Generador de vapor para producir vapor sobrecalentado y su utilización.
Caldera para producir vapor sobrecalentado con una presión de entre 2 y 15 MPa por intercambio de calor indirecto entre agua y un gas caliente,
siendo dicha caldera un recipiente (1) orientado verticalmente que comprende uno o más conductos (2) que están conformados en espiral alrededor del eje (3) vertical del recipiente (1), recipiente (1) que está provisto de una entrada (4) para gas caliente conectada en forma fluida al extremo inferior del conducto (2) para el paso ascendente del gas caliente a través del conducto (2) conformado en espiral, una salida (5) para gas enfriado conectada en forma fluida al extremo superior del conducto (2), una entrada (6) para agua de nueva aportación y una salida (7) del recipiente para vapor sobrecalentado, provisto dicho recipiente (1) además de un espacio (8) de baño de agua en el extremo inferior del recipiente (1) y un espacio (9) de recogida de vapor saturado por encima de dicho espacio (8) de baño de agua,
dicho conducto (2) conformado en espiral, que comprende una sección (10) de evaporación conformada en espiral ubicada en el espacio (8) del baño de agua y una sección (11) del sobrecalentador conformada en espiral en el extremo superior del recipiente (1), donde cada uno de los uno o más conductos (2) de la sección (11) del sobrecalentador está rodeado individualmente por un segundo conducto (12) que forma un espacio (13) anular entre dicho conducto (2) del sobrecalentador y dicho segundo conducto (12), estando provisto dicho espacio (13) anular de una entrada (14) para vapor saturado conectada en forma fluida al espacio (9) de recogida de vapor saturado y una salida (15) para vapor sobrecalentado ubicada en el extremo opuesto de dicho espacio (13) anular y conectada en forma fluida a la salida (7) del recipiente para vapor sobrecalentado, y donde la salida (15) o la entrada (14) están posicionadas en el espacio (8) del baño de agua.
Tipo: Patente Internacional (Tratado de Cooperación de Patentes). Resumen de patente/invención. Número de Solicitud: PCT/EP2007/054608.
Solicitante: SHELL INTERNATIONALE RESEARCH MAATSCHAPPIJ B.V..
Nacionalidad solicitante: Países Bajos.
Dirección: CAREL VAN BYLANDTLAAN 30 2596 HR THE HAGUE PAISES BAJOS.
Inventor/es: BRINKMANN,JUERGEN, LAU,TECK-SOON, THUL,HANS CHRISTIAN.
Fecha de Publicación: .
Clasificación Internacional de Patentes:
- F22B1/18 MECANICA; ILUMINACION; CALEFACCION; ARMAMENTO; VOLADURA. › F22 PRODUCCION DE VAPOR. › F22B METODOS DE PRODUCCION DE VAPOR; CALDERAS DE VAPOR (conjuntos funcionales de las máquinas de vapor en las que predominan los aspectos motores F01K; retirada de los productos o residuos de combustión, p. ej. limpieza de las superficies contaminadas por combustión de tubos y quemadores, F23J 3/00; sistemas de calefacción central doméstica que emplea vapor F24D; intercambio de calor o transferencia de calor en general F28; producción de vapor en los núcleos de los reactores nucleares G21). › F22B 1/00 Métodos de producción de vapor caracterizados por la forma de producirse el calor (utilización del calor solar F24S; medios de refrigeración por camisa exterior u otros en los cuales se produce vapor que sirve para refrigerar otros aparatos, véanse las subclases correspondientes a tales aparatos). › siendo el portador del calor un gas caliente, p. ej. gases residuales como los de escape de los motores de combustión interna (utilización del calor perdido en las máquinas motrices de combustión, en general, F02).
- F22B25/00 F22B […] › Calderas de tubos de agua compuestas de conjuntos de tubos de agua con tubos de conducción dispuestos internamente, o tubos de humo, extendidos a través de los tubos de agua.
- F22G3/00 F22 […] › F22G SOBRECALENTAMIENTO DEL VAPOR (disposiciones para la separación del vapor en las calderas F22B 37/26; retirada de los productos o residuos de combustión, p. ej. limpieza de las superficies contaminadas por combustión de tubos y quemadores, F23J 3/00). › Sobrecalentadores de vapor caracterizados por particularidades estructurales; Detalles o partes constitutivas de estos aparatos (características generales de los cambiadores de calor encerrados F28D).
- F28D1/02 F […] › F28 INTERCAMBIO DE CALOR EN GENERAL. › F28D INTERCAMBIADORES DE CALOR, NO PREVISTOS EN NINGUNA OTRA SUBCLASE, EN LOS QUE LOS MEDIOS QUE INTERCAMBIAN CALOR NO ENTRAN EN CONTACTO DIRECTO (materiales de transferencia de calor, de intercambio de calor o de almacenamiento de calor C09K 5/00; calentadores de fluidos que tienen medios para producir y transferir calor F24H; hornos F27; partes constitutivas de los aparatos intercambiadores de calor de aplicación general F28F ); APARATOS O PLANTAS DE ACUMULACION DE CALOR EN GENERAL. › F28D 1/00 Aparatos cambiadores de calor que tienen conjuntos fijos de canalizaciones solamente para uno de los medios intercambiadores de calor, estando cada uno de los medios en contacto con un lado de la pared de la canalización, y siendo el otro medio intercambiador de calor una gran masa de fluido, p. ej. radiadores domésticos o de motores de automóviles (F28D 5/00 tiene prioridad). › con las canalizaciones para el intercambio de calor sumergidas en la masa de fluido.
- F28D7/02 F28D […] › F28D 7/00 Aparatos cambiadores de calor que tienen conjuntos fijos de canalizaciones tubulares para los dos medios que intercambian calor, estando cada uno de los medios en contacto con un lado de la pared de la canalización. › estando las canalizaciones enrolladas helicoidalmente (F28D 7/10 tiene prioridad).
- F28D7/10 F28D 7/00 […] › estando las canalizaciones colocadas una dentro de la otra, p. ej. concéntricamente.
PDF original: ES-2536179_T3.pdf
Fragmento de la descripción:
Generador de vapor para producir vapor sobrecalentado y su utilización La invención está dirigida a una caldera para producir vapor sobrecalentado por intercambio de calor indirecto entre agua y un gas caliente, a una configuración que comprende dicha caldera y a un procedimiento para preparar vapor sobrecalentado.
Una caldera de este tipo se describe en el documento US-A-3.867.907. En este aparato un gas de síntesis caliente fluye a través de tuberías tubulares, que están ubicadas en un baño de agua ubicado en el extremo inferior de un recipiente orientado verticalmente. En dicho extremo inferior se genera el vapor saturado. En el extremo superior del recipiente, un conducto con un diámetro mayor que las tuberías tubulares rodea a dichas tuberías tubulares definiendo de ese modo un espacio anular alrededor de dichas tuberías. El extremo inferior de dicho espacio anular está abierto para recibir el vapor saturado, el cual fluye en equicorriente con el gas de síntesis caliente hasta el extremo superior del recipiente. En dicho extremo superior el vapor sobrecalentado y el gas de síntesis enfriado se descargan por separado de dicho recipiente. La publicación está dirigida especialmente a una tapa de protección alrededor de la abertura de entrada para el vapor saturado del espacio anular.
Una desventaja de dicho diseño es que en el espacio anular puede entrar agua en forma líquida, lo cual afectará negativamente a la producción del vapor sobrecalentado. Otra desventaja es que puede producirse un sobrecalentamiento local en la entrada del espacio anular lo que dará lugar a un fallo mecánico de las tuberías. Debido a que las calderas de este tipo están diseñadas para funcionar durante años sin fallo debe evitarse cualquier posible sobrecalentamiento debido al diseño.
La presente invención proporciona una caldera que hace uso de la transferencia de calor eficaz resultante a partir del diseño del espacio anular de la caldera del documento US-A-3.867.907 pero al mismo tiempo evita algunas de las desventajas de dicho diseño.
El documento US-A-4.462.339 divulga una caldera de gas para enfriar una corriente de gas caliente y producir simultáneamente vapor saturado o sobrecalentado que comprende un recipiente a presión, vertical, cerrado, con forma cilíndrica, y una cámara central estanca alargada vertical coaxial de forma cilíndrica, cerrada en la parte inferior y abierta en la parte superior, que proporciona de ese modo una cámara de agua entre las partes inferiores del recipiente a presión y de la cámara central. Las paredes del recipiente a presión y de la cámara central definen un paso alargado anular que comunica en la parte inferior con la cámara de agua. Una pluralidad de haces verticales de tubos helicoidales están situados en el paso alargado anular y estos tubos helicoidales están en conexión fluida con una cámara de entrada de gas caliente. Los haces verticales de tubos helicoidales convergen con un haz central de tubos helicoidales que se extiende verticalmente dentro de la cámara central. Cuando está en funcionamiento, la pluralidad de haces verticales calienta el agua de la cámara de agua y se forma vapor saturado en el paso alargado anular. Este vapor saturado se calienta más en la cámara central por el contacto con el haz central de tubos helicoidales para formar vapor sobrecalentado. En esta cámara central el gas caliente se enfría más en los tubos helicoidales.
El documento US-A-4.488.513 divulga un enfriador de gas para enfriar una corriente de gas caliente y producir simultáneamente vapor sobrecalentado que comprende un recipiente vertical cerrado con forma cilíndrica con una 45 sección de agua de alimentación de la caldera en la parte inferior. El enfriador de gas comprende también una cámara de entrada de gas caliente unida al extremo de la parte inferior del recipiente a presión y conectada en forma fluida en dicho lugar a una pluralidad de haces de tubos helicoidales verticales uniformemente espaciados que se extienden longitudinalmente dentro del recipiente a presión estando sólo una parte de cada haz de tubos helicoidales sumergida en el agua de alimentación de la caldera.
La caldera siguiente proporciona una solución de este tipo. Una caldera para producir vapor sobrecalentado con una presión de entre 2 y 15 MPa por intercambio de calor indirecto entre agua y un gas caliente, siendo dicha caldera un recipiente (1) orientado verticalmente que comprende uno o más conductos (2) que están conformados en espiral alrededor del eje vertical (3) del recipiente (1) , recipiente (1) que está provisto de una entrada (4) para el gas caliente 55 conectada en forma fluida al extremo inferior del conducto (2) para el paso hacia arriba del gas caliente a través del conducto (2) conformado en espiral, una salida (5) para el gas enfriado conectada en forma fluida al extremo superior del conducto (2) , una entrada (6) para el agua de nueva aportación y una salida (7) del recipiente para el vapor sobrecalentado, provisto dicho recipiente (1) además con un espacio (8) de baño de agua en el extremo inferior del recipiente (1) y un espacio (9) de recogida de vapor saturado por encima de dicho espacio (8) de baño de agua, comprendiendo dicho conducto (2) conformado en espiral de una sección (10) de evaporación conformada en espiral ubicada en el espacio (8) del baño de agua y una sección (11) del sobrecalentador conformada en espiral en el extremo superior del recipiente (1) , donde cada uno de los uno o más conductos (2) de la sección (11) del sobrecalentador está individualmente rodeado por un segundo conducto (12) que forma un espacio (13) anular entre 65 dicho conducto (2) del sobrecalentador y dicho segundo conducto (12) , estando provisto dicho espacio (13) anular de una entrada (14) para vapor saturado conectada en forma fluida al espacio (9) de recogida de vapor saturado y
una salida (15) para vapor sobrecalentado ubicada en el extremo opuesto de dicho espacio (13) anular y conectada en forma fluida a la salida (7) del recipiente para vapor sobrecalentado y donde la salida (15) o la entrada (14) están posicionadas en el espacio (8) del baño de agua.
En la caldera de la presente invención, el vapor saturado puede fluir en equicorriente con el gas caliente o en contracorriente con el gas caliente a través del espacio anular. En una realización en equicorriente, la entrada 14 está colocada en el espacio del baño de agua. En una realización en contracorriente, la salida 15 está colocada en el espacio del baño de agua. Al posicionar estas entrada y salida respectivas en el espacio del baño de agua local se evita el sobrecalentamiento local de las paredes del conducto 2 en espiral.
En el caso de la realización en equicorriente estará presente preferentemente un conducto de suministro separado para suministrar vapor saturado a la entrada 14 desde el espacio de recogida de vapor saturado.
La invención se ilustrará haciendo uso de las Figuras 1-3.
La Figura 1 es una caldera según la invención en una realización en equicorriente. La Figura 2 es una caldera según la invención en una realización en contracorriente. Las Figuras 3a y 3b muestran la sección del sobrecalentador de la caldera según la Figura 2.
La Figura 1 ilustra un recipiente 1 orientado verticalmente que comprende un conducto 2 conformado en espiral alrededor del eje 3 vertical. El recipiente 1 está provisto de una entrada 4 para el gas caliente conectada en forma fluida al extremo inferior del conducto 2 para el paso hacia arriba de gas caliente a través del conducto 2 conformado en espiral. En el dibujo sólo se muestra un conducto 2 conformado en espiral. Generalmente pueden disponerse desde 2 hasta, inclusive, 24 conductos 2 paralelos en un recipiente 1. Incluso un mayor número de conductos 2
pueden disponerse paralelos en el recipiente 1 si hay suficiente espacio disponible.
El recipiente 1 está provisto además de un espacio 8 de baño de agua en el extremo inferior del recipiente 1 y un espacio 9 de recogida de vapor saturado por encima de dicho espacio 8 de baño de agua.
La Figura 1 muestra también una salida 5 para gas enfriado conectado en forma fluida al extremo superior del conducto 2. En la Figura 1 la salida 5 está posicionada en el extremo inferior del recipiente 1 de tal manera que puede tener lugar un enfriamiento adicional cuando se pasa el espacio 8 del baño de agua. Obviamente, esta salida 5 puede estar posicionada también en el extremo superior del recipiente. También se muestra una entrada 6 para el agua de nueva aportación. Esta entrada se posiciona preferentemente de manera que la dirección del flujo a medida que entra en el recipiente 1 mejora la circulación de agua en una dirección hacia abajo... [Seguir leyendo]
Reivindicaciones:
1. Caldera para producir vapor sobrecalentado con una presión de entre 2 y 15 MPa por intercambio de calor indirecto entre agua y un gas caliente, siendo dicha caldera un recipiente (1) orientado verticalmente que comprende 5 uno o más conductos (2) que están conformados en espiral alrededor del eje (3) vertical del recipiente (1) , recipiente
(1) que está provisto de una entrada (4) para gas caliente conectada en forma fluida al extremo inferior del conducto
(2) para el paso ascendente del gas caliente a través del conducto (2) conformado en espiral, una salida (5) para gas enfriado conectada en forma fluida al extremo superior del conducto (2) , una entrada (6) para agua de nueva aportación y una salida (7) del recipiente para vapor sobrecalentado, provisto dicho recipiente (1) además de un espacio (8) de baño de agua en el extremo inferior del recipiente (1) y un espacio (9) de recogida de vapor saturado por encima de dicho espacio (8) de baño de agua, dicho conducto (2) conformado en espiral, que comprende una sección (10) de evaporación conformada en espiral ubicada en el espacio (8) del baño de agua y una sección (11) del sobrecalentador conformada en espiral en el extremo superior del recipiente (1) , donde cada uno de los uno o más conductos (2) de la sección (11) del
sobrecalentador está rodeado individualmente por un segundo conducto (12) que forma un espacio (13) anular entre dicho conducto (2) del sobrecalentador y dicho segundo conducto (12) , estando provisto dicho espacio (13) anular de una entrada (14) para vapor saturado conectada en forma fluida al espacio (9) de recogida de vapor saturado y una salida (15) para vapor sobrecalentado ubicada en el extremo opuesto de dicho espacio (13) anular y conectada en forma fluida a la salida (7) del recipiente para vapor sobrecalentado, y donde la salida (15) o la entrada (14) están posicionadas en el espacio (8) del baño de agua.
2. Caldera según la reivindicación 1, donde entre la entrada (14) para vapor saturado y el espacio (9) de recogida del vapor saturado está dispuesto un separador de gotas (22) .
3. Caldera según una cualquiera de las reivindicaciones 1-2, donde la sección (11) del sobrecalentador conformado en espiral está ubicada en el espacio (9) de recogida del vapor saturado.
4. Caldera según una cualquiera de las reivindicaciones 1-3, en la que la entrada para vapor saturado está dispuesta en el extremo aguas arriba de la sección del conducto del sobrecalentador según el sentido del gas caliente, de manera que, en uso, el vapor saturado fluye en equicorriente en el espacio anular en relación con el gas caliente en el conducto conformado en espiral.
5. Caldera según una cualquiera de las reivindicaciones 1-3, donde la entrada para vapor saturado está dispuesta en el extremo aguas abajo de la sección del conducto del sobrecalentador según el sentido del gas caliente, de manera
que, en uso, el vapor saturado fluye en contracorriente en el espacio anular en relación con el gas caliente en el conducto conformado en espiral.
6. Caldera según la reivindicación 5, donde la sección (11) del sobrecalentador conformado en espiral comprende al menos 2 conductos (2) conformados en espiral que corren en paralelo uno respecto al otro y donde la salida del espacio anular de cada conducto está conectada en forma fluida a un colector (21) común, estando dicho colector (21) común en forma de un anillo horizontal a través del cual los conductos (2) transfieren en una dirección vertical, conformando de ese modo aberturas (15) de salida anulares para el paso del vapor sobrecalentado que entra en el colector (21) común y donde el colector (21) común está conectado en forma fluida a la salida (7) del recipiente para el vapor sobrecalentado.
7. Caldera según la reivindicación 1, donde la sección (11) del sobrecalentador conformado en espiral está ubicada en el espacio (9) de recogida del vapor saturado, el extremo superior del espacio (9) de recogida de vapor saturado está provisto de un separador de gotas (22) que separa el extremo superior del recipiente en un espacio (9) de recogida de vapor saturado y en un espacio (19) de recogida de vapor saturado deshumidificado y donde la entrada (14) para el vapor saturado está dispuesta en el espacio de recogida de vapor saturado deshumidificado.
8. Configuración de un reactor de oxidación parcial y una caldera según una cualquiera de las reivindicaciones 1-7, donde el reactor está provisto de un quemador, conductos de suministro a dicho quemador para suministrar una alimentación de hidrocarburo y un gas de oxidación, provisto dicho reactor también de una salida para el gas 55 oxidado parcial cuya salida está conectada en forma fluida a la entrada (4) para el gas caliente de la caldera.
9. Procedimiento para preparar vapor sobrecalentado en una caldera según una cualquiera de las reivindicaciones 1-7, donde el gas caliente tiene en la entrada (4) una temperatura de entre 700 y 1.600 ºC y una presión de entre 2 y 11 MPa y el gas enfriado en la salida (5) tiene una temperatura de entre 200 y 450 ºC.
10. Procedimiento según la reivindicación 9, donde el gas caliente comprende monóxido de carbono e hidrógeno y entre 0 y 3 % en volumen de azufre.
11. Procedimiento según la reivindicación 9, donde el gas caliente comprende monóxido de carbono e hidrógeno y 65 entre 0 y 100 ppmv de azufre.
12. Procedimiento según la reivindicación 9, donde el gas caliente comprende monóxido de carbono e hidrógeno y entre 0 y 50 ppmv de azufre.
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