Intercambiador de calor para el enfriamiento de gases calientes y sistema de intercambio de calor.

Un intercambiador de calor para el enfriamiento de gases calientes por medio de un fluido de refrigeración,

comprendiendo dicho intercambiador:

• al menos un tanque orientado verticalmente que contiene un baño de fluido de refrigeración y que tiene un espacio de recogida de la fase vapor generada por encima de dicho baño de fluido de refrigeración;

• al menos un conducto en espiral que da vueltas en torno al eje del tanque;

• al menos una salida para la fase vapor generada en la cabecera de dicho tanque, al menos una línea de transferencia insertada en la parte inferior del tanque vertical para alimentar los gases calientes a dicho tanque, estando dicha línea de transferencia abierta por los dos extremos, de los que uno está conectado al tanque vertical y el otro está libre y por fuera de dicho tanque,

siendo dicha línea de transferencia tubular y sobresaliendo lateralmente por fuera de dicho intercambiador, conteniendo dicha línea de transferencia al menos un conducto central interno que tiene una camisa exterior por la que circula un fluido de refrigeración,

estando dicho conducto central interno en conexión de fluido con el citado conducto en espiral, estando el intercambiador de calor caracterizado porque comprende además al menos un elemento tubular vertical insertado en el interior de dicho tanque, abierto por los extremos y coaxial con dicho tanque y se desarrolla verticalmente a lo largo del elemento tubular insertado en el tanque vertical, y porque el conducto en espiral está insertado en dicho elemento tubular coaxial y en donde la camisa del conducto central interno comprende también un tabique para permitir la circulación interna del fluido de refrigeración, y en donde el tabique contenido en la camisa se desarrolla a través de la longitud total del conducto central interno hasta el extremo superior de dicho conducto.

Intercambiador de calor para el enfriamiento de gases calientes y sistema de intercambio de calor

La presente invención se refiere a un intercambiador de calor con fluido de refrigeración para el enfriamiento de un gas caliente y la producción simultánea de vapor según el preámbulo de la reivindicación 1, y al uso de tal 5 intercambiador de calor en un proceso de oxidación parcial catalítica. Se conocen intercambiadores de este tipo a partir del documento W25/1815 A1. Más específicamente, se refiere a un intercambiador de calor para el enfriamiento de un gas caliente que proviene de un proceso de oxidación parcial catalítica y con la producción simultánea de vapor en una corriente separada.

Un problema de primordial importancia en los procesos que generan gases a alta temperatura es el enfriamiento 1 rápido de los gases calientes producidos y la consiguiente recuperación del calor contenido en los mismos.

Una planta en un proceso que produce gas a alta temperatura comprende normalmente:

un reactor que genera gases calientes consistente en material refractario,

una línea de transferencia de los gases calientes hacia el intercambiador de calor consistiendo ambos en material refractario.

La parte inferior y la placa tubular del intercambiador están compuestas por material refractario. El intercambiador de calor funciona generalmente con agua y durante el enfriamiento genera vapor. El exceso de vapor se utiliza con fines externos al proceso de intercambio de calor. Una de las partes más sometidas a daños durante el funcionamiento de esas plantas está constituida por las zonas refractarias, las cuales deben estar diseñadas y realizadas de manera precisa. Esas zonas, durante el funcionamiento, pueden estar sujetas a fracturas, tanto 2 cuando la planta está operando bajo condiciones estacionarias como también, y sobre todo, durante los períodos de puesta en marcha y apagado transitorios de la planta.

Los defectos de colocación y desgaste del material refractario pueden acelerar la formación de grietas durante el funcionamiento industrial, principalmente en las partes donde existe una expansión térmica diferencial entre las partes refractarias y de acero. Esto ocurre particularmente en los puntos en que el gas callente producido es 25 transferido a la sección de enfriamiento y generación de vapor. Las grietas pueden llevar a los gases callentes a entrar en contacto con las paredes metálicas del reactor, con la línea de transferencia y con el intercambiador de calor, y causar un sobrecalentamiento de las paredes metálicas de la cubierta que opera a presiones elevadas. Con el fin de monitorizar esos eventos, las paredes metálicas deben ser recubiertas con una pintura termocromática que cambia de color en caso de sobrecalentamiento, y en algunos puntos críticos es conveniente adherir un poco de 3 forro que se termoacopla con las superficies metálicas a efectos de medir los valores de temperatura alcanzados. El sobrecalentamiento de las paredes metálicas puede causar un exceso de las temperaturas admisibles y requerir el apagado de la planta además de la reconstrucción de la parte refractaria dañada.

La solicitante ha encontrado una innovadora solución técnica para resolver los aspectos críticos descritos con anterioridad. La solución técnica propuesta por la solicitante es la sustitución de parte del material refractario 35 presente en la línea de transferencia, en la parte inferior del intercambiador de calor y en la placa tubular, por un intercambiador de calor con circulación de un fluido de refrigeración, tal como por ejemplo agua.

Las ventajas ofrecidas por la presente Invención son generalmente una reducción en cuanto a las Intervenciones de mantenimiento, un incremento de la seguridad operativa, eficiencia energética, operatlvldad y disponibilidad en el funcionamiento de las plantas industriales.

La solución técnica propuesta puede ser aplicada ventajosamente en procesos de Oxidación Parcial Catalítica que generan gas de síntesis a alta temperatura.

En esos casos, el fluido de refrigeración utilizado puede estar integrado en la circulación interna del proceso o proceder de una corriente secundaria.

La Patente US 7.552.71 divulga un Intercambiador que produce vapor sobrecalentado por enfriamiento de un gas 45 caliente con agua. Dicha caldera es un contenedor vertical único que tiene una entrada para los gases calientes en la parte del lado inferior. El intercambiador contiene al menos dos conductos en espiral paralelos compuestos por una parte vertical que se desarrolla en torno al eje del contenedor, y una parte horizontal que sobresale lateralmente en la zona inferior del contenedor. Los conductos en espiral se desarrollan a lo largo de la totalidad del recipiente y durante una cierta longitud están sumergidos en el baño de agua hirviente, mientras que desde un determinado 5 punto hacia delante se desarrollan en la parte superior del contenedor en la que se recoge el gas saturado. En el espacio de recogida del vapor saturado, los conductos tienen una camisa en la que circula el vapor saturado, el cual enfría además los gases calientes produciendo el vapor sobrecalentado. Una bajante está insertada axialmente en la parte vertical de la caldera cerca de la entrada de agua fresca con el fin de permitir la circulación descendente del agua en su interior. El agua circula hacia arriba por fuera de la bajante. El conducto en espiral da vueltas en torno a 55 la bajante. Según una realización preferida, el intercambiador está conectado en comunicación de fluido con un

reactor de oxidación parcial, en particular la salida del reactor está en comunicación de fluido con la entrada del intercambiador. La patente no indica la presencia de material refractario en la zona de entrada del gas caliente del intercambiador, pero resulta razonable pensar que en el sistema de reactor-intercambiador acoplados, la sección del tubo que sale del reactor, por la que circulan los gases calientes, consiste en material refractario como el resto del reactor. La parte de conexión entre el reactor y el intercambiador sigue siendo por tanto un punto crítico, desde un punto de vista mecánico, dado que está sometida a altas temperaturas que pueden provocar la formación de grietas.

La Patente US 4.29.54 divulga un intercambiador para el enfriamiento, por medio de un fluido frío, de gases muy calientes, tal como por ejemplo gas de síntesis puro, con el fin de recuperar la energía térmica contenida en dichos gases. El intercambiador comprende dos cámaras distintas separadas por medio de una placa separadora (plana o esférica), pero conectadas entre sí a través de tubos de paso de los gases calientes. La cámara inferior es la zona de alimentación de los gases calientes y está recubierta de un material refractario. La cámara superiores la zona de enfriamiento de los gases calientes y comprende al menos una línea principal para el fluido frío. Las líneas de paso del gas caliente pasan a través de la placa de separación y están encamisadas con fluido frío que circula a través de un circuito secundario de fluido frío. Dicho circuito secundario es necesario puesto que constituye el punto en que el gas tiene su temperatura más alta, asegurando una refrigeración óptima de una zona crítica. Para apoyar esto, la parte inferior de la placa de separación consiste en material refractario. Las líneas de paso del gas caliente están conectadas a las líneas de descarga situadas en la cabecera de la cámara superior por medio de tubos de refrigeración helicoidales arrollados en torno a un tubo axial central. Con el fin de obtener un intercambio de calor extraordinariamente bueno, el fluido frío es obligado a circular en sentido descendente en la zona central de dicho tubo y en sentido ascendente en el espacio anular exterior al tubo a continuación de un movimiento rotacional con el fin de favorecer un intercambio de calor más efectivo.

La Patente US 4.488.513 divulga un intercambiador para enfriar un gas caliente, en particular un gas de síntesis procedente de procesos de oxidación parcial, recuperando de ese modo el calor sensible y produciendo al mismo tiempo vapor sobrecalentado. El intercambiador comprende dos zonas superpuestas separadas y distintas, conectadas entre sí por medio de una serie de líneas de paso de los gases calientes encamisadas adecuadamente. La parte superior comprende un recipiente vertical presurizado, cilindrico y cerrado, que tiene una salida en la parte superior para el vapor sobrecalentado. Este recipiente está parcialmente lleno de agua hirviente que forma la primera zona de enfriamiento de los gases calientes, mientras que la parte superior está libre y saturada con vapor sobrecalentado formando la segunda zona de... [Seguir leyendo]

1.- Un intercambiador de calor para el enfriamiento de gases calientes por medio de un fluido de refrigeración, comprendiendo dicho intercambiador:

al menos un tanque orientado verticalmente que contiene un baño de fluido de refrigeración y que tiene un espacio de recogida de la fase vapor generada por encima de dicho baño de fluido de refrigeración;

al menos un conducto en espiral que da vueltas en torno al eje del tanque;

al menos una salida para la fase vapor generada en la cabecera de dicho tanque, al menos una línea de transferencia insertada en la parte inferior del tanque vertical para alimentar los gases calientes a dicho tanque,

estando dicha línea de transferencia abierta por los dos extremos, de los que uno está conectado al tanque vertical y el otro está libre y por fuera de dicho tanque,

siendo dicha línea de transferencia tubular y sobresaliendo lateralmente por fuera de dicho intercambiador,

conteniendo dicha línea de transferencia al menos un conducto central interno que tiene una camisa exterior por la que circula un fluido de refrigeración,

estando dicho conducto central interno en conexión de fluido con el citado conducto en espiral,

estando el intercambiador de calor caracterizado porque comprende además al menos un elemento tubular vertical insertado en el interior de dicho tanque, abierto por los extremos y coaxial con dicho tanque y se desarrolla verticalmente a lo largo del elemento tubular insertado en el tanque vertical, y porque el conducto en espiral está insertado en dicho elemento tubular coaxial y en donde la camisa del conducto central interno comprende también un tabique para permitir la circulación interna del fluido de refrigeración, y en donde el tabique contenido en la camisa se desarrolla a través de la longitud total del conducto central interno hasta el extremo superior de dicho conducto.

2.- El intercambiador según la reivindicación 1, en donde la línea de transferencia contiene también un interespacio de forma cónica que divide el baño de agua en dos espacios, un espacio abierto hacia el tanque vertical y un espacio abierto hacia el extremo libre y abierto de la citada línea de transferencia.

3.- El intercambiador de calor según la reivindicación 1, en donde dicha línea de transferencia es horizontal o inclinada.

4.- El intercambiador según la reivindicación 1, que comprende también una línea de conexión entre el fondo del tanque vertical y la línea de transferencia.

5.- El intercambiador según la reivindicación 4, en donde al menos un medio para hacer circular el fluido de refrigeración está presente en la línea de conexión.

6 - El intercambiador según las reivindicaciones 4 y 5, en donde el medio para hacer circular el fluido de refrigeración es una bomba de circulación o un eyector alimentado por una bomba de circulación.

7.- El intercambiador según la reivindicación 1, en donde el conducto central interno es tubular.

8.- El intercambiador según la reivindicación 1, en donde la camisa es tubular y coaxial con el conducto central interno.

9.- El intercambiador de calor según la reivindicación 1, en donde el tabique es tubular y coaxial con el conducto central interno.

1.- El intercambiador según las reivindicaciones 1 a 9, en donde el fluido de refrigeración es agua.

11.- El intercambiador según las reivindicaciones 1 a 9, en donde el gas caliente es gas de síntesis.

12.- Un sistema de intercambio térmico que comprende al menos un aparato de reacción para oxidación parcial catalítica y el intercambiador según la reivindicación 1, comprendiendo dicho aparato de reacción:

una zona de alimentación que comprende al menos un acceso para los reactivos y el oxidante,

una zona de nebulización y/o vaporización que comprende al menos un dispositivo de nebulización y/o vaporización,

una zona de mezcla de los compuestos alimentados, situada corriente abajo del dispositivo de nebulización y/o vaporización, que tiene una sección constante o decreciente a lo largo del eje del aparato,

una zona de reacción que contiene al menos un sistema catalítico y al menos una pantalla térmica en la que los reactivos y el oxidante son convertidos en gases calientes,

una zona de enfriamiento rápido de los gases calientes producidos,

estando dicho intercambiador caracterizado porque la línea de transferencia para alimentar al intercambiador dichos gases calientes que van desde el aparato de reacción hasta el intercambiador, está insertada directamente en el interior de dicho aparato de reacción.

13.- El sistema de intercambio térmico según la reivindicación 12, en donde la zona de reacción tiene una sección constante o creciente a lo largo del eje del aparato de reacción.

14.- El sistema de intercambio térmico según la reivindicación 12, en donde la línea de transferencia de los gases calientes está insertada en la zona de enfriamiento rápido del equipo de reacción.

15.- El sistema de intercambio térmico según la reivindicación 12, en donde la zona de mezcla tiene una forma cilindrica o troncocónica.

16.- El sistema de intercambio térmico según la reivindicación 12, en donde la zona de reacción tiene una forma cilindrica o troncocónica o troncopiramidal.

17.- Un proceso de oxidación parcial catalítica para la producción de gas de síntesis y de hidrógeno a partir de reactivos seleccionados entre hidrocarburos líquidos, hidrocarburos gaseosos y/o compuestos oxigenados, que derivan también de biomasas, y mezclas de los mismos, que comprende:

una fase de precalentamiento de dichos reactivos,

una fase de reacción de los reactivos con una corriente oxidizante seleccionada a partir de oxígeno, aire o aire enriquecido para proporcionar una corriente que comprende gas de síntesis,

una fase de enfriamiento rápido del gas de síntesis,

caracterizado porque el enfriamiento rápido del gas de síntesis se efectúa usando el intercambiador según las reivindicaciones 1 a 11.

18.- El proceso según la reivindicación 17, en donde el agente oxidizante es oxígeno y la temperatura de reacción está comprendida en la gama de 5 °C a 2 °C.

19.- El proceso según la reivindicación 18, en donde la temperatura de reacción está comprendida en la gama de 75 °Ca 16 °C.