PL211244B1 - Urządzenie z wiązką rur do wymiany cieplnej pomiędzy co najmniej dwoma płynami i sposób wytwarzania urządzenia - Google Patents

Description

Rzeczypospolitej Polskiej (21) Numer zgłoszenia: 371808 (22) Data zgłoszenia: 09.05.2003 (86) Data i numer zgłoszenia międzynarodowego:

09.05.2003, PCT/EP03/004949 (87) Data i numer publikacji zgłoszenia międzynarodowego:

20.11.2003, WO03/095060 (11) 211244 (13) B1 (51) Int.Cl.

B01J 19/02 (2006.01) B01J 19/24 (2006.01) F28D 3/02 (2006.01) F28F 19/06 (2006.01)

Urządzenie z wiązką rur do wymiany cieplnej pomiędzy co najmniej dwoma płynami i sposób wytwarzania urzą dzenia

	(73) Uprawniony z patentu: SNAMPROGETTI S.P.A,
(30) Pierwszeństwo:	San Donato Milanese-Milan, IT
13.05.2002, IT, MI2002A001009	(72) Twórca(y) wynalazku:
(43) Zgłoszenie ogłoszono:	GIORGIO GANDOLFI, Mediglia, IT
27.06.2005 BUP 13/05	GIUSEPPE MERELLI, Vertova, IT ANDREA SCOTTO, Basiglio, IT GIAN PIETRO TESTA, Vertova, IT
(45) O udzieleniu patentu ogłoszono:
30.04.2012 WUP 04/12	(74) Pełnomocnik:
	rzecz. pat. Anna Słomińska-Dziubek

PL 211 244 B1

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest urządzenie z wiązką rur do wymiany cieplnej pomiędzy co najmniej dwoma płynami i sposób wytwarzania urządzenia. Wynalazek dotyczy zwłaszcza urządzenia z wią zką rur z okł adziną , odpowiedniego do przetwarzania pł ynów pod ś rednimi lub wysokimi ciś nieniami do 100 MPa i w temperaturach do 400°C, zwłaszcza w zakładach przemysłowych produkcji mocznika.

Technika budowy urządzeń wysokociśnieniowych, zarówno aparatów reakcyjnych, separatorów, kotłów i innych urządzeń, w których odbywa się wymiana w wysokiej temperaturze, zwykle obejmuje montaż zwartego ciśnieniowego korpusu wytrzymującego ciśnienie robocze, gwarantującego maksymalne bezpieczeństwo i trwałość zachowania wymagań technicznych, wyposażonego w niezbędne przepusty dla połączeń zewnętrznych i sterowania oraz doprowadzenia i odprowadzenia płynów procesowych. Najczęściej stosowanym materiałem jest tu stal węglowa, co wynika z dobrego połączenia optymalnych właściwości mechanicznych, stosunkowo niskiego kosztu oraz dostępności rynkowej. W celu uzyskania maksymalnie dużej powierzchni wymiany, wewnątrz ciśnieniowego korpusu zwykle umieszcza się wiązkę rur zakończoną w każdym końcu perforowaną płytą lub perforowanym bębnem, miejscu gromadzenia płynu lub w komorze rozdzielczej. Wymiana cieplna odbywa się z drugim płynem cyrkulującym w komorze na zewnątrz wiązki rur, stykającym się z zewnętrzną powierzchnią rur.

W procesie wytwarzają cym wysoce agresywne pł yny przynajmniej jedna z dwóch powierzchni każdej rury i blachy rurowej oraz przynajmniej część wewnętrznej powierzchni ciśnieniowego korpusu stykają się bezpośrednio z płynem procesowym o charakterystyce wysokiej agresywności. Niektóre sposoby i urządzenia generalnie stosowane dla wymiany cieplnej w tych przypadkach przedstawiono przykładowo w opracowaniu Perry's Chemical Engineering Handbook McGraw-Hill Book Co., wydanie 6 (1984), strony 11-18.

Problem korozji znalazł wiele różnych rozwiązań w istniejących zakładach przemysłowych, a kolejne rozwiązania przedstawiono w literaturze. Występuje wiele metali i stopów dostatecznie wytrzymujących przez długi czas ekstremalnie agresywne warunki powstające wewnątrz reaktora syntezy mocznika lub w innych urządzeniach w procesach obejmujących wysoce korozyjne płyny, jak np. w syntezie kwasu azotowego. Można tu wymienić między innymi ołów, tytan, cyrkon i wiele stali nierdzewnych, jak np. stal AISI 316 (gatunek do zastosowania z mocznikiem), stal INOX 25/22/2 Cr/Ni/Mo, specjalne stale austeno-ferrytyczne, stale austenityczne o małej zawartości ferrytu itp. Jednakże urządzenie tego typu byłoby ekonomicznie niekorzystne, gdyby było wykonane wyłączenie z takich odpornych na korozję stopów lub metali nie tylko z powodu znacznych kosztów materiałowych, jakie byłyby konieczne dla tego celu, lecz również z powodu strukturalnych i konstrukcyjnych problemów, wynikających z konieczności zastosowania specjalnych metod spawania i łączenia, a w niektórych przypadkach także braku pewnych metali posiadających bardzo dobrą jakość mechaniczną stali węglowej.

Rozwiązaniem jest zwykle wykonywanie pojemników lub kolumn z normalnej stali węglowej opcjonalnie wielowarstwowej, o grubości od 30 do 450 mm, w zależności od geometrii i ciśnienia (ciśnieniowy korpus), których powierzchnia stykająca się z płynami korozyjnymi lub erozyjnymi jest jednorodnie pokryta metalową okładziną antykorozyjną o grubości 2 do 30 mm.

Przykładowo, proces wytwarzania mocznika normalnie stosowany w przemyśle odnosi się przynajmniej do jednej sekcji pracującej w wysokiej temperaturze i pod wysokim ciśnieniem (cykl syntezy lub pętla), w którym płyny procesowe tzn. woda, amoniak a zwłaszcza solanka w roztworach zawierające karbaminian amonowy i mocznik stają się szczególnie agresywne. Wiadomo, że normalna stal węglowa nie jest odporna na korozję takich płynów o wysokiej temperaturze i przy zetknięciu z nimi ulega stopniowemu a także gwałtownemu niszczeniu, które osłabia jej strukturę, powodując zewnętrzny ubytek lub nawet eksplozję.

W szczególności, w obecnie stosowanych procesach produkcji mocznika karbaminian amonowy (dalej skrótowo nazywany karbaminianem, jak ma to miejsce w tej dziedzinie) nie przekształcony w mocznik jest następnie rozkładany na amoniak i dwutlenek węgla w tzw. wysokociśnieniowej kolumnie odpędowej zasadniczo pracującej pod tym samym ciśnieniem, co reaktor syntezy i w nieco wyższej temperaturze, wykonanej z wymiennika o pionowo ustawionej wiązce rurowej, w którym roztwór mocznika opuszczającego reaktor i zawierającego nie przereagowany karbaminian oraz nadmiar amoniaku przepływa cienką warstwą wzdłuż wnętrza rur, natomiast para nasycona pod średnim ciśnieniem (1-3 MPa) cyrkuluje i skrapla się w temperaturze podanej w dokumentacji projektowej,

PL 211 244 B1 w komorze na zewnątrz wiązki rur, dostarczając potrzebną energię dla spłukania nadmiaru amoniaku i rozpadu karbaminianu.

Ciśnieniowy korpus kolumny odpędowej wykonuje się ze zwykłej stali węglowej, natomiast rury wiązki rur generalnie wykonuje się z materiału odpornego na korozję.

Gazy opuszczające kolumnę odpędową zwykle poddaje się ponownemu skropleniu w skraplaczu karbaminianu, również zasadniczo zawierającym wiązkę rur wymiennika, która styka się z mieszaniną podobną do środka rozkładu (z wyjątkiem mocznika), i w związku z tym bardzo korozyjną. Również w tym przypadku okładzinę wewnętrzną wiązki rur wykonuje się ze wspomnianych powyżej szczególnych materiałów stalowych.

Procesy produkcji mocznika, w których stosuje się powyższy sposób rozdzielnia i powtórnego skroplenia karbaminianu pod wysokim ciśnieniem opisano przykładowo w opisach patentowych US 3 984, 469, US 4 314,077, US 4, 137 262, EP 504,966, wszystkie przypisane temu twórcy. Obszerny opis procesów normalnie stosowanych w produkcji mocznika jest również przedstawiony w opracowaniu encyklopedycznym Encyclopedia of Chemical Technology, 3 wydanie (1933), Vol. 23, str. 548-574, John Wiley & Sons Ed., gdzie podano dalsze szczegóły.

W szczególnym przypadku wymiennika cieplnego z wią zką rurową , jak np. kolumna odpę dowa lub skraplacz karbaminianu, tworzącego część cyklu syntezy (pętla) mocznika rozwiązanie problemów korozji jest dość złożone z powodu szczególnej geometrii urządzenia, która nie pozwala na kontrolowany i powtarzalny rozkład temperatury, i składników płynów, zwłaszcza gdy wymiennikowi cieplnemu towarzyszą reakcje chemiczne. Również w tych przypadkach podejmowano próby zapobieżenia korozji z zastosowaniem okładzin powierzchni blachy rurowej i innych powierzchni stykających się z płynami korozyjnymi, z pewnym powodzeniem, lecz jak dotychczas nie uzyskano wytwarzania urządzeń przy uzasadnionym koszcie, które mogłyby przez dłuższy czas pracować bez potrzeby nadzwyczajnej konserwacji.

Wiadomo również, że odporność na korozję stali nierdzewnych stykających się z kwaśnymi lub alkalicznymi roztworami zasolonymi, jak np. roztworu karbaminianu w wodzie, ulega znacznemu zwiększeniu, jeśli płyny te zawierają znaczą ilość tlenu, wprowadzonego jako powietrze lub inny czynnik zdolny do wytworzenia tlenu, jak np. ozon lub nadtlenek. Technikę tę szeroko opisano przykładowo w opisach patentowych US 2,727,069 (Stamicarbon) i US 4,758,311 (twórcy). Pomimo znacznego udoskonalenia takie rozwiązanie wciąż jednakże posiada kilka wad, wynikających z potrzeby większej kontroli dla uniknięcia powstawania obszarów koncentracji tlenu w otoczeniu granicy wybuchowości, z niejednorodnego rozkładu tlenu, zwłaszcza w obecności dwufazowych systemów gazowo-cieczowych, jak np. występujące w całym cyklu syntezy mocznika, i w konsekwencji nie gwarantuje zadowalającego zabezpieczenia przed korozją w żadnym punkcie odsłoniętej powierzchni.

Dotychczas proponowano stopy i metale o wyższej odporności korozyjnej niż stal nierdzewna, jako wysoce wydajne materiały do produkcji aparatów reakcyjnych do syntezy mocznika. Przykładowo, GB 1046271 (Allied Chemical Corp.) opisuje proces bezpośredniej syntezy mocznika w 205°C i 27 MPa, w którym aparat reakcyjny jest wykonany całkowicie z cyrkonu. Jest oczywistym, ż e tego typu aparat reakcyjny łączy się z wysokimi kosztami, a także z trudnościami wykonawczymi.

Aparaty reakcyjne dla syntezy mocznika wykonane ze stali węglowej z okładziną cyrkonową lub tytanową opisano w publikacji A Chemical Engineering z 13.05.1974, str. 118-124, jako alternatywę dla reaktorów z okładziną ze stali nierdzewnej.

Znane są również wymienniki z wiązką rur zawierających tytan lub cyrkon. Opis patentowy US 4,899,813 (przypisany twórcy) przedstawia budowę i zastosowanie urządzenia z pionową wiązką rurową, szczególnie odpowiedniego do wysokociśnieniowego odpędzania roztworu mocznika wychodzącego z reaktora syntezy. Dla zapobieżenia korozji wewnątrz rur, gdzie następuje wymiana cieplna i rozpad karbaminianu i gdzie agresywność płynu osiąga zatem maksimum, zastosowano wiązkę rur z rur bimetalowych, tzn. utworzonych z zewnętrznej części wykonanej ze stali INOX i wewnętrznej, bardzo cienkiej części (0,7-0,9 mm) wykonanej z cyrkonu, zamocowanej, lecz nie spawanej, do części zewnętrznej. Pozostałą część wymiennika/kolumny odpędowej stykającą się z roztworem mocznika wykonano ze zwykłej stali węglowej z okładziną z odpowiedniej stali nierdzewnej. Rozwiązuje to problemy dotyczące korozji wewnątrz rur, co wynika z bardzo dobrej odporności cyrkonu, nie powodując jednakże trudności związanych z wykonaniem specjalnych połączeń stali z cyrkonem, które nie mogą być skutecznie spawane ze sobą, i równocześnie z zapewnieniem ekonomicznej produkcji tego urządzenia.

Pomimo bardzo dobrych wyników uzyskanych w tym ostatnim sposobie okazało się jednakże, że w pewnych obszarach wymiennika, szczególnie skupionych wokół dolnej blachy rurowej w kolum4

PL 211 244 B1 nie odpędowej i w odpowiadającej komorze, w dalszym ciągu występowała nieoczekiwana korozja w ekstremalnie agresywnych stanach płynów. Ten sam problem może również występować w dłuższym okresie dla innych urządzeń z wiązką rurową, pracujących w podobnych warunkach agresywności.

Cała okładzina wspomnianego urządzenia z cyrkonem, tytanem lub innymi stopami stwarza jednakże znaczne problemy przy nakładaniu, zarówno w zakresie technologii wykonania - wskutek braku jednorodności połączeń spawanych, jak i z punktu widzenia bezpieczeństwa, ponieważ doraźne nieszczelności na otworach, nawet przy zastosowaniu znanej techniki, mogą prowadzić po nieszczelnościach okładziny do bezpośredniego kontaktu korozyjnego płynu z leżącą poniżej stalą węglową, powodując gwałtowne uszkodzenie strukturalne, czasem nawet przed zauważeniem ubytku.

W konsekwencji problem trwałości urządzenia ciśnieniowego narażonego na oddziaływanie ekstremalnie korozyjnych płynów, zwłaszcza w odniesieniu do urządzeń z wiązką rurową stosowaną w cyklu syntezy mocznika, w dalszym cią gu nie został rozwią zany w zadowalają cy sposób.

Według wynalazku, urządzenie z wiązką rur do wymiany cieplnej pomiędzy co najmniej dwoma płynami, do przetwarzania płynów pod ciśnieniem do 100 MPa i w temperaturach do 400°C, z których jeden płyn wykazuje charakterystykę wysokiej agresywności w warunkach procesowych, zawierające pusty korpus zaopatrzony w zewnętrzną obudowę lub korpus ciśnieniowy, odpowiedni dla tolerancji ciśnień roboczych i zawierający materiał narażony na korozję w wyniku kontaktu ze wspomnianym wysoce agresywnym płynem, posiadający odpowiednie otwory do wprowadzania i odprowadzania płynów, przy czym wewnątrz korpusu są ukształtowane przynajmniej dwie komory, oddzielone trzecią szczelną komorą umieszczoną pomiędzy dwiema perforowanymi płytami zawiasowo połączonymi z korpusem ciśnieniowym, które to dwie komory są połączone ze sobą za pomocą szeregu rur, przy czym stykająca się ze wspomnianym wysoce agresywnym płynem wewnętrzna ściana rur jest wykonana z materiał u o bardzo duż ej odpornoś ci na korozję , dobranego spoś ród tytanu, cyrkonu lub stopu jednego z nich, i rury tworzą wiązkę rur przechodzącą poprzez trzecią komorę, a przynajmniej jedna z dwóch komór stykająca się z wysoce agresywnym płynem jest przynajmniej częściowo ograniczona przez ścianę wielowarstwową, charakteryzuje się tym, że wielowarstwowa, stykająca się z wysoce agresywnym płynem, ściana przynajmniej jednej z dwóch komór, a zwłaszcza perforowana płyta ograniczającą komorę, zawiera przynajmniej trzy metalowe warstwy, obejmujące narażoną na korozję poprzez zetknięcie ze wspomnianym wysoce agresywnym płynem procesowym warstwę zewnętrzną, odpowiednią do tolerancji obciążenia ciśnieniem, warstwę środkową z nierdzewnej stali, laminarną warstwę wewnętrzną, stanowiącą okładzinę antykorozyjną i pozostającą w kontakcie z wysoce korozyjnym płynem, z materiału dobranego spośród tytanu, cyrkonu lub stopu jednego z nich.

Korzystne jest, gdy warstwa wewnętrzna tworząca okładzinę antykorozyjną jest z materiału wybranego spośród tytanu i cyrkonu, a korzystnie jest z cyrkonu.

Komora otoczona przez trzywarstwową ścianę może tworzyć zbiorczą komorę dolną wysoce agresywnego płynu.

Komora, będącą w kontakcie z wysoce agresywnym płynem, może być całkowicie otoczona przez trzywarstwową ścianę. Grubość warstwy środkowej może wynosić od 3 do 25 mm, a grubość wspomnianej warstwy wewnętrznej może wynosić od 0,5 do 10 mm.

Warstwa środkowa może być z nierdzewnej stali dobranej spośród stali AISI 316L, stali INOX i specjalnych stali austenityczno-ferrytycznych.

Korzystne jest, gdy warstwa wewnętrzna jest przynajmniej częściowo utworzona przez metal spoiny.

Warstwa wewnętrzna może być też warstwą napyloną cieplnie.

W ciś nieniowym korpusie s ą rozmieszczone otwory odwadniają ce.

Każda rura korzystnie ma zewnętrzną warstwę z nierdzewnej stali i kontaktującą się z płynem korozyjnym wewnętrzną warstwę okładziny wykonaną z materiału wybranego spośród tytanu, cyrkonu lub stopu jednego z nich.

Korzystne jest, gdy proporcja grubości zewnętrznej warstwy ze stali nierdzewnej i warstwy okładziny wewnętrznej rury leży w zakresie od 1 do 20.

Grubość zewnętrznej warstwy rury może wynosić od 2 do 15 mm, a grubość okładziny wewnętrznej rury może wynosić od 0,5 do 3 mm.

Warstwa zewnętrzna rury jest z tego samego materiału co warstwa środkowa, a okładzina wewnętrzna rury jest z tego samego materiału co warstwa środkowa.

Korzystne jest, gdy ściana zawierająca co najmniej trzy warstwy metalowe ogranicza przynajmniej część komory, która to część styka się z wysoce agresywnym płynem.

PL 211 244 B1

Korzystne jest, gdy warstwa środkowa jest mocno i szczelnie przyspawana do warstwy zewnętrznej ze stali nierdzewnej rury, a warstwa wewnętrzna jest szczelnie przyspawana do wewnętrznej okładziny rury.

Każda rura wiązki rur może składać się wyłącznie z metalu wybranego spośród tytanu, cyrkonu lub stopu jednego z nich.

Średnia grubość rury leży w zakresie od 3 do 5 mm.

Korzystne jest, gdy warstwa wewnętrzna perforowanej płyty ma grubość w zakresie od 2 do 10 mm i jest mocno i szczelnie przyspawana do każdej z rur.

Pomiędzy warstwą środkową i warstwa wewnętrzną może być umieszczona warstwa dodatkowa ze stali węglowej o grubości w zakresie od 2 do 10 mm.

Według wynalazku sposób wytwarzania urządzenia z wiązką rur do wymiany cieplnej pomiędzy co najmniej dwoma płynami, do przetwarzania płynów pod ciśnieniem do 100 MPa i w temperaturach do 400°C, obejmujący w kolejności wykonanie pustego korpusu zaopatrzonego w zewnętrzną obudowę lub korpusu ciśnieniowego, odpowiedniego do tolerancji ciśnień i wykonanego z materiału narażonego na korozję poprzez kontakt ze wspomnianym wysoce agresywnym płynem, ukształtowanie wewnątrz pustego korpusu przynajmniej dwóch komór oddzielonych od siebie przez trzecią uszczelnioną komorę, poprzez umieszczenie przynajmniej dwóch perforowanych płyt zawiasowo połączonych do ciśnieniowego korpusu, w których umieszcza się szereg rur dla połączenia komór ze sobą tworząc wiązki rur, których wewnętrzną ścianę wykonuje się z wysoce odpornego na korozję materiału dobranego spośród tytanu, cyrkonu lub stopu jednego z nich, a przynajmniej jedną z dwóch komór stykającą się z wysoce agresywnym płynem kształtuje się przynajmniej częściowo ze ścianą wielowarstwową, charakteryzuje się tym, że wielowarstwową ścianę przynajmniej jednej z dwóch komór stykających się z wysoce agresywnym płynem, a zwłaszcza perforowaną płytę ograniczającą komorę, kształtuje się poprzez kolejne nakładanie trzech warstw metalowych: warstwy zewnętrznej odpowiedniej do tolerancji obciążenia ciśnieniem, narażonej na korozję poprzez zetknięcie ze wspomnianym wysoce agresywnym płynem procesowym, laminarnej warstwy środkowej z nierdzewnej stali, laminarnej warstwy wewnętrznej stanowiącej okładzinę antykorozyjną i pozostającej w kontakcie z wysoce korozyjnym płynem, z materiału dobranego spośród tytanu, cyrkonu lub stopu jednego z nich.

Kontaktującą się z wysoce agresywnym płynem ścianę komory kształtuje się wyłącznie poprzez nakładanie warstw metalowych zewnętrznej, środkowej i wewnętrznej.

Warstwę środkową można wykonywać z cyrkonu.

Korzystne jest także, gdy kształtuje się komorę dolną kolumny odpędowej ograniczoną ścianą zawierającą trzy warstwy.

Warstwę wewnętrzną można nakładać w bezpośrednim styku z warstwą środkową za pomocą techniki rozpylania cieplnego. Technikę rozpylania cieplnego można stosować w obszarze perforowanej płyty na rury. Korzystne jest, gdy jako technikę rozpylania cieplnego stosuje się technikę łuku z natryskowym przenoszeniem materiał u. Przed nał o ż eniem warstwy wewn ę trznej powierzchnię warstwy środkowej poddaje się zabiegowi czyszczenia, korzystnie za pomocą piaskowania lub śrutowania. Można nakładać warstwę wewnętrzną o grubości w zakresie od 0,5 mm do 10 mm.

Korzystnie kształtuje się wiązkę rur z metalowych rur, a każdą rurę wykonuje się z zewnętrznej warstwy z nierdzewnej stali i okładziny wewnętrznej kontaktującej się z płynem korozyjnym, przy czym okładzinę wewnętrzną wykonuje się z materiału dobranego spośród tytanu, cyrkonu lub stopu jednego z nich.

Warstwę środkową korzystnie spawa się mocno i szczelnie z zewnętrzną warstwą ze stali nierdzewnej bimetalowej rury, a warstwę wewnętrzną spawa się szczelnie z okładziną wewnętrzną bimetalowej rury.

Korzystne jest, gdy wiązkę rur tworzy się z rur wykonanych wyłącznie z tytanu, cyrkonu i ich stopu.

Każdą rurę wiązki rur korzystnie spawa się mocno z warstwą wewnętrzną perforowanej płyty.

Na warstwę środkową nakłada się warstwę dodatkową ze stali węglowej, na warstwę dodatkową nakłada się, metodą platerowania wybuchowego, warstwę wewnętrzną mającą grubość od 2 do 10 mm.

W innej odmianie wynalazku, sposób wytwarzania urządzenia z wiązką rur do wymiany cieplnej pomiędzy co najmniej dwoma płynami, do przetwarzania płynów pod ciśnieniem do 100 MPa i w temperaturach do 400°C, obejmujący modyfikację istniejącego urządzenia będącego ciśnieniowym urządzeniem z wiązką rur zawierającą bimetalowe rury wykonane z nierdzewnej stali, od wewnątrz powleczone metalem dobranym spośród cyrkonu, tytanu lub stopu wspomnianych metali, przynajmniej część powierzchni stykającej się z płynem procesowym, poddawanej silnemu oddziaływaniu korozyjnemu, istniejącego urządzenia pokrywa się okładziną wewnętrzną w pobliżu i ponad powierzchniami

PL 211 244 B1 efektywnie lub potencjalnie narażonymi na korozję, charakteryzuje się tym, że części urządzenia narażone na ryzyko korozji, a opcjonalnie całą wewnętrzną powierzchnię komory, pokrywa się kolejno nakładanymi warstwami metalowymi, wytwarzając trzywarstwową strukturę zawierającą: warstwę zewnętrzną odpowiednią do tolerancji obciążenia ciśnieniem, narażoną na korozję poprzez zetknięcie ze wspomnianym wysoce agresywnym płynem procesowym; laminarną warstwę środkową z nierdzewnej stali, mocno i szczelnie zespawaną z wlotem z nierdzewnej stali każdej z bimetalowych rur tworzących wiązkę rur; warstwę wewnętrzną tworzącą okładzinę antykorozyjną umieszczoną na wewnętrznej powierzchni stykającej się, podczas zastosowania, z wysoce korozyjnym płynem, wykonaną z materiału dobranego spoś ród tytanu, cyrkonu lub stopu jednego z nich, szczelnie spawaną z okładziną wewnętrzną każdej ze wspomnianych rur bimetalowych.

Korzystne jest, gdy modyfikacji dokonuje się podczas rutynowego przeglądu istniejącego urządzenia.

Korzystne jest, gdy oczyszcza się całą powierzchnię komory i następnie na istniejącą warstwę zewnętrzną z nierdzewnej stali nakłada się warstwę wewnętrzną z cyrkonu o żądanej grubości, korzystnie od 0,5 do 3 mm, po czym odpowiednio szczelnie spawa się ją z wewnętrzną okładziną każdej bimetalowej rury.

Sposób i urządzenie rozwiązują problemy stanu techniki dotyczące urządzeń z wiązką rur, z rurami wykonanymi z antykorozyjnego materiału innego niż stal nierdzewna, poprzez dostosowanie konkretnego typu wielowarstwowej okładziny w części urządzenia poza wiązką rur, narażonej na oddziaływanie płynów korozyjnych. Takie nowe podejście umożliwia również zmniejszenie ilości wysoce wydajnego materiału antykorozyjnego zastosowanego w okładzinie, jednakże przy znacznym zwiększeniu trwałości urządzenia.

Użyte tu określenie stop w odniesieniu do pewnego metalu dotyczy stopu zawierającego wspomniany metal w ilości co najmniej 40% wagowych.

Zgodnie z wynalazkiem określenie odporny na korozję dotyczy materiału odpornego w odniesieniu do płynu w pewnych warunkach procesowych i oznacza materiał o korozyjności poniżej 0,1 mm/rok, zmierzonej zgodnie z wytycznymi ASTM A 262, Sekcja C HUEY TEST, a zwłaszcza dostosowanego do obecnych okładzin wykonanych ze stali nierdzewnej 25/22/2. Indeksy korozji dla materiałów do normalnego zastosowania przemysłowego podają podręczniki znane specjalistom w tej dziedzinie, przykładowo tabele 23-22 do 23-24 wspomnianej publikacji Perry's Chemical Engineering Handbook w rozdziale Ammonium Carbamate (karbaminian amonowy).

Określenia spawanie mocne i spawanie szczelne użyte w opisie i zastrzeżeniach dotyczą następujących definicji pochodzących z ASME VIII, Div. 1 UW20:

- spawanie mocne oznacza spawanie spełniające założenia projektowe na podstawie charakterystyki mechanicznej i naprężenia pochodzącego z wydłużenia części spawanych;

- spawanie szczelne wykonuje się w celu uniknię cia nieszczelnoś ci, a jego wymiary nie są określane na podstawie obciążeń uprzednio wyrażonych dla spawania mocnego.

Urządzenie ciśnieniowe według wynalazku można zastosować do wydajnego przeprowadzenia wymiany cieplnej pomiędzy dwoma jedno lub wielofazowymi płynami, z których jeden wykazuje charakterystykę wysokiej korozyjności w stosunku do normalnych stali węglowych oraz umiarkowaną korozyjność, także sporadyczną, w stosunku do stali nierdzewnych. Te ostatnie materiały są dobrze znane specjalistom w tej dziedzinie i generalnie zawierają stopy na bazie żelaza, chromu i węgla, węgiel występuje w mniejszych ilościach w porównaniu do pospolitych stali. Dla specjalnych zastosowań niektóre stale nierdzewne zawierają również różne ilości niklu, molibdenu i magnezu. Dobra odporność na korozję wynika z właściwości tych stopów, polegającej na pasywacji w dostatecznie utleniającym środowisku poprzez wytworzenie warstwy powierzchniowej tlenku, który jest obojętny i stabilny mechanicznie. Występuje wiele przykładów tych stali wśród licznych dostępnych publikacji, na przykład we wspomnianym powyżej opracowaniu Perry's Chemical Engineering Handbook str. 23 - 39 do 23 - 41 i zwłaszcza w tabelach 23 - 10 do 23 - 15.

Płyny procesowe posiadające wysoką agresywność wymienione w wynalazku mogą być jednofazowe, tzn. zwykle mogą zawierać jedną ciecz lub mogą być wielofazowe, normalnie dwufazowe, składające z się fazy ciekłej i fazy parowej w równowadze. Typowymi płynami tego rodzaju są płyny występujące w procesach chemicznych, np. w procesie wytwarzania kwasu azotowego, wytwarzania melaminy a zwłaszcza płyny cyrkulujące w sekcji wysokiego lub średniego ciśnienia zakładu wytwarzania syntetycznego mocznika, jak np. wodne lub uwodnione/karbaminianowe lub mocznikowe i karPL 211 244 B1 baminianowe roztwory występujące w karbaminianowych środkach rozkładu, w kolumnach odpędowych poniżej aparatu reakcyjnego lub w skraplaczu karbaminianu.

To ostatnie urządzenie zwykle pracuje przy ciśnieniach 10 do 40 MPa i temperaturach od 70 do 300°C, w obecności mieszanin zawierających wodę, amoniak, dwutlenek węgla i karbaminian amonowy będący produktem kondensacji wspomnianych związków, zgodnie z równaniem reakcji:

[2 NH₃ + CO₂ + nH₂O NH₄OCONH₂ · nH₂O]

Warunki robocze występują korzystnie przy ciśnieniu 12 do 25 MPa oraz temperaturze 120 i 240°C.

W typowych zakł adach przemysł owych produkcji mocznika, których obecny wynalazek dotyczy w szczególności, powyższe urządzenie występujące w sekcji wysokiego lub średniego ciśnienia normalnie zawiera objętości od 2000 do 100000 litrów.

Urządzenie ciśnieniowe według wynalazku może posiadać różne formy i geometrie zarówno wewnętrzne jak i zewnętrzne, w zależności od funkcji, dla której jest zastosowane. Jest wykonane zgodnie z typowym kryterium ciśnieniowych wymienników ciepła z wiązką rurową. Zwykle ma kształt cylindryczny z dwoma półkulami końców cylindra, dla lepszego rozkładu obciążenia wytworzonego przez ciśnienie. Otwory zwykle umieszcza się w półkulach oraz na długości cylindrycznego korpusu, dla doprowadzenia i odprowadzenia płynów, dla wprowadzenia czujników oraz dla inspekcji (włazy rewizyjne). W zależności od zastosowania, urządzenie może być ustawione poziomo, jak np. w przypadku skraplacza karbaminianu albo pionowo, jak w przypadku kolumny odpędowej.

Zewnętrzna ściana tego urządzenia, która niemal całkowicie przenosi obciążenie wywołane ciśnieniem, składa się z grubej obudowy wykonanej ze stali węglowej, zwanej także ciśnieniowym korpusem, o grubości obliczonej w odniesieniu do występującego ciśnienia, zwykle w zakresie od 20 do 350 mm. W wymiennikach wysokociśnieniowych zewnętrzna ściana może mieć różne grubości, stosownie do ciśnienia. Centralna strefa cylindryczna stykająca się z parą o ciśnieniu 0,2 do 5 MPa korzystnie ma grubość od 20 do 100 mm, natomiast ściana pokryw i cylindra w pobliżu pokryw, na które zwykle działa wyższe ciśnienie płynów procesowych, ma gruboś ci proporcjonalnie wię ksze, od 100 do 300 mm. Zewnętrzna ściana może być utworzona przez jedną warstwę lub poprzez kilka warstw stali węglowej, zmontowane w sposób znany w tej dziedzinie.

Wewnątrz urządzenia występują co najmniej trzy odrębne komory rozdzielone od siebie przegrodami lub perforowanymi płytami umieszczonymi w poprzek głównej osi urządzenia i również zawierającymi płaski element ze stali węglowej normalnie o grubości 40 do 400 mm, odpowiednimi do tolerancji obciążenia ciśnieniem zwykle występującym pomiędzy utworzonymi w ten sposób komorami. W najczę stszym przypadku obie perforowane pł yty są umieszczone w pobliż u jednej lub obu pokryw i tworzą centraln ą objętość o zasadniczo cylindrycznym kształcie. Każda perforowana płyta jest uszczelniona na kołowej ścianie poprzez spawanie, w związku z czym nie występuje wymiana materiału pomiędzy sąsiednimi komorami. Alternatywnie, wspomniane perforowane płyty tworzą komory po tej samej stronie urządzenia, oddzielone od siebie przegrodą lub płytą, jak przykładowo w typowym rozwiązaniu konstrukcyjnym skraplacza karbaminianu typu Kettle, w którym obie płyty są połączone w pojedynczą poprzeczn ą komorę posiadającą jedn ą stron ę podzielon ą na pół przez poprzecznie wspawaną przegrodę.

W urządzeniu z wiązką rur według wynalazku pomiędzy dwiema perforowanymi płytami zamocowane są szeregi rur, w związku z tym płyty są stosownie perforowane, co umożliwia przepływ płynu pomiędzy komorami. Drugi płyn, korzystnie mieszanina pary i wody, cyrkuluje w środkowej komorze, umożliwiając wymianę cieplną poprzez ścianę rur.

Liczba rur zmienia się stosownie do założeń projektowych, lecz zwykle wynosi od 2 minimum do około 10000 dla większego urządzenia. Korzystnie występuje od 100 do 5000 rur, a ich średnica leży w zakresie od 10 do 100 mm. Długość rur zwykle odpowiada długoś ci centralnego korpusu urządzenia i korzystnie wynosi od 1 do 10 m, rury mają kształt generalnie prostoliniowy, lecz nie wyklucza się rur zawierających części zakrzywione lub kołowe, a ich grubość zwykle wynosi 2 do 25 mm, stosownie do obciążenia i średnicy rur. Pomiędzy środkowymi komorami można umieścić środkowe przegrody podtrzymujące rury. Są one generalnie wykonane ze stali węglowej i mają grubość kilku milimetrów, jeśli nie muszą wytrzymywać obciąże ń ciś nieniowych.

Zgodnie z wynalazkiem, wewnętrzna ściana każdej rury jest wykonana z materiału do dużej odporności na korozję, dobranego spośród tytanu, cyrkonu lub stopu jednego z nich, ewentualnie zawierającego inne materiały. W pierwszym przykładzie wykonania każda rura jest całkowicie wykonana z jednego ze wspomnianych materiałów, korzystnie cyrkonu i ma grubość od 2 do 15 mm, korzystnie grubość od 3 do 10 mm.

PL 211 244 B1

Zgodnie z drugim przykładem występują przynajmniej dwie metalowe warstwy, warstwa zewnętrzna korzystnie o większej grubości z materiału stosunkowo bardziej odpornego na korozję w obecności płynów zawierających środki pasywacyjne, jak np. stal nierdzewna, wykazującego także zdolność tolerancji różnic ciśnienia pomiędzy wewnętrzną i zewnętrzną stroną rury oraz wewnętrzna warstwa okładziny, korzystnie cieńsza, wykonana z tytanu, cyrkonu lub stopu jednego z nich, będąca w bezpoś rednim kontakcie z pł ynem korozyjnym. W tym przypadku 5 iloraz gruboś ci warstwy stali nierdzewnej i grubości warstwy okładziny leży korzystnie w zakresie 1 do 20, i korzystniej 2 do 8. Grubości zewnętrznej warstwy zwykle wynoszą od 1 - 20 mm, korzystnie 2 - 15 mm i 0,5 - 3 mm dla warstwy okładziny.

Wspomniane rury bimetalowe można wytwarzać stosując normalne technologie metalurgiczne dla produkcji metalowych okładzin wykonywanych ze specjalnych metali, jak np. cyrkon lub tytan. Korzystny sposób opisano we wspomnianym powyżej opisie patentowym US 4,899,813, którego treść przytoczono niniejszym dla informacji. Okładzina wspomnianych rur jest korzystnie wykonana z cyrkonu o czystości powyżej 97%.

Płyn procesowy o wysokiej korozyjności umieszcza się wewnątrz skrajnych pokryw urządzenia i przeprowadza przez wnętrze wspomnianych rur, zwiększając ciśnienie płynu. Do środkowej komory zwykle wprowadza się nasyconą parę wodną pod ciśnieniem od 0,2 do 5 MPa, która po skropleniu uwalnia potrzebną ilość ciepła, przykładowo dla rozkładu karbaminianu.

Przynajmniej jedna z komór, której wnętrze w urządzeniu według wynalazku jest podzielone, styka się z wysoce korozyjnym płynem w zwykłych warunkach procesowych, nie tylko względem normalnej stali węglowej, lecz także stali nierdzewnych typowo stosowanych w tej dziedzinie, w związku z czym działanie korozyjne może być widoczne już po kilku cyklach. Wynalazek zapewnia możliwość zagwarantowania bezpieczeństwa i niezawodności w czasie dla urządzenia narażonego na tak trudne warunki robocze, poprzez całkowite lub częściowe wykonanie wspomnianych komór narażonych na korozję z wykorzystaniem powyższej struktury zawierającej przynajmniej trzy warstwy różnych materiałów. Zgodnie z korzystnym aspektem wynalazku, dla uzyskania większych korzyści ekonomicznych strukturę trójwarstwową można zastosować tylko w miejscach narażonych na największe ryzyko korozji, wciąż zachowując urządzenie o bardzo dobrej charakterystyce, podanej powyżej.

Zgodnie z wynalazkiem warstwa zewnętrzna zasadniczo zawiera stal węglową i jest przynajmniej częściowo zgodna z zewnętrzną obudową części górnej. Grubość warstwy zależy od maksymalnego ciśnienia roboczego dla urządzenia i korzystnie wynosi od 20 do 500 mm. Warstwa zewnętrzna może mieć także różne grubości w różnych miejscach samej komory, jak np. w przypadku grubości warstw tworzących perforowaną płytę w porównaniu do grubości w części górnej. Mianowicie, grubość warstwy zewnętrznej na perforowanej płycie na rury leży w zakresie od 40 do 500 mm, natomiast grubość warstwy zewnętrznej ściany jest zwykle mniejsza i korzystnie wynosi od 40 do 350 mm.

Stale węglowe warstwy zewnętrznej typowo dobiera się spośród stali zwykle stosowanych w branży metalowej jako materiał konstrukcyjny o takich podwyższonych właściwoś ciach mechanicznych, jak np. sprężystość, plastyczność i twardość (patrz np. w/w publikacja Perry's Chemical Engineering Handbook, str. 23 - 15).

Druga, laminarną warstwa środkowa, wykonana z nierdzewnej stali, jest umieszczona przynajmniej na części powierzchni warstwy zewnętrznej wspomnianej komory. Grubość warstwy środkowej korzystnie wynosi od 1 do 40 mm i korzystniej od 3 do 25 mm. Stale nierdzewne odpowiednie dla wytworzenia warstwy środkowej mają generalnie wysoką odporność na korozję, typowo jak podano powyżej. Stalami nierdzewnymi odpowiednimi dla tego celu są przykładowo: stal AISI 316L, stale INOX, zwłaszcza 25/22/2 Cr/Ni/Mo, specjalne stale austenityczno-ferrytyczne i inne, zwykle znane specjalistom. Dobór większości odpowiednich materiałów leży w gestii specjalistów tej dziedzinie, z uwzglę dnieniem żądanej charakterystyki roboczej.

Zgodnie z wynalazkiem nie wszystkie wewnętrzne powierzchnie komory stykające się z korozyjnymi płynami procesowymi muszą koniecznie składać się ze wspomnianych trzech warstw zewnętrznej, środkowej i wewnętrznej, lecz w razie konieczności pewne obszary lub części tych powierzchni mogą zawierać tylko warstwę zewnętrzną i wewnętrzną, bezpośrednio połączone ze sobą. Specjaliści w tej dziedzinie ustalą podczas realizacji projektu, czy wspomniana komora ma być całkowicie czy częściowo otoczona trzywarstwową ścianą zgodnie z wynalazkiem na podstawie danych i testów dostę pnych dla sposobu i urzą dzenia. Na podstawie obserwacji uzyskanych dla wi ę kszoś ci krytycznych obszarów, trzywarstwową strukturą zwykle otacza się przynajmniej 25%, a korzystnie przynajmniej 40% powierzchni wspomnianej komory.

PL 211 244 B1

Zgodnie z uproszczonym przykładem wykonania wynalazku ustalono, że wspomnianą strukturę trzywarstwową tworzy perforowana płyta, natomiast pozostała powierzchnia (lub część górna, typowo półkulista) może dogodnie zawierać tylko warstwę zewnętrzną i wewnętrzną. W ten sposób uzyskuje się prostszą i tańszą konstrukcję, umożliwiającą w każdym przypadku uzyskanie pożądanych wyników, ponieważ pozwala to na poprawę działania w większej ilości obszarów krytycznych.

Zgodnie z korzystnym aspektem wynalazku, wspomniana komora stykająca się z płynem procesowym jest całkowicie otoczona wspomnianą trzywarstwową ścianą, odpowiednio ukształtowaną, posiadającą dodatkową zaletę zagwarantowania strukturalnej ciągłości całego urządzenia.

Gdy wymiennik składa się z rur bimetalowych przykładowo w/w wymienionego typu, warstwę środkową spawa się mocno do warstwy stali nierdzewnej każdej z nich w pobliżu wylotu, na powierzchni blachy rurowej, zapewniając w ten sposób szczelność względem leżącej poniżej stali węglowej i przeciwdziałając poosiowym naprężeniom rury. Zgodnie z wynalazkiem nie występuje konieczność wykonywania z tego samego materiału warstwy środkowej i stali rury bimetalowej, lecz powinny one być stosownie kompatybilne, aby umożliwić ich zespawanie. Stal węglową i różne stale nierdzewne generalnie można mocno spawać ze sobą z zadowalającymi wynikami w zakresie szczelności i tolerancji obciążenia. Lecz gdy przynajmniej część rur wiązki rur wykonano całkowicie z materiału dobranego spośród tytanu, cyrkonu lub stopu jednego z nich, wspomniana warstwa środkowa na blasze rurowej działa zasadniczo jako pośrednia warstwa ochronna, natomiast rury są korzystnie mocno spawane do odpowiednio ukształtowanej warstwy wewnętrznej.

Zgodnie z wynalazkiem, wspomniana warstwa wewnętrzna jest umieszczona na wspomnianej warstwie pośredniej w bezpośrednim styku między nimi. Warstwa ta składa się z metalu dobranego spośród tytanu, cyrkonu lub stopu jednego z nich, korzystnie cyrkonu albo jednego z jego stopów zawierającego co najmniej 90% wagowych cyrkonu, a korzystniej jest wykonana z czystego cyrkonu. Wspomniana warstwa wewnętrzna tworzy pokrywę lub okładzinę wewnętrzną ściany komory pozostającą w bezpośrednim zetknięciu z płynem procesowym. Grubość dostosowano do tolerancji obciążeń mechanicznych oraz naprężeń cieplnych występujących podczas długich okresów eksploatacji; korzystnie, grubość pozostaje w zakresie od 0,2 do 10 mm, korzystniej od 0,5 do 5 mm. Ewentualnie, grubość warstwy wewnętrznej, a także grubość warstwy zewnętrznej i pośredniej mogą być różne w różnych miejscach urządzenia lub nawet tej samej komory, zależnie od różnych kształtów, obciążeń lub charakterystyk stykającego się płynu. Mianowicie, w blasze rurowej grubość warstwy wewnętrznej jest korzystnie zbliżona do grubości odpowiadającej warstwy tytanu, cyrkonu lub ich stopu w wiązce rurowej. Tak więc, grubość korzystnie pozostaje w zakresie od 0,2 do 4 mm, korzystniej od 0,5 do 3 mm, w przypadku wystę powania rur bimetalowych, gdzie warstwa wewnę trzna jest szczelnie przyspawana do wewnętrznej warstwy. Gdy wspomniane rury są całkowicie wykonane ze wspomnianych metali nieżelaznych lub ich stopów, warstwę wewnętrzną korzystnie spawa się mocno i szczelnie do rur, a jej grubość pozostaje w zakresie od 2 do 10 mm i korzystnie od 3 do 5 mm. Tytan, cyrkon i ich stopy z pewnymi innymi metalami są znane pośród większości innych metali odpornych na korozję. Ponadto, zgodnie z wynalazkiem można zastosować czyste metale, stopy Ti-Zr i antykorozyjne stopy tytanu lub cyrkonu z innymi metalami. Niektóre z tych materiałów są handlowo dostępne w postaciach odpowiednich dla wykonania okładzin, zgodnie z typowymi metodami metalurgicznymi. Informacje dotyczące tytanu, cyrkonu i ich stopów podano przykładowo we wspomnianym powyżej opracowaniu Perry' s Chemical Engineering Handbook, str. 23 - 50, tabele 23 - 19. Generalnie, warstwa wewnętrzna jest korzystnie wykonana z tego samego metalu lub stopu, który tworzy okładzinę wewnętrzną rur bimetalowych wiązki rur, zwłaszcza jest wykonana z cyrkonu.

Warstwa wewnętrzna generalnie jest wykonana z metalu, którego nie można spawać z materiałami wspomnianych warstw środkowej i zewnętrznej, i jest w związku z tym w styku z tymi warstwami, oparta na nich lub je penetruje, lecz nie jest przyspawana do ich powierzchni. Gdy w pewnych miejscach ścian wspomnianej komory występuje tylko warstwa pośrednia, jak przykładowo we wspomnianym powyżej przypadku perforowanej płyty w wysokociśnieniowej kolumnie odpędowej w syntezie mocznika, wspomniana warstwa wewnętrzna, która w przeciwnym przypadku korzystnie przebiega na całej powierzchni oddziaływania korozji w komorze i tworzy pierwszą warstwę ochronną, może w pozostałym obszarze tworzyć podwójną ścianę z warstwami zewnętrzna i wewnętrzną, z umieszczoną najniżej stalą węglową. Grubość warstwy wewnętrznej w tym ostatnim przypadku jest korzystnie większa, niż grubość w ścianie trzywarstwowej.

W obszarze perforowanej płyty warstwę wewnę trzną spawa się szczelnie z okładziną wewnętrzną każdej rury bimetalowej, dla powstrzymania kontaktu leżącej poniżej warstwy pośredniej

PL 211 244 B1 z płynem procesowym. Odpowiednie sposoby spawania są generalnie znane specjalistom w tej dziedzinie i będą dokładniej przedstawione poniżej.

Struktura trzywarstwowej ściany według wynalazku w nieoczekiwany sposób umożliwia usunięcie szeregu wad nie usuniętych przez specjalistów w tej dziedzinie. Przy wykonaniu wiązki bimetalowych rur mocne spawanie rur z warstwą stali nierdzewnej na płycie na rury zapewnia strukturalną zgodność urządzenia, natomiast umieszczenie kolejnej warstwy wykonanej z materiału analogicznego do materiału okładziny wewnętrznej rury zapewnia długotrwałe uszczelnienie i zabezpieczenie przed płynem procesowym. Przy braku warstwy wewnętrznej szczególna agresywność płynów w obszarze perforowanej płyty wraz ze szczególnie złożoną geometrią powoduje niewystarczającą odporność samej stali nierdzewnej, co prowadzi do niedostatecznej trwałości w odniesieniu do żądanych cykli produkcyjnych. Zastosowanie samej warstwy wewnętrznej na warstwie zewnętrznej bez warstwy pośredniej mogłoby stworzyć znaczne trudności mocnego spawania rury bimetalowej, którego nie można wykonać na metalu warstwy wewnętrznej z powodu niekompatybilności względem stali nierdzewnej. Ponadto, gdy rury wykonuje się całkowicie z tytanu, cyrkonu lub ich stopu, odpowiedniej grubości warstwa wewnętrzna umożliwia uzyskanie odpowiednio mocnego spawania dla każdej rury, podczas gdy warstwa środkowa zapewnia zadowalający stopień bezpieczeństwa w przypadku nieszczelności, zwłaszcza wzdłuż wspomnianych spoin.

Zgodnie z korzystnym aspektem wynalazku w pewnych punktach ściany ciśnieniowego korpusu wykonano małe otwory odwadniające, które otaczają każdą komorę stykającą się z płynem korozyjnym i mają na celu ujawnienie ewentualnych przecieków wewnętrznej okładziny, zanim nastąpi znaczne uszkodzenie stali węglowej warstwy zewnętrznej wskutek korozji. Otwory odwadniające zwykle zawierają małą rurkę o średnicy 8 - 15 mm z materiału odpornego na korozję, którą umieszcza się w ciśnieniowym korpusie z doprowadzeniem do punktu zetknięcia pomiędzy korpusem i okładziną wykonaną ze stopu lub metalu odpornego na korozję. Jeśli występuje ubytek okładziny, np. w wyniku oddziaływania wysokiego ciśnienia, wewnętrzny korozyjny płyn natychmiast przedostaje się do wewnętrznego obszaru pomiędzy okładziną i ciśnieniowym korpusem, i jeśli nie zostanie wykryty, powoduje gwałtowną korozję stali węglowej, z której wykonano korpus. Obecność otworów odwadniających umożliwia wykrycie takich upływów. W tym celu wszystkie wewnętrzne obszary poniżej okładziny antykorozyjnej łączą się z przynajmniej jednym sączkiem. Ilość otworów odwadniających zwykle wynosi od 2 do 4 dla każdego króćca.

Choć stosowanie techniki otworów odwadniających było od dawna znane w tej dziedzinie, szczególna struktura trzywarstwową ścian urządzenia lub jego części umożliwia poprawę całego wyrobu finalnego, poprzez wykonanie sączków przechodzących przez obie warstwy zewnętrzną i wewnętrzną oraz przez obłożenie ich stalą nierdzewną. W ten sposób ewentualny przeciek poprzez cienką warstwę zewnętrzną z powodu np. nieoczekiwanego wytarcia mechanicznego lub strukturalnych uszkodzeń okładziny spowoduje kontakt z płynem korozyjnym tylko dla nierdzewnej stali, która posiada jednakże wystarczają odporność na korozję, co umożliwia wykrycie przecieku bez znacznego uszkodzenia strukturalnych elementów ciśnieniowego korpusu.

Zgodnie ze szczególnym aspektem wynalazku pomiędzy wspomnianą warstwę pośrednią i warstwę zewnętrzną można ewentualnie wstawić warstwę dodatkową mającą na celu utworzenie odpowiedniej powierzchni dla nałożenia warstwy wewnętrznej znanym sposobem platerowania wybuchowego, w wyniku czego ładunek wybuchowy odpala się na metalowej płycie warstwy wewnętrznej dla bardzo mocnego dociśnięcia jej na leżącej poniżej warstwie dodatkowej, w celu uzyskania zasadniczej przyczepności obu warstw pomimo braku spawania między nimi. Grubość wspomnianej warstwy dodatkowej dogodnie dobiera się w zakresie od 2 do 10 mm.

Szczególny przykład urządzenia wysokociśnieniowej kolumny odpędowej do zakładu produkcji mocznika, według wynalazku jest zilustrowany poniżej w odniesieniu do rysunków przedstawionych na załączonym rysunku, jednakże bez ograniczenia ogólnego zakresu samego wynalazku, gdzie fig. 1 przedstawia wysokociśnieniową kolumnę odpędową zastosowaną do rozpadu karbaminianu do zakładu syntezy mocznika, według wynalazku, schematycznie w widoku perspektywicznym; fig. 2 - szczegół fig. 1 przedstawiający schematycznie powierzchnię połączenia pomiędzy wspomnianą rurą wiązki rur i dolną perforowaną płytą podpierającą; fig. 3 - analogiczny szczegół pokazany na fig. 2, przedstawiający schematycznie perforowaną płytę do rur wymiennika ciepła według wynalazku, w którym całą wiązkę rur wykonano z rur cyrkonowych.

Dla większej prostoty i przejrzystości szczegółów na figurach pokazano tylko jedną rurę wiązki, a wymiary nie są tu proporcjonalne do wymiarów rzeczywistych.

PL 211 244 B1

Kolumna odpędowa pokazana na fig. 1 jest ustawiona pionowo i zasadniczo składa się z trzech pustych sekcji, tj.: komory górnej 1 w kształcie półkuli, komory środkowej 3 w kształcie cylindrycznym, przez którą przechodzi wiązka rur, i komory dolnej 2 w kształcie półkuli. Średnica sekcji cylindrycznej wynosi około 1,5 - 2 m a długość około 4 - 6 m. W górnym i dolnym końcu urządzenia są wykonane dwa otwory rewizyjne 7 i 8, a komora górna 1 i komora dolna 2 są oddzielone od komory środkowej 3 za pomocą perforowanej płyty 15 i 16 do rur, z wykonaniem w każdej z nich do 1500 do 4000 otworów dla przeprowadzenia rur. Pozostała część ścienna obu komór górnej 1 i dolnej 2 jest rozdzielona przez ciśnieniowy korpus 14.

Roztwór doprowadzany z reaktora syntezy mocznika mający temperaturę około 180 - 200°C i ciśnienie około 14 - 17 MPa, zawierający mocznik, wodę, nadwyżkę amoniaku i niestężony karbaminian dochodzi do komory górnej 1 z przewodu 9 i wypływa przez pierścień 13. Płyn, oznaczony poziomem 17, gromadzi się na dnie komory górnej 1 i ścieka do każdej rury 4, tworząc cienką warstwę, natomiast pary amoniaku i 10 dwutlenek węgla przechodzą poprzez centralną część rury 4 w kierunku przeciwnym, i są uwalniane w fazie rozpadu oraz odpędzania. Pary odprowadza się przewodem odprowadzającym 10.

Cała wewnętrzna powierzchnia komory górnej 1 jest obłożona stalą nierdzewną, np. 25/22/2 Cr/Ni/Mo (gatunek do zastosowania z mocznikiem) o grubości około 3 - 10 mm, korzystnie 5 mm, która posiada wystarczającą odporność na płyny procesowe w występujących warunkach.

Centralna sekcja urządzenia zawiera komorę środkową 3 otoczoną ścianą zewnętrzną 20 wykonaną ze stali węglowej, zwykle o grubości 10 - 40 mm, poprzez którą przechodzi wiązka rur, do której doprowadza się nasyconą parę, poprzez wlot 19, pod ciśnieniem 0,2-3 MPa w temperaturze w zakresie od 200 do 240°C, para cyrkuluje na zewnątrz rur 4 i skrapla się na ich zewnętrznej ścianie, dostarczając ciepło do wodnego roztworu mocznika i karbaminianu, które przepływają wewnątrz. Płynny kondensat odprowadzanej pary usuwa się następnie przewodem odprowadzającym 18. W ten sposób następuje rozkład karbaminianu i nadmiaru odparowanego amoniaku, który działa również jako środek odbarwiający. Każda rura 4 wiązki rur posiada zewnętrzną warstwę ze stali nierdzewnej, np. 25/22/2 Cr/Ni/Mo (gatunek do zastosowania z mocznikiem) o grubości około 2 - 3 mm, wewnętrznie wyłożoną niespawaną warstwą cyrkonu o grubości 0,7 - 0,9 mm, i wytworzoną sposobem zgodnym ze wspomnianym opisem patentowym US 4, 899, 813. Stosunkowo mała grubość tej warstwy pozwala na uniknięcie problemów, jakie zwykle występują w elementach tworzących dwie warstwy metalowe o bardzo różnych współczynnikach rozszerzalności cieplnej, jednakże z zagwarantowaniem wymaganego zabezpieczenia przed korozją. Koniec rozprowadzający 5 o długości 200 do 600 mm wprowadzony w górną część rury bimetalowej ma na celu ustalenie poziomu płynów w komorze 1 oraz równomiernego rozprowadzenia płynu wewnątrz rur bimetalowych.

W końcu 5 rury 4 nie jest potrzebna wewnętrzna okładzina cyrkonowa i zwykle zastosowany jest stop Cr/Ni/Mo w proporcji 25/22/2. Pozostała dolna część 6 każdej rury 4, która przechodzi wzdłuż komory środkowej 3 do zamocowania na płycie dolnej 16, jest natomiast bimetalowa, a każdy koniec jest osadzony w jednej z perforowanych płyt 15, 16, z zastosowaniem spawania wzmacniającego i uszczelniającego, co szczegółowo opisano poniżej w odniesieniu do fig. 2.

Komora dolna 2 jest otoczona ciśnieniowym korpusem 14, analogicznie jak komora górna 1 oraz perforowaną płytą dolną 16. Wewnątrz tej komory dolnej 2 dla jej wewnętrznej ściany występują warunki agresywności i korozji, a zwłaszcza w obszarze perforowanej płyty dolnej 16 z rurami, gdzie przepływa wodny roztwór mocznika wychodzący z wiązki rur. Roztwór mocznika w większej części oczyszczony z karbaminianu gromadzi się na dnie komory dolnej 2 i jest podawany do innych sekcji oczyszczania. Dodatkowy amoniak, jeśli jest potrzebny albo dwutlenek węgla, można doprowadzić poprzez wlot 12, zgodnie z alternatywną technologią, co sprzyja odpędzaniu. Poprzez ten sam wlot 12 komory dolnej 2 wprowadza się również powietrze pasywacji, według potrzeby.

Zgodnie z wynalazkiem ściana komory dolnej 2 (ciśnieniowy korpus i perforowana płyta) składa się z trzech 5 ułożonych na sobie warstw metalowych, wykonanych odpowiednio ze stali węglowej, stali nierdzewnej i cyrkonu, jak bardziej szczegółowo opisano poniżej w odniesieniu do schematu według fig. 2, przy opisaniu obszaru połączenia rury bimetalowej z blachą rurową.

Na fig. 2 pokazano ciśnieniowy korpus w przekroju zawierający warstwę zewnętrzną 21 ze stali węglowej o grubości zasadniczo 100 - 400 mm, warstwę środkową 22 ze stali nierdzewnej, na której jest umieszczona warstwa wewnętrzna 23 z cienkiej warstwy cyrkonu.

Warstwa zewnętrzna 21 w tym przypadku przystaje do perforowanej płyty dolnej 16, a jej wymiary umożliwiają tolerancję naprężeń wytwarzanych wskutek różnicy ciśnienia pomiędzy komorą

PL 211 244 B1 dolną 2 gromadzącą wodny roztwór mocznika i cylindryczną komorą środkową 3, gdzie skrapla się para wodna. Ciśnienie dla normalnej produkcji mocznika leży w zakresie od 14 do 18 MPa, korzystnie 15 - 16 MPa. W pobliżu rury 4 przynależnej do wiązki rur warstwa zewnętrzna 21 jest odpowiednio perforowana i ewentualnie przyspawana do samej rury 4 wzdłuż krawędzi otworu.

Po stronie warstwy zewnętrznej 21 skierowanej do komory dolnej 2 występuje zgodnie z niniejszym wynalazkiem laminarną warstwa środkowa 22 ze stali nierdzewnej. Warstwa środkowa 22 ta ma korzystnie grubość 3 do 20 mm, a w tym szczególnym przypadku jest wykonana ze stali nierdzewnej (gatunek do zastosowania z mocznikiem). „Gatunek do zastosowania z mocznikiem oznacza rodzaj stali nierdzewnej o szczególnej odporności na korozję względem roztworów karbaminianu amonowego. Do korzystnych stali zalicza się gatunek INOX do zastosowania z mocznikiem oraz gatunek austenityczny. Warstwa środkowa 22 może zawierać zgrzane ze sobą laminarne elementy o odpowiedniej grubości i leżące poniżej warstwy zewnętrznej 21 lub, zwłaszcza w przypadku perforowanej płyty dolnej 16, metal spoiny. W pobliżu punktu przecięcia i wlotu do komory dolnej 2 na rurze wiązki rur warstwa środkowa 22 jest zespawaną spoiną obwodową 26 z zewnętrzną warstwą 24 rury 4, przez co obie te warstwy tworzą ciągłą i uszczelnioną strukturę względem warstwy zewnętrznej 21 ze stali węglowej.

Warstwa wewnętrzna 23, utworzona z okładziny antykorozyjnej według wynalazku, jest ułożona na powierzchni warstwy środkowej 22 zwróconej do komory dolnej 2. Korzystnie zawiera ona cyrkon o grubości w zakresie od 2 do 3 mm. Warstwę wewnętrzną 23 nakłada się w taki sposób, aby dobrze przywierała do powierzchni warstwy środkowej 22 lub penetrowała ją. Uzyskuje się to różnymi metodami spawalniczymi (nieprzydatnymi w tym przypadku) na przykład jak: platerowanie wybuchowe lub napylanie cieplne.

W pobliżu wylotu każdej bimetalowej rury 4 warstwa wewnętrzna 23 jest nałożona na spoinę obwodową 26 warstwy środkowej 22 ze stali nierdzewnej i jest bezpośrednio połączona z okładziną wewnętrzną 25 rury 4 za pomocą spoiny uszczelniającej 27 wokół otworu wylotowego. Część okładziny wewnętrznej 25 korzystnie wystaje kilka centymetrów poza warstwę wewnętrzną 23, co sprzyja ściekaniu płynu.

Zgodnie ze szczególnym aspektem wynalazku, poprzez warstwy zewnętrzną 21 i środkową 22 ściany komory dolnej 2 przechodzi pewna liczba otworów odwadniających 28 (schematycznie pokazanych na fig. 2) zarówno poprzecznie poprzez perforowaną płytę oraz ścianę korpusu, wystając poniżej warstwy wewnętrznej 23. Otwory odwadniające 28 są wykonane zgodnie z dowolnym normalnie stosowanym sposobem i są wewnętrznie pokryte stalą nierdzewną lub nawet tym samym materiałem, co warstwa wewnętrzna 23.

Na fig. 3 pokazano zasadniczo te same elementy z tym samym oznaczeniem co na fig. 2, lecz rura 4 posiada w tym przypadku całkowicie cyrkonową cylindryczną ścianę 29 o długości przykładowo 4 - 5 mm i średnicy (wewnętrznej) 2 - 50 mm, korzystnie 30 - 40 mm, wytrzymującej różnicę ciśnienia około 15 - 16 MPa pomiędzy płynem wewnętrznym i zewnętrznym.

W pobliżu i wokół wylotu w komorze dolnej 2 każda rura 4 jest mocno przyspawana do warstwy wewnętrznej 23 perforowanej płyty, tworzącej wewnętrzną okładzinę samej komory dolnej 2, za pomocą spoiny 31 wokół otworu wylotowego i wzdłuż powierzchni stykowej z perforowaną płytą. Zgodnie ze szczególnym przykładem wykonania wynalazku, na powierzchni warstwy środkowej 22 ze stali nierdzewnej jest umieszczona warstwa dodatkowa 30 ze stali węglowej o grubości od 1 do 3 mm, przyspawana do powierzchni warstwy środkowej 22 dla ułatwienia, podczas wykonywania urządzenia, ułożenia cyrkonowej warstwy wewnętrznej 23 znanym sposobem platerowania wybuchowego. W tym przypadku otwory odwadniające 28 wykonane w płycie lub ścianie korpusu, zawierającej wspomniane cztery warstwy, przechodzą poprzez warstwę dodatkową 30, sięgając do powierzchni leżącej poniżej warstwy wewnętrznej 23.

Urządzenie z wiązką rur według wynalazku wytwarza się następującym sposobem.

Konstruuje się pusty korpus z zewnętrzną obudową lub ciśnieniowy korpus wytrzymujący ciśnienia robocze z materiału narażonego na korozję w wyniku kontaktu z płynem o dużej agresywności tworząc wewnątrz wspomnianego pustego korpusu przynajmniej dwie komory oddzielone od siebie za pomocą trzeciej szczelnej w stosunku do powyższych komory. Komory oddziela się poprzez umieszczenie przynajmniej dwóch perforowanych płyt lub przegród zawiasowo zamocowanych do ciśnieniowego korpusu, a dla połączenia wspomnianych komór ze sobą wprowadza się szereg rur tworzących wiązkę rur, których wewnętrzna ściana jest utworzona zasadniczo przez materiał dobrany spośród tytanu, cyrkonu lub stopu jednego z nich, wysoce odpornego na korozję. Wskutek tego podczas zastosowania wewnętrzna ściana rur i ściana przynajmniej jednej z dwóch komór stykają się

PL 211 244 B1 z wysoce agresywnym płynem. Według wynalazku, ścianę otaczając ą przynajmniej jedną z komór urządzenia przynajmniej częściowo wykonuje się nakładając trzy warstwy metalowe, w kolejności: warstwę zewnętrzną odpowiednią do przenoszenia obciążenia ciśnieniem, narażoną na korozję poprzez zetknięcie ze wspomnianym wysoce agresywnym płynem procesowym; warstwę środkową z nierdzewnej stali; warstwę wewnętrzną umieszczoną na wewnętrznej powierzchni i tworzą c ą okładzinę antykorozyjną w zetknięciu, podczas zastosowania, ze wspomnianym wysoce korozyjnym płynem, wykonaną z materiału dobranego spośród tytanu, cyrkonu lub stopu jednego z nich, szczelnie przyspawana do okładziny wewnętrznej każdej ze wspomnianych rur bimetalowych.

Korzystnie całą ściankę otaczającą wspomnianą komorę, stykającą się z wysoce agresywnym płynem konstruuje się z powyższej struktury zawierającej trzy warstwowy.

W korzystnym przypadku wytwarzania kolumny odpę dowej dla roztworu mocznika komora pozostająca w kontakcie z płynem korozyjnym znajduje się w dolnym końcu kolumny, natomiast komora górna stykająca się z roztworem mocznika i karbaminianu w warunkach mieszania nie wymaga zastosowania struktury trzywarstwowej, lecz zawiera tylko warstwę zewnętrzna i środkową.

W korzystnym przykł adzie realizacji sposobu wedł ug umieszcza się w urzą dzeniu ukł ad wią zki rur bimetalowych, jak opisano uprzednio.

Wytworzenie antykorozyjnej okładziny z warstwy wewnętrznej według wynalazku może odbywać się zgodnie z dowolnym z odpowiednich sposobów metalurgicznych znanych w tej dziedzinie, jak np. umieszczenie na powierzchni warstwy środkowej elementów warstwowych wykonanych z dobranego materiału lub stopu, stosowne przycięcie i ukształtowanie w dostosowaniu do formy pokrywanej powierzchni. Elementy układa się obok siebie i następnie szczelnie spawa ze sobą. Rowki, podparcia, elementy łączące i inne urządzenia lub produkty końcowe umieszcza się zwłaszcza wzdłuż spawanych krawędzi, zgodnie z normalną procedurą znaną specjalistom w tej dziedzinie. Sposoby spawania takich metali jak cyrkon, tytan i ich stopy choć mniej powszechne, niż spawanie stali, są znane i mogą być łatwo zastosowane.

Zgodnie z przykładem realizacji sposobu wytwarzania według wynalazku, w odniesieniu do ściany komory dolnej wysokociśnieniowej kolumny odpędowej do rozkładu karbaminianu i oczyszczenia roztworu mocznika, spawa się warstwę środkową wykonaną z blach nierdzewnej stali, do warstwy zewnętrznej tworzącej korpus ciśnieniowy, zasadniczo wykonanej z gładzonych i spawanych blach węglowych. Grubość tych blach korzystnie wynosi od 3 do 10 mm i korzystniej, 5 mm. Wspomniane blachy są cięte i spawane na krawędziach zgodnie z typowym sposobem wytwarzania okładzin na urządzeniach stosowanych w syntezie mocznika, z leżącą poniżej spoiną stali nierdzewnej nakładaną dla wypełnienia szeregu rowków o głębokości 3 mm i szerokości 20 mm, uprzednio wykonanych na powierzchni stali węglowej, o stosownej geometrii odpowiadającej kształtowi perforowanych płyt. Poniżej rowków w odpowiednim odstępie od siebie, korzystnie 500 do 1500 mm, wykonuje się pewną ilość otworów odwadniających, kolejno wytwarzanych w ciśnieniowym korpusie i przechodzących poprzez metal spoiny, z doprowadzeniem do powierzchni, dla obserwacji ubytków podczas pracy urządzenia.

W drugiej korzystnej fazie wytwarzania, w wolnej przestrzeni pozostawionej przez pł ytki z nierdzewnej stali, na metalu spoiny umieszcza się małą cyrkonową płytkę, służącą jako podparcie. Następnie, nakłada się na siebie i na leżącą poniżej warstwę podłoża cyrkonowego dodatkowe płytki cyrkonowe o zmiennej grubości, jak opisano powyżej, jednakże o grubości nie mniejszej, niż 3 mm, aż do całkowitego pokrycia powierzchni dolnej komory (lub dna) kolumny odpędowej. Sposób spawania tego metalu, a także tytanu i jego stopów, jest znany, lecz generalnie jest bardziej złożony, niż sposób spawania stali i musi być prowadzony w strumieniu gazu obojętnego, generalnie w strumieniu argonu. Otwory odwadniające pełnią w tej fazie również korzystną rolę ochrony leżącej poniżej powierzchni gazem obojętnym, poprzez wdmuchiwanie argonu.

Płytę do rur komory dolnej, posiadającą strukturę trzywarstwową zgodnie z wynalazkiem, korzystnie wykonuje się sposobem opisanym powyżej. Obejmuje to następujące operacje wytwarzania, w kolejności. W pł ycie na rury wykonuje się szereg otworów o odpowiednich wymiarach, dla umieszczenia rur przeznaczonych dla wymiany cieplnej, których wymiary zależą od założeń projektowych, lecz zwykle jest to okrągła przegroda zasadniczo wykonana ze stali węglowej (jak ciśnieniowy korpus) o grubości 300 do 350 mm. Perforowana płyta jest następnie okładana po stronie komory dolnej warstwą środkową zawierającą metal spoiny, ze stali nierdzewnej 25/22/2 Cr/Mo/Ni za pomocą typowych procesów spawania (np. spawanie łukiem krytym). Następnie wkłada się rury w otwory, które opisano powyżej. Jeśli są to rury bimetalowe utworzone z zewnętrznej warstwy stali nierdzewnej i wewnętrznej

PL 211 244 B1 warstwy cyrkonu, zewnętrzną warstwę każdej rury spawa się następnie z warstwą środkową, po czym dokonuje się obróbki mechanicznej powierzchni blachy rurowej, umożliwiającej umieszczenie kolejnej warstwy cyrkonowej lub wytworzenie skutecznego i długotrwałego zabezpieczenia korozyjnego leżącej poniżej warstwy stali nierdzewnej. Jeśli rury są wykonane z jednego metalu lub stopu metalu, wokół każdej rury szczelnie układa się warstwę środkową i jeśli potrzeba, można wykonać szczelne spawanie tej warstwy znanym sposobem, odpowiednim dla tego celu.

W nastę pnej operacji, po obróbce blachy rurowej na powierzchni ukł ada się jedną lub wię cej blach cyrkonowych o odpowiedniej grubości (swobodne powlekanie), dostosowanych wymiarowo i ukształtowanych tak, aby nie zaślepiać otworów dla wspomnianych rur. Z kolei łączy się elementy ze sobą, przy czym wewnętrzna warstwa cyrkonowa rur bimetalowych wystaje w celu szczelnego spawania, które zamyka całą powierzchnię perforowanej płyty narażonej na kontakt z płynem procesowym. Jeśli rury są całkowicie wykonane z metali lub stopów o dużej odporności na korozję, przykładowo z cyrkonu, warstwa wewnętrzna zwykle o grubości powyżej 10 mm jest mocno i szczelnie przyspawana do całej wylotowej strefy rury.

Podczas spawania wszystkie wewnętrzne powierzchnie korzystnie zabezpiecza się atmosferą argonu doprowadzanego poprzez odpowiednie sączki, wykonane w blasze rurowej sposobem analogicznym do opisanego powyżej.

Zgodnie ze szczególnym przykładem realizacji sposobu według wynalazku, który nigdy nie był zastosowany do urządzenia tego typu z wiązką rur, przeznaczonego do zastosowania w środowisku korozyjnym, a zwłaszcza w kolumnach odpędowych w zakładzie syntezy mocznika, cyrkonową warstwę wewnętrzną na powierzchni komory dolnej i perforowanej płyty kolumny odpędowej można również wytwarzać jednym ze sposobów napylania cieplnego, znanych w tej dziedzinie. Sposób ten umożliwia ułożenie ciągłej i jednorodnej warstwy metalu, szczelnie połączonej z metalem leżącym poniżej, przeznaczonym do pokrycia poprzez wysokotemperaturowe napylanie proszków lub ich par na pokrywaną powierzchnię. Można tu uzyskać powłoki powierzchni o złożonej geometrii jednorodnymi warstwami metalowymi i o żądanej grubości, czasem również znacznie cieńsze, niż uzyskuje się poprzez nakładanie blach, jak opisano powyżej, lecz przy znacznych oszczędnościach materiału. Sposoby rozpylania cieplnego są opisane np. w publikacji AWS Welding Handbook, t. 4, wyd. siódme.

Zgodnie z korzystną realizacją wynalazku warstwa wewnętrzna jest wytwarzana za pomocą łuku z natryskowym przenoszeniem materiał u. Przy wszystkich zasadniczych zmiennych dotyczą cych procesu stosowanego, jest to dobrze znany sposób nakładania twardych lub antykorozyjnych warstw na powierzchni stali węglowej lub innych materiałów spośród austenitycznych stali nierdzewnych i jest on stosowany, gdy zachodzi potrzeba połączenia właściwości mechanicznych np. ciągliwości rdzenia wyrobu z dużą odpornością na erozję lub korozję powierzchni, ponieważ pozwala uzyskać ścisłe i bezpośrednie połączenie pomiędzy leżąc ą poniżej powierzchnią metalową i jej okładziną, nawet jeśli metale obu tych warstw nie mogą być efektywnie spawane ze sobą. Sposób ten nie był jednakże nigdy zastosowany do wytwarzania części urządzenia z wiązką rur pozostającego w zetknięciu z wysoce korozyjnymi płynami, a w żadnym przypadku w procesach syntezy mocznika, zwłaszcza w środowiskach występowania karbaminianu.

Zgodnie z tym sposobem antykorozyjna powłoka tworząca warstwę wewnętrzną może być uzyskana za pomocą stapianych proszków lub poprzez nałożenie metalowych drutów, najpierw stopionych i następnie napylanych w jednolitej postaci na powierzchnię metalową. Przed nakładaniem korzystne jest przygotowanie zasadniczej powierzchni przez piaskowanie lub za pomocą innego równoważnego oczyszczania powierzchni.

W pożądanym tu przypadku szczególnym grubość powłoki cyrkonowej nakładanej na warstwę stali nierdzewnej 25/22/2 Ci/Ni/Mo leży w zakresie od 0,1 - 10 mm lub nawet powyżej, korzystnie od 0,5 do 3 mm, zależnie od geometrii i funkcji poszczególnych stref dolnej komory kolumny odpędowej oraz możliwych następnych operacji obróbki mechanicznej omawianej części.

W pewnych przykł adach osadzany materiał integruje się na jego warstwie powierzchniowej róż nymi rodzajami farb, dla uszczelnienia nieodłącznej porowatości wytwarzanej przez napylanie nakładanego materiału. Zastosowanie farb uszczelniających zależy od charakteru i sposobu nakładania, zgodnie z parametrami oceny znanymi specjalistom w tej dziedzinie.

Według wynalazku, sposób zabezpieczenia i regeneracji powierzchni urządzenia z wiązką rur, narażonego na silne oddziaływanie korozyjne jest prosty, ekonomiczny i powtarzalny nie tylko w warsztatach, lecz również w miejscu eksploatacji urządzenia podczas typowych czynności konserwacyjnych.

PL 211 244 B1

Udoskonalona okładzina antykorozyjna według wynalazku przydatna jest również przy regeneracji istniejących urządzeń wymagających wymiany lub naprawy oryginalnych okładzin z powodu występowania znacznych obszarów korozji, które zagrażają ich działaniu i bezpieczeństwu. Mianowicie, możliwa jest całkowita odnowa oryginalnej funkcjonalności urządzenia, z zagwarantowaniem, w rezultacie przedłużonej trwałości nowej okładziny, dłuższego czasu eksploatacji oraz bezpieczeństwa, niż w przypadku poprzednim.

Zgodnie ze szczególną realizacją wynalazku sposób wytwarzania powyższego urządzenia obejmuje także modyfikację, naprawę lub modernizację istniejącego urządzenia. W tym przypadku obszary urządzenia z wiązką rur efektywnie lub potencjalnie narażone na korozję, a opcjonalnie cała komora lub część urządzenia narażona na ryzyko korozji, są całkowicie pokrywane niezbędnymi warstwami metalowymi, aż do uzyskania opisanej powyżej struktury trzywarstwowej. Przykładowo, lecz jednakże bez ograniczenia, w przypadku kolumny odpędowej dla syntezy mocznika z wiązką bimetalowych rur i dolną oraz górną komorą otoczoną ścianą i perforowaną płytą w obu przypadkach ze stali węglowej, ciśnieniowy korpus i warstwa stali nierdzewnej w gatunku do zastosowania z mocznikiem, sposób naprawy zgodnie z wynalazkiem może polegać na oczyszczeniu całej komory (za pomocą znanego piaskowania lub śrutowania, rozwiercania, itp.) i następnie mocowaniu na warstwie nierdzewnej warstwy cyrkonu o pożądanej grubości, np. 0,5 do 3 mm, po czym następuje szczelne spawanie z okładziną każdej bimetalowej rury.

Urządzenie ma zastosowanie w zakładzie syntetycznej produkcji mocznika, zwłaszcza jako kolumna odpędowa w cyklu wysokociśnieniowej syntezy.

Claims (36)

1. Zastrzeżenia patentowe

   1. Urządzenie z wiązką rur do wymiany cieplnej pomiędzy co najmniej dwoma płynami, do przetwarzania płynów pod ciśnieniem do 100 MPa i w temperaturach do 400°C, z których jeden płyn wykazuje charakterystykę wysokiej agresywności w warunkach procesowych, zawierające pusty korpus zaopatrzony w zewnętrzną obudowę lub korpus ciśnieniowy, odpowiedni dla tolerancji ciśnień roboczych i zawierający materiał narażony na korozję w wyniku kontaktu ze wspomnianym wysoce agresywnym płynem, posiadający odpowiednie otwory do wprowadzania i odprowadzania płynów, przy czym wewnątrz korpusu są ukształtowane przynajmniej dwie komory, oddzielone trzecią szczelną komorą umieszczoną pomiędzy dwiema perforowanymi płytami zawiasowo połączonymi z korpusem ciśnieniowym, które to dwie komory są połączone ze sobą za pomocą szeregu rur, przy czym stykająca się ze wspomnianym wysoce agresywnym płynem wewnętrzna ściana rur jest wykonana z materiału o bardzo du żej odpornoś ci na korozję , dobranego spoś ród tytanu, cyrkonu lub stopu jednego z nich, i rury tworzą wią zkę rur przechodzą c ą poprzez trzecią komorę , a przynajmniej jedna z dwóch komór stykająca się z wysoce agresywnym płynem jest przynajmniej częściowo ograniczona przez ścianę wielowarstwową, znamienne tym, że wielowarstwowa, stykająca się z wysoce agresywnym płynem, ściana przynajmniej jednej z dwóch komór (1, 2), a zwłaszcza perforowana płyta (15, 16) ograniczającą komorę (1, 2), zawiera przynajmniej trzy metalowe warstwy, obejmujące narażoną na korozję poprzez zetknięcie ze wspomnianym wysoce agresywnym płynem procesowym warstwę zewnętrzną (21), odpowiednią do tolerancji obciążenia ciśnieniem, warstwę środkową (22) z nierdzewnej stali, laminarną warstwę wewnętrzną (23), stanowiącą okładzinę antykorozyjną i pozostającą w kontakcie z wysoce korozyjnym płynem, z materiału dobranego spośród tytanu, cyrkonu lub stopu jednego z nich.
2. 2. Urządzenie według zastrz. 1, znamienne tym, że warstwa wewnętrzna (23) tworząca okładzinę antykorozyjną jest z materiału wybranego spośród tytanu i cyrkonu, a korzystnie jest z cyrkonu.
3. 3. Urządzenie według zastrz. 1 albo 2, znamienne tym, że komora otoczona przez trzywarstwową ścianę tworzy zbiorczą komorę dolną (2) wysoce agresywnego płynu.
4. 4. Urządzenie według zastrz. 1 albo 3, znamienne tym, że komora (1, 2), będącą w kontakcie z wysoce agresywnym płynem, jest całkowicie otoczona przez trzywarstwową ścianę.
5. 5. Urządzenie według zastrz. 1, znamienne tym, że grubość warstwy środkowej (22) wynosi od 3 do 25 mm, a grubość wspomnianej warstwy wewnętrznej (23) wynosi od 0,5 do 10 mm.
6. 6. Urządzenie według zastrz. 5, znamienne tym, że warstwa środkowa (22) jest z nierdzewnej stali dobranej spośród stali AISI 316L, stali INOX i specjalnych stali austenityczno-ferrytycznych.
7. 7. Urządzenie według zastrz. 5, znamienne tym, że warstwa wewnętrzna (23) jest przynajmniej częściowo utworzona przez metal spoiny.

   PL 211 244 B1
8. 8. Urządzenie według zastrz. 1, znamienne tym, że warstwa wewnętrzna (23) jest warstwą napyloną cieplnie
9. 9. Urządzenie według zastrz. 1, znamienne tym, że w ciśnieniowym korpusie są rozmieszczone otwory odwadniające (28).
10. 10. Urządzenie według zastrz. 1, znamienne tym, że każda rura (4) posiada zewnętrzną warstwę (24) z nierdzewnej stali i kontaktującą się z płynem korozyjnym wewnętrzną warstwę okładziny (25) wykonaną z materiału wybranego spośród tytanu, cyrkonu lub stopu jednego z nich.
11. 11. Urządzenie według zastrz. 10, znamienne tym, że proporcja grubości zewnętrznej warstwy (24) ze stali nierdzewnej i warstwy okładziny wewnętrznej (25) rury (4) leży w zakresie od 1 do 20.
12. 12. Urządzenie według zastrz. 11, znamienne tym, że grubość zewnętrznej warstwy (24) rury (4) wynosi od 2 do 15 mm, a grubość okładziny wewnętrznej (25) rury (4) wynosi od 0,5 do 3 mm.
13. 13. Urządzenie według zastrz. 10 albo 11 albo 12, znamienne tym, że warstwa zewnętrzna (24) rury (4) jest z tego samego materiału co warstwa środkowa (22), a okładzina wewnętrzna rury (4) jest z tego samego materiału co warstwa środkowa (22).
14. 14. Urządzenie według zastrz. 1, znamienne tym, że ściana zawierająca co najmniej trzy warstwy metalowe (21, 22, 23) ogranicza przynajmniej część komory (1, 2), która to część styka się z wysoce agresywnym płynem.
15. 15. Urządzenie według zastrz. 14, znamienne tym, że warstwa środkowa (22) jest mocno i szczelnie przyspawana do warstwy zewnętrznej (24) ze stali nierdzewnej rury (4), a warstwa wewnętrzna (23) jest szczelnie przyspawana do wewnętrznej okładziny (25) rury (4).
16. 16. Urządzenie według zastrz. 1, znamienne tym, że każda rura (4) wiązki rur składa się wyłącznie z metalu wybranego spośród tytanu, cyrkonu lub stopu jednego z nich.
17. 17. Urządzenie według zastrz. 16, znamienne tym, że średnia grubość rury (4) leży w zakresie od 3 do 5 mm.
18. 18. Urządzenie według zastrz. 1, znamienne tym, że warstwa wewnętrzna (23) perforowanej płyty (15, 16) ma grubość w zakresie od 2 do 10 mm i jest mocno i szczelnie przyspawana do każdej z rur (4).
19. 19. Urządzenie według zastrz. 18, znamienne tym, że pomiędzy warstwą środkową (22) i warstwa wewnętrzną (23) jest umieszczona warstwa dodatkowa (30) ze stali węglowej o grubości w zakresie od 2 do 10 mm.
20. 20. Sposób wytwarzania urządzenia z wiązką rur do wymiany cieplnej pomiędzy co najmniej dwoma płynami, do przetwarzania płynów pod ciśnieniem do 100 MPa i w temperaturach do 400°C, obejmujący w kolejności wykonanie pustego korpusu zaopatrzonego w zewnętrzną obudowę lub korpusu ciśnieniowego, odpowiedniego do tolerancji ciśnień i wykonanego z materiału narażonego na korozję poprzez kontakt ze wspomnianym wysoce agresywnym płynem, ukształtowanie wewnątrz pustego korpusu przynajmniej dwóch komór oddzielonych od siebie przez trzecią uszczelnioną komorę, poprzez umieszczenie przynajmniej dwóch perforowanych płyt zawiasowo połączonych do ciśnieniowego korpusu, w których umieszcza się szereg rur dla połączenia komór ze sobą tworząc wiązki rur, których wewnętrzną ścianę wykonuje się z wysoce odpornego na korozję materiału dobranego spośród tytanu, cyrkonu lub stopu jednego z nich, a przynajmniej jedną z dwóch komór stykającą się z wysoce agresywnym płynem kształtuje się przynajmniej częściowo ze ścianą wielowarstwową, znamienny tym, że wielowarstwową ścianę przynajmniej jednej z dwóch komór (1, 2) stykających się z wysoce agresywnym płynem, a zwłaszcza perforowaną płytę (15, 16) ograniczającą komorę (1, 2), kształtuje się poprzez kolejne nakładanie trzech warstw metalowych: warstwy zewnętrznej (21) odpowiedniej do tolerancji obciążenia ciśnieniem, narażonej na korozję poprzez zetknięcie ze wspomnianym wysoce agresywnym płynem procesowym, laminarnej warstwy środkowej (22) z nierdzewnej stali, laminarnej warstwy wewnętrznej (2) stanowiącej okładzinę antykorozyjną i pozostającej w kontakcie z wysoce korozyjnym płynem, z materiału dobranego spośród tytanu, cyrkonu lub stopu jednego z nich.
21. 21. Sposób według zastrz. 20, znamienny tym, że kontaktującą się z wysoce agresywnym płynem ścianę komory (1, 2) kształtuje się wyłącznie poprzez nakładanie warstw metalowych zewnętrznej (21), środkowej (22) i wewnętrznej (23).
22. 22. Sposób według zastrz. 20 albo 21, znamienny tym, że warstwę środkową (22) wykonuje się z cyrkonu.
23. 23. Sposób według zastrz. 20, znamienny tym, że kształtuje się komorę dolną (2) kolumny odpędowej ograniczoną ścianą zawierającą trzy warstwy (21, 22, 23).

    PL 211 244 B1
24. 24. Sposób według zastrz. 23, znamienny tym, że warstwę wewnętrzną (23) nakłada się w bezpośrednim styku z warstwą środkową (22) za pomocą techniki rozpylania cieplnego.
25. 25. Sposób według zastrz. 24, znamienny tym, że technikę rozpylania cieplnego stosuje się w obszarze perforowanej płyty (15, 16) na rury.
26. 26. Sposób według zastrz. 24 albo 25, znamienny tym, że jako technikę rozpylania cieplnego stosuje się technikę łuku z natryskowym przenoszeniem materiału.
27. 27. Sposób według zastrz. 26, znamienny tym, że przed nałożeniem warstwy wewnętrznej (23) powierzchnię warstwy środkowej (22) poddaje się zabiegowi czyszczenia, korzystnie za pomocą piaskowania lub śrutowania.
28. 28. Sposób według zastrz. 27, znamienny tym, że nakłada się warstwę wewnętrzną (23) o grubości w zakresie od 0,5 mm do 10 mm.
29. 29. Sposób według zastrz. 20, znamienny tym, że kształtuje się wiązkę rur z metalowych rur (4), a każdą rurę (4) wykonuje się z zewnętrznej warstwy (24) z nierdzewnej stali i okładziny wewnętrznej (25) kontaktującej się z płynem korozyjnym, przy czym okładzinę wewnętrzną (25) wykonuje się z materiału dobranego spośród tytanu, cyrkonu lub stopu jednego z nich.
30. 30. Sposób według zastrz. 29, znamienny tym, że warstwę środkową (22) spawa się mocno i szczelnie z zewnętrzną warstwą (24) ze stali nierdzewnej bimetalowej rury (4), a warstwę wewnętrzną (23) spawa się szczelnie z okładziną wewnętrzną (25) bimetalowej rury (4).
31. 31. Sposób według zastrz. 29, znamienny tym, że wiązkę rur tworzy się z rur (4) wykonanych wyłącznie z tytanu, cyrkonu i ich stopu.
32. 32. Sposób według zastrz. 31, znamienny tym, że każdą rurę (4) wiązki rur spawa się mocno z warstwą wewnętrzną (23) perforowanej płyty (15, 16).
33. 33. Sposób według zastrz. 20, znamienny tym, że na warstwę środkową (22) nakłada się warstwę dodatkową (30) ze stali węglowej, na warstwę dodatkową (30) nakłada się, metodą platerowania wybuchowego, warstwę wewnętrzną (23) mającą grubość od 2 do 10 mm.
34. 34. Sposób wytwarzania urządzenia z wiązką rur do wymiany cieplnej pomiędzy co najmniej dwoma płynami, do przetwarzania płynów pod ciśnieniem do 100 MPa i w temperaturach do 400°C, obejmujący modyfikację istniejącego urządzenia będącego ciśnieniowym urządzeniem z wiązką rur zawierającą bimetalowe rury wykonane z nierdzewnej stali, od wewnątrz powleczone metalem dobranym spośród cyrkonu, tytanu lub stopu wspomnianych metali, przynajmniej część powierzchni stykającej się z płynem procesowym, poddawanej silnemu oddziaływaniu korozyjnemu istniejącego urządzenia pokrywa się okładziną wewnętrzną w pobliżu i ponad powierzchniami efektywnie lub potencjalnie narażonymi na korozję, znamienny tym, że części urządzenia narażone na ryzyko korozji, a opcjonalnie całą wewnętrzną powierzchnię komory (1, 2), pokrywa się kolejno nakładanymi warstwami metalowymi, wytwarzając trzywarstwową strukturę zawierającą: warstwę zewnętrzną (21) odpowiednią do tolerancji obciążenia ciśnieniem, narażoną na korozję poprzez zetknięcie ze wspomnianym wysoce agresywnym płynem procesowym; laminarną warstwę środkową (22) z nierdzewnej stali, mocno i szczelnie zespawaną z wlotem z nierdzewnej stali każdej z bimetalowych rur (4) tworzących wiązkę rur; warstwę wewnętrzną (23) tworzącą okładzinę antykorozyjną umieszczoną na wewnętrznej powierzchni stykającej się, podczas zastosowania, z wysoce korozyjnym płynem, wykonaną z materiału dobranego spośród tytanu, cyrkonu lub stopu jednego z nich, szczelnie spawaną z okładziną wewnętrzną każdej ze wspomnianych rur bimetalowych.
35. 35. Sposób według zastrz. 34, znamienny tym, że modyfikacji dokonuje się podczas rutynowego przeglądu istniejącego urządzenia.
36. 36. Sposób według zastrz. 34 albo 35, znamienny tym, że oczyszcza się całą powierzchnię komory (1, 2) i następnie na istniejącą warstwę zewnętrzną (21) z nierdzewnej stali nakłada się warstwę wewnętrzną (23) z cyrkonu o żądanej grubości, korzystnie od 0,5 do 3 mm, po czym odpowiednio szczelnie spawa się ją z wewnętrzną okładziną (25) każdej bimetalowej rury (4).