BRPI1002138B1 - trocador de calor para refrigeração de gás de reação - Google Patents

Abstract

trocador de calor para refrigeração de gás de reação, incluindo uma conexão tubular entre um tubo refrigerado e um tubo não refrigerado. a invenção refere-se a um trocador de calor para refrigeração de gás de reação incluindo uma conexão tubular entre um tubo refrigerado e um tubo não refrigerado, por meio do que um tubo interno refrigerado (3) é envolvido por uma camisa tubular (4) e está conectado ao tubo quente não refrigerado através de uma cabeça de entrada (11) que está conectada ao tubo não refrigerado e tem uma seção transversal em formato de garfo. a cabeça de entrada (11) é dotada de uma seção tubular externa (13) e uma seção tubular interna (12), entre as quais está disposto um espaço intermediário que é preenchido com um material de isolamento térmico. a seção tubular externa (13) está conectada à camisa tubular (4) . a seção tubular interna (12) é ligeiramente espaçada de modo axial do tubo interno (3) e uma vedação está disposta entre as faces terminais do tubo interno (3) e a seção tubular interna (12). a vedação é concretizada como um anel em formato de u (19) e está disposta em um recesso (18) na face terminal da seção tubular interna (12) da cabeça de entrada (11), por meio do que o recesso (18) é formado radialmente para fora de uma região de borda projetada para fora (17) da seção tubular interna (12) que está ligeiramente espaçada de modo axial do tubo interno (3). o espaçamento ligeiramente axial entre a região de borda (17) da seção tubular interna (12) da cabeça de entrada (11) e o tubo interno (3) é igual ou menor do que a expansão térmica máxima da cabeça de entrada (11).

Description

“TROCADOR DE CALOR PARA REFRIGERAÇÃO DE GÁS DE REAÇÃO” [0001] A presente invenção se refere a um trocador de calor para refrigeração de gás de reação e inclui uma conexão tubular entre um tubo refrigerado e um tubo não refrigerado.

[0002] Um trocador de calor desse tipo para refrigeração de gás de reação e incluindo uma conexão tubular é conhecido do documento DE 195 31 330 C2. Gás de reação é produzido mediante uma reação térmica de hidrocarbonetos em um forno de reação. Tais fornos de reação são dotados de uma série de tubos de reação externamente aquecidos, através dos quais os hidrocarbonetos que estão sendo usados são transportados, acompanhados pela adição de vapor de água. O gás de reação produzido deixa os tubos de reação em uma temperatura de até 900°C e deve ser resfriado muito rapidamente para estabilizar sua composição molecular. A refrigeração rápida do gás de reação é realizada em refrigeradores de gás de reação por meio de uma transferência de calor do gás de reação para a água de evaporação que está sob uma alta pressão.

[0003] Com a conexão tubular conhecida do documento DE 195 31 330 C2, a extremidade do tubo não refrigerado é dotada de uma cabeça de entrada, a qual é alargada de uma maneira em forma de garfo e é dotada de uma seção tubular interna e uma externa. O espaço intermediário entre as duas seções tubulares é preenchido com um material de isolamento térmico. A seção tubular externa é soldada ao envoltório tubular ou camisa do tubo duplo refrigerado. A seção tubular interna é axialmente espaçada do tubo interno do tubo duplo refrigerado, por meio do qual uma vedação, a qual é concretizada como um anel (em formato de C, O, U ou V), está disposta entre as faces terminais da seção tubular interna e o tubo interno; o anel de vedação se destina a impedir penetração de gás de reação no material de isolamento térmico.

[0004] Uma cabeça de entrada em formato de garfo, a qual é preenchida com material de isolamento térmico, para a conexão de um tubo não refrigerado com um tubo refrigerado, é também usada com o trocador de calor para refrigeração do gás de reação conhecido do documento EP 810 414 B1. Com o trocador de calor conhecido, o tubo refrigerado é compreendido de um tubo interno, que é envolvido, de uma maneira radialmente espaçada, por um envoltório tubular. Uma câmara de água para o fornecimento de um refrigerante envolve a extremidade de entrada do tubo refrigerado. A câmara de água é compreendida de uma parte sólida, quadrada ou retangular, na qual é introduzida uma porção em recesso tendo uma seção transversal circular. A porção em recesso acomoda um único tubo refrigerado, por meio da qual o tubo interno do tubo refrigerado é soldado na base da porção em recesso e o envoltório tubular é soldado à câmara de água. A seção tubular externa da cabeça de entrada é soldada à câmara de água sobre aquele lado que está defronte ao envoltório tubular, enquanto que a seção tubular interna da cabeça de entrada está axialmente espaçada do tubo interno do tubo refrigerado.

[0005] Em virtude do movimento axial entre o tubo interno e a seção tubular interna, as cabeças de entrada conhecidas permitem uma expansão de comprimento irrestrita causada termicamente. O isolamento térmico que é introduzido faz com que a seção tubular externa da cabeça de entrada, a qual está fixamente conectada ao tubo refrigerado, assuma uma temperatura de parede que está abaixo da temperatura do gás que flui através do tubo não refrigerado. As temperaturas de parede que os tubos atingem no local de conexão dessa forma se adaptam umas às outras, minimizando assim as tensões térmicas no local de conexão. O anel de vedação (em formato de C, O, U ou V) entre a seção tubular interna e o tubo interno impede a penetração de gás de reação no material de isolamento térmico da cabeça de entrada. Acima de 550 °C, carbono pode se precipitar do gás de reação e pode se depositar sobre o anel de vedação. Como uma consequência, o anel de vedação pode romper, de modo que o gás de reação pode penetrar no material de isolamento térmico. Como uma outra consequência, a precipitação de carbono da corrente de vazamento do gás de reação pode se depositar sobre o material de isolamento térmico, levando a forças de deformação na seção tubular interna e a forças circunferenciais na seção tubular externa da cabeça de entrada.

[0006] O objetivo da presente invenção é configurar o trocador de calor do tipo anteriormente mencionado, o qual inclui uma conexão tubular entre um tubo não refrigerado e um refrigerado, de tal forma que a vedação relativa ao gás de reação é aperfeiçoada quando carbono é precipitado.

[0007] O objetivo da invenção é concretizado para um trocador de calor do tipo anteriormente mencionado, o qual inclui uma conexão tubular entre um tubo não refrigerado e um refrigerado. Modalidades vantajosas da invenção são o assunto em das reivindicações dependentes.

[0008] Com o trocador de calor da invenção, o qual inclui uma conexão tubular entre um tubo refrigerado e um não refrigerado, o anel de vedação, o qual é concretizado como um anel em formato de U, assume a tarefa de um primeiro meio de vedação, até que ele atinja uma temperatura de 500 a 600°C. Se acima de 550°C, a precipitação de carbono do gás de reação começa, a extensão de comprimento ou expansão da seção tubular interna termicamente acarretada progride até um ponto em que o vão entre a região de borda projetada para fora da seção tubular interna disposta radialmente para dentro do anel de vedação e o tubo interno é reduzido, de modo que resulta em um contato metal a metal. Tal contato impede a penetração de gás de reação em direção ao anel de vedação e ao espaço intermediário entre as seções tubulares interna e externa da cabeça de entrada e atua como um segundo meio de vedação. Em uma outra modalidade da invenção, a membrana flexível, a qual fecha o espaço intermediário que é preenchido com o material de isolamento térmico, mantém o gás de reação que ainda poderia penetrar completamente distante do material de isolamento térmico. Dessa forma, a membrana flexível serve como um terceiro meio de vedação.

[0009] Diversas modalidades exemplificativas da invenção serão descritas subsequentemente em maiores detalhes e são ilustradas nas figuras, nas quais: - a Fig. 1 é uma vista em seção transversal longitudinal através da porção inferior de um trocador de calor tendo uma conexão tubular de acordo com a invenção; - a Fig. 2 mostra a área detalhada Z da Fig. 1 ou Fig. 3; e - a Fig. 3 é uma vista em seção transversal longitudinal através da porção inferior de um trocador de calor tendo uma conexão tubular diferente de acordo com a invenção.

[00010] Um gás de reação é produzido em um forno de reação através da reação de hidrocarbonetos com vapor de água. O forno de reação é fornecido com tubos de reação 1, os quais são aquecidos externamente e através dos quais flui o material que está sendo usado. O gás de reação, o qual deixa os tubos de reação 1 em uma temperatura de até 900°C, passa diretamente para um refrigerador de gás de reação, o qual está disposto diretamente acima do forno de reação. No refrigerador de gás de reação, a composição molecular do gás de reação é estabilizada através de refrigeração e troca de calor abruptos com a água de evaporação que está sob alta pressão.

[00011] O refrigerador de gás de reação contém uma pluralidade de tubos de refrigeração 2, os quais estão dispostos em uma linha próximos uns dos outros, de modo que cada tubo de refrigeração 2 esteja associado a um dos tubos de reação não refrigerados 1 e esteja disposto em uma extensão axial dos mesmos. Cada tubo de refrigeração 2 é compreendido de um tubo interno refrigerado 3 o qual é envolvido por um envoltório tubular ou camisa 4 acompanhado pela formação de um espaço anular através do qual o refrigerante flui. Conforme ilustrado, os diâmetros internos do tubo de reação 1 e do tubo interno 3 são comumente de uma magnitude similar.

[00012] O fornecimento e extração do refrigerante são, respectivamente, realizados através de uma câmara de água 5, a qual envolve a extremidade inferior ilustrada e a extremidade superior não ilustrada do tubo de refrigeração 2. A câmara de água 5 é fabricada a partir de uma peça sólida, quadrada ou retangular na qual é formada uma porção em recesso 6 tendo uma seção transversal circular; um tubo de refrigeração 2 está associado a cada porção em recesso 6. A camisa tubular 4 é soldada à câmara de água 5 sobre aquele lado que está defronte ao tubo de reação 1. Ao fazer isso, no local de solda, o diâmetro interno da camisa tubular 4 coincide com o diâmetro da porção em recesso 6.

[00013] A porção em recesso 6 é formada na peça que forma a câmara de água 5 até uma profundidade tal que uma base anular 7 tendo uma pequena espessura residual se mantém. O tubo interno 3 é soldado nessa base 7. A superfície da base anular 7 é delimitada pelo diâmetro externo do tubo interno 3 e o diâmetro da porção em recesso 6.

[00014] Um furo 8 se abre, de preferência tangencialmente, em cada porção em recesso 6 no nível da base 7. Os furos 8 são, respectivamente, conectados através de uma peça de conexão 9 com uma linha de fornecimento 10 para o refrigerante. O refrigerante passa através do furo 8 e entra na porção em recesso 6 em uma alta velocidade, gerando um fluxo rotativo em torno do tubo interno 3. Esse fluxo assegura uma boa refrigeração da base 7 da porção em recesso 6 e também impede o depósito de partículas sobre a base 7 que poderia levar a um superaquecimento localizado prejudicial.

[00015] A extremidade de descarga do tubo de reação 1 é alargada de uma maneira em forma de garfo e forma uma cabeça de entrada 11. Essa cabeça de entrada 11 é compreendida de uma seção tubular interna 12, a qual forma a extensão do tubo de reação 1 e uma seção tubular externa 13; as duas seções tubulares são conectadas umas às outras em uma extremidade. A seção tubular externa 13 é soldada ao lado inferior da câmara de água 5. A seção tubular interna 12 da cabeça de entrada 11 é axialmente espaçada em relação ao tubo interno 3.

[00016] Um isolamento térmico é introduzido no espaço intermediário anular entre a seção tubular interna 12 e a seção tubular externa 13 de cabeça de entrada 11. O isolamento térmico é compreendido de várias camadas de um material de isolamento térmico, as quais estão dispostas uma após a outra na direção axial. Na modalidade ilustrada, três camadas são fornecidas e, em particular, uma primeira camada 14, uma segunda camada 15 e uma terceira camada 16. As camadas 14, 15 e 16 diferem umas das outras quanto à sua condutividade térmica. A esse respeito, as camadas 14, 15 e 16 são introduzidas no espaço intermediário de tal forma que a primeira camada 14, a qual está defronte ao tubo interno 3, tem o menor coeficiente de condutividade térmica e a terceira camada 16, a qual está defronte ao tubo de reação 1, tem o coeficiente de condutividade térmica mais alto. A camada 15 disposta entre as mesmas tem um coeficiente de condutividade térmica mediano. O efeito de isolamento das camadas 14, 15 e 16, portanto, aumenta em direção ao tubo interno 3, isto é, em uma direção para longe do tubo de reação 1. Os diferentes coeficientes de condutividade térmica podem ser variados pela seleção de materiais ou da densidade ou da espessura das camadas 14, 15 e 16. A altura das camadas individuais 14, 15 e 16 na direção axial pode diferir e é determinada pela alteração desejada no efeito de isolamento.

[00017] As diferenças nos coeficientes de condutividade térmica estão entre 10 W/m*K sobre aquele lado que está defronte ao tubo de reação 1 e 0,2 a 0,6 W/m*K sobre aquele lado que está defronte ao tubo interno 3. O isolamento térmico pode ser compreendido de um material mineral ou fibroso e é introduzido no espaço intermediário como uma massa curável e vertida ou fundida, ou como uma parte moldada.

[00018] O diâmetro interno da seção tubular interna 12 é o mesmo que o diâmetro interno do tubo interno 3. Conforme pode ser reconhecido a partir da Fig. 2, a face terminal da seção tubular interna 12 tem uma região de borda 17 que provém do diâmetro interno e se projeta para fora. Radialmente para fora da região de borda 17, a face terminal da seção tubular interna 12 é dotada de um recesso anular 18. Um anel de vedação, concretizado como um anel 19 em formato de U, é colocado no recesso 18. As pernas do anel 19 em formato de U repousam contra a base do recesso 18 e contra a face terminal do tubo interno 3. O anel 19 em formato de U serve como uma primeira vedação que, em baixas temperaturas, impede o escape de gás de reação em direção ao espaço intermediário dentro da cabeça de entrada 11 e do material de isolamento térmico introduzido no mesmo.

[00019] O espaçamento axial da região de borda 17 disposta internamente da seção tubular interna 12 a partir da face terminal do tubo interno 3 é menor do que a extensão ou expansão máxima do comprimento da cabeça de entrada 11 acarretada termicamente que ocorre durante a operação em virtude da dimensão da cabeça de entrada 11. Quando uma temperatura predeterminada foi atingida, à medida que a expansão do comprimento progride, o espaçamento entre a cabeça de entrada 11 e o tubo interno 13 é reduzido, resultando em um contato metal a metal entre a região de borda 17 projetada para fora da seção tubular interna 12 e o tubo interno 3. Esse contato metal a metal atua como uma segunda vedação e, em temperaturas maiores, impede uma penetração de gás de reação em direção ao anel 19 em formato de U e ao espaço intermediário dentro da cabeça de entrada 11 ou limita, pelo menos extensivamente, tal penetração.

[00020] O espaço intermediário dentro da cabeça de entrada 11 que acomoda o material de isolamento térmico é fechado por uma membrana elástica anular 20 que não é permeável a gás. A membrana 20 é presa de maneira vedante às seções tubulares interna e externa 12, 13. A membrana 20 é, de preferência, corrugada. Ela serve como uma terceira vedação e impede que gás de exaustão, o qual poderia ter penetrado através do anel 19 em formato de U, atinja o material de isolamento térmico.

[00021] Ao invés da câmara de água 5 descrita acima, a cabeça de entrada 11 poderia também ser soldada a um meio de coleta de configuração diferente para o fornecimento do refrigerante ao tubo refrigerado.

[00022] Conforme mostrado na Fig. 3, a cabeça de entrada 11 também pode ser conectada diretamente ao tubo refrigerado, o qual é compreendido do tubo interno 3 e da camisa tubular 4, mediante soldagem da seção tubular externa 13 da cabeça de entrada 11 para fora do tubo refrigerado. A seção tubular interna 12 da cabeça de entrada 11 é concretizada da maneira descrita acima e está disposta transversalmente a partir da extremidade fechada do tubo refrigerado, por meio do qual um anel 19 em formato de U é fornecido como um anel de vedação no recesso 18 da face terminal da seção tubular interna 12 radialmente para fora adiante da região de borda projetada 17 e o espaço intermediário entre as seções tubulares interna e externa 12, 13 da cabeça de entrada 11 é fechado pela membrana impermeável a gás 20.

REIVINDICAÇÕES

Claims (6)

1. Trocador de calor para refrigeração de gás de reação incluindo uma conexão tubular entre um tubo refrigerado e um tubo não refrigerado, por meio do qual um tubo interno refrigerado (3) é envolvido por uma camisa tubular (4) e é conectado ao tubo quente não refrigerado através da cabeça de entrada (11) que está conectada ao tubo não refrigerado e tem uma seção transversal em formato de garfo, a cabeça de entrada sendo fornecida com uma seção tubular externa (13) e uma seção tubular interna (12), entre as quais está disposto um espaço intermediário que é preenchido com um material de isolamento térmico, por meio do qual a seção tubular externa (13) é conectada à camisa tubular (4) e a seção tubular interna (12) está ligeiramente espaçada de modo axial do tubo interno (3) e uma vedação está disposta entre as faces terminais do tubo interno (3) e a seção tubular interna (12) caracterizado pelo fato de que a vedação é concretizada como um anel em formato de U (19) e está disposta em um recesso (18) na face terminal da seção tubular interna (12) da cabeça de entrada (11), e em que o recesso (18) é formado radialmente para fora de uma região de borda projetada para fora (17) da seção tubular interna (12) que está ligeiramente espaçada de modo axial do tubo interno (3) e em que o espaçamento ligeiramente axial entre a região de borda (17) da seção tubular interna (12) da cabeça de entrada (11) e o tubo interno (3) é igual ou menor do que a expansão térmica máxima da cabeça de entrada (11).

2. Trocador de calor, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que, disposta acima do espaço intermediário da cabeça de entrada (11) que acomoda o material de isolamento térmico, está uma membrana flexível, impermeável a gás (20) que é fundida, de uma maneira vedante, com as seções tubulares interna e externa (12, 13) da cabeça de entrada (11).

3. Trocador de calor, de acordo com a reivindicação 2, caracterizado pelo fato de que a membrana impermeável a gás (20) é corrugada.

4. Trocador de calor, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a seção tubular externa (13) da cabeça de entrada (11) e a camisa tubular (4) são conectadas a uma câmara de água (5) nas extremidades que estão, respectivamente, dispostas transversalmente uma da outra, por meio do que a câmara de água (5) é compreendida de uma peça sólida em formato de haste na qual porções em recesso circulares (6) são introduzidas, as quais, respectivamente, envolvem um único tubo interno (3), o qual é soldado a uma base fina (7) da porção em recesso (6), e por meio da qual o diâmetro da porção em recesso (6) corresponde ao diâmetro interno da camisa tubular (4).

5. Trocador de calor, de acordo com a reivindicação 4, caracterizado pelo fato de que a seção tubular externa (13) da cabeça de entrada (11) está conectada diretamente à camisa tubular (4).

6. Trocador de calor, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o material de isolamento térmico é construído a partir de uma pluralidade de camadas (14, 15, 16) que estão dispostas umas após as outras na direção axial e os coeficientes de condutividade térmica das quais aumentam à medida que a distância do tubo interno (3) aumenta.