MXPA02010882A

MXPA02010882A - Lecho inclinado para intercambiador de calor regenerativo.

Info

Publication number: MXPA02010882A
Application number: MXPA02010882A
Authority: MX
Inventors: P Bria Michael
Original assignee: Megtec Sys Inc
Priority date: 2000-05-12
Filing date: 2001-04-16
Publication date: 2003-03-27
Also published as: CZ20023705A3; PL200012B1; CN1444712A; WO2001088436A1; US6264464B1; CA2407109C; EP1281024A1; CN1191453C; JP4718095B2; JP2003533663A; NO20025390D0; AU2001253600B2; PL365192A1; AU5360001A; CA2407109A1; NO20025390L; EP1281024A4

Abstract

La presente invencion se relaciona con uno o mas intercambiadores de calor en comunicacion con una zona de combustion (30), cada intercambiador de calor (10, 20) contiene una matriz (15) de medios de intercambio de calor, la matriz (15) tiene una pluralidad de pasajes de flujo paralelos definidos o substancialmente paralelos, la matriz esta a un angulo ligeramente por arriba de la horizontal en la direccion a la zona de combustion (30). La presente invencion esta tambien dirigida a un aparato termico regenerativo que incluye uno o mas intercambiadores de calor (10, 20) que contienen la matriz (15) en angulo.

Description

LECHO INCLINADO PARA IN ERCAMBIADOR DE CALOR REGENERATIVO ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN La presente invención se relaciona con el arreglo de medios de intercambio de calor en aparatos oxidantes térmicos regenerativos (RTO, por sus siglas en inglés) , y con los aparatos oxidantes térmicos resultantes. Los aparatos oxidantes térmicos regenerativos se utilizan generalmente para la destrucción de compuestos orgánicos volátiles (VOC, por sus siglas en inglés) en emisiones de alto flujo y baja concentración de las plantas industriales y de energía. Típicamente los aparatos oxidantes térmicos regenerativos requieren altas temperaturas de oxidación con el objeto de alcanzar una alta destrucción de compuestos orgánicos volátiles y alta eficiencia de recuperación de calor. Para lograr con más eficiencia estas características, el gas de proceso "sucio" el cual va a tratarse se precalienta antes de la oxidación en una columna de intercambio de calor. La columna se empaca usualmente con un material de intercambio de calor que tiene buena estabilidad térmica y mecánica y gran masa térmica. En la operación, el gas de proceso se alimenta a través de una columna de intercambio de calor previamente calentada, la cual, a su vez, calienta el gas de proceso a una temperatura que se aproxima o que alcanza la temperatura de oxidación de REF: 143132 sus compuestos orgánicos volátiles. Este gas de proceso precalentado es dirigido después dentro de una zona de combustión en donde normalmente se completa la oxidación de compuestos orgánicos volátiles, si es necesario. El gas "limpio" tratado es dirigido posteriormente fuera de la zona de combustión y de regreso a la columna de intercambio de calor, o, de acuerdo con un proceso más eficiente a través de una segunda columna de intercambio de calor. Al alimentarse el gas oxidado caliente a través de esta segunda columna, el gas transfiere su calor al medio de intercambio de calor en esa columna, enfriando al gas y precalentando el medio de intercambio de calor de tal manera que puede precalentarse otro lote de gas de proceso a través de la segunda columna después de que el aparato oxidante se somete al ciclo de operación. Usualmente, un aparato oxidante térmico regenerativo tiene al menos dos columnas de intercambio de calor las cuales reciben alternativamente gases de proceso y tratados. Este proceso se lleva a cabo continuamente, permitiendo que el gas de proceso sea tratado eficientemente . El desempeño de un aparato oxidante térmico regenerativo puede optimizarse incrementando la eficiencia de destrucción de compuestos orgánicos volátiles y por la reducción de costos de operación y de capital. En la literatura se ha dirigido la atención a la técnica de incrementar la eficiencia de destrucción de compuestos orgánicos volátiles usando, por ejemplo, medios tales como sistemas de oxidación mejorados y sistemas de purga. Los costos de operación pueden reducirse incrementando la eficiencia de recuperación de calor, y por la reducción de la caída de presión a través del aparato oxidante. Los costos de operación y de capital pueden reducirse diseñando apropiadamente el aparato oxidante térmico regenerativo y por la selección apropiada de materiales de empaque de transferencia de calor. Mientras que los aspectos de diseño de los aparatos oxidantes térmicos regenerativos han sido el objeto de la literatura anterior de patentes, el arreglo del material de empaque de transferencia de calor no se ha tratado suficientemente. Un arreglo horizontal para un intercambiador de calor puede usarse en aplicaciones tales como un aparato oxidante regenerativo como se muestra en la figura 1. El aparato oxidante incluye dos intercambiadores de calor opuestos con una zona de combustión central en comunicación una con la otra . Cada intercambiador de calor está compuesto de una matriz de bloques de monolitos apilados que tienen una pluralidad de pasajes de flujo de vapor usualmente paralelos para el flujo de gas de proceso. Los bloques apilados están apropiadamente alineados de tal manera que sus pasajes de flujo de vapor se alinean, definiendo una pluralidad de pasajes desde la entrada de la columna de intercambio de calor hasta la salida. Sin embargo, un arreglo de este tipo puede tener un problema con fuerzas de arrastre grandes en los bloques de los medios en el extremo caliente de la matriz de intercambio de calor (es decir, el extremo más alejado desde la entrada (o salida, según sea el caso) y más cercano a la zona de combustión) . Para una combinación de alta temperatura y alta velocidad de aire, la fuerza de arrastre puede ser suficientemente grande para provocar que un bloque de los medios se mueva fuera de la matriz, especialmente si el bloque tiene una ligera inclinación hacia adelante desde la horizontal . Estas fuerzas pueden provocar la fractura y falla prematura de los monolitos dando como resultado un paro costoso y no programado del aparato oxidante térmico regenerativo y el reemplazo de los monolitos, o al menos, un paro necesario para arreglar apropiadamente la matriz ahora alterada. Este problema no ocurre en intercambiadores de calor en donde la matriz esta dispuesta en forma vertical (es decir, el flujo de gas es vertical a través de la matriz) , porque las fuerzas gravitacionales debido al peso de la matriz resisten tales fuerzas. Este problema en lechos horizontales puede resolverse uniendo entre sí la matriz tal como con mortero, y usando material que se expande para producir una fuerza de compresión sobre la matriz y sostenerla en su lugar. Sin embargo, con el tiempo, ambos métodos pueden fallar, especialmente en vista del ambiente de alta temperatura de los lechos intercambiadores de calor. De hecho, el mortero puede quebrarse o fracturarse y se puede debilitar la fuerza de compresión inducida por el material de expansión. Por lo tanto un objeto de la presente invención es proporcionar un arreglo de un medio de intercambio de calor el cual permita el flujo horizontal o substancialmente horizontal del gas de proceso desde la entrada hasta la salida, pero que contrarreste las fuerzas de arrastre que pudieran ocurrir.

BREVE DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN Los problemas de la técnica anterior han sido superados por medio de la presente invención, la cual está dirigida a uno o más intercambiadores de calor en comunicación con una zona de combustión y que contienen una matriz de medios de intercambio de calor, la matriz tiene una pluralidad de pasajes de flujo definidos paralelos o substancialmente paralelos, la matriz está ligeramente en ángulo sobre la horizontal en dirección hacia la zona de combustión. La presente invención está dirigida también a un aparato oxidante térmico regenerativo que incluye un único o más intercambiadores de calor que contienen la matriz en ángulo.

BREVE DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS La figura 1 es una vista en sección transversal de un aparato oxidante térmico regenerativo horizontal de conformidad con la técnica anterior; la figura 2 es una vista en sección transversal de un aparato . oxidante térmico regenerativo horizontal de conformidad con la presente invención; la figura 3 es una vista de un extremo de un aparato oxidante térmico regenerativo horizontal de conformidad con una modalidad de la presente invención; la figura 4 es una vista de la sección transversal de un aparato oxidante térmico regenerativo de conformidad con una modalidad alternativa de la presente invención; la figura 5 es una vista de la sección transversal de un aparato oxidante térmico regenerativo de conformidad aún con otra modalidad alternativa de la presente invención; y la figura 6 es una vista de la sección transversal de la matriz de intercambio de calor de la modalidad de la figura 5. DESCRIPCIÓN DETALLADA DE LA INVENCIÓN Con referencia ahora a la figura 2, se muestra una modalidad de la presente invención en donde están presentes dos intercambiadores de calor 10, 20 en comunicación fluida con una zona de combustión localizada centralmente 30. Esta modalidad es similar a la mostrada en la figura 1, excepto por la colocación del medio de intercambio de calor. Cada intercambiador de calor incluye un extremo frío 11 y un extremo caliente 12. El extremo frío 11 sirve como una entrada para el gas de proceso relativamente frío que contiene compuestos orgánicos volátiles que van a oxidarse, o como una salida para el gas de proceso relativamente frío cuyos compuestos orgánicos volátiles se han oxidado, dependiendo del ciclo del aparato oxidante en cualquier tiempo dado. Espaciado de cada extremo frío 11 se encuentra un extremo caliente 12, que en cada caso está más cercano a la zona de combustión 30. Entre el extremo frío 11 y el extremo caliente 12 de cada intercambiador de calor, se coloca una matriz de medios refractarios de intercambio de calor. En la modalidad preferida, la matriz 15 de los medios de intercambio de calor es uno o más bloques monolíticos, teniendo cada uno una pluralidad de pasajes de flujo de vapor definidos . Las columnas de intercambio de calor están dispuestas en lados opuestos de la zona de combustión 30 de tal manera que los pasajes axiales de flujo de gas en los medios de intercambio de calor en una de las columnas se extiende en una dirección hacia la otra columna. Con mayor preferencia, la matriz 15 consiste de una pluralidad de bloques monolíticos apilados, los bloques están apilados de tal manera que sus pasajes de flujo de vapor están axialmente alineados, permitiendo de esta manera que fluya el gas de proceso del extremo frío de cada lecho al extremo caliente de cada lecho, o viceversa. Las estructuras monolíticas adecuadas para la matriz 15 incluyen aquellas que tienen aproximadamente 7.75 celdas/centímetro cuadrado (50 celdas/pulgada cuadrada) y que permiten el flujo laminar y baja caída de presión. Tales bloques tienen una serie de pequeños canales o pasajes formados en ellos que permiten que el gas pase a través de la estructura en trayectorias predeterminadas, generalmente a lo largo de un eje paralelo al flujo de gas a través de la columna de intercambio de calor. Más ejemplos específicos de estructuras monolíticas adecuadas son panales de cerámica mulita que tienen 40 celdas por elemento (dimensiones externas de 150 mm x 150 mm) disponibles comercialmente de Frauenthal Keramik A.G.; y estructuras monolíticas que tienen dimensiones de aproximadamente 133.35 mm x 133.35 mm x 304.8 mm (5.25 pulgadas x 5.25 pulgadas x 12.00 pulgadas). Estos últimos bloques contienen una pluralidad de canales cuadrados paralelos (6.2-7.75 canales por centímetro cuadrado (40-50 canales por pulgada cuadrada) ) , con una sola sección transversal del canal de aproximadamente 3 mm x 3 mm rodeado por una pared de aproximadamente 0.7 mm de espesor. Por lo tanto, puede determinarse una sección transversal libre de aproximadamente 60-70% y una área superficial específica de aproximadamente 850 a 1000 m2/m3. También son apropiados los bloques de monolitos que tienen dimensiones de 150 mm x 150 mm x 300 mm (5.90 pulgadas x 5.90 pulgadas y 11.81 pulgadas) . Con el objeto de contrarrestar las fuerzas de arrastre que se encuentran especialmente en el extremo caliente 12 de cada una de las columnas de intercambio de calor, la matriz 15 del medio está a un ángulo ligeramente sobre la horizontal como se muestra en la figura 2. El ángulo es más profundo en el extremo caliente de los intercambiadores en donde las fuerzas de arrastre son las más significativas. Los ángulos apropiados son de aproximadamente 1 a aproximadamente 10 grados de la horizontal, prefiriéndose un ángulo de aproximadamente 1 a 5 grados, y siendo más preferido un ángulo de aproximadamente 1.6 para un lecho de 1.83 metros (seis pies) de longitud. El ángulo resultante de 1.6 grados es el ángulo preferido en un sistema de este tipo para minimizar la altura de la unidad. La magnitud de la fuerza gravitacional para las condiciones dadas serán más grandes que la fuerza de arrastre esperada. Esta fuerza opuesta no se deteriorará con el tiempo. Aquellos con experiencia en la técnica podrán apreciar que la determinación del ángulo óptimo de inclinación dependerá en parte de la densidad del material de la matriz particular para una cuenta de canales dada por centímetro y por velocidad de flujo. Materiales menos densos requieren más inclinación. Preferentemente el ángulo de inclinación es constante a lo largo de la longitud de la matriz. Es decir, la altura de la matriz se incrementa preferentemente (en relación con el substrato que la soporta) en forma uniforme desde el extremo frío hasta el extremo caliente de la columna. La figura 4 ilustra otra modalidad de la presente invención, en donde únicamente una porción de la matriz de intercambio de calor 15 está en ángulo. Más específicamente, la matriz es una pluralidad de bloques monolíticos verticalmente apilados, con la pila 15A más cercana a la zona de combustión 30 en ángulo, y estando el resto de la pila o pilas a nivel o substancialmente a nivel con la horizontal. Este diseño tiene la ventaja de un menor incremento de altura para un ángulo de inclinación dado, debido a que el cambio de altura es proporcional a la longitud del lecho el cual está inclinado. Además, este diseño probablemente no requiere una rejilla de soporte 35 en el extremo frío. A pesar de que los pasajes de flujo de las pilas en ángulo no se alinean exactamente en forma axial con los pasajes de flujo de las pilas que no están en ángulo (o a un ángulo diferente) , la alineación es substancialmente suficiente para permitir un flujo de gas suficiente para que el sistema opere efectivamente. De hecho, si el flujo entra por el extremo caliente con cierta no uniformidad significativa, la ligera separación entre las pilas de bloques de monolitos puede permitir que el flujo se distribuya más uniformemente. Aquellos con experiencia en la técnica apreciarán que diseños similares, en donde se colocan varias, pero no todas las pilas de la matriz 15 a una inclinación con la horizontal, están dentro del alcance de la presente invención. Por ejemplo, las dos, tres o cuatro pilas de la matriz 15 más cercanas a la zona de combustión 15 como se muestra en la Figura 4 podrían estar en ángulo en lugar de solamente una. Las figuras 5 y 6 ilustran otra modalidad de la matriz de intercambio de calor que podría usarse en la presente invención. En esta modalidad, la matriz es de capas múltiples e incluye una pila de cerámica (u otro material refractario al calor) preferentemente placas planas 41 que tienen una pluralidad de nervaduras paralelas 42. Las placas 41 están apiladas, y por lo tanto las nervaduras 42 que se extienden desde cada placa 41 están intercaladas para formar ranuras paralelas 43 entre ellas. Las nervaduras 42 se extienden desde una superficie de cada placa 41, y los extremos externos de cada nervadura están en contacto con una superficie opuesta de una placa opuesta 41. Las ranuras formadas 43 son más anchas que la nervadura opuesta y de aproximadamente la misma altura que las nervaduras . Dicho medio está comercialmente disponible de Lantec Products, Inc. y se describe en la patente estadounidense No. 5,851,636, cuya descripción se incorpora aquí como referencia. Como se observa en la figura 5, preferentemente la pila de placas está preferentemente envuelta entre una o más pilas de bloques monolíticos 45 en el extremo frío 11 y una o más pilas de bloques monolíticos 45 en el extremo caliente 12 del lecho de intercambio de calor. Las pilas de bloques monolíticos ayudan a estabilizar y asegurar la pila de placas 41. Puede proveerse una separación entre las pilas 45 de bloques monolíticos y la pila de placas 41 con el objeto de asegurar una distribución uniforme del gas de proceso mientras fluye de los pasajes de flujo en los bloques monolíticos hacia los canales formados en la pila de placas 41. Puede proporcionarse un soporte aislante 46 de ladrillo refractario para soportar la pila de placas 41. El método de formación del ángulo apropiado no está particularmente limitado; el ángulo puede formarse, por ejemplo, creando un piso en ángulo 40 en la columna de intercambio de calor, o soportando la matriz en uno o más soportes adecuados. Como resultado del ángulo, un componente del peso de la matriz puede resistir la fuerza de arrastre generada y evitar el movimiento de la matriz durante la operación del aparato oxidante . En el caso en el que el lado frío de la matriz requiera una fijación, puede usarse una malla de alambre o rejilla de acero de área muy abierta (50%-90%) , dado que las altas temperaturas que se encuentran en el lado caliente no se encuentra en el lado frío, y no es problemática la degradación de estos materiales de fijación. Una opción de este tipo se ilustra en la figura 3, en donde la rejilla de acero 35 se muestra soportando la matriz 15. El arreglo de lecho en ángulo permite que la matriz monolítica tenga muchos de los atributos de un sistema de lecho vertical en donde los medios están fijados por fuerzas gravitacionales tales como la facilidad de montaje y de reparación. Además, el diseño mantiene aproximadamente la altura de una unidad horizontal y reduce la complejidad del montaje del lecho. La duración del arreglo de la matriz se mejora minimizando el potencial por falla ocasionado por deterioro de otros métodos de fijación. Se hace constar que con relación a esta fecha, el mejor método conocido por la solicitante para llevar a la práctica la citada invención, es el convencional para la manufactura de los objetos a que la misma se refiere.

Claims

REIVINDICACIONES Habiéndose descrito la invención como antecede, se reclama como propiedad lo contenido en las siguientes reivindicaciones : 1. Un aparato oxidante regenerativo, caracterizado porque comprende: al menos una columna de intercambio de calor en comunicación con una zona de ~ combustión, la columna de intercambio de calor tiene un primer extremo y un segundo extremo espaciado del primer extremo, el segundo extremo está más cercano a la zona de combustión que el primer extremo; y una matriz de medios de intercambio de calor en la columna de intercambio de calor, la matriz está dispuesta en la columna de intercambio de calor de tal manera que al menos una parte de la matriz cercana al segundo extremo está inclinada con respecto a la horizontal. 2. El aparato oxidante regenerativo de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque la parte de la matriz más cercana al segundo extremo está inclinada- a un ángulo mayor que el ángulo al cual está inclinada dicha matriz más cercana al primer extremo. 3. El aparato oxidante regenerativo de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porgue el ángulo al cual está inclinada la matriz más cercana al primer extremo es de 0°, y el ángulo al cual está inclinada la matriz más cercana al segundo extremo es de 1 a 10°. 4. El aparato oxidante regenerativo de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque el ángulo al cual está inclinada la matriz más cercana al segundo extremo es de 1.6°. 5. El aparato oxidante regenerativo de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque el ángulo de inclinación de la matriz es constante desde el primer extremo hasta el segundo extremo . 6. El aparato oxidante regenerativo de conformidad con la reivindicación 1, 2 ó 3, caracterizado porque la matriz comprende una pluralidad de bloques monolíticos, cada uno con una pluralidad de pasajes a lo largos de un eje paralelo al flujo de gas a través de la columna de intercambio de calor. 7. El aparato oxidante regenerativo de conformidad con la reivindicación 6, caracterizado porgue la pluralidad de bloques monolíticos están apilados, y en donde la pila más cercana al segundo extremo está inclinada con respecto a la horizontal. 8. El aparato oxidante regenerativo de conformidad con la reivindicación 1, 2, ó 3, caracterizado porque la matriz comprende una primera y segunda placas, cada una con una pluralidad de nervaduras que se extiende desde éstas, las placas están dispuestas con respecto una de la otra de tal manera que se forma una pluralidad de ranuras entre dicha pluralidad de nervaduras. 9. Un aparato oxidante térmico regenerativo para la oxidación de contaminantes en un gas, caracterizado porque comprende : una zona de combustión; un primer lecho de intercambio de calor en comunicación con la zona de combustión y con un primer extremo y un segundo extremo, el segundo extremo está más cercano a la zona de combustión que el primer extremo; un segundo lecho de intercambio de calor en comunicación con la zona de combustión y que tiene un primer extremo y un segundo extremo, el segundo extremo está más cercano a la zona de combustión que el primer extremo; un medio de intercambio de calor soportado en cada uno de dichos primero y segundo lechos de intercambio de calor de tal manera que al menos una parte de los medios de intercambio de calor cercanos a los segundos extremos que la primera y segunda columnas de intercambio de calor está a un ángulo de aproximadamente 1 a 10° con relación a la horizontal . 10. El aparato oxidante regenerativo de conformidad con la reivindicación 9, caracterizado porque el medio de intercambio de calor cercano a los primeros extremos de la primera y segunda columnas de intercambio de calor está substancialmente paralela a la horizontal. 11. El aparato oxidante regenerativo de conformidad con la reivindicación 9 , caracterizado porque el ángulo es de

1.6°. 1

2. El aparato oxidante regenerativo de conformidad con la reivindicación 9, caracterizado porque los medios de intercambio de calor comprenden una pluralidad de bloques monolíticos, cada uno con una pluralidad de pasajes a lo largo de un eje paralelo al flujo de dicho gas a través de la columna de intercambio de calor. 1

3. El aparato oxidante regenerativo de conformidad con la reivindicación 11, caracterizado porque la pluralidad de bloques monolíticos están apilados, y en donde la pila más cercana a dicho extremo está inclinada con respecto a la horizontal . 1

4. El aparato oxidante regenerativo de conformidad con la reivindicación 9, caracterizado porque el medio de intercambio de calor comprende una pluralidad de placas, cada una con una pluralidad de nervaduras que se extienden desde éstas, las placas están dispuestas con respecto una de la otra de tal manera que se forma una pluralidad de ranuras entre la pluralidad de nervaduras. 1

5. El aparato oxidante regenerativo de conformidad con la reivindicación 13, caracterizado porque la matriz comprende adicionalmente una pluralidad de bloques monolíticos, cada uno con una pluralidad de pasajes a largo de un eje paralelo al flujo del gas a través de la columna de intercambio de calor. 1

6. El aparato oxidante regenerativo de conformidad con la reivindicación 14, caracterizado porque la pluralidad de placas está colocada entre una primera pila de dichos bloques monolíticos en el primer extremo y una segunda pila de bloques monolíticos en el segundo extremo. 1

7. El aparato oxidante regenerativo de conformidad con la reivindicación 14, caracterizado porque la pluralidad de ranuras están alineada con respecto a la pluralidad de pasajes .