈ invece costruito con la normale tecnica dell'acciaio al carbonio rivestito con un adatto acciaio inossidabile. Si risolvono in tal modo i problemi legati alla corrosione all'interno dei tubi, data l'eccellente resistenza dello zirconio, senza comunque incorrere nelle difficoltà legate alla realizzazione di giunzioni speciali acciaio/zirconio, che non sono direttamente saldabili tra loro in modo efficiente, e mantenendo al contempo economica la realizzazione dell'apparecchiatura.

Nonostante gli eccellenti risultati ottenuti applicando quest'ultima tecnologia, à ̈ stato tuttavia trovato che in certe zone dello scambiatore esposte alle condizioni più aggressive, specialmente concentrate sulla superficie della piastra tubiera, e in prossimità delle superfici di contatto zirconio/acciaio, si possono verificare comunque fenomeni di corrosione che concorrono ad accorciare il ciclo di servizio dell'apparecchiatura e comportano la fermata della linea di processo per le necessarie riparazioni o sostituzioni. Tale situazione à ̈ nota nello stripper ad alta pressione dell'urea, ma non à ̈ escluso si possa verificare, nel lungo periodo, anche in altre apparecchiature a fascio tubiero operanti in condizioni paragonabili di aggressività.

D'altra parte, il completo rivestimento con zirconio di detta apparecchiatura, o anche del lato maggiormente esposto della piastra tubiera, comporta alcuni inconvenienti applicativi, sia in termini di realizzazione, per le note difficoltà a saldare giunti in zirconio, la mancanza di omogeneità dei giunti saldati, e l'incompatibilità di Zr ad essere saldato con gli acciai, sia dal punto di vista della sicurezza, perché una eventuale perdita dello strato protettivo di zirconio porterebbe al contatto diretto del fluido corrosivo con l'acciaio al carbonio sottostante il rivestimento, producendo rapidamente danni strutturali, talvolta prima che la perdita possa essere rilevata attraverso un foro-spia.

Nello stato della tecnica sono noti stripper per la decomposizione del carbammato rivestiti in titanio nelle sezioni a diretto contatto con il fluido di processo, che rendono più agevole la realizzazione del rivestimento, garantendo al contempo una eccellente resistenza alla corrosione. Si à ̈ trovato tuttavia che il titanio non da risultati altrettanto soddisfacenti nella realizzazione del fascio e della piastra tubiera, dove subisce fenomeni combinati di erosione e aggressione chimica.

Non à ̈ stato pertanto ancora risolto in modo completamente soddisfacente il problema della durata e sicurezza delle apparecchiature a pressione esposte a fluidi molto corrosivi, specialmente per quanto riguarda certe apparecchiature a fascio tubiero utilizzate nel ciclo di sintesi dell'urea.

Nel corso della sua attività di continuo miglioramento della propria tecnologie, la Richiedente ha adesso trovato che i suddetti problemi possono essere sorprendentemente superati adottando una particolare disposizione di elementi protettivi nella costruzione delle apparecchiature di scambio termico a fascio tubiero operanti in condizioni di alta criticità. Tale nuovo approccio consente inoltre di utilizzare una ridotta quantità di materiale anticorrosivo per il rivestimento, pur incrementando sensibilmente la durata operativa dell'apparecchiatura. Un ulteriore vantaggio consiste poi nella semplificazione della tecnica costruttiva per l'ottenimento di dette apparecchiature, grazie al facilitato uso di metodi di giunzione per esplosione.

Forma pertanto un primo oggetto della presente invenzione una apparecchiatura a fascio tubiero adatta per lo scambio termico in condizioni di elevate pressioni e temperature, tra due fluidi di cui uno avente caratteristiche di elevata aggressività verso gli acciai al carbonio nelle condizioni di processo, comprendente un corpo cavo delimitato da un involucro esterno, o corpo di forza, atto a sopportare la pressione di esercizio e costituito da un materiale soggetto a corrosione per contatto con detto fluido altamente aggressivo, dotato di opportune aperture per l'introduzione e l'uscita dei fluidi, all'interno del quale si distinguono una cavità di raccolta e una cavità di distribuzione del fluido ad elevata aggressività, poste in comunicazione fluida tra loro mediante una molteplicità di tubi comprendenti almeno uno strato metallico in zirconio o una sua lega, che costituiscono il fascio tubiero, e una cavità intermedia, comprendente detto fascio tubiero, la quale à ̈ separata dalle precedenti mediante opportune piastre tubiere a tenuta stagna, caratterizzata dal fatto che almeno una delle dette cavità di raccolta o distribuzione comprende un rivestimento della parete interna in titanio o una sua lega ed à ̈ delimitata da una piastra tubiera comprendente almeno i seguenti tre strati metallici:

A) un primo strato atto a sopportare la spinta di pressione, essenzialmente costituito da un materiale metallico con elevate prestazioni meccaniche, soggetto a corrosione se posto a contatto con detto fluido di processo ad elevata aggressività;

B) uno strato intermedio in un materiale costituito da titanio o una sua lega, disposto direttamente o indirettamente sulla superficie di detto strato (A) e saldato ai bordi con detto rivestimento in titanio della cavità;

C) uno strato costituito da zirconio o una sua lega, avente una superficie legata metallurgicamente con la superficie di detto strato intermedio (B) sul lato opposto rispetto allo strato (A), e l'altra superficie esposta al contatto con detto fluido ad elevata corrosività durante l'uso, detto strato essendo saldato a tenuta con lo strato in zirconio dei detti tubi.

Forma inoltre un secondo oggetto della presente invenzione un metodo per la fabbricazione di detta apparecchiatura, comprendente la preparazione di detta piastra tubiera a tre o più strati, preferibilmente mediante l'impiego della giunzione o saldatura per esplosione.

Altri oggetti della presente invenzione risulteranno inoltre evidenti per il tecnico del ramo nel seguito della presente descrizione e nelle rivendicazioni.

Il termine “lega†come qui utilizzato con riferimento ad un determinato metallo, ad esempio zirconio o titanio, si riferisce ad una lega comprendente il detto metallo in quantità di almeno il 60% in peso. Nel seguito il riferimento al metallo à ̈ da intendersi esteso anche alle sue leghe, salvo ove diversamente specificato.

In accordo con la presente descrizione, il termine “resistente alla corrosione†riferito ad un materiale nei confronti di un fluido in determinate condizioni di processo, definisce un materiale che presenta una corrosione inferiore a 0,1 mm/anno misurata secondo la normativa ASTM A 262 pratica C, HUEY TEST, in particolare adottata per i rivestimenti in acciaio inossidabile Ni/Cr/Mo 25/22/2. Indici di corrosione per i materiali di normale uso industriale sono riportati in diversi manuali noti al tecnico del ramo, come, ad esempio, nelle tabelle da 23-22 sino a 23-24, del citato “Perry's Chemical Engineering Handbook†, alla voce Ammonium Carbamate. Tipicamente, un materiale à ̈ soggetto a corrosione se il suo indice HUEY TEST à ̈ uguale o maggiore di 0,5 mm/anno.

Il termine “saldatura a forza†e “saldatura a tenuta†, come utilizzati nella presente descrizione e nelle rivendicazioni, si riferiscono alle seguenti definizioni tratte dalla norma ASME VIII Div.1 UW20: - una saldatura a forza à ̈ una saldatura la cui resistenza allo sforzo, in base alle prescrizioni di progetto, à ̈ uguale o maggiore della resistenza allo sforzo delle parti saldate nella direzione di applicazione del carico;

- una saldatura a tenuta (o di sigillo) viene eseguita con lo scopo di evitare perdite e le sue dimensioni non sono determinate sulla base dei carichi espressi in accordo con le prescrizioni di progetto.

Il termine “legare metallurgicamente†e le sue forme derivate, à ̈ qui utilizzato con riferimento alla giunzione tra due superfici metalliche, in cui si realizza una adesione e una tenuta dello stesso ordine di grandezza delle forze coesive degli stessi materiali metallici che costituiscono le superfici. Superfici legate metallurgicamente possono essere ottenuti con diversi metodi noti, tra cui la saldatura, la giunzione per esplosione (explosive bonding), la co-estrusione a caldo o a freddo, e altri ancora.

Le apparecchiature a pressione in accordo con la presente invenzione sono utilizzabili per effettuare efficientemente operazioni di scambio termico tra due fluidi mono o multifasici, almeno uno dei quali presenti caratteristiche di elevata corrosività verso i normali acciai al carbonio, e di moderata corrosività, anche occasionale, verso gli acciai inossidabili, compresi quelli ad alte prestazioni o “grado urea†precedentemente menzionati. Parecchi esempi di tali acciai sono menzionati, tra le numerose pubblicazioni disponibili, nel già citato manuale “Perry's Chemical Engineering Handbook†, da pag. 23-39 a pag. 23-41 e specialmente le tabelle da 23-10 a 23-15. Inoltre, dette apparecchiature non necessitano di particolari accorgimenti quale l'introduzione di modeste quantità di aria o altro ossidante nei fluidi di processo.

I fluidi ad elevata aggressività cui si fa riferimento nella presente descrizione possono essere monofasici, cioà ̈ usualmente costituiti da un liquido o un gas, oppure multifasici, normalmente bifasici, costituiti da una fase liquida ed una fase vapore in equilibrio. Tipici fluidi di questo genere sono quelli presenti in certi processi chimici, quali, ad esempio, la produzione di acido nitrico, la produzione di melamina, e particolarmente i fluidi circolanti nella sezione ad alta o media pressione di un impianto di sintesi dell'urea, quali appunto le soluzioni acquose o acquoso/ammoniacali di carbammato di ammonio presenti nel decompositore o “stripper†del carbammato, a valle del reattore, in cui si realizza la separazione dell'urea prodotta dai reagenti non convertiti.

Le apparecchiature secondo la presente invenzione sono in grado di operare a differenziali di pressione (tra i due fluidi e/o verso l'esterno) normalmente compresi tra 5 e 100 MPa e temperature tra 100 e 400 °C. Nel caso particolare dello “stripper†nel processo di produzione dell'urea, le usuali condizioni operative sono una pressione da 12 a 25 MPa e una temperatura da 140 a 220 °C, in presenza di miscele contenenti acqua, ammoniaca, anidride carbonica e carbammato di ammonio, che à ̈ il prodotto di condensazione di detti composti secondo la reazione (I):

2 NH3+ CO2+ n H2O β NH4OCONH2β n H2O (I) Negli impianti industriali per la produzione dell'urea, a cui la presente invenzione si riferisce preferibilmente, le suddette apparecchiature comprese nelle sezioni ad alta o media pressione contengono volumi compresi tra 2.000 e 100.000 litri.

L'apparecchiatura a pressione in accordo con la presente invenzione può assumere svariate forme e geometrie, sia internamente che esternamente, in dipendenza della funzione per cui viene utilizzata. Opportunamente essa à ̈ realizzata in accordo con i criteri tipici degli scambiatori termici a fascio tubiero per alte pressioni. Pertanto assume di solito forma cilindrica con due calotte semisferiche poste alle estremità del cilindro, al fine di meglio distribuire la spinta di pressione. Nelle calotte semisferiche, che delimitano rispettivamente le cavità di distribuzione e raccolta, e lungo il corpo cilindrico, che delimita la cavità intermedia, sono opportunamente praticate delle aperture per l'entrata e l'uscita dei fluidi, l'introduzione di eventuali sensori e una apertura per ispezioni durante le fermate di marcia (passo d'uomo).

Nel caso più preferito dello “stripper†nel ciclo di sintesi dell'urea, l'apparecchiatura à ̈ orientata verticalmente e il flusso del liquido avviene per colata dall'alto verso il basso lungo le pareti interne dei tubi. In tal caso, la cavità che presenta maggiore criticità à ̈ la camera di raccolta inferiore, che à ̈ pertanto rivestita in titanio ed à ̈ delimitata dalla piastra tubiera a tre strati come sopra specificato.

La parete esterna dell'apparecchiatura, che sopporta pressochà ̈ per intero la spinta di pressione, à ̈ costituita da uno spesso involucro in acciaio al carbonio, detto anche corpo di forza, avente uno spessore calcolato in funzione della pressione da sopportare e variabile usualmente da 20 a 350 mm. Negli scambiatori ad alta pressione, la parete esterna può assumere convenientemente spessori diversi in zone diverse dell'apparecchiatura, in funzione della pressione che deve effettivamente sopportare e della forma dell'apparecchiatura.. Tipicamente, la zona cilindrica centrale, a contatto con il vapore a pressioni da 0,2 a 5 MPa, ha preferibilmente spessori variabili tra 20 e 100 mm, mentre la parete delle calotte e del cilindro in prossimità di queste, sottoposto alla pressione dei fluidi di processo, ha spessori proporzionalmente maggiori, preferibilmente tra 50 e 300 mm. La parete può essere costituita da un unico strato o da più strati assemblati secondo la tecnica nota.

Nella forma più usuale, all'interno dell'apparecchiatura si distinguono tre cavità (o camere) distinte e separate tra loro da due piastre tubiere, opportunamente disposte trasversalmente all'asse principale dell'apparecchiatura, comprendenti un elemento piano A costituito da un metallo con elevate caratteristiche di resistenza meccanica, di solito avente spessore da 40 a 700 mm, preferibilmente da 100 a 650 mm, atto a sopportare la differenza di pressione esistente tra cavità adiacenti. Tale elemento, analogamente alla parete esterna dell'apparecchiatura, à ̈ costituito da un singolo strato oppure da più strati sovrapposti. Il suo spessore complessivo à ̈ calcolato in base al diametro dell'apparecchiatura e al differenziale di pressione, secondo note metodologie. I materiali adatti per l'ottenimento dello strato A sono scelti tra i metalli o leghe capaci di sopportare a lungo elevati stress meccanici, che siano disponibili commercialmente a costi ragionevoli. Normalmente, il materiale per formare lo strato A à ̈ scelto tra gli acciai al carbonio, che costituiscono un eccellente compromesso tra i suddetti criteri. Tipicamente, tali sono quelli normalmente utilizzati nella tecnica metallurgica come materiale da costruzione con elevate proprietà meccaniche quali elasticità, duttilità, e durezza (si veda ad esempio la citata pubblicazione “Perry's Chemical Engineering Handbook†, pag. 23-15). Altri adatti materiali per la realizzazione dello strato A, come pure del corpo di forza della presente apparecchiatura, sono gli acciai ad alto snervamento di più recente produzione, quali, ad esempio, gli acciai di grado 4 secondo la norma ASME SA 765.

Nel caso più preferito, le due piastre sono poste circa simmetricamente, ciascuna in vicinanza di una delle due calotte e definiscono un volume centrale di geometria preferibilmente cilindrica. La distanza tra le due piastre nel caso di scambiatore a geometria cilindrica à ̈ definita dalla lunghezza del fascio tubiero.

Ciascuna piastra à ̈ fissata a forza sulla parete circolare mediante raccordo e saldatura dello strato in acciaio A sullo strato in acciaio del corpo di forza. Le metodologie di giunzione e saldatura a forza delle pareti in acciaio, siano esse formate da un solo strato o da più strati, sono ben note al tecnico del ramo e descritte in numerosi trattati.

Una molteplicità di tubi disposti parallelamente all'asse principale à ̈ fissata tra le due piastre, le quali sono per questo opportunamente forate, in modo che sia possibile il passaggio in essi di un primo fluido tra le due cavità poste alle estremità. Un secondo fluido viene fatto circolare nella cavità intermedia (lato mantello) per effettuare lo scambio termico attraverso la parete dei tubi. Detto fluido può essere vapore o acqua in pressione, oppure un secondo fluido di processo, eventualmente anch'esso corrosivo, nel qual caso può essere necessario utilizzare un rivestimento anticorrosivo su entrambi i lati della piastra tubiera.

Detti tubi sono in numero variabile a seconda delle specifiche di progetto, ma sono di solito compresi tra un minimo di 2 fino a circa 10000 per le apparecchiature più grandi. Preferibilmente i tubi sono da 100 a 5000, e il loro diametro à ̈ variabile da 10 a 100 mm. La lunghezza dei tubi coincide di solito con la lunghezza del corpo centrale dell'apparecchiatura ed à ̈ preferibilmente compresa tra 1 a 10 m, la loro forma à ̈ solitamente lineare, ma non sono esclusi tubi comprendenti parti curve o toroidali. Diaframmi intermedi (detti anche “baffles†, secondo la terminologia inglese più usuale) possono essere disposti nella cavità intermedia, a supporto dei tubi e per meglio convogliare il fluido caldo (vapore) durante il suo flusso.

Secondo la presente invenzione, la parete interna di ciascun tubo comprende almeno uno strato metallico in zirconio o una sua lega, la cui superficie à ̈ in contatto con il fluido corrosivo durante la marcia del processo. Nel caso più semplice, il tubo può essere integralmente costituito da zirconio o una sua lega (strato singolo), il quale può tuttavia comportare elevati costi per l'impiego di notevoli quantità di zirconio. Altre soluzioni costruttive per i tubi della presente invenzione possono comprendere, ad esempio, il tubo bimetallico in zirconio e acciaio inossidabile descritto nel brevetto US 4.899.813, costituito da un sottile strato di zirconio interno e da uno strato più spesso in acciaio inossidabile grado urea. Secondo altre tecniche il detto tubo nel fascio tubiero può comprendere almeno uno strato di titanio e uno di zirconio, preferibilmente inseriti l'uno nell'altro e legati metallurgicamente tra loro, come, ad esempio, quello descritto nella domanda di brevetto internazionale WO 06/020381 o nella domanda di brevetto italiano copendente MI06A 0012230.

Preferibilmente lo spessore di detto strato di zirconio o lega di zirconio nei tubi à ̈ compreso tra 0,3 e 20 mm. In particolare, da 0,3 a 5 mm, più preferibilmente da 0,4 a 3 mm, nel caso lo strato di zirconio sia compreso in un tubo bimetallico in zirconio e acciaio o zirconio e titanio, come sopra descritto, e da 1 a 20 mm, più preferibilmente da 2 a 5 mm, nel caso di un tubo integralmente in Zr. Il rapporto tra lo spessore dello strato in acciaio inossidabile o titanio, e lo spessore dello strato di rivestimento in Zr nel tubo bimetallico à ̈ compreso tra 1 e 20, più preferibilmente tra 2 e 8.

Diversi gradi di zirconio e relative leghe sono disponibili sul mercato, tutti a vario titolo adatti per la realizzazione della presente invenzione. Gradi da 50 a 70 secondo ASME SA516 sono particolarmente adatti per la realizzazione di apparecchiature per il trattamento dei fluidi di processo nella sintesi dell'urea e dell'acido nitrico. Leghe di zirconio adatte allo scopo sono, ad esempio, i diversi gradi di Zyrcaloy. Riferimenti a zirconio e sue leghe sono riportati, inoltre, nel citato “ Perry's Chemical Engineering Handbook†, pag. 23-50, tab. 23-19.Gradi di zirconio e sue leghe a basso contenuto di ossigeno sono ulteriormente preferiti.

In sede di funzionamento, almeno una delle cavità in cui à ̈ suddiviso l'interno dell'apparecchiatura in accordo con la presente invenzione à ̈ in contatto con un fluido avente caratteristiche di elevata aggressività nelle condizioni di pressione e temperatura che si realizzano all'interno. La superficie interna di detta cavità à ̈ rivestita con titanio o una sua adatta lega, secondo la tecnica nota, con ottenimento di una struttura durevole e resistente. Lo spessore del rivestimento in titanio à ̈ stabilito dal tecnico del ramo in base a dati di corrosività nelle condizioni operative a cui à ̈ destinata l'apparecchiatura. Esso à ̈ preferibilmente scelto tra 1 e 20 mm, più preferibilmente tra 2 e 10 mm.

Sulla superficie dello strato A della piastra tubiera che delimita la cavità à ̈ disposto un secondo strato laminare B costituito da titanio o una sua lega, preferibilmente titanio. Detto strato B à ̈ raccordato mediante saldatura a tenuta al corrispondente rivestimento in titanio della cavità. Lo spessore dello strato B à ̈ compreso preferibilmente tra 1 e 20 mm, più preferibilmente tra 3 e 15 mm. Specialmente nel caso la piastra tubiera sia fabbricata impiegando la tecnica della giunzione per esplosione, lo spessore dello strato B può variare anche di alcuni millimetri da punto a punto. Nel caso il fascio tubiero sia costituito da tubi bimetallici Ti/Zr, il tecnico del ramo può all'occorrenza realizzare anche una saldatura tra detto strato B e lo strato in titanio di ciascun tubo.

Il terzo strato C della piastra tubiera à ̈ disposto su detto strato B, in modo che le superfici in reciproco contatto dei due strati siano tra loro metallurgicamente legate. Come precedentemente enunciato, esso à ̈ costituito da zirconio o una sua lega, preferibilmente zirconio o una sua lega contenente almeno il 90% in peso di zirconio, più preferibilmente zirconio puro. Detto strato C costituisce una copertura o rivestimento interno della piastra tubiera, destinato al diretto contatto con il fluido di processo con caratteristiche aggressive.

Esso ha uno spessore adatto a sopportare a lungo gli stress meccanici e termici in corso d'uso; preferibilmente uno spessore compreso tra 0,5 e 20 mm, più preferibilmente tra 3 e 15 mm. Lo spessore dello strato C, come anche quello degli strati A e B, può anche assumere valori differenti in diverse zone della piastra tubiera, in funzione della densità e forma dei tubi, delle necessità tecniche emerse durante la costruzione dell'apparecchiatura e delle caratteristiche del fluido in contatto con esse.

In accordo con la presente invenzione lo strato C si estende su tutta la superficie utile della piastra tubiera, con l'eccezione delle aperture per il passaggio dei tubi, ai quali à ̈ saldato a tenuta sullo strato costituito da zirconio. Nella zona periferica della piastra tubiera, tuttavia, in prossimità della giunzione a tenuta tra lo strato B ed il rivestimento in titanio, o una sua lega, delle restanti pareti della cavità, lo strato C si interrompe senza necessitare di particolari accorgimenti, essendo sufficiente il legame metallurgico con il sottostante strato B ad assicurare la tenuta ed evitare infiltrazioni. Preferibilmente, in accordo con la presente invenzione, detto strato C si estende sulla piastra tubiera fino ad una distanza di almeno 30 mm, più preferibilmente almeno 50 mm, dalla parete (della cavità) su cui la piastra stessa à ̈ saldata a forza.

Per una ottimale realizzazione della presente apparecchiatura, à ̈ inoltre preferibile che il margine esterno di detto strato C sia posto ad una distanza di almeno 10 mm, più preferibilmente almeno 30 mm, dalla parete esterna dei più vicini tubi periferici del fascio tubiero.

Lo strato B e lo strato C sono costituiti da materiali metallici notoriamente compatibili alla giunzione reciproca, ad esempio mediante le note tecniche per la saldatura di zirconio con titanio, che prevedono alcuni accorgimenti, tra cui l'uso di atmosfera inerte. È stato tuttavia trovato che una saldatura di tipo tradizionale tra i due strati non à ̈ necessaria per il raggiungimento delle desiderate prestazioni di resistenza e affidabilità, essendo sufficiente la formazione di un legame di tipo metallurgico, ottenibile anche con tecniche diverse dalla saldatura, quali la giunzione per esplosione o per deposito elettrochimico.

Nella piastra tubiera, lo strato C à ̈ saldato a tenuta con lo strato di zirconio di ciascun tubo, così da impedire l'infiltrazione e il contatto del fluido di processo con i sottostanti strati B e A. Tecniche adatte per tale saldatura sono generalmente note e disponibili presso gli specialisti del settore. Secondo una particolare attuazione della presente invenzione, e specialmente nel caso i tubi siano integralmente di zirconio, la saldatura dello strato C à ̈ effettuata sulla superficie esterna, lasciando un tratto di tubo sporgente per favorire l'inserimento di ferrule o altri elementi atti a regolare il gocciolamento del liquido negli scambiatori posizionati verticalmente, come nel caso dello stripper negli impianti di produzione dell'urea. Nel caso il fascio tubiero comprenda tubi bimetallici, la saldatura à ̈ effettuata comunemente sullo strato interno, costituito da zirconio, previa rimozione della parte terminale dello strato esterno (ad esempio in acciaio o titanio) per una lunghezza corrispondente almeno allo spessore dello strato C, preferibilmente maggiore per permettere, analogamente al caso precedente, di lasciar sporgere per alcuni centimetri un tratto di tubo in zirconio. Nel caso i tubi siano del tipo bimetallico in zirconio su titanio, anche lo strato di titanio può convenientemente essere saldato sia allo strato C di zirconio, sia allo strato B di titanio.

Secondo una forma di realizzazione della presente invenzione, tra detto strato A e detto strato B possono essere presenti uno o più strati di altro materiale metallico, ad esempio acciaio inossidabile scelto tra quelli precedentemente menzionati, estesi sull'intera piastra tubiera o solo su una o più parti di essa. Tali ulteriori strati possono costituire, secondo le tecniche costruttive adottate, un ulteriore strato di sicurezza contro l'eventuale perdita di fluido corrosivo, oppure possono essere inseriti a supporto delle parti dei tubi costituite da acciaio inossidabile, o come supporto nella zona dove à ̈ praticato un foro spia. In tali casi lo strato B à ̈ disposto indirettamente sullo strato A.

L'utilizzo della piastra ad almeno tre strati nell'apparecchiatura in accordo con la presente invenzione permette sorprendentemente di superare nel loro insieme gli inconvenienti precedentemente menzionati.

Secondo un aspetto preferito della presente invenzione, in certi punti della parete del corpo di forza che delimita ciascuna cavità in contatto con il fluido corrosivo, vengono praticati fori di piccole dimensioni detti fori-spia, la cui funzione à ̈ quella di evidenziare eventuali perdite del rivestimento interno prima che l'acciaio al carbonio dello strato A subisca significativi danni dovuti alla corrosione. Un forospia, secondo la tecnica nota, consiste normalmente di un tubicino del diametro di 8-15 mm, solitamente in acciaio inossidabile, titanio o altro materiale resistente alla corrosione, che à ̈ inserito nello strato in acciaio al carbonio fino a raggiungere la superficie sottostante il rivestimento anticorrosivo (o un suo strato nel caso di rivestimento multistrato). Nel caso si verifichi una perdita nel rivestimento, a causa dell'elevata pressione, il fluido interno, corrosivo, diffonde immediatamente nella zona interstiziale sottostante e, se non rilevato, da luogo a rapida corrosione dell'acciaio al carbonio da cui à ̈ costituito il corpo di forza o la piastra tubiera. La presenza dei fori-spia permette il rilevamento di tali perdite. A tal scopo tutte le zone interstiziali sottostanti il rivestimento anticorrosivo sono usualmente messe in comunicazione con almeno un foro-spia. Il numero di fori-spia à ̈ usualmente da 2 a 4 per ogni virola nel corpo cilindrico. Nelle calotte e nella piastra tubiera i fori-spia sono praticati secondo prassi consolidate e ben note ai tecnici del ramo.

Un secondo aspetto della presente invenzione riguarda un metodo di fabbricazione della suddetta apparecchiatura a fascio tubiero con migliorate prestazioni.

In accordo con ciò, forma un altro oggetto della presente invenzione, un metodo per la fabbricazione dell'apparecchiatura a fascio tubiero in accordo con la presente invenzione, comprendente i seguenti stadi in successione per la preparazione di detta piastra tubiera:

i) predisposizione di uno strato A in acciaio, preferibilmente acciaio al carbonio, atto a sopportare la spinta di pressione del fluido di processo;

ii) formazione di uno strato intermedio B in titanio, disposto sul lato di detto strato A esposto al contatto con detto fluido aggressivo;

iii) disposizione di uno strato anticorrosivo C in zirconio, sulla superficie di detto strato B, sul lato opposto a detto strato A con formazione di un legame metallurgico tra le superfici degli strati B e C;

caratterizzato dal fatto che detto strato B à ̈ saldato a tenuta con il rivestimento in titanio della cavità delimitata da detta piastra tubiera e detto strato C à ̈ saldato almeno a tenuta con detto strato in zirconio o una sua lega di ciascun tubo del fascio tubiero.

In accordo con il metodo della presente invenzione, la piastra tubiera multistrato può essere preparata indipendentemente dall'involucro (mantello) dell'apparecchiatura a fascio tubiero e successivamente fissata a quest'ultimo, nella desiderata posizione, mediante saldatura a forza delle rispettive parti in acciaio e saldatura a tenuta dei rispettivi rivestimenti e strati in titanio.

Nello stadio (i) del presente metodo viene predisposto uno strato A in acciaio al carbonio, di adatte dimensioni, preferibilmente con spessore da 40 a 700 mm, preferibilmente da 100 a 650 mm, e diametro da 500 a 4000 mm, tale da poter essere inserito e saldato trasversalmente nel volume dell'apparecchiatura a fascio tubiero. Detto strato A può anche essere formato da più strati in acciaio, uniti secondo le usuali tecniche di fabbricazione, allo scopo di migliorarne, l'elasticità e la resistenza alla pressione.

Nel successivo stadio (ii), uno strato B relativamente sottile di titanio o una sua lega viene steso su una superficie dello strato A. Data l'incompatibilità alla saldatura dei due strati, lo strato B viene fissato con tecniche di giunzione meccanica (inclusa la giunzione per esplosione) o mediante punzonatura. In accordo con la presente invenzione, tale strato B, oltre a costituire un ulteriore rivestimento protettivo, ha la funzione di costituire un supporto duttile e compatibile per il successivo strato C in zirconio, che permette un migliore adattamento alla geometria della piastra tubiera. Preferibilmente, lo strato B ha uno spessore compreso tra 1 e 20 mm.

Secondo un particolare aspetto, nello stadio (ii), detto strato B può essere disposto a diretto contatto con la superficie dello strato A, oppure, secondo la presente invenzione, uno o più altri strati intermedi, ad esempio in acciaio inossidabile, possono essere interposti tra lo strato A e lo strato B, e fissati sullo strato A secondo le usuali tecniche di giunzione e saldatura.

La formazione del legame metallurgico in accordo con lo stadio (iii) può essere ottenuta con diverse metodologie, note al tecnico dell'arte, tra cui sono preferite in tal caso quelle mediante esplosione, quelle mediante frizione e quelle mediante deposito elettrochimico o per spruzzo (meglio nota nell'arte con il termine inglese “metal spraying†). Tali metodologie sono preferite perché più semplici ed efficaci rispetto alle usuali tecniche di saldatura (benchà ̈ queste ultime siano comunque utilizzabili in accordo con la presente invenzione) per unire tra loro titanio e zirconio, in quanto non richiedono l'utilizzo di atmosfera inerte e assicurano la formazione di un legame metallurgico omogeneo su tutta la superficie di contatto dei due strati metallici.

In particolare, una realizzazione preferita della struttura a tre strati della piastra in accordo col metodo qui rivendicato, viene effettuata con tecnica per “esplosione†, che permette di ottenere, con relativa semplicità, un legame metallurgico stabile con il sottostante strato B in titanio. Inoltre, l'applicazione di tale tecnica produce una particolare aderenza tra il titanio e l'acciaio delle rispettive superfici a contatto degli strati B e A, così permettendo di ottenere una piastra tubiera particolarmente compatta e resistente, e adatta per le successive lavorazioni necessarie all'inserimento del fascio tubiero.

In accordo con tale tecnica, gli elementi laminari costituenti rispettivamente gli strati A, B e C,, dopo adeguata pulizia delle superfici, vengono sovrapposti in sequenza verticale, mantenendo pressochà ̈ costante la distanza tra essi, eventualmente mediante distanziatori calibrati. Su un lato della struttura così ottenuta, superiormente allo strato C, viene quindi collocata e fatta detonare una carica esplosiva in modo che l'onda d'urto che si produce si propaghi uniformemente verso il lato opposto. L'elevatissima pressione tra le superfici zirconio/titanio e titanio/acciaio provoca la parziale compenetrazione degli strati molecolari superficiali e la propagazione della spinta da un lato all'altro permette l'espulsione di ogni residua bolla d'aria e di eventuali residui di ossido, con il risultato di una adesione di tenuta analoga a quella di una saldatura.

Una trattazione più dettagliata di tale tecnica applicata alla costruzione di piastre tubiere à ̈ riportata, ad esempio, in “Proceedings of Corrosion Solutions Conference†, Sept. 2001, pp. 119-127.

Una volta disposti, secondo la presente invenzione, i tre strati A, B e C, ( e gli eventuali strati intermedi), a formare la struttura essenziale della piastra tubiera, secondo le caratteristiche di progetto e in accordo con quanto qui descritto e rivendicato, il tecnico può provvedere ai successivi stadi di lavorazione analogamente a quanto già noto nell'arte, per la collocazione della piastra tubiera all'interno dell'apparecchiatura, nel caso le precedenti fasi di costruzione siano state effettuate all'esterno, e l'inserimento dei tubi del fascio tubiero. A tale scopo, secondo una metodologia preferita, la piastra viene perforata per ottenere un insieme di cavità cilindriche, in numero e dimensioni atte all'inserimento dei tubi e successivamente collocata nel corpo cilindrico dell'apparecchiatura e saldata a forza sulle pareti del corpo di forza. Vengono quindi inseriti tubi del fascio tubiero, provvedendo a saldare lo strato in zirconio di ciascuno di essi con lo strato C della piastra tubiera, e ad effettuare le eventuali saldature degli altri strati metallici nel caso di tubi multistrato. IN prossimità del bordo della piastra tubiera, lo strato B in titanio viene inoltre saldato a tenuta con il rivestimento in titanio delle restanti pareti della cavità.

Tutte le suddette operazioni sono realizzate in accordo con le tecniche standard per la lavorazione e la saldatura di metalli particolari quali Ti e Zr, che richiedono l'utilizzo di atmosfera inerte, preferibilmente tramite protezione con argon. L'ordine in cui sono state descritte non costituisce necessariamente una indicazione dell'ordine temporale in cui sono eseguite.

Un ulteriore oggetto della presente invenzione à ̈ costituito da un processo di scambio termico tra due fluidi, di cui almeno uno ad elevata aggressività verso il normale acciaio la carbonio, nelle condizioni di processo precedentemente specificate, caratterizzato dal fatto che tale processo à ̈ condotto nella apparecchiatura a fascio tubiero della presente invenzione.

Un esempio particolare dell'apparecchiatura in accordo con la presente invenzione, relativo ad uno “stripper†ad alta pressione di un impianto per la produzione di urea, viene adesso ulteriormente illustrata facendo riferimento ai disegni riportati nelle figure allegate, senza tuttavia che ciò comporti alcuna limitazione o restringimento della portata complessiva dell'invenzione stessa.

La Figura 1 rappresenta schematicamente una sezione della piastra tubiera di uno stripper ad alta pressione utilizzato per la decomposizione del carbammato in un impianto per la sintesi dell'urea, comprendente la zona di saldatura di un tubo realizzato totalmente in zirconio.

La Figura 2 rappresenta schematicamente una sezione analoga alla precedente, relativa però alla zona di saldatura di un tubo bimetallico zirconioacciaio inossidabile.

La Figura 3 rappresenta schematicamente un particolare della zona di congiunzione tra la piastra tubiera a tre strati e la parete di uno stripper realizzato in accordo con la presente invenzione.

Per maggiore semplicità e chiarezza figurativa dei dettagli, nelle figure à ̈ evidenziato un solo tubo del fascio tubiero e le dimensioni non sono proporzionali a quelle reali. Dettagli corrispondenti nelle diverse figure sono indicati con la stessa numerazione.

Nella Figura 1 à ̈ rappresentata schematicamente una zona della sezione di una piastra tubiera secondo la presente invenzione, in cui si inserisce un tubo 1 costituito integralmente da pareti di zirconio 2. Si distingue l'elemento 4, non in scala, che costituisce lo strato A in acciaio al carbonio, avente maggior spessore, usualmente 100-500 mm, la sezione in titanio 5, che costituisce lo strato B, sulla superficie del quale à ̈ appoggiato il rivestimento 6 costituito da un sottile strato C di zirconio. La sezione qui rappresentata à ̈ quella della piastra tubiera posizionata nella parte inferiore dello stripper, dove maggiore à ̈ la temperatura dei fluidi corrosivi costituiti da una miscela della soluzione acquosa di carbammato e urea e dai relativi vapori di ammoniaca e biossido di carbonio sviluppati dalla decomposizione del carbammato.

Lo strato 4 in tal caso coincide con il corpo della piastra tubiera ed à ̈ dimensionato in modo da sopportare lo sforzo dovuto alla differenza di pressione tra la camera inferiore di raccolta della soluzione ureica, e la camera cilindrica che include il fascio tubiero, dove condensa il vapore saturo a media o alta pressione. Tale pressione, per gli usuali processi di produzione dell'urea, à ̈ compreso tra 14 e 22 MPa, preferibilmente 15-20 MPa, corrispondente ad una temperatura tra 190 e 210 °C.

Sul lato dello strato 4 rivolto verso la camera di raccolta à ̈ posto uno strato laminare 5 in titanio che costituisce lo strato B in accordo con la presente invenzione. Questo ha uno spessore di circa 10 mm . Lo strato laminare 5 può essere costituito da una unica lastra, o da più elementi laminari di adatto spessore, saldati tra loro e preferibilmente aderenti al sottostante strato 4.

Sullo strato 5 à ̈ legato metallurgicamente lo strato 6 in zirconio (strato C), avente spessore più preferibilmente compreso tra 8 e 10 mm. In corrispondenza del punto di inserimento di ciascun tubo in zirconio 1, lo strato 6 à ̈ saldato alla parete 2 del tubo lungo la linea circolare di giunzione 7. La saldatura viene effettuata con la tecnica della schermatura con gas inerte, come precedentemente descritto. Nel caso specifico, la saldatura tra lo strato 6 della piastra e il tubo in zirconio riveste particolare importanza in quanto costituisce la linea di fissaggio del tubo e deve sostenere il differenziale di pressione di circa 13 MPa rispetto alla camera intermedia dove circola il vapore. Tale saldatura à ̈ perciò realizzata sia a forza che a tenuta.

Secondo un particolare aspetto della presente invenzione, un certo numero di fori-spia (schematicamente indicati col riferimento 8 in figura 1) viene praticato attraverso lo strato 4 (strato A) nella piastra tubiera, di solito nella zona posta verso la parete esterna dello stripper (schematicamente posizionata, nella figura 1, dopo la linea tratteggiata). Detti fori spia, del cui ruolo si à ̈ detto in precedenza, sono praticati secondo una qualsiasi delle diverse tecniche normalmente in uso e sono rivestiti internamente in acciaio inossidabile o anche eventualmente in titanio. Analoghi fori spia, non rappresentati in figura, sono praticati nel corpo di forza della cavità, fino a raggiungere la superficie sottostante dello strato di rivestimento in titanio.

In accordo con il dettaglio rappresentato nella figura 2, una seconda forma di attuazione della presente invenzione comprende la realizzazione di uno stripper per la decomposizione del carbammato di ammonio non convertito ad urea, utilizzando tubi bimetallici 3 costituiti da un elemento tubolare esterno 9 in acciaio inossidabile, in tal caso acciaio CrNiMo 25/22/2, grado urea, e un rivestimento interno in zirconio, con adesione delle superfici realizzata meccanicamente. La struttura della piastra tubiera a tre strati à ̈ sostanzialmente analoga a quella descritta precedentemente con riferimento alla figura 1. In prossimità del punto di attraversamento e sbocco di ciascun tubo 3 del fascio tubiero, lo strato 4 in acciaio à ̈ saldato a forza con lo strato esterno 9 del tubo, in modo da sostenere la pressione ed il conseguente sforzo longitudinale che agisce sul tubo bimetallico.

Sulla superficie dello strato 5 opposta al corpo di forza 4, à ̈ legato metallurgicamente lo strato 6 costituente lo strato C in zirconio, avente uno spessore tra 2 e 3 mm. Anche in tal caso, si preferisce realizzare l'adesione tra i due strati mediante la tecnica della saldatura per esplosione (explosive cladding), oppure anche per “thermal spraying†, secondo la terminologia inglese di uso comune.

In prossimità dello sbocco di ciascun tubo bimetallico 3, detto strato 6 à ̈ unito direttamente con il rivestimento interno 2 del tubo mediante la saldatura a tenuta 7, disposta circolarmente intorno al foro di sbocco. Preferibilmente un tratto del rivestimento 7 viene prolungato di alcuni centimetri oltre lo strato 6 per favorire il gocciolamento del liquido.

Nella sezione rappresentata nella figura 3, si distinguono essenzialmente gli stessi elementi precedentemente descritti con riferimento alla figura 1, per quanto riguarda forma e disposizione del tubo in zirconio, mentre à ̈ stato rappresentato, in aggiunta, il dettaglio della zona di giunzione della piastra tubiera con la parete esterna dello stripper, formata dallo spesso strato 4 di acciaio, costituente il corpo di forza, e dallo strato di rivestimento 11 in titanio, avente caratteristiche analoghe allo strato intermedio 5 della piastra tubiera, al quale à ̈ raccordato mediante una linea di saldatura nel punto 12, ma spessore preferibilmente compreso tra 5 e 15 mm. In prossimità della linea di raccordo della piastra tubiera orizzontale con la parete verticale dell'apparecchiatura, ad una distanza convenientemente scelta tra 30 e 40 mm, rappresentata in figura 3 dal punto 10, ha termine lo strato di zirconio 6. Il margine dello strato può essere eventualmente lavorato meccanicamente per renderlo più uniforme, oppure può terminare con una saldatura con il sottostante strato in titanio 5. La distanza dove lo strato 6 si interrompe, non riveste particolare criticità ai fini della presente invenzione, ma deve essere opportunamente scelto in modo da lasciare una zona sufficientemente estesa di sovrapposizione tra le superfici dei rispettivi strati in zirconio (6) e titanio (5), tra loro legate metallurgicamente, prima del punto di inserimento del più vicino tubo 1 nella piastra tubiera. Preferibilmente, il margine rappresentato dal punto 10 viene posto ad almeno 50 mm dal tubo più prossimo, ancor più preferibilmente ad almeno 70 mm. L'applicazione di questa regola all'insieme dei tubi permette al tecnico di definire le dimensioni e la geometria con cui à ̈ disposto sulla superficie della piastra tubiera lo strato C di zirconio in accordo con la presente invenzione.

In accordo con quanto sopra, la presente invenzione, come qui rivendicata, permette di disporre di una apparecchiatura a fascio tubiero atta allo scambio termico che unisce in una struttura originale l'eccellente resistenza a condizioni di elevata corrosione e erosione dello zirconio, alla maggiore facilità di lavorazione e disponibilità del titanio, proponendo inoltre un disegno e una metodologia di costruzione semplificata rispetto alle apparecchiature finora note nell'arte. Tale risultato à ̈ particolarmente ottenuto combinando in modo originale e sorprendente la struttura a tre strati A, B e C della piastra tubiera con il rivestimento in titanio della calotta e delle pareti adiacenti alla piastra stessa. È stato così possibile realizzare saldature zirconio/zirconio per la tenuta dei tubi, e saldature titanio/titanio per il raccordo del rivestimento protettivo, senza ricorrere a saldature tra metalli diversi nelle zone a maggiore criticità per l'attacco di fluidi aggressivi, in particolare in prossimità degli innesti di ciascun tubo nella piastra e in prossimità della zona di giunzione della piastra tubiera con la parete dello scambiatore.

Altre forme di attuazione della presente invenzione, diverse da quelle sopra specificatamente descritte, sono comunque possibili e ne rappresentano meramente ovvie varianti in ogni caso comprese nella portata delle successive rivendicazioni.

Claims (29)

1. RIVENDICAZIONI 1. Apparecchiatura a fascio tubiero, adatta per lo scambio termico, in condizioni di elevate pressioni e temperature, tra due fluidi di cui uno avente caratteristiche di elevata aggressività verso gli acciai al carbonio nelle condizioni di processo, comprendente un corpo cavo delimitato da un involucro esterno, o corpo di forza, atto a sopportare la pressione di esercizio e costituito da un materiale soggetto a corrosione se posto a contatto con detto fluido altamente aggressivo, all'interno del quale si distinguono una cavità di raccolta e una cavità di distribuzione del fluido ad elevata aggressività, poste in comunicazione fluida tra loro mediante una molteplicità di tubi, costituenti il fascio tubiero, comprendenti almeno uno strato metallico in zirconio o una sua lega, e una cavità intermedia, comprendente detto fascio tubiero, la quale à ̈ separata dalle precedenti mediante piastre tubiere a tenuta stagna, caratterizzata dal fatto che almeno una delle dette cavità di raccolta o distribuzione comprende un rivestimento della parete interna in titanio o una sua lega ed à ̈ delimitata da una piastra tubiera comprendente almeno i seguenti tre strati metallici: A) un primo strato, atto a sopportare la spinta di pressione, essenzialmente costituito da un materiale metallico con elevate prestazioni meccaniche, soggetto a corrosione se posto a contatto con detto fluido di processo ad elevata aggressività; B) uno strato intermedio in un materiale costituito da titanio o una sua lega, disposto direttamente o indirettamente sulla superficie di detto strato (A) e saldato ai bordi con detto rivestimento in titanio della cavità; C) uno strato costituito da zirconio o una sua lega, avente una superficie legata metallurgicamente con la superficie di detto strato intermedio (B) sul lato opposto rispetto allo strato (A), e l'altra superficie esposta al contatto con detto fluido ad elevata corrosività durante l'uso, detto strato essendo saldato a tenuta con lo strato in zirconio dei detti tubi.
2. 2. Apparecchiatura secondo la precedente rivendicazione 1, posta verticalmente, in cui detta cavità delimitata da tre strati costituisce la camera inferiore di raccolta del fluido ad elevata aggressività.
3. 3. Apparecchiatura secondo una qualsiasi delle precedenti rivendicazioni, in cui detto strato A ha uno spessore compreso tra 40 e 700 mm, preferibilmente tra 100 e 650 mm.
4. 4. Apparecchiatura secondo la precedente rivendicazione 3, in cui detto strato A Ã ̈ costituito da un materiale metallico scelto tra gli acciai al carbonio, inclusi gli acciai ad alto snervamento.
5. 5. Apparecchiatura secondo una qualsiasi delle precedenti rivendicazioni, in cui detto strato B ha uno spessore compreso tra 1 e 20 mm, preferibilmente tra 1 e 15 mm.
6. 6. Apparecchiatura secondo una qualsiasi delle precedenti rivendicazioni, in cui detto strato C ha uno spessore compreso tra 0,5 e 20 mm, preferibilmente tra 3 e 15 mm.
7. 7. Apparecchiatura secondo una qualsiasi delle precedenti rivendicazioni, in cui detto rivestimento della parete interna della cavità ha uno spessore compreso tra 1 e 20 mm, preferibilmente tra 2 e 10 mm.
8. 8. Apparecchiatura secondo una qualsiasi delle precedenti rivendicazioni, in cui lo strato in zirconio in ciascun tubo di detto fascio tubiero ha uno spessore compreso tra 0,3 e 20 mm.
9. 9. Apparecchiatura secondo una qualsiasi delle precedenti rivendicazioni, in cui ciascun tubo di detto fascio tubiero à ̈ un tubo bimetallico comprendente almeno uno strato esterno costituito da acciaio inossidabile o titanio, e uno strato interno di rivestimento, a contatto con il fluido corrosivo, costituito da zirconio o una sua lega, avente uno spessore da 0,3 a 5 mm.
10. 10. Apparecchiatura secondo la rivendicazione 9, in cui il rapporto tra lo spessore di detto strato in acciaio inossidabile o titanio e lo spessore di detto strato di rivestimento à ̈ compreso tra 1 e 20, preferibilmente da 2 a 8.
11. 11. Apparecchiatura secondo la rivendicazione 10, in cui, nel tubo bimetallico, detto strato esterno ha uno spessore da 2 a 15 mm, e detto strato interno ha uno spessore da 0,4 a 3 mm.
12. 12. Apparecchiatura secondo una qualsiasi delle precedenti rivendicazioni da 9 a 11, in cui detto tubo bimetallico à ̈ costituito da uno strato interno in zirconio saldato a tenuta ai bordi con detto strato C della piastra tubiera e da uno strato esterno in titanio saldato a forza e/o a tenuta ai bordi con detto strato B della piastra tubiera.
13. 13. Apparecchiatura secondo una qualsiasi delle precedenti rivendicazioni da 1 a 8, in cui ciascun tubo di detto fascio tubiero à ̈ costituito interamente da zirconio o una sua lega.
14. 14. Apparecchiatura secondo la precedente rivendicazione 13, in cui lo spessore di detto tubo à ̈ compreso tra 1 e 20 mm, preferibilmente tra 2 e 5 mm.
15. 15. Apparecchiatura secondo una delle precedenti rivendicazioni 13 o 14, in cui, nella piastra, detto strato C ha uno spessore compreso tra 3 e 15 mm ed à ̈ saldato a forza e a tenuta con ciascuno di detti tubi in zirconio.
16. 16. Apparecchiatura secondo una qualsiasi delle precedenti rivendicazioni, in cui tra detto strato B e detto strato C Ã ̈ interposto un ulteriore strato D in acciaio al carbonio avente uno spessore tra 2 e 10 mm.
17. 17. Apparecchiatura secondo una qualsiasi delle precedenti rivendicazioni, in cui detto strato C si estende sulla piastra tubiera fino ad una distanza di almeno 30 mm, preferibilmente almeno 50 mm, dalla parete su cui à ̈ saldata a forza la piastra tubiera.
18. 18. Apparecchiatura secondo una qualsiasi delle precedenti rivendicazioni, in cui il margine esterno di detto strato C à ̈ posto ad una distanza di almeno 10 mm, preferibilmente almeno 30 mm, dalla parete esterna dei più vicini tubi periferici del fascio tubiero.
19. 19. Uso dell'apparecchiatura in accordo con le rivendicazioni da 1 a 18 in un impianto per la sintesi dell'urea.
20. 20. Uso secondo la precedente rivendicazione 19, come “stripper†nel ciclo di sintesi ad alta pressione dell'urea.
21. 21. Metodo per la fabbricazione di una apparecchiatura a fascio tubiero secondo una qualsiasi delle precedenti rivendicazioni da 1 a 20, comprendente in successione i seguenti stadi per la preparazione della piastra tubiera: i) predisposizione di uno strato A in acciaio, preferibilmente acciaio al carbonio, atto a sopportare la spinta di pressione del fluido di processo; ii) formazione di uno strato intermedio B in titanio, disposto sul lato di detto strato A esposto al contatto con detto fluido aggressivo; iii) disposizione di uno strato anticorrosivo C in zirconio, sulla superficie di detto strato B, sul lato opposto rispetto a detto strato A, con formazione di un legame metallurgico tra le superfici degli strati B e C; caratterizzato dal fatto che detto strato B à ̈ saldato a tenuta con il rivestimento in titanio della cavità delimitata da detta piastra tubiera e detto strato C à ̈ saldato almeno a tenuta con detto strato in zirconio di ciascun tubo del fascio tubiero.
22. 22. Metodo secondo la precedente rivendicazione 21, in cui detto legame metallurgico in accordo con lo stadio (iii) à ̈ ottenuto con una metodologia di giunzione o saldatura scelta tra quelle per esplosione e “metal spraying†.
23. 23. Metodo di fabbricazione secondo una qualsiasi delle precedenti rivendicazioni da 21 a 22, in cui detto strato C ha uno spessore tra 3 e 20 mm e viene disposto e legato a detto strato B mediante il metodo di giunzione per esplosione.
24. 24. Metodo di fabbricazione secondo una qualsiasi delle precedenti rivendicazioni da 21 a 23, in cui detto fascio tubiero à ̈ costituito da tubi bimetallici ciascuno comprendente almeno uno strato esterno costituito da acciaio inossidabile e uno strato interno di rivestimento, a contatto con il fluido corrosivo, costituito da zirconio o una sua lega.
25. 25. Metodo di fabbricazione secondo la precedente rivendicazione 24, in cui, nella piastra, detto strato A Ã ̈ saldato a forza e a tenuta con detto strato in acciaio inossidabile di ciascun tubo bimetallico e detto strato C Ã ̈ saldato a tenuta con detto strato interno di rivestimento.
26. 26. Metodo di fabbricazione secondo una qualsiasi delle precedenti rivendicazioni da 21 a 23, in cui detto fascio tubiero à ̈ formato da tubi interamente costituiti da zirconio.
27. 27. Metodo di fabbricazione secondo la precedente rivendicazione 26, in cui, nella piastra, detto strato C viene saldato a forza con ciascun tubo di detto fascio tubiero.
28. 28. Processo di scambio termico tra due fluidi, almeno uno dei quali essendo un fluido corrosivo avente una pressione compresa tra 5 e 100 MPa e una temperatura tra 100 e 400 °C, e un elevato grado di aggressività verso il normale acciaio al carbonio in dette condizioni, caratterizzato dal fatto di essere condotto in una apparecchiatura in accordo con una qualsiasi delle rivendicazioni da 1 a 20.
29. 29. Processo in accordo con la precedente rivendicazione 28, costituito da una operazione di “stripping†in un processo di produzione dell'urea, in cui detto fluido corrosivo à ̈ una miscela contenente acqua, ammoniaca, anidride carbonica e carbammato di ammonio ad una pressione da 12 a 25 MPa e una temperatura da 140 a 220 °C.