NO316058B1 - Anordning og fremgangsmåte for utförelse av varmeutveksling på et prosessfluid - Google Patents

Description

Denne oppfinnelse angår en anordning og fremgangsmåte for utførelse av varmeveksling på et prosessfluid Ved en slik fremgangsmåte og anordning vil det være en tendens til betydelig differensial-varmeutvidelse mellom rørene som fører et prosessfluid og midler, så som en rørplate og som danner en avgrensning av sonen som et varmevekshngsmedium strømmer gjennom i varmeveksling med prosessfluidet som strømmer gjennom rørene

I en varmeveksler av ovennevnte type, fremføres et prosessfluid fra en prosessfluid-tilførselssone, gjennom varmevekslingsrør som er anordnet i en varmevekslingssone som avgrenses av en kappe som et varmevekslermedium strøm-mer gjennom, og deretter inn i en prosessfluid-uttakssone Midler, så som rørpla-ter, er anordnet for å atskille sonene Således kan en rørplate atskille varmevekslingssonen som varmevekslingsmediet strømmer gjennom, fra en sone, så som et samlekammer, som kommuniserer med varmevekslmgsrørenes indre for å tillate tilføring av prosessfluid til rørene eller uttak av prosessfluid fra rørene Et alternativt arrangement går ut på å bruke samlerør anordnet i varmevekslersonen for å avgrense prosessfluid-tilførselssonen prosessfluidet tilføres samlerørene hvorfra det strømmer inn i og gjennom varmevekslingsrørene Liknende samlerør kan være anordnet for uttak av prosessfluid fra rørene Alternativt kan det finnes en kombinasjon av rørplater og samlerør, f eks kan prosessfluidet tilføres varme-vekslingsrørene fra et samlekammer atskilt fra varmevekslingssonen ved hjelp av en rørplate, mens samlerørene er anordnet i varmevekslingssonen for uttak av prosessfluid fra rørene Slike rørplater eller samlerør er her betegnet som avgrensningsmidler, da de danner avgrensninger mellom varmevekslersonen og prosessfluid-tilførsels- og -uttakssonene

Ved visse anvendelser, så som dampreformering av hydrokarboner, har varmevekslingsrørene betydelig lengde, typisk flere meter, og der er en stor tem-peraturforskjell, ofte flere hundre °C, f eks 500-1000°C eller mer, mellom den kal-de tilstand, dvs omgivelsene, og normal prosessoperasjon Følgelig vil rørene ekspandere betydelig i lengderetningen, ofte 10 cm eller mer, i forhold til kappen som avgrensningsmidlene er festet til Normal praksis er å feste «gnsehaler» ved en eller begge ender av rørene, for å tillate slik differensial ekspansjon slik at gnsehalene, istedenfor selve rørene, er festet til avgrensningsmidlene Alternativt anvendes ofte belgarrangementer for å tillate slik ekspansjon Gnsehale- eller belgarrangementer som kan oppta differensialekspansjon i størrelsesorden 10 cm eller mer, medfører praktiske vanskeligheter

I enkelte typer av varmevekshngsanordninger er varmevekslingsmediet prosessfluidet som har strømmet gjennom rørene, men som har vært utsatt for ytterligere behandling før det anvendes som varmevekslingsmediet F eks kan rørene være fylt med en dampreformenngskatalysator og et hydrokarbon-råstoff blandet med damp føres gjennom rørene sistnevnte oppvarmes ved hjelp av et varmevekslingsmedium for tilførsel av nødvendig varme for den endoterme primær-dampreformenngsreaksjon for å gi en pnmær reformert gass Den resulterende pnmærreformerte gass blir så utsatt for delvis oksidenng der den pnmærreformerte gass blir delvis forbrent med oksygen eller luft og, i enkelte tilfeller, prosessen kjent som sekundærreformenng, blir så sendt gjennom et sekundær-reformenngs-katalysatorsjikt Den resulterende delvis forbrente gass, hvilken betegnelse innbefatter sekundærreformert gass, blir så benyttet som varmevekslingsmediet som oppvarmer rørene Et eksempel på denne type prosess og varmevekshngsanordmng for utførelse av pnmærreformeringen, er beskrevet i GB 1 578 270

I en modifikasjon av denne prosesstype, er midlene ved varmevekslings-rørenes utløpsende sløyfet Rørene munner ut i en sone i hvilken en gass så som luft eller oksygen innføres slik at delvis forbrenning av den pnmærreformerte gass finner sted og den resulterende delvis forbrente gass strømmer tilbake forbi røre-ne under oppvarming av sistnevnte Eksemplet på denne type prosess og anordning er beskrevet i US 2 579 843, US 4 919 844 og GB 2 181 740 Selv om man med denne type arrangement unngår de problemer som hefter ved differensial-varmeutvidelse av rørene, innebærer det problemer når det er ønskelig å føre den delvis forbrente gass gjennom et sjikt av sekundær reformenngskatalysator før anvendelse av den delvis forbrente gass til oppvarming av rørene Det har også vært foreslått, f eks i US 4 337 170 og US 5 264 202, å benytte denne type reformenngsanordning, der varmevekslingsrørene er «endeåpne» ved utløpsenden slik at den reformerte gass som strømmer ut av rørene står i forbindelse med varmevekslingssonen, for å bevirke reformenng av et råstoff ved å føre råstoffet, og dampen, gjennom rørene som oppvarmes av den pnmærreformerte gass som er dannet i en konvensjonell reformenngsanordning Ovennevnte US 4 337 170 fo-reslår også at den primære reformerte gass fra den konvensjonelle reformenngsanordning kan utsettes for sekundær reformenng før den blandes med gassen som strømmer ut fra rørene til varmevekshngs-reformeringsanordningen og derfor benyttes til oppvarmingen

Med foreliggende oppfinnelse overvinnes disse problemet ved å utstyre et av avgrensningsmidlene med tetningsrør som står i inngrep med varmevekslings-rørene, men som ikke er festet til disse, slik at tetningsrørene gir posjonsstyring for varmevekslingsrørene samtidig som de tillater glidebevegelse mellom tetningen og varmevekslingsrørene for å oppta differensialekspansjonen Det vil imidlertid uunngåelig være en lekkasjebane mellom sonene på hver side av avgrensningsmidlene gjennom de klaringer som nødvendigvis må være anordnet mellom tet-ningsrørene og varmevekslingsrørene for å tillate slik glidebevegelse På grunn av de høye temperaturer som normalt opptrer ved bruk, er det problemer forbundet med å sørge for en lekkasjesikker, f eks gasstett, glidetetning for denne klanngsspalte Lekkasjebanen gjør det mulig for prosessfluidet, f eks pnmærreformert gass, å strømme inn i varmevekslingsmediet, f eks delvis forbrent gass, eller om-vendt Lekkasjeretmngen vil selvsagt avhenge av de relative trykk i prosessfluidet og varmevekslingsmediet Der varmevekslingsmediet er et produkt av ytterligere behandling av prosessfluidet, vil prosessfluidet generelt være ved høyere trykk enn varmevekslingsmediet, f eks som følge av trykkfall som opptrer når prosessfluidet strømmer gjennom den ytterligere behandling før bruk som varmevekslingsmediet Dette betyr at den vesentlige lekkasjen vil utgjøres av prosessfluidet som strømmer mn i varmevekslingsmediet, hvilket betyr at en del av prosessfluidet vil strømme utenom den ytterligere behandling Slik forbistrømmng av den ytterligere behandling er generert uønsket Når gassen er et produkt av pnmær-dampreformering av et hydrokarbonråstoff i rørene, vil således metamnnholdet i den pnmærreformerte prosessgass typisk være 10 volum-% eller mer, mens pro duktet av sekundær-dampreformenng av den pnmærreformerte gass typisk har et metamnnhold på mindre enn 1 volum-%, vanligvis mindre enn 0,5 volum-% Der-som 5 % av prosessgassen lekker inn i varmevekslingssonen, dvs strømmer utenom sekundær-reformeringstnnnet, vil den resulterende blanding av den sekundærreformerte gass og den pnmærreformerte lekkasjegass ha et metamnnhold som typisk er det dobbelte av metanmnholdet i den sekundærreformerte gass Ikke bare innebærer dette at en betydelig mengde metan ikke er blitt reformert, men også at denne «unnslupne» metan generelt virker som en inert gass i etterfølgende prosesser så som ammoniumsynteser, og derved gjør sistnevnte mindre effektiv

Søkeren har kommet frem til et arrangement der den dominerende lekkasje, til tross for at varmevekslingsmediet er ved noe lavere temperatur enn prosessfluidet som strømmer ut av rørene, er av varmevekshngsmedium inn i prosessfluidet

Ifølge foreliggende oppfinnelse tilveiebringes en anordning for utførelse av varmeveksling på et prosessfluid, innbefattende en prosessfluid-tirførselssone, en varmevekslingssone, og en prosessfluiduttakssone, første og andre avgrensningsmidler som skiller sonene fra hverandre, et antall varmevekslingsrør som er festet til et av avgrensningsmidlene og strekker seg gjennom varmevekslingssonen, hvorved prosessfluid kan strømme fra prosessfluid-tilførselssonen, gjennom varmevekslingsrørene og inn i prosessfluid-uttakssonen, og, for hvert varme-vekslingsrør, et tetningsrør som er festet til det andre av avgrensningsmidlene, idet hvert tetningsrør er anordnet hovedsakelig koaksialt med sitt tilknyttede varmevekslingsrør, slik at hvert tetningsrør er i forskyvbart inngrep med sitt tilknyttede varmevekslingsrør og derved danner et overlappmgsområde hvor varmevekslings- og tetningsrørene overlapper hverandre, hvorved varmeekspansjon av varmevekslingsrørene kan opptas i overlappingsområdene,karakterisert vedat varmevekslingsrørets innerrør og dets tilknyttede tetningsrør er utstyrt med en innvendig innsnevring med redusert tverrsnittsareal som danner et lavtrykksområde, et ekspansjonsområde med større tverrsnittsareal enn tverrsnittsarealet til innsnevnngen nedstrøms for lavtrykksområdet i retning av prosessfluidets strøm- ningsretning, og én eller flere kanaler gjennom mnerrørets vegg, som forbinder lavtrykksområdet med mnerrørets utside, hvilke kanaler er beliggende i overlappingsområdet for derved å danne en strømmngsbane for fluid fra varmevekslingssonen gjennom overlappingsområdet inn i lavtrykksområdet i innerrøret

Oppfinnelsen tilveiebringer også en fremgangsmåte for utførelse av varmeveksling på et prosessfluid, hvor prosessfluidet utsettes for et behandlingstnnn omfattende tilføring av et prosessfluid til en prosessfluid-tirførselssone som ved hjelp av avgrensningsmidler er atskilt fra en varmevekslingssone, fremfønng av prosessfluid fra prosessfluid-tilførselssonen gjennom et antall varmevekslingsrør som strekker seg gjennom varmevekslingssonen, idet prosessfluidet utsettes for varmeveksling med et varmevekslmgsmedium i varmevekslingssonen, fremfønng av prosessfluidet fra varmevekslingsrørene til en prosessfluid-uttakssone som ved hjelp av andre avgrensningsmidler er atskilt fra varmevekslingssonen, idet varme-vekslingsrørene er festet til et av avgrensningsmidlene, og for hvert varme-vekslingsrør er det anordnet et tetningsrør som er festet til det andre av avgrensningsmidlene, idet hvert tetningsrør er anordnet hovedsakelig koaksialt med sitt tilknyttede varmevekslingsrør, slik at hvert tetningsrør er i forskyvbart inngrep med sitt tilknyttede varmevekslingsrør, for derved å avgrense et overlappingsområde hvor varmeveksling- og tetningsrørene overlapper hverandre, hvorved varmeekspansjon av varmevekslingsrørene kan opptas i det overlappende område,karakterisert vedat varmevekslingsrørets innerrør og dets tilknyttede tetningsrør utstyres med en innvendig innsnevring med redusert tverrsnittsareal som danner et lavtrykksområde, et ekspansjonsområde med større tverrsnittsareal enn tverrsnittsarealet til innsnevnngen nedstrøms for lavtrykksområdet i retning av prosessfluidets strømningsretmng, og én eller flere kanaler gjennom mnerrørets vegg, som forbinder lavtrykksområdet med mnerrørets utside, hvilke kanaler er beliggende i overlappingsområdet for derved å danne en strømmngsbane for fluid fra varmevekslingssonen gjennom overlappingsområdet inn i lavtrykksområdet i innerrøret, og at prosessfluid fra prosessfluid-uttakssonen utsettes for det ønskede behandlingstnnn og det resulterende behandlede prosessfluid føres gjennom varmevekslingssonen som varmevekslingsmediet, idet prosessen utføres slik at trykket i det behandlede prosessfluid som tilføres varmevekslingssonen er større enn trykket i lavtrykksområdet, hvorved en del av det behandlede prosessfluid som tilføres varmevekslingssonen strømmer gjennom det overlappende området og kanalene inn i lavtrykksområdet

Fremgangsmåten og anordningen er særlig anvendbar for dampreformenng av hydrokarboner hvor en blanding av hydrokarbonråstoff og damp føres gjennom varmevekslingsrørene som inneholder en dampreformenngs-katalysator, for derved å danne en primærreformert gass som så utsettes for delvis forbrenning med en oksygeninnholdende-gass, f eks luft, og den resulterende, delvis forbrente gass brukes som oppvarmingsfluidet i varmevekslingssonen Fortrinnsvis føres den delvis forbrente gass gjennom et lag av en sekundærreformeringskatalysator, for derved å bevirke ytterligere reformering, før den brukes som varmevekslingsfluidet

Som følge av innsnevringen i det indre røret av varmevekslings- og tet-mngsrørene, dannes et lavtrykksområde i det indre rør nedstrøms for innsnevnngen ved passende dimensjonering av innsnevringen, kan trykket i lavtrykksområdet under nonna! drift holdes lavere enn trykket i varmevekslingssonen, slik at det foregår en strømning av varmevekslingsmedium, f eks produktet av sekundær reformering av prosessfluidet tatt fra prosessfluid-uttakssonen, fra varmevekslingssonen gjennom klarmgsrommet og gjennom kanalene inn i lavtrykksområdet Nedstrøms for lavtrykksområdet, ekspanderer prosessfluidet i ekspansjonsområ-det, hvilket gir et prosessfluidtrykk som er større enn trykket i lavtrykksområdet Følgelig vil det også være en tilbakestrømning, eller resirkulenng, av prosessfluid fra binderørets utløpsende, gjennom klarmgsrommet, til kanalene og inn i lavtrykksområdet

Tetningen er fortrinnsvis anordnet ved avgrensningsmidlet mellom varmevekslingssonen og prosessfluid-uttakssonen Tetningsrørene er således festet til dette avgrensmngsmiddel, mens varmevekslingsrørene er festet til avgrensningsmidlet, f eks rørplaten, mellom prosessfluid-innløpssonen og varmeutvekslmgs-sonen Dette er særlig å foretrekke når varmevekslingsmediet er resultatet av ytterligere behandling av prosessfluidet fra prosessfluid-uttakssonen og prosessfluidet gjennomgår et betydelig trykkfall når det strømmer gjennom varme-vekslingsrørene, f eks der sistnevnte inneholder en katalysator i slike tilfeller kan det være vanskelig å sørge for at trykkreduksjonen som følge av innsnevnngen overskrider den som skyldes trykkfallet som opptrer når prosessfluidet strømmer gjennom varmevekslingsrørene pluss eventuelt trykkfall som prosessfluidet gjennomgår under ytterligere behandling før det anvendes som varmevekslingsmediet Imidlertid vil anordning av tetningen ved avgrensmngsmidlet mellom prosessfluid-innløpssonen og varmevekslingssonen i visse tilfeller kunne innebære fordeler F eks når prosessfluidet gjennomgår en kjemisk reaksjon når det strømmer gjennom varmevekslingsrørene, kan prosessfluidet ved varmevekslingsrørenes inn-løpsende ha en annen densitet, hvilket gjør det mulig å oppnå en større trykk-reduksjon ved innsnevringen og/eller sammensetningen kan være slik at prosessfluidet er mindre korrosivt ved varmevekslingsrørenes innløpsende Videre kan temperaturen ved varmevekslingsrørenes innløpsende være lavere, slik at tetningen arbeider ved lavere temperaturer

Tetmngsrørene kan være slik anordnet at varmevekslingsrørene forskyves innvendig i tetmngsrørene i dette tilfelle er varmevekslingsrørene innerrørene og innsnevnngen er anordnet i deres indre I dette tilfelle kan tetmngsrørene rage inn i varmevekslingssonen fra avgrensningsmidlene eller kan strekke seg tilbake fra avgrensningsmidlene inn i sonen, dvs prosessfluidinnløpet eller uttakssonen, på den andre side av avgrensmngsmidlet Varmevekslingsrørene kan strekke seg fra avgrensningsmidlene som de er festet til, gjennom varmevekslingssonen, og gjennom tetmngsrørene festet til det andre avgrensmngsmiddel, og kan rage inn i sonen, dvs prosessfluidinnløpet eller -uttakssonen, på den andre siden av avgrensmngsmidlet som tetmngsrørene er festet til Alternativt kan tetmngsrørene være forskyvbart anordnet i varmevekslingsrørene I dette tilfelle utgjør tetmngs-rørene de indre rør og innsnevringen er anordnet innvendig i disse I dette tilfelle strekker tetmngsrørene seg inn i varmevekslingssonen fra avgrensmngsmidlet som de er festet til

Flere utføringsformer av oppfinnelsen er vist i tilknytning til vedlagte teg-ninger hvor fig 1 er et skjematisk tverrsnitt av en varmevekslingsanordning ifølge en første utfønngsform av oppfinnelsen hvor avgrensningsmidlene er rørplater Fig 2 er et tverrsnitt av den nedre ende av et av rørene ifølge den første utfø-nngsform, og viser den tilhørende rørplate og tetningsrør, og fig 3 er et skjematisk tverrsnitt, lik fig 1, men av en andre utfønngsform hvor avgrensningsmidlene som bære tetmngsrørene er et samlerør Fig 4 til 6 er skjematiske tverrsnitt av forskjellige alternative tetmngsarrangementer

I fig 1 er det vist en varmevekslingsanordning, så som en varmevekslingsreformator, med en ytre, isolert trykkmantel 10 som inneslutter fire soner 11,12, 13,14 som avgrenses av kappevegger og rørplater 15,16,17

Sonen 11, en prosessfluid-tilførselssone, avgrenses av mantelveggene og rørplaten 15 og er utstyrt med en tilførselslednmg 18 og har et antall varme-vekslingsrør, f eks reformenngsrør 19 som er festet til og strekker seg nedad fra rørplaten 15 Antallet rør som benyttes vil avhenge av dnftsskalaen selv om bare fem rør er vist i fig 1, kan det typisk være femti eller flere slike rør For dampreformenng vil rørene 19 fylles med en passende dampreformeringskatalysator, f eks nikkel på et underlag av et ildfast materiale så som aluminiumoksid, zirkomumok-sid eller kalsiumaluminat-sement Reformenngs-katalysatoren er normalt i form av formede enheter som er vilkårlig pakket i rørene Typisk vil de formede enheter ha en maksimal dimensjon på mindre enn ca 1/5 av reformeringsrør-diameteren og kan være i form av sylindere som har en kanal, eller fortrinnsvis flere enn en kanal, som strekker seg på langs gjennom sylinderen

Sonen 12, en varmevekslingsmedium-uttakssone, danner den andre, mindre del av varmevekslingssonen, og avgrenses av mantelveggene og rørplatene 15 og 16 Varmevekslingsrørene 19 strekker seg gjennom sonen 12 og gjennom rørplaten 16 Hvert rør 19 er utstyrt med en omgivende, nngformet hylse 20, som er festet til og strekker seg ned fra rørplaten 16 Hylsenes 20 indre kommuntserer med sonen 12, slik at varmevekslingsmedium som strømmer opp gjennom rom-met mellom hylsens 20 innervegg og ytterveggen til røret 19 som er tilknyttet den ne hylsen, kan strømme inn i sonen 12 Sonen 12 er også utstyrt med en varmevekslingsmedium-utløpsledning 21

Sonen 13 er den første, hovedsakelige, del av varmevekslingssonen og er avgrenset av veggene til mantelen 10 og rørplatene 16 og 17 En varmevekshngsmedium-mnløpsledning 22 er anordnet ved den nedre ende av sonen 13 Rørene 19 strekker seg gjennom sonen 13 og gjennom rørplaten 17 ved sonens 13 nedre ende Hver hylse 20 er åpen ved sin nedre ende og ender mot den nedre ende av sonen 13, slik at varmevekshngsfluid som tilføres sonen 13 via ledningen 22 kan strømme inn i nngrommet mellom hylsens 20 innside og det tilknyttede rørets 19 utside Hvert av rørene 19 har et parti 23 med redusert tverrsnitt ved de nedre ender under hylsene 20 og strekker seg gjennom rørplaten 17

Sonen 14, prosessfluid-uttakssonen, avgrenses av veggene til mantelen 10 og rørplaten 17, og er utstyrt med en prosessfluid-utløpskanal 24 Rørenes 19 nedre partier 23 strekker seg gjennom rørplaten 17 og er åpne ved sine nedre ender 25 (se fig 22) slik at prosessfluid kan strømme fra rørene 19 inn i sonen 14 og deretter ut gjennom ledningen 24

Idet varmevekslingssonens to partier 12,13 kan betraktes som en enkelt varmevekslingssone, vil en se at prosessfluid-innløpssonen 11 er atskilt fra varmevekslingssonen ved hjelp av rørplaten 15 som danner avgrensnmgsmiddel som varmevekslingsrørene 19 er festet til, og at varmevekslingssonen er atskilt fra prosessfluid-uttakssonen 14 ved hjelp av rørplaten 17 som varmevekslings-rørenes 19 ender strekker seg gjennom

Som vist i fig 2 har lavtrykksområdet 32 et tverrsnittsareal som er større enn innsnevnngens 31 tverrsnittsareal men mindre enn tverrsnittsarealet til det nedre parti av varmevekslingsrørene oppstrøms for innsnevringen Som det videre fremgår av fig 2 er rørenes 19 nedre partier 23 ikke festet til rørplaten 17 For at varmeutvidelse av varmevekslingsrørene 191forhold til mantelen 10 kan opptas, strekker hvert rørparti 23 seg inn i et tetningsrør 26 som er festet til rørplaten 17 og strekker seg inn i sonen 14 Rørets 19 parti 23 som strekker seg inn i tet-mngsrøret 26, danner et overlappingsområde med en liten klanngsspalte 27 mellom utsiden 28 av rørenes 19 nedre parti 23 og innsiden 29 av det tilknyttede tet- nmgsrør 26 Typisk er denne klaring i størrelsesorden 0,05 til 3 mm Innenfor overlappingsområdet der rørpartiet 23 befinner seg i tetningsrøret 26, har det indre av rørets 19 nedre parti 23 en konisk seksjon 30 som fører til en innsnevnng 31 med redusert tverrsnittsareal Typisk er tverrsnittsarealet til denne innsnevring ca 15 - 50 % av tverrsnittsarealet til rørenes 19 nedre parti 23 Nedstrøms for innsnevnngen 31 er det anordnet et sylindrisk lavtrykksområde 32 med større tverrsnittsareal enn tverrsnittsarealet til innsnevnngen, men mindre enn tverrsnittsarealet til rørenes 19 nedre parti 23 oppstrøms for innsnevringen 31 Rørenes 19 nedre parti 23 ender i et innvendig divergerende ekspansjonsområde 33 I overlappingsområdet er kanalene 34 anordnet gjennom veggen til det nedre parti 23 av rørene 19 som kommuniserer med lavtrykksområdet 32

Forutsatt at trykket i prosessfluidet som strømmer ned gjennom rørene 19 ved innløpet til det koniske område 30 ikke er altfor meget større enn trykket i varmevekslingsmediet som strømmer inn i sonen 13 via ledningen 22, er det, ved passende valg av dimensjonene til innsnevnngsområdet 31 og lavtrykksområdet 32, er det ved normal dnft mulig å sørge for at trykket i lavtrykksområdet 32 som skyldes strømmen av prosessfluid gjennom innsnevnngsområdet 31 inn i lavtrykksområdet 32, er mindre enn trykket i varmevekslingsmediet som strømmer inn i varmevekslingssonen 13 via ledningen 22 Følgelig vil det være en strøm av varmevekshngsmedium fra sonen 13, gjennom klanngsspalten 27 inn i overlappingsområdet og gjennom kanalene 34, inn i lavtrykksområdet 32 Trykket ved varmevekslingsrørenes utløpsende 25 vil også være større enn trykket i lavtrykksområdet 32, og følgelig vil det også være en resirkulenngsstrøm av prosessfluid fra varmevekslingsrørets 19 utløpsende gjennom klanngsspalten 27 og kanalene 34 inn i lavtrykksområdet 32

Det skal forstås at ettersom lekkasje av varmevekslingsmedium forbi rørpla-ten 17 inn i lavtrykksområdet tillates, kan det istedenfor å anordne en trang klanngsspalte mellom tetningsrøret 26 og varmevekslingsrørets 19 nedre parti 23, anvendes en større spalte med en enkel mekanisk tetning som tillater glidebevegelse Feil ved tetningen vil således tillate strømning av varmevekslingsmedium forbi tetningen inn i lavtrykksområdet 32 En passende pakning som tillater glide bevegelse kan således være anordnet ved tetmngsrørets 26 øvre ende i klanngsspalten mellom ytterveggene 28 til rørets 19 nedre parti 23 og innerveggen til tet-ningsrøret 26, for ytterligere å redusere lekkasjen av varmevekslingsmedium fra sonen 13 inn i sonen 14

Selv om det ikke er nødvendig at varmevekslingsrørene 19 har nedre partier 23 med minsket tverrsnitt, dvs rørene 19 kan ha fullt tverrsnitt gjennom rørpla-ten 17 med tetmngsrørene 26 passende dimensjonert, vil et nedre parti 23 med redusert tverrsnitt lette utforming og konstruksjon av «lekkasje»-banene

I et alternativt arrangement er hylsene 20 og rørplaten 16 utelatt, slik at varmevekslingssonen ikke er delt i et hoved-varmevekslingsparti og et mindre varmevekslingsmedium-utløpsparti, men bare er en enkelt sone som varmevekslingsmediet strømmer gjennom fra innløpsledningen 22 og strømmer ut gjennom utløpsledningen 21

I ufønngsformen ifølge fig 3 er den nedre rørplate 17, prosessfluid-uttakssonen 14 og prosessfluid-utløpsledningen 24 på fig 1 erstattet av en rekke samlerør 35 som er forbundet med en prosessfluid-utløpslednmg 36 som strekker seg gjennom beholderveggen Varmevekslingsmediet strømmer inn i beholderen ved den nedre ende gjennom ledningen 22 og strømmer opp gjennom rommene mellom tilstøtende samlere 35 og forbi rørenes 19 nedre ender, inn i hylsene 20 Tetmngsrørene 26 er festet til samlerørene 35 og strekker seg oppad fra samlerør 35 inn i varmevekslingssonen 13 Tetningsarrangementet er lik det som vist i fig 2, bortsett fra at rørplaten 17, som ovenfor nevnt, er utelatt og tetmngsrørene 26 strekker seg oppad fra samlerørene 35

Fig 4,5 og 6 viser alternative arrangementer med tetningen ved den øvre, prosessfluid-tilførselsenden av varmevekslingsrørene Prosessfiuidets strømnings-retning er antydet med pilen A I disse arrangementer, ikke vist i fig 4-6, er varme-vekslingsrørene 19 festet til avgrensningsmidler, f eks en rørplate eller samlerør, som skiller varmevekslingssonen fra prosessfluid-uttakssonen I utfønngsformene ifølge fig 4 og 5, er tetmngsrørene 37 festet til rørplaten 15 som danner avgrensmngsmidlet mellom prosessfluid-innløpssonen 11 fra varmevekslingssonens andre, mindre parti 12 I fig 4 strekker tetmngsrørene seg ned fra rørplaten 15 inn i varmevekslingssoneparttet 12, mens i fig 5 strekker tetmngsrørene seg opp fra rørplaten 15 mn i prosessfluid-innløpssonen 11 I arrangementet ifølge fig 6 er tetningsrøret 37 anordnet i den øvre ende av varmevekslingsrøret 19 I hvert av disse arrangementer er det indre av innerrøret, dvs varmevekslingsrøret 191fig 4 og 5, og tetningsrøret 371fig 6, utformet med en innsnevnng, lavtrykksområde, ekspansjonsområde, og kanaler gjennom mnerrør-veggene på samme måte som beskrevet ovenfor i forbindelse med fig 2 I disse arrangementer kan varmevekslingsmediet strømme fra varmevekslingssonepartiet 12 gjennom klanngsspalten mellom varmevekslingsrøret 19 og tetningsrøret 37, gennom kanalene mn i lavtrykksområdet nedstrøms for innsnevringen i det indre røret av rørene

I et beregningseksempel basert på utfønngsformen ifølge fig 1 og 2, av-svovles naturgass ved tilsetting av en mindre andel av en hydrogen/nitrogen-blanding som er gjenvunnet fra amoniakk-spylegass og ført gjennom et lag av en hydroavsvovlingskatalysator og et lag av sinkoksid som virker som en absorbent for hydrogensulfid Damp tilsettes og den resulterende blanding (strøm A), forvarmet til 406°C, tilføres prosessfluid-tilførselssonen 11 i en reformator via ledningen 18 og primærreformeres i varmevekslingsrør 19 med innvendig diameter 125 mm og lengde 10 m inneholdende en vilkårlig pakket damprefbrmenngskatalysator av nikkel på et underlag av kalsiumalummatsement i form av sylindere av 17,6 mm lengde og 14,0 mm diameter med fire aksialt forløpende, gjennomgående, sylind-riske kanaler med 4,0 mm diameter Katalysatoren var anbrakt på et tilbakehol-dingsgitter anbrakt ved den øvre ende av overgangssonen der reformenngsrørene minsker i diameter for å danne de nedre partier 23, slik at de nedre partier 23, som hadde en innvendig diameter på 25 mm, var fn for katalysator Temperaturen og trykket til den reformerte prosessgass (strøm B) som strømmer mn i det nedre parti 23 av reformenngsrørene 19 var henholdsvis 722°C og 40,0 bar Den reformerte resultantgass strømmet gjennom innsnevnngen 31 og lavtrykksområdet 32, og ga opphav til et trykk på 38,6 bar i lavtrykksområdet og et trykk på 39,3 bar ved rørenes 19 utløpsende 25 Som nedenfor beskrevet var det en lekkasjestrøm C av gass fra varmevekslingssonen 13 mn i prosessfluid-uttakssonen 14 via kanaler 34 og lavtrykksområdet 32

Den reformerte prosessgass (strøm D), bestående av strømmen B pluss lekkasjestrømmen C, ble så, via ledningen 24 tilført en sekundærreformator hvor den ble utsatt for delvis forbrenning med en luftstrøm E som var forvarmet til 650°C, og utsatt for sekundær reformenng ved å føre den delvis forbrente blanding gjennom et vilkårlig pakket lag av en sekundær reformenngskatalysator av nikkel anbrakt på sylindere av kalsiumaluminatsement Sekundær reformerings-katalysatorsyhndrene hadde en lengde på 17,6 mm, en diameter på 14,0 mm og hadde fire aksialt forløpende syhndnske, gjennomgående kanaler med 4,0 mm diameter Den sekundærreformerte gass (gass F) ved trykk på 38,8 bar, og en temperatur på 970°C, ble så ført til varmevekslingssonen 13 via ledningen 22 En del (strøm C) av den sekundærreformerte gasstrøm F lekket fra sone 13 inn i sone 14 gjennom kanalene 34 og lavtrykksområdet 32, mens resten (strøm G) ble benyttet som varmevekslingsmediet som varmer opp varmevekslingsrørene 19 når strømmen G strømmer opp gjennom nngrommet i hylsene 20 til sonen 12 Temperaturen i produktgassen (strøm H) fra sone 12 via ledningen 21 var 530°C

Rørenes nedre parti 23 hadde en innvendig dimensjon på 25 mm, med av-smalning til en innsnevring 31 på 12 mm innvendig diameter og utvidelse til et lavtrykksområde 32 på 18 mm innvendig diameter og 108 mm lengde Rørets åpne endeparti divergerte fra lavtrykksområdets 32 på 18 mm diameter til den 31 mm store utvendige diameter til rørenes 19 nedre parti 23 over en lengde på 78 mm Tolv resirkulenngskanaler 34 med 3 mm diameter var anordnet mellom lavtrykksområdet 32 og den ringformede klanngsspalte 27 Tykkelsen av den ringformede klanngsspalte 27 mellom tetmngsrørene 26 og utsiden 28 av rørenes 19 nedre parti 23 var 0,2 mm Lengden av rørenes 19 nedre partier 23 og av tetmngsrørene 26 var tilstrekkelig til at restrkulenngskanalene 34 og rørenes 19 øvre ender 25 var innenfor tetmngsrørene 26 både ved oppstarting, dvs med anordningen ved om-givelsestemperatur og ved normal dnftstemperatur Det ble beregnet at ved normal driftstemperatur, til tross for at trykket i strømmen B ved innløpet til det koniske området 30 var 1,2 bar over trykket i en sekundærreformert gass, strøm F, som strømmet inn i sonen 13, ble ca 3 % av den reformerte prosessgass som strøm-met ut av rørenes 19 åpne ender 25 resirkulert gjennom klanngsspalten 27 og resirkulenngskanalene 34 og ca 3% av den sekundærreformerte gass (strøm F) som strømmet inn i sonen 13 likeledes strømmet, som lekkasjestrøm C, gjennom rørplaten 17 til lavtrykksområdet 32 via klanngsspalten 27 og kanalene 34

Volumstrømmene (avrundet til nærmeste 0,1 kmol/h) til komponentene i de forskjellige strømmer, sammen med strømtemperaturene og -trykkene er vist i den følgende tabell I

I et beregnet sammenligningseksempel ble det antatt at det nedre parti av rør 23 ikke hadde noen innsnevnng og følgelig intet lavtrykksområde og ingen resirkulenngskanaler, men hadde 25 mm innvendig diameter over hele sin lengde Den reformerte gass fra rørenes ende 25 var således ved et trykk på 40,0 bar, slik at gasslekkasjen foregikk fra prosessfluid-uttakssonen 14 gjennom den nngforme-de klanngsspalte 27 til varmevekslingssonen 13

Strømnmgsmengdene (avrundet til nærmeste 0,1 kmol/h) til komponentene av de forskjellige strømmer, sammen med strømtemperaturene og -trykkene, er vist i den følgende tabell II

De ovenstående prosesser, der primær- og sekundærreformenng med luft inngår, er konstruert for å frembringe reformert gass for anvendelse ved fremstil-ling av ammoniakk, ettersom den reformerte gass i et amoniakk-anlegg normalt utsettes for skiftreaksjonen hvor hovedsakelig alt karbonmonoksidet reagerer med vanndamp for å danne karbondioksid og hydrogen, er mengden av hydrogen som kan oppnås (hydrogenekvivalenten), som i sin tur bestemmer mengden av ammoniakk som kan produseres, lik summen av hydrogen- og karbonmonoksidinnholdet i strømmen H

På grunn av gasslekkasjen fra prosessfluid-uttakssonen 14 mn i varmevekslingssonen 131sammenligningstilfellet, er temperaturen i gassen som anven des som varmevekslingsmedium redusert Også i sammenligningen er strøm-mngsmengden til sekundærreformatoren redusert, og følgelig må mindre luft anvendes for å oppnå sekundærreformator-utgangstemperaturen Dette betyr i sin tur at mengden av gass (strøm F) som forlater sekundærreformatoren er redusert, og følgelig er gassmengden (strøm G) som er tilgjengelig for bruk som varmevekslingsmedium redusert, til tross for at den er forøket istedenfor redusert på grunn av lekkasjestrømmen C Denne reduksjon i mengde og temperatur i varmevekslingsmediet (strøm F), innebærer at for å oppnå den samme grad av reformenng i varmevekslingsrørene 19, er temperaturen i produktgassen (strøm H), som forlater reformatoren via ledningen 21, lavere, med det resultat at varmemengden som kan gjenvinnes fra denne gasstrømmen er redusert

Vesentlige punkter ved en ovenstående sammenligning fremgår av den følgende tabell III

Det fremgår av tabell III at hydrogene kvi valenten, og følgelig den poten-sielle ammoniakkproduksjon, i oppfinnelsens tilfelle er ca 2,65 % større enn i

sammenligningstilfellet Dessuten vil mengden av ammoniakk som kan fremstilles også avhenge av metaninnholdet i den reformerte gass, ettersom metanet repre-senterer et inert materiale i den påfølgende ammoniakksyntese en øking i metaninnholdet i den reformerte gass, som i sammenligningstilfellet, innebærer at den nødvendige rensningsgrad i den påfølgende ammomakksyntesesløyfe må økes,

med tilsvarende minsking i mengden av fremstilt ammoniakk Følgelig vil mengden av ammoniakk som kan fremstilles ved tilfellet ifølge oppfinnelsen være vesentlig mer enn 2,6 % høyere enn sammenligningstilfellet

Selv om den ovenfor hovedsakelig er beskrevet i forbindelse med varmevekslings-reformenng, skal det forstås at oppfinnelsen også kan anvendes i andre varmevekslingsprosesser der betydelig differensial-varmeutvidelse må opptas og lekkasje av varmevekslingsmediet inn i prosessfluidet ikke er ugunstig Eksempler innbefatter mate/effluent-varmevekslere, f eks der matingen til et prosesstnnn så som en eksoterm reaksjon, f eks metanol- eller ammoniakksynteser, oppvarmes ved varmeveksling med effluentet fra prosesstrinnet I slike tilfeller kan varme-vekslingsrørene være fn for katalysator, med mindre det er ønskelig, så som i ovennevnte reformenngsprosess, at en katalytisk reaksjon utføres på prosessfluidet mens det underkastes varmevekslingen

Claims (1)

1 Anordning for utførelse av varmeveksling på et prosessfluid, innbefattende en prosessfluid-tilførselssone (11), en varmevekslingssone (12,13), og en prosessfluiduttakssone (14), første og andre avgrensningsmidler (15,17, 35)som skiller sonene fra hverandre, et antall varmevekslingsrør (19) som er festet til et (15) av avgrensningsmidlene og strekker seg gjennom varmevekslingssonen, hvorved prosessfluid kan strømme fra prosessfluid-tilførselssonen, gjennom varme-vekslingsrørene og inn i prosessfluid-uttakssonen, og, for hvert varmevekslingsrør, et tetningsrør (26,37) som er festet til det andre (17, 35,15) av avgrensningsmidlene, idet hvert tetningsrør er anordnet hovedsakelig koaksialt med sitt tilknyttede varmevekslingsrør, slik at hvert tetningsrør er i forskyvbart inngrep med sitt tilknyttede varmevekslingsrør og derved danner et overiappingsområde hvor varmevekshngs- og tetmngsrørene overlapper hverandre, hvorved varmeekspansjon av varmevekslingsrørene kan opptas i overiappingsområdene,karakterisertved at varmevekslingsrørets innerrør og dets tilknyttede tetningsrør er utstyrt

med en innvendig innsnevring (31) med redusert tverrsnittsareal som danner et lavtrykksområde (32), et ekspansjonsområde (33) med større tverrsnittsareal enn tverrsnittsarealet til innsnevringen nedtrøms for lavtrykksområdet i retning av prosessfluidets strømningsretning, og én eller flere kanaler gjennom mnerrørets vegg, som forbinder lavtrykksområdet med mnerrørets utside, hvilke kanaler er beliggende i overlappingsområdet for derved å danne en strømmngsbane for fluid fra varmevekslingssonen gjennom overlappingsområdet mn i lavtrykksområdet i innerrøret 2 Varmevekslingsanordning ifølge krav 1,karakterisert vedat det andre av avgrensningsmidlene omfatter en rørplate (17,15) som rørene strekker seg gjennom 3 Varmevekslingsanordning ifølge krav 1,karakterisert vedat det andre av avgrensningsmidlene omfatter samlerør (35) som er forbundet med en prosessfluid-uttaksledning (36) 4 Varmevekslingsanordning ifølge et av kravene 1 til 3,karakterisertved at innerrørene er det nedre parti (23) av varmevekslingsrørene og lavtrykksområdet (32) har et tverrsnittsareal som er større enn mnsnevnngens (31) tverrsnittsareal men mindre enn tverrsnittsarealet til det nedre parti av varmevekslings-rørene oppstrøms for innsnevringen 5 Varmevekslingsanordning ifølge et av kravene 1 til 4 hvor varmevekslings-rørene er festet til avgrensningsmidlene (14) mellom prosessfluid-innløpssonen og varmevekslingssonen 6 Varmevekslingsanordning ifølge et av kravene 1 til 5,karakterisertved at den er i form av en varmevekslingsreformator som er dnftsmessig forbundet med midler for delvis forbrenning konstruert for å bevirke delvis forbren ning av prosessfluidet etter at sistnevnte har passert gjennom rørene og for å tilfø-re gassen, etter den delvise forbrenning, til varmevekslmgsreformatoren som varmevekslingsfluidet 7 Varmevekslingsanordning ifølge krav 6,karakterisert vedat midlene for delvis forbrenning omfatter et lag av sekundær reformenngskatalysator som den delvis forbrente gass strømmer gjennom før den tilføres varmeveks-hngsreformatoren som varmevekslingsfluidet 8 Fremgangsmåte for utførelse av varmeveksling på et prosessfluid, hvor et prosessfluid utsettes for et behandlingstnnn omfattende tilføring av et prosessfluid til en prosessfluid-tirførselssone (11) som ved hjelp av avgrensningsmidler (15) er atskilt fra en varmevekslingssone (12,13), fremføring av prosessfluid fra prosessfluid-tilførselssonen gjennom et antall varmevekslingsrør (19) som strekker seg gjennom varmevekslingssonen, idet prosessfluidet utsettes for varmeveksling med et varmevekslingsmedium i varmevekslingssonen, fremføring av prosessfluidet fra varmevekslingsrørene til en prosessfluid-uttakssone (14, 36) som ved hjelp av andre avgrensningsmidler (17,35) er atskilt fra varmevekslingssonen, idet varme-vekslingsrørene er festet til et (15) av avgrensningsmidlene, og for hvert varme-vekslingsrør er det anordnet et tetningsrør (26,37) som er festet til det andre (17, 35,15) av avgrensningsmidlene, idet hvert tetningsrør er anordnet hovedsakelig koaksialt med sitt tilknyttede varmevekslingsrør, slik at hvert tetningsrør er i forskyvbart inngrep med sitt tilknyttede varmevekslingsrør, for derved å avgrense et overlappmgsområde hvor varmevekslings- og tetmngsrørene overlapper hverandre, hvorved varmeekspansjon av varmevekslingsrørene kan opptas i det overlappende område,karakterisert vedat varmevekslingsrørets innerrør og dets tilknyttede tetningsrør utstyres med en innvendig innsnevring (31) med redusert tverrsnittsareal som danner et lavtrykksområde (32), et ekspansjonsområde med større tverrsnittsareal enn tverrsnittsarealet til innsnevnngen nedstrøms for lavtrykksområdet i retning av prosessfluidets strømningsretmng, og én eller flere kanaler (34) gjennom mnerrørets vegg, som forbinder lavtrykksområdet med mnerrørets utside, hvilke kanaler er beliggende i overlappingsområdet for derved å danne en strømmngsbane for fluid fra varmevekslingssonen gjennom overlappingsområdet inn i lavtrykksområdet i innerrøret, og at prosessfluid fra prosessfluid-uttakssonen utsettes for det ønskede behandhngstnnn og det resulterende behandlede prosessfluid føres gjennom varmevekslingssonen som varmevekslingsmediet, idet prosessen utføres slik at trykket i det behandlede prosessfluid som tilføres varmevekslingssonen er større enn trykket i lavtrykksområdet, hvorved en del av det behandlede prosessfluid som tilføres varmevekslingssonen strømmer gjennom det overlappende området og kanalene inn i lavtrykksområdet 9 Fremgangsmåte ifølge krav 8,karakterisert vedat prosessfluidet som tilføres prosessfluid-tilførselssonen omfatter en blanding av et hydrokarbonråstoff og vanndamp, varmevekslingsrørene er festet til avgrensningsmidlene mellom prosessfluid-tilførselssonen, og varmevekslingssonen og innholder en dampreformenngskatalysator og tetmngsrørene er festet til avgrensningsmidlene som skiller varmevekslingssonen fra prosessfluid-uttakssonen, hvorved blanding-en utsettes for vanndampreformenng i varmevekslingsrørene for å gi en primærreformert gasstrøm, den pnmærreformerte gasstrøm fra varmevekslingsrørene fremføres til prosessfluid-uttakssonen, den pnmærreformerte gass fra prosessfluid-uttakssonen utsettes for delvis forbrenning med en oksygenholdig gass, og den resulterende, delvis forbrente gass fremføres gjennom varmevekslingssonen for å oppvarme varmevekslingsrørene 10 Fremgangsmåte ifølge krav 9,karakterisert vedat den delvis forbrente gass føres gjennom et lag av en sekundærreformeringskatalysator før den tilføres varmevekslingssonen