ITMI20102445A1 - Scambiatore di calore per il raffreddamento di gas caldi e sistema di scambio termico - Google Patents

Scambiatore di calore per il raffreddamento di gas caldi e sistema di scambio termico Download PDF

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Description

"SCAMBIATORE DI CALORE PER IL RAFFREDDAMENTO DI GAS CALDI E SISTEMA DI SCAMBIO TERMICOâ€
Descrizione
La presente invenzione riguarda uno scambiatore di calore a fluido refrigerante per il raffreddamento di un gas caldo e la produzione simultanea di vapore. Più in particolare riguarda uno scambiatore di calore per il raffreddamento di un gas caldo proveniente da un procedimento di ossidazione parziale catalitica e con la simultanea produzione di vapore in una corrente separata.
Un problema di primaria importanza nei procedimenti che generano gas ad alta temperatura à ̈ il raffreddamento rapido dei gas caldi prodotti ed il conseguente recupero del calore in essi contenuto.
Comunemente un impianto in un procedimento che produce gas ad alta temperatura comprende:
o un reattore che genera gas caldi costituito di materiale refrattario
o una linea di trasferimento (“transfer line†) dei gas caldi verso lo scambiatore di calore, entrambe costituite di materiale refrattario.
La parte inferiore e la piastra tubiera dello scambiatore sono costituite di materiale refrattario. Lo scambiatore di calore generalmente funziona ad acqua e durante il raffreddamento genera vapore. Il vapore in eccesso à ̈ impiegato per scopi esterni al processo di scambio termico. Una delle parti più soggette a danneggiamento durante l’esercizio di questi impianti à ̈ costituita dalle zone refrattarie, le quali debbono essere accuratamente progettate e realizzate. Queste zone durante l’esercizio possono essere soggette a fratture, sia quando l’impianto opera in condizioni stazionarie sia soprattutto durante i periodi transitori di avviamento e spegnimento dell’impianto.
Difetti di posa ed usura del materiale refrattario possono accelerare la formazione di cricche durante l’esercizio industriale, soprattutto nelle parti dove si manifesta un differenziale di dilatazione termica fra refrattario e parti in acciaio. Ciò accade in particolare nei punti in cui il gas caldo prodotto à ̈ trasferito alla sezione di raffreddamento e di generazione di vapore. Le cricche possono portare gas caldo a contatto con le pareti metalliche del reattore, della linea di trasferimento e dello scambiatore di calore, e determinare un surriscaldamento delle pareti metalliche dell’involucro che opera ad alte pressioni. Per monitorare questi eventi le pareti metalliche devono essere ricoperte di una vernice termo – virante che cambia colore in caso di surriscaldamento e in alcuni punti critici à ̈ opportuno far aderire sulle superfici metalliche alcune termocoppie “di pelle†per misurare i valori di temperatura raggiunti. Il surriscaldamento delle pareti metalliche può portare a superare le temperature ammissibili e richiedere lo spegnimento dell’impianto oltre che il rifacimento della parte di refrattario danneggiata.
La Richiedente ha trovato una soluzione tecnica innovativa per risolvere le criticità di cui sopra. La soluzione tecnica proposta dalla Richiedente à ̈ la sostituzione di parte del materiale refrattario presente nel transfer line, nella parte inferiore dello scambiatore di calore e nella piastra tubiera con uno scambiatore di calore a circolazione di fluido refrigerante, come ad esempio acqua. I vantaggi offerti dalla presente invenzione sono in generale quelli di ridurre gli interventi di manutenzione, aumentare la sicurezza operativa, l’efficienza energetica, l’operatività e disponibilità nell’esercizio industriale degli impianti.
La soluzione tecnica proposta può essere vantaggiosamente applicata nei procedimenti di Ossidazione Parziale Catalitica che generano gas di sintesi ad alta temperatura. In questi casi il fluido refrigerante utilizzato può essere integrato nella circolazione interna del procedimento oppure provenire da una corrente secondaria (“side stream†).
Il brevetto US 7,552,701 divulga uno scambiatore che produce vapore surriscaldato raffreddando un gas caldo mediante acqua. Detto bollitore à ̈ un contenitore verticale unico avente sulla parte inferiore laterale un ingresso per i gas caldi. Lo scambiatore contiene almeno due condotte a spirale parallele formate da una parte verticale che si sviluppa attorno all’asse del contenitore ed una parte orizzontale che sporge lateralmente nella zona inferiore del contenitore. Le condotte a spirale si sviluppano per tutto il vessel e per una certa lunghezza sono immerse nel bagno di acqua bollente, mentre da un certo punto in poi queste si sviluppano nella parte superiore del contenitore in cui si raccoglie il gas saturo. Nello spazio di raccolta del vapore saturo le condotte hanno una camicia in cui circola vapore saturo che raffredda ulteriormente i gas caldi producendo vapore surriscaldato. Un downcomer à ̈ inserito assialmente nella parte verticale del bollitore in prossimità dell’ingresso di acqua fresca in modo da consentire una circolazione dell’acqua al suo interno verso il basso. L’acqua circola verso l’alto esternamente al downcomer. Attorno al downcomer ruota il condotto a spirale. Secondo una forma di realizzazione preferita lo scambiatore à ̈ fluidamente connesso con un reattore di ossidazione parziale, in particolare l’uscita del reattore à ̈ fluidamente connessa con l’ingresso dello scambiatore. Il brevetto non indica la presenza di materiale refrattario nella zona di ingresso allo scambiatore dei gas caldi, ma à ̈ ragionevole pensare che nel sistema accoppiato reattore – scambiatore il tratto di tubo uscente dal reattore in cui scorrono i gas caldi sia costituito di materiale refrattario come il resto del reattore. Quindi la parte di collegamento tra reattore e scambiatore resta un punto critico, da un punto di vista meccanico, in quanto soggetto ad elevate temperature che possono causare la formazione di cricche.
Il brevetto US 4,029,054 divulga uno scambiatore per il raffreddamento mediante un fluido freddo di gas molto caldi, quali ad esempio il gas di sintesi grezzo, il cui scopo à ̈ quello di recuperare l’energia termica contenuta in detti gas. Lo scambiatore comprende due camere distinte e separate mediante un piatto separatore (piano o sferico), ma connesse tra loro attraverso i tubi di passaggio dei gas caldi. La camera inferiore à ̈ la zona di alimentazione dei gas caldi ed à ̈ rivestita di materiale refrattario. La camera superiore à ̈ la zona di raffreddamento dei gas caldi e comprende almeno una linea primaria per il fluido freddo. Le linee di passaggio del gas caldo attraversano il piatto di separazione e sono incamiciate con fluido freddo circolante attraverso un circuito secondario di fluido freddo. Detto circuito secondario à ̈ necessario in quanto questo à ̈ il punto in cui il gas ha la temperatura più alta, esso assicura un ottimale raffreddamento di una zona critica. A supporto di ciò la parte inferiore del piatto di separazione à ̈ costituita di materiale refrattario. Le linee di passaggio del gas caldo sono connesse alle linee di scarico poste sulla testa della camera superiore mediante tubi di raffreddamento di forma elicoidale avvolti attorno ad un tubo centrale assiale. Per avere uno scambio termico molto buono il fluido freddo à ̈ forzato a circolare verso il basso nella zona centrale di detto tubo e verso l’alto nello spazio anulare esternamente al tubo seguendo un moto rotatorio in modo da favorire uno scambio termico più efficace.
Il brevetto US 4,488,513 divulga uno scambiatore per raffreddare un gas caldo, in particolare gas di sintesi proveniente da processi di ossidazione parziale, recuperando così il calore sensibile e producendo contemporaneamente vapore surriscaldato. Lo scambiatore comprende due zone separate e distinte poste una sopra l’altra, connesse tra loro mediante una seria di linee di passaggio dei gas caldi opportunamente incamiciati. La parte superiore comprende un vaso in pressione verticale, cilindrico e chiuso avente un’uscita nella parte superiore per il vapore surriscaldato. Questo vaso à ̈ riempito parzialmente con acqua in ebollizione che costituisce la prima zona di raffreddamento dei gas caldi, mentre la parte superiore à ̈ libera e satura di vapore surriscaldato che costituisce la seconda zona di raffreddamento. Attorno all’asse centrale sono disposti in modo uniforme radialmente fasci di tubi elicoidali in cui un’elica à ̈ ascendente ed una discendente. Il bagno di acqua bollente riempie il vaso sino al fondo del vaso ed à ̈ connesso con un’alimentazione di acqua. La parte inferiore à ̈ rivestita di materiale refrattario ed à ̈ la zona di alimentazione del gas caldo. In questa zona il gas caldo à ̈ diviso in una serie di tubi di passaggio incamiciati connessi con i fasci di tubi elicoidali della zona superiore. La camicia dei tubi di passaggio ha lo scopo di evitare danneggiamenti dovuti alle alte temperature.
Il brevetto US 4,462,339 divulga uno scambiatore per il raffreddamento di gas caldi mediante acqua, come quelli provenienti dalle ossidazioni parziali, recuperando così il calore sensibile e producendo contemporaneamente vapore saturo e/o surriscaldato. Lo scambiatore comprende due parti distinte e separate, connesse tra loro mediante passaggi anulari incamiciati in cui circola acqua. La parte inferiore à ̈ rivestita di materiale refrattario e costituisce la camera di alimentazione del gas caldo. La parte superiore à ̈ un vaso chiuso, cilindrico, verticale ed in pressione contenente una camera centrale cilindrica chiusa sul fondo ed aperta in testa contenente almeno un fascio di tubi elicoidali, un’uscita di testa centrale per il gas saturo, più fasci di tubi elicoidali che si estendono nella zona anulare tra la camera centrale e la parete del vaso. L’uscita dei tubi elicoidali della zona anulare à ̈ connessa all’ingresso dei tubi elicoidali della camera centrale. L’acqua circola nella zona anulare evaporando e producendo vapore saturo. Il vapore saturo può essere scaricato oppure surriscaldato nella camera centrale attraverso un’uscita di scarico posta sul fondo della camera. La zona in cui à ̈ presente acqua à ̈ la parte inferiore del vaso verticale superiore ed à ̈ divisa in due aree da un setto orizzontale: quella compresa tra il fondo del vaso ed il setto percorsa dai tubi di passaggio del gas incamiciati, e quella sottostante la camera centrale e soprastante il setto in cui circola acqua bollente. I tubi sono incamiciati allo scopo di prevenire danni dovuti alle alte temperature dei gas entranti.
• In una forma di realizzazione la presente invenzione riguarda uno scambiatore di calore per il raffreddamento di gas caldi mediante un fluido refrigerante, preferibilmente acqua, detto scambiatore comprendente:almeno un serbatoio orientato verticalmente contenente un bagno di fluido refrigerante ed avente uno spazio di raccolta della fase vapore generata sopra detto bagno di fluido refrigerante,
• almeno un elemento tubolare verticale inserito internamente a detto serbatoio, aperto alle estremità e coassiale a detto serbatoio,
• almeno un condotto a spirale che ruota attorno all’asse del serbatoio, inserito in detto elemento tubolare coassiale,
• almeno una uscita per la fase vapore generata sulla testa di detto serbatoio,
detto scambiatore caratterizzato dal fatto che nella parte inferiore del serbatoio verticale à ̈ inserita almeno una linea di trasferimento per alimentare i gas caldi a detto serbatoio,
detta linea di trasferimento essendo aperta alle due estremità di cui una connessa con il serbatoio verticale e l’altra libera ed esterna a detto serbatoio,
detta linea di trasferimento essendo di forma tubolare e sporgente lateralmente fuori da detto scambiatore,
detta linea di trasferimento contenente almeno un condotto centrale interno avente una camicia esterna in cui circola un fluido refrigerante,
detto condotto centrale interno essendo fluidamente connesso al condotto a spirale e sviluppandosi verticalmente lungo l’elemento tubolare inserito nel serbatoio verticale.
Vantaggiosamente la presente invenzione consente di eliminare completamente il materiale refrattario che riveste la linea di trasferimento dei gas caldi e tutta la parte inferiore degli scambiatori usati nei procedimenti che generano gas ad elevate temperature ed in particolare nei tradizionali procedimenti di Ossidazione Parziale Catalitica. L’unica unità operativa in cui rimane il materiale refrattario à ̈ l’apparecchiatura di reazione. Inoltre l’assetto meccanico della presente invenzione consente di separare i prodotti gassosi ad alta temperatura dalle pareti metalliche dello scambiatore che si trova in pressione, mediante almeno due condotti metallici aventi ognuno almeno un circuito di raffreddamento a doppia circolazione di fluido refrigerante (per esempio acqua). Con questo accorgimento, vantaggiosamente, si garantisce che le pareti metalliche della linea di trasferimento e della parte inferiore dello scambiatore, parti tutte in pressione, non superino mai la temperatura del fluido refrigerante, acqua, creando così una sicurezza passiva intrinseca. In questo modo si accresce la sicurezza intrinseca del procedimento di scambio termico stesso. L’intero sistema beneficia di un aumento della produzione di vapore (se l’acqua à ̈ il fluido refrigerante) in quanto aumenta la superficie di scambio termico disponibile. Infine la sostituzione di parte del materiale refrattario con un sistema di circolazione a fluido refrigerante facilita lo scale – up verso impianti di grandi dimensioni, poiché la linea di trasferimento dei gas caldi può essere facilmente moltiplicabile.
Ulteriori scopi e vantaggi della presente invenzione appariranno maggiormente chiari dalla descrizione che segue e dai disegni annessi, forniti a puro titolo esemplificativo e non limitativo.
Figura 1 rappresenta una forma di realizzazione dello scambiatore oggetto della presente invenzione in cui:
- (5) Ã ̈ una linea di trasferimento per alimentare i gas caldi (1),
- (2) Ã ̈ un condotto centrale interno,
- (3 e 3a) Ã ̈ un setto inserito nella camicia del condotto centrale interno (2),
- (4) Ã ̈ una camicia intorno al condotto centrale interno (2),
- (6) à ̈ un’intercapedine conica che divide in due spazi il bagno di fluido refrigerante, uno aperto verso il serbatoio verticale (6a) ed uno aperto verso la linea di trasferimento (6b),
- (7) Ã ̈ una linea di collegamento,
- (8) Ã ̈ un mezzo per far circolare fluidi refrigeranti, per esempio acqua,
- (9) Ã ̈ un condotto verticale,
- (10) Ã ̈ un condotto a spirale,
- (11) à ̈ un bocchello di uscita per i gas raffreddati, - (12) à ̈ un bocchello di uscita per la fase vapore generata, per esempio vapore d’acqua,
- (13) Ã ̈ un elemento verticale tubolare inserito nel serbatoio verticale.
Descrizione dettagliata.
Lo scambiatore di calore oggetto della presente invenzione ha la funzione di raffreddare gas caldi mediante un fluido refrigerante, preferibilmente acqua. I gas caldi possono essere preferibilmente gas di sintesi e provenire preferibilmente da procedimenti di ossidazione parziale catalitica in cui l’agente ossidante à ̈ ossigeno e la temperatura di reazione à ̈ compresa tra 500°C e 2000°C, preferibilmente compresa tra 750°C e 1600°C.
Lo scambiatore oggetto della presente invenzione comprende: - almeno un serbatoio orientato verticalmente, contenente un bagno di fluido refrigerante, preferibilmente acqua, sopra il quale si trova uno spazio di raccolta della fase vapore generata, preferibilmente vapore acqueo, - almeno un elemento tubolare verticale inserito internamente a detto serbatoio, detto elemento aperto alle estremità e coassiale al serbatoio
- almeno un condotto a spirale che ruota attorno all’asse del serbatoio, inserito in detto elemento tubolare coassiale,
- almeno una uscita per la fase vapore generata sulla testa di detto serbatoio.
Detto scambiatore à ̈ caratterizzato dal fatto che nella parte inferiore del serbatoio verticale à ̈ inserita almeno una linea di trasferimento, orizzontale o inclinata, per alimentare i gas caldi a detto serbatoio. Detta linea di trasferimento à ̈ aperta alle due estremità, delle quali una à ̈ connessa con il serbatoio verticale e l’altra à ̈ libera ed esterna a serbatoio stesso. Detta linea di trasferimento può preferibilmente avere forma tubolare e sporgere lateralmente fuori dallo scambiatore. Detta linea di trasferimento contiene almeno un condotto centrale interno, preferibilmente tubolare, avente una camicia esterna in cui circola un fluido refrigerante, detto condotto centrale interno essendo fluidamente connesso al condotto a spirale e sviluppandosi verticalmente lungo l’elemento tubolare inserito nel serbatoio verticale.
La camicia del condotto centrale à ̈ preferibilmente tubolare e coassiale al condotto centrale interno. Detta camicia contiene inoltre un setto, preferibilmente tubolare e coassiale al condotto centrale, per consentire la circolazione interna del fluido refrigerante. Detto setto preferibilmente si sviluppa per tutta la lunghezza del condotto centrale interno sino all’estremità superiore di detto condotto.
Il setto consente di separare i flussi di fluido refrigerante: il flusso di fluido freddo monofase circola dal serbatoio verticale verso l’estremità libera della linea di trasferimento, il flusso misto di fluido caldo, preferibilmente la fase mista acqua – vapore, circola verso il serbatoio verticale. Detto setto nella parte verticale del serbatoio forma un’intercapedine tra fluido caldo in fase mista e fluido freddo monofase, creando un differenziale di densità ed un differenziale di pressione, necessari per consentire la circolazione naturale del fluido refrigerante.
Nella linea di trasferimento à ̈ presente inoltre un’intercapedine preferibilmente di forma conica che divide il bagno di fluido refrigerante in due spazi di cui uno spazio aperto verso il serbatoio verticale e l’altro aperto verso l’estremità libera ed aperta della linea di trasferimento. Tra i due spazi si crea un differenziale di pressione che favorisce l’insorgere della circolazione naturale del fluido refrigerante.
Lo scambiatore oggetto della presente invenzione comprende inoltre una linea di collegamento tra il fondo del serbatoio verticale e la linea di trasferimento. Preferibilmente su detta linea di collegamento può essere presente almeno un mezzo per far circolare il fluido refrigerante. Detti mezzi sono preferibilmente una pompa di circolazione (circolazione forzata) oppure un eiettore alimentato da una pompa di circolazione (circolazione naturale assistita).
Facendo ora riferimento alla Figura 1 il gas caldo (1) entra nel condotto centrale interno (2) e prosegue lungo la linea di trasferimento (5), per tutto il condotto verticale (9) ed il condotto a spirale (10) fino al bocchello di uscita (11). I condotti sono tutti immersi in un bagno di fluido refrigerante da cui nasce la circolazione interna dello stesso. Detto fluido refrigerante scorre lungo la linea di collegamento (7) lungo la quale può essere inserito un mezzo per far circolare detto fluido (8). Quindi, il fluido refrigerante entra nell’intercapedine conica (6b), fino alla camicia (4) del condotto centrale (2) divisa dal setto (3 e 3a). Il fluido refrigerante internamente ed esternamente al setto scorrono in equi -corrente rispetto al setto (3). La fase mista del fluido refrigerante si mescola al bagno di fluido refrigerante nell’elemento tubolare verticale (13). La Figura 1 illustra inoltre la presenza di un elemento tubolare interno (13) al serbatoio verticale che contiene le condotte a spirale (10) e crea una zona anulare tra pareti del serbatoio e dette condotte a spirale. In questa zona anulare si crea una forte circolazione discendente del fluido refrigerante monofase che favorisce lo scambio termico. Il vapore generato durante il raffreddamento dei gas caldi si accumula nella testa del serbatoio verticale ed esce dal bocchello di testa (12).
Un ulteriore forma di realizzazione della presente invenzione à ̈ un sistema di scambio termico comprendente almeno un’apparecchiatura di reazione per l’ossidazione parziale catalitica e lo scambiatore sopra descritto. Detta apparecchiatura di reazione comprende:
• una zona di alimentazione includente almeno un accesso per i reagenti liquidi e gassosi e l’ossidante,
• una zona di nebulizzazione e/o vaporizzazione comprendente almeno un dispositivo di nebulizzazione e/o vaporizzazione,
• una zona di miscelazione dei composti alimentati posta a valle del dispositivo di nebulizzazione e/o vaporizzazione, includente il dispositivo di miscelazione avente sezione costante o decrescente lungo l’asse dell’apparecchiatura,
• una zona di reazione contenente almeno un sistema catalitico ed almeno uno schermo termico in cui reagenti ed ossidante sono convertiti in gas caldi,
• una zona di raffreddamento rapido dei gas caldi prodotti.
Lo scambiatore impiegato in detto sistema di scambio termico à ̈ caratterizzato dal fatto che la linea di trasferimento per alimentare i gas caldi provenienti dalle apparecchiature di reazione allo scambiatore à ̈ inserita direttamente all’interno delle apparecchiature di reazione, preferibilmente à ̈ inserita nella zona di raffreddamento rapido delle apparecchiature di reazione.
La zona di reazione ha preferibilmente sezione costante o crescente lungo l’asse dell’apparecchiatura, più preferibilmente ha forma cilindrica o tronco – conica oppure tronco – piramidale. La zona di miscelazione ha preferibilmente forma cilindrica o tronco – conica oppure tronco – piramidale.
- Il dispositivo di nebulizzazione e/o vaporizzazione può essere analogo a quello divulgato nel brevetto concesso EP1796825, cui si rimanda per dettagli più particolari, essenzialmente costituito da:una zona di alimentazione dotata di mezzi adatti ad alimentare una corrente liquida, una corrente disperdente gassosa ed un’ulteriore corrente gassosa,
- almeno una zona di nebulizzazione a due stadi della corrente liquida con la corrente disperdente gassosa, - una zona di distribuzione dell’ulteriore corrente gassosa,
in cui
- il primo stadio della zona di nebulizzazione essendo costituito da un’anima tubolare, percorsa dalla corrente liquida, dotata di opportuna serie di ugelli, disposti fra di loro alla stessa altezza, e da una camicia esterna coassiale a detta anima, percorsa dalla corrente disperdente gassosa, dove detti ugelli consentono l’entrata nell’anima tubolare della corrente disperdente gassosa in modo perpendicolare all’asse di detta anima tubolare, provocando una prima nebulizzazione della corrente liquida,
- il secondo stadio della zona di nebulizzazione essendo sostanzialmente costituito da uno o più ugelli collegati in fondo all’anima tubolare, paralleli all’asse di detta anima tubolare, per aumentarne il grado di nebulizzazione,
- la zona di distribuzione essendo sostanzialmente costituita da un’ulteriore corrente gassosa, esterna e coassiale alla camicia del primo stadio di nebulizzazione, e da una serie di ugelli, collegati al fondo di detta ulteriore camicia, disposti fra di loro alla stessa altezza e rispetto all’asse dell’anima tubolare paralleli oppure inclinati con un angolo minore di 40°.
Il dispositivo di miscelazione può essere analogo a quello divulgato nella domanda di brevetto US08/0244974 cui si rimanda per dettagli più particolari, essenzialmente costituito da:
- una prima zona di alimentazione dotata di mezzi per consentire ad un primo fluido, gassoso nelle condizioni operative, di entrare in senso assiale;
- una sottostante zona di distribuzione contenente un fascio di tubi paralleli all’asse al cui interno detto fluido si distribuisce uniformemente;
- una seconda zona di alimentazione dotata di mezzi per consentire ad un secondo fluido di entrare nella zona di distribuzione contenente il fascio di tubi paralleli e di distribuirsi uniformemente all’esterno di detti tubi paralleli;
- una zona di miscelazione separata dalla zona di distribuzione da una piastra tubiera supportante detti tubi paralleli,
detta piastra tubiera presentando fessure o orifizi, allo scopo di far uscire uniformemente in senso assiale il secondo fluido nella zona di miscelazione, e detti tubi paralleli estendendosi oltre detta piastra tubiera fin nella zona di miscelazione.
I vantaggi tecnici conseguiti dal sistema di scambio termico di cui sopra e dallo scambiatore stesso sono:
∗ la riduzione degli interventi manutentivi,
∗ la realizzazione di un modulo fortemente integrato di produzione dei gas caldi e di raffreddamento di detti gas caldi con generazione di vapore, nel caso in cui il fluido refrigerante sia acqua,
∗ la possibilità di pre – assemblare un sistema trasportabile ed installarlo nei siti di utilizzo riducendo tempi e costi,
∗ nelle applicazioni relative ai procedimenti di ossidazione parziale catalitica a basso tempo di contatto (SCT – CPO) à ̈ consentita la possibilità di installare reattori di produzione dell’idrogeno esistenti in parallelo ad un impianto SCT – CPO con due “tie – in - points†riducendo al minimo le interferenze nei siti di utilizzo.
Un’ulteriore forma di realizzazione della presente invenzione à ̈ un procedimento di ossidazione parziale catalitica per la produzione di gas di sintesi e idrogeno a partire dai reagenti scelti fra idrocarburi liquidi, idrocarburi gassosi, e/o composti ossigenati, anche derivanti da bio-masse, e loro miscele, detto procedimento comprendente:
- una fase di pre – riscaldamento di detti reagenti, - una fase di reazione dei reagenti con una corrente ossidante scelta fra ossigeno, aria o aria arricchita a dare una corrente che include gas di sintesi,
- una fase di raffreddamento rapido del gas di sintesi prodotto effettuato utilizzando lo scambiatore oggetto della presente invenzione.
In una forma preferita di detto procedimento l’agente ossidante à ̈ ossigeno e la temperatura di reazione varia da 500°C a 2000°C, preferibilmente da 750°C a 1600°C.
Il procedimento oggetto della presente invenzione comprende eventualmente una fase di idrodesolforazione. Inoltre detto procedimento comprende una fase di conversione del monossido di carbonio contenuto nel gas di sintesi ad anidride carbonica mediante reazione di Water Gas Shift, successivamente una fase di rimozione di detta anidride carbonica, ed una fase di separazione e/o purificazione dell’idrogeno contenuto nei prodotti di reazione dopo Water Gas Shift.

Claims (21)

  1. RIVENDICAZIONI 1. Uno scambiatore di calore per il raffreddamento di gas caldi mediante un fluido refrigerante, detto scambiatore comprendente: • almeno un serbatoio orientato verticalmente contenente un bagno di fluido refrigerante ed avente uno spazio di raccolta della fase vapore generata sopra detto bagno di fluido refrigerante, • almeno un elemento tubolare verticale inserito internamente a detto serbatoio, aperto alle estremità e coassiale a detto serbatoio, • almeno un condotto a spirale che ruota attorno all’asse del serbatoio, inserito in detto elemento tubolare coassiale, • almeno una uscita per la fase vapore generata sulla testa di detto serbatoio, detto scambiatore caratterizzato dal fatto che nella parte inferiore del serbatoio verticale à ̈ inserita almeno una linea di trasferimento per alimentare i gas caldi a detto serbatoio, detta linea di trasferimento essendo aperta alle due estremità di cui una connessa con il serbatoio verticale e l’altra libera ed esterna a detto serbatoio, detta linea di trasferimento essendo di forma tubolare e sporgente lateralmente fuori da detto scambiatore, detta linea di trasferimento contenente almeno un condotto centrale interno avente una camicia esterna in cui circola un fluido refrigerante, detto condotto centrale interno essendo fluidamente connesso al condotto a spirale e sviluppandosi verticalmente lungo l’elemento tubolare inserito nel serbatoio verticale.
  2. 2. Lo scambiatore secondo la rivendicazione 1 in cui la linea di trasferimento contiene inoltre un’intercapedine di forma conica che divide il bagno d’acqua in due spazi, uno spazio aperto verso il serbatoio verticale ed uno spazio aperto verso l’estremità libera ed aperta di detta linea di trasferimento.
  3. 3. Lo scambiatore di calore secondo la rivendicazione 1 in cui detta linea di trasferimento à ̈ orizzontale o inclinata.
  4. 4. Lo scambiatore secondo la rivendicazione 1 che comprende inoltre una linea di collegamento tra il fondo del serbatoio verticale e la linea di trasferimento.
  5. 5. Lo scambiatore secondo la rivendicazione 4 in cui sulla linea di collegamento à ̈ presente almeno un mezzo per far circolare il fluido refrigerante.
  6. 6. Lo scambiatore secondo le rivendicazioni 4 e 5 in cui il mezzo per far circolare il fluido refrigerante à ̈ una pompa di circolazione oppure un eiettore alimentato da una pompa di circolazione.
  7. 7. Lo scambiatore secondo la rivendicazione 1 in cui il condotto centrale interno à ̈ tubolare.
  8. 8. Lo scambiatore secondo la rivendicazione 1 in cui la camicia à ̈ tubolare e coassiale al condotto centrale interno.
  9. 9. Lo scambiatore di calore secondo la rivendicazione 1 in cui la camicia del condotto centrale interno comprende inoltre un setto per consentire la circolazione interna del fluido refrigerante.
  10. 10. Lo scambiatore di calore secondo la rivendicazione 9 in cui il setto à ̈ tubolare e coassiale al condotto centrale interno.
  11. 11. Lo scambiatore di calore secondo la rivendicazione 1 in cui il setto contenuto nella camicia si sviluppa per tutta la lunghezza del condotto centrale interno sino all’estremità superiore di detto condotto.
  12. 12. Lo scambiatore secondo le rivendicazioni da 1 a 11 in cui il fluido refrigerante à ̈ acqua.
  13. 13. Lo scambiatore secondo le rivendicazioni da 1 a 11 in cui il gas caldo à ̈ gas di sintesi.
  14. 14. Un sistema di scambio termico comprendente almeno un’apparecchiatura di reazione per l’ossidazione parziale catalitica e lo scambiatore secondo la rivendicazione 1, detta apparecchiatura di reazione comprendente: • una zona di alimentazione comprendente almeno un accesso per i reagenti e l’ossidante, • una zona di nebulizzazione e/o vaporizzazione comprendente almeno un dispositivo di nebulizzazione e/o vaporizzazione, • una zona di miscelazione dei composti alimentati posta a valle del dispositivo di nebulizzazione e/o vaporizzazione, a sezione costante o decrescente lungo l’asse dell’apparecchiatura, • una zona di reazione contenente almeno un sistema catalitico ed almeno uno schermo termico in cui reagenti ed ossidante sono convertiti in gas caldi, • una zona di raffreddamento rapido dei gas caldi prodotti, detto scambiatore caratterizzato dal fatto che la linea di trasferimento per alimentare allo scambiatore detti gas caldi, provenienti dalle apparecchiature di reazione, à ̈ inserita direttamente all’interno di dette apparecchiature di reazione.
  15. 15. Il sistema di scambio termico secondo le rivendicazioni 14 in cui la zona di reazione ha sezione costante o crescente lungo l’asse dell’apparecchiatura di reazione.
  16. 16. Il sistema di scambio termico secondo la rivendicazione 14 in cui la linea di trasferimento dei gas caldi à ̈ inserita nella zona di raffreddamento rapido delle apparecchiature di reazione.
  17. 17. Il sistema di scambio termico secondo la rivendicazione 14 in cui la zona di miscelazione ha forma cilindrica o tronco – conica.
  18. 18. Il sistema di scambio termico secondo la rivendicazione 14 in cui la zona di reazione ha forma cilindrica o tronco – conica oppure tronco – piramidale.
  19. 19. Un procedimento di ossidazione parziale catalitica per la produzione di gas di sintesi e idrogeno a partire dai reagenti scelti fra idrocarburi liquidi, idrocarburi gassosi, e/o composti ossigenati, anche derivanti da biomasse, e loro miscele, comprendente: • una fase di pre – riscaldamento di detti reagenti, • una fase di reazione dei reagenti con una corrente ossidante scelta fra ossigeno, aria o aria arricchita a dare una corrente che include gas di sintesi, • una fase di raffreddamento rapido del gas di sintesi, caratterizzato dal fatto che il raffreddamento rapido del gas di sintesi à ̈ effettuato utilizzando lo scambiatore secondo le rivendicazioni dalla 1 alla 13.
  20. 20. Il procedimento secondo la rivendicazione 19 in cui l’agente ossidante à ̈ ossigeno e la temperatura di reazione varia tra 500°C e 2000°C.
  21. 21. Il procedimento secondo la rivendicazione 20 in cui la temperatura di reazione varia tra 750°C e 1600°C.
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