INTERCAMBIADOR DE CALOR DE HAZ TUBULAR CON REVESTIMIENTO DE FONDO DE TUBO RESISTENTE AL DESGASTE.

Intercambiador de calor de haz tubular para el enfriamiento de gases en instalaciones térmicas de craqueo que está equipado con:

a) un revestimiento de fondo de tubo resistente al desgaste por oxidación, b) tubos (1) de enfriamiento a través de los que circula el gas que se va a enfriar y que se sujetan en sus extremos mediante un fondo de tubo respectivamente, y c) una envoltura a través de la que circula el medio refrigerante, estando cubierto al menos parcialmente el fondo (2) de tubo situado en el lado de la entrada de gas en su lado expuesto a la corriente de gas entrante en el intercambiador de calor de haz tubular con una capa de material compuesta en el lado frontal de manguitos individuales que chocan entre sí en los cantos externos y están dispuestos uno al lado de otro e insertados en los extremos del tubo, caracterizado porque los manguitos insertables están hechos de aleaciones de metal resistentes a la oxidación, en especial de acero austenítico

La invención se refiere a un intercambiador de calor de haz tubular con revestimiento de fondo de tubo resistente al desgaste para el uso en instalaciones térmicas de craqueo según el preámbulo de la reivindicación 1. El documento EP-A-0567674 describe un intercambiador de calor de este tipo.

Este tipo de intercambiadores de calor de haz tubular se usa, por ejemplo, en instalaciones de etileno para la producción de etileno por craqueo térmico aguas abajo de un conducto de transferencia de un horno de craqueo y se identifica como dispositivo enfriador de gas de craqueo (Transferline Exchanger, TLE).

Los dispositivos enfriadores de gas de craqueo tienen que cumplir requisitos extraordinariamente altos en relación con la construcción y las propiedades del material. La mezcla reactiva, que sale caliente (hasta 850ºC aproximadamente) del horno de craqueo por la pirolisis de hidrocarburos, como la nafta, el LPG, el etano o también el residuo de hidrocraqueo (Unconverted Oil, Waxy), se tiene que enfriar rápidamente en los dispositivos enfriadores de gas de craqueo a fin de evitar reacciones secundarias no deseadas. El dispositivo enfriador de gas de craqueo o intercambiador de calor de haz tubular sirve como caldera recuperadora de calor perdido, en la que se puede generar vapor de alta presión mediante la evaporación de agua de alimentación conducida en el lado de la envoltura.

Durante el proceso se forman en los hornos de craqueo depósitos de coque que se han de eliminar en ciertos intervalos de tiempo (de 60 a 80 días) mediante la oxidación por aire. Para el descoquizado se conduce una mezcla de aire/vapor a través de los tubos del horno de craqueo con una potencia reducida del horno, mediante la que se queman los depósitos con contenido de carbono. En este caso se disuelven también las partículas de coque que se conducen con el gas de descoquizado en el recorrido del gas de craqueo a través del dispositivo enfriador de gas de craqueo hacia el conducto de descoquizado.

El gas de craqueo o el gas de descoquizado, que sale del horno de craqueo a alta velocidad, entra usualmente desde abajo a través de un conducto de transferencia a una cámara de entrada de gas, dispuesta de forma axial, en el dispositivo enfriador de gas de craqueo y choca con el fondo inferior de tubo para ser alimentado al proceso ulterior después de atravesar el dispositivo enfriador de gas de craqueo.

A pesar de los tiempos cortos de espera, el gas de craqueo contiene partículas de coque que actúan a altas velocidades del gas de craqueo de manera que provocan una fuerte erosión. Para enfriar rápidamente la mezcla reactiva caliente, producida en el horno de craqueo, el recorrido entre el horno de craqueo y los tubos de enfriamiento se ha de realizar lo más rápido posible. Debido a la forma constructiva corta, condicionada por esto, de la cámara de entrada de aire, cuyo diámetro se amplía usualmente desde el conducto de transferencia hasta el dispositivo enfriador, la corriente de gas con las partículas de coque se concentra en la zona central del fondo de tubo y de los tubos de enfriamiento que se ven fuertemente afectados. El debilitamiento provocado de este modo en las paredes bajo presión requiere gastos considerables de mantenimiento y los tiempos de parada asociados a esto provocan pérdidas de producción.

Para la solución de problemas comparables se conocen distintos planteamientos que se basan en el uso de materiales cerámicos refractarios como revestimientos, piezas moldeadas o recubrimientos.

Del documento EP-A-0567674 se conocen intercambiadores de calor para enfriar el gas de síntesis producido en una instalación de gasificación de carbón, en los que el fondo de tubo con una capa cerámica, que se encuentra situado en el lado de la entrada de gas, está compuesto de casquillos individuales en forma de paralelepípedo que están dispuestos uno al lado de otro y chocan entre sí en los cantos externos, presentando cada casquillo un orificio cónico que se estrecha en una sección de tubo que penetra en un tubo del intercambiador de calor. Esta solución no representa un cierre hermético al gas entre los elementos individuales en forma de paralelepípedo. Esto provocaría en dispositivos enfriadores de gas de craqueo de una instalación de olefinas la formación de coque en los espacios intermedios y la destrucción de los materiales. Además, los extremos de los casquillos usados formarían un canto de salida en el tubo, lo que provocaría en caso de altas velocidades de la corriente en dispositivos enfriadores de gas de craqueo fuertes turbulencias acompañadas de erosiones adicionales.

El documento DE-C-4404068 da a conocer un revestimiento cerámico formado por cuerpos moldeados refractarios. Estos pueden ser, por ejemplo, hexagonales y están provistos de agujeros, a través de los que pueden engranar los pasadores o ganchos soldados en el lado inferior del fondo de tubo. El cuerpo moldeado se suspende de este modo del fondo de tubo. Con esta construcción no se obtiene un recubrimiento sin fugas.

Asimismo es conocido equipar los tubos de enfriamiento, instalados en un reactor, con un recubrimiento refractario que inhibe la erosión (véase el documento US4124068), a fin de reducir el riesgo de un fallo en el tubo y la entrada de agua fría en la mezcla reactiva circundante a temperatura elevada.

El documento DE19534823A1 propone recubrir los fondos de tubo en el lado de la entrada de gas con un producto refractario de fraguado químico que es resistente a la erosión y en el que el recubrimiento a partir de una masa apisonada se dispone primero en una forma posible de procesar y se quema a continuación para obtener una masa refractaria.

Estas aplicaciones tienen en común que unen los materiales cerámicos, o sea, no metálicos, con el material metálico del aparato que es esencialmente acero. En la práctica se ha comprobado que la combinación entre elementos constructivos cerámicos y metálicos requiere un coste especial de procesamiento, montaje y mantenimiento debido a las propiedades diferentes del material, como el coeficiente de dilatación térmica, así como la deformabilidad diferente (frágil/dúctil), y a menudo resulta problemática. En caso de casquillos insertados de cerámica se origina además el problema de turbulencias y, por tanto, de una solicitación especial del material en el extremo trasero del casquillo, visto en dirección de la corriente, debido al canto de salida existente aquí. A diferencia de las realizaciones del documento DE19534823 se ha comprobado que no es practicable un recubrimiento con una masa refractaria sólo en la zona principal en el centro del fondo de tubo, ya que la superficie no uniforme del fondo de tubo en interacción con las diferentes propiedades del material provoca problemas especiales en la zona de transición, es decir, en el canto externo de la masa refractaria, por ejemplo, debido a su desprendimiento o a la erosión especialmente fuerte por turbulencia en el canto. Además, al aplicarse un recubrimiento con un producto refractario sólo queda protegido el fondo de tubo como tal. Sin embargo, es ventajoso proteger también al menos el elemento delantero del tubo respectivo de enfriamiento, visto en la dirección de la corriente. Esto sólo se puede lograr mediante el uso de un casquillo o manguito.

Se ha intentado solucionar el problema de una circulación y solicitación esencialmente mayor en la zona principal en comparación con las zonas marginales, entre otros, mediante piezas cónicas incorporadas (véase el documento USPS3552487) o mediante dispositivos de desviación de tipo difusor sin piezas incorporadas (véase el documento DEPS2160372) en las cámaras de entrada.

Se propone también proveer el intercambiador de calor de haz tubular de piezas incorporadas, hechas a partir de barras y dobladas en forma de anillo, tanto para unificar la corriente a través de la cámara de entrada como para proteger el fondo de tubo contra la erosión, estando dispuestos los anillos a lo largo de la superficie de un cono, cuya punta está dirigida hacia la entrada de gas (véase el documento EP0377089A1).

De esta forma esto se deben frenar las partículas de coque conducidas por el gas, que circula a gran velocidad, en la corriente principal y desviarse parcialmente en sentido radial hacia afuera, de modo que no se produzcan más daños por erosión en el fondo de tubo y los tubos. Por la otra parte, a este tipo de piezas incorporadas va asociada una presión diferencial no deseada y una pérdida de rendimiento debido al aumento correspondiente de los tiempos de... [Seguir leyendo]

1. Intercambiador de calor de haz tubular para el enfriamiento de gases en instalaciones térmicas de craqueo que está equipado con: a) un revestimiento de fondo de tubo resistente al desgaste por oxidación, b) tubos (1) de enfriamiento a través de los que circula el gas que se va a enfriar y que se sujetan en sus extremos mediante un fondo de tubo respectivamente, y c) una envoltura a través de la que circula el medio refrigerante, estando cubierto al menos parcialmente el fondo (2) de tubo situado en el lado de la entrada de gas en su lado expuesto a la corriente de gas entrante en el intercambiador de calor de haz tubular con una capa de material compuesta en el lado frontal de manguitos individuales que chocan entre sí en los cantos externos y están dispuestos uno al lado de otro e insertados en los extremos del tubo, caracterizado porque los manguitos insertables están hechos de aleaciones de metal resistentes a la oxidación, en especial de acero austenítico.

2. Intercambiador de calor de haz tubular de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado porque los manguitos insertables están formados esencialmente por un tubo (4) provisto en un extremo de una placa (5) que está orientada en un ángulo de 90º respecto al eje longitudinal del tubo y está perforada de tal modo que el gas entrante puede circular a través de la placa (5) hacia el tubo (4).

3. Intercambiador de calor de haz tubular de acuerdo con la reivindicación 2, caracterizado porque la placa (5) está orientada de forma centrada respecto al centro de la sección transversal del tubo.

4. Intercambiador de calor de haz tubular de acuerdo con la reivindicación anterior, caracterizado porque la placa (5) presenta una forma configurada de modo que los cantos externos de la placa chocan (8) con los cantos externos de las placas de los manguitos contiguos de manera que el fondo de tubo situado en el lado de la entrada queda cubierto al menos parcialmente sin interrupción.

5. Intercambiador de calor de haz tubular de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones anteriores 2 a 4, caracterizado porque la placa (5) es rectangular, con preferencia cuadrada.

6. Intercambiador de calor de haz tubular de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones anteriores 2 a 5, caracterizado porque el tubo (4) del manguito presenta un diámetro exterior igual o ligeramente menor que el diámetro interior de los tubos (1) de enfriamiento.

7. Intercambiador de calor de haz tubular de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones anteriores 2 a 6, caracterizado porque el tubo (4) del manguito insertable presenta una longitud de 50 a 200 mm, con preferencia de 70 a 150 mm, en especial de 100 a 120 mm.

8. Intercambiador de calor de haz tubular de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones anteriores 2 a 7, caracterizado porque el tubo (4) del manguito insertable presenta un espesor de pared de 1 mm.

9. Intercambiador de calor de haz tubular de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones anteriores 2 a 8, caracterizado porque la placa (5) del manguito insertable presenta un espesor de 2 a 110 mm.

10. Intercambiador de calor de haz tubular de acuerdo con al menos una cualquiera de las reivindicaciones anteriores 2 a 9, caracterizado porque el extremo del tubo del manguito insertable opuesto a la placa (5) está achaflanado.

11. Intercambiador de calor de haz tubular de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones anteriores 2 a 10, caracterizado porque el manguito insertable está unido fijamente con el respectivo tubo (1) de enfriamiento mediante laminación o ensanchamiento hidráulico.

12. Procedimiento para el equipamiento de un intercambiador de calor de haz tubular de acuerdo con la reivindicación 1 con una capa de material, caracterizado porque los manguitos formados por un tubo (4) y una placa

(5) se insertan en los tubos del intercambiador de calor y el tubo (4) insertado del manguito se une fijamente con el tubo (1) del intercambiador de calor mediante laminación o aplicación hidráulica.