BR0312680B1 - misturador estático e método de construção de um misturador estático. - Google Patents

misturador estático e método de construção de um misturador estático. Download PDF

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Description

Relatório Descritivo da Patente de Invenção para "MISTURA-DOR ESTÁTICO E MÉTODO DE CONSTRUÇÃO DE UM MISTURADOR ESTÁTICO".
ANTECEDENTES DA INVENÇÃO
A presente invenção refere-se a elementos de mistura e méto-dos e, mais particularmente, a uma estrutura de elementos cruzados, taiscomo os encontrados em misturadores estáticos e trocadores de calor e aum método de construção da mesma.
Elementos de mistura estáticos ficam posicionados em tubos ououtros condutos para fluxo de fluidos, para ocasionar a mistura de uma oumais cursos de fluidos, fluindo no interior do conduto ou para ocasionar amistura simultânea de um curso de produto fluido e troca de calor entre ocurso de produto fluido e um fluido de serviço separado do curso de produtofluido por meio de uma parede e fluindo segundo uma relação concorrenteou contrária à corrente. Os cursos de fluido incluem fundidos poliméricos eoutros fluidos altamente viscosos, em fluxo laminar e líquidos com baixa vis-cosidade ou gases em aplicações de fluxo turbulento. Estes elementos demistura estáticos, tipicamente, não apresentam partes em movimento e ope-ram por meio de transporte radial do curso de fluido e dividindo o curso defluido em múltiplos cursos parciais, os quais são então recombinados pararedução das variações de seção transversal em composição, temperaturaou outras propriedades do curso de fluido. Em tipos de elementos de mistu-ra estáticos, conhecidos de forma geral como misturadores SMX, SMXL,SMV e SMR, duas ou mais grades de elementos cruzados são dispostassegundo ângulos que se interceptam reciprocamente e segundo um ânguloem relação ao eixo geométrico longitudinal do conduto. Os elementos cru-zados, os quais se tratam de placas corrugadas, no caso de misturadoresSMV, barras no caso de misturadores SMX e SMXL e hastes ou tubos nocaso de misturadores SMR, ficam respectivamente espaçados no interior decada grade e os elementos cruzados da grade parelha ficam interpostos nointerior deste espaçamento. A fim de obter uma boa mistura, os elementoscruzados são normalmente posicionados de forma reciprocamente próxima,de maneira que não haja, ou apenas exista pouco, espaçamento entre oselementos adjacentes.
Misturadores estáticos, como descritos acima, são muitas dasvezes utilizados para melhora da transferência de calor entre um fluido deserviço e um curso de produto fluido separado do fluido de serviço atravésde uma parede do conduto. No caso de misturadores do tipo SMV, SMX eSMXL, os elementos cruzados são inseridos em um tubo revestido ou nointerior de tubos de um trocador de calor com múltiplos tubos. O fluido deserviço flui então externamente ao revestimento ou cobertura e a mistura etransferência de calor em relação ao curso de produto fluido, fluindo no inte-rior da tubulação ou dos tubos são melhoradas por meio dos elementos cru-zados. No caso de misturadores SMR, as barras nos elementos cruzadossão substituídas por tubos, dispostos em uma grade paralela de tubos múlti-plos. O fluido de serviço flui no interior dos tubos e o curso de produto fluidoflui externamente aos tubos, sendo misturado, enquanto é submetido si-multaneamente à troca de calor com o fluido de serviço.
Um problema com os misturadores estáticos fazendo uso degrades de elementos cruzados dos tipos descritos acima, é a dificuldade detorná-los fortes o suficiente para resistir à queda de pressão, ocasionadapelos fluidos viscosos, tais como polímeros, fluindo através dos misturado-res. Os elementos cruzados também devem ficar seguros ao conduto defluxo e estes elementos cruzados, seguros ao conduto, devem resistir à ten-sões aplicadas aos outros elementos cruzados. Em muitas aplicações, taiscomo refrigeradores de fibras, os tubos SMR devem, adicionalmente, resistirà alta pressão externa.
A fim de resistir a estas tensões, os elementos cruzados devempossuir um desenho áspero, envolvendo materiais muito espessos e com-ponentes de reforço, tais como a solda em conjunto dos elementos cruzadosem seus pontos de cruzamento. No caso de misturadores do tipo SMR, éconhecida a solda adicional de abas entre cada laço adjacente de tubula-ção, no interior de cada arranjo de tubos. As abas são normalmente demesma espessura da parede de tubo e até três fileiras de abas são posicio-nadas em cada arranjo de tubo. Um agrupamento de tubos SMR típico podeconsistir de oito a mais de quarenta de tais arranjos de tubos e, como re-sultado, mais de duas mil abas podem ser necessárias para um agrupa-mento típico de tubos SMR. Pode ser observado que a solda ou outra formade segurança de tais abas aos tubos é extremamente dispendiosa em ter-mos de trabalho e pode adicionar consideravelmente os custos do agrupa-mento de tubos.
Uma necessidade significativa então se apresentou em relaçãoa um método aperfeiçoado de reforço dos elementos cruzados acima descritos.
SUMÁRIO DA INVENÇÃO
Segundo um aspecto, a invenção refere-se a um misturador es-tático com uma primeira grade, apresentando um ou mais elementos cruza-dos e uma ou mais fendas adjacentes a cada elemento cruzado e uma se-gunda grade, apresentando um ou mais elementos cruzados e uma ou maisfendas adjacentes a cada elemento cruzado. Os elementos cruzados daprimeira grade ficam dispostos segundo ângulos que se interceptam em re-lação aos referidos elementos cruzados da referida segunda grade. Pelomenos um conector alongado fica posicionado entre e seguro aos elemen-tos cruzados da primeira e da segunda grades. As grades podem ficar dis-postas de tal forma que cada elemento cruzado de uma grade intercepteuma fenda na outra grade.
Segundo outro aspecto, a invenção refere-se a um método deconstrução do misturador estático descrito acima. A invenção também serefere a uma estrutura de misturador estático.
BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS
Nos desenhos em anexo, que constituem parte do relatório des-critivo e devem ser considerados em conjunto com o mesmo, e nos quaisnumerais de referência iguais são utilizados para indicar partes similares nasvárias vistas:
A Figura 1A compreende uma vista plana superior de um mistu-rador estático tipo SMX, construído de acordo com a presente invenção;A Figura 1B compreende uma vista em elevação lateral de ummisturador estático tipo SMX, construído de acordo com a presente inven-ção;
A Figura 2 é uma vista em elevação lateral de um misturadorestático SMR da presente invenção;
A Figura 3 é uma vista em elevação lateral fragmentada, ampli-ada de uma porção do misturador estático SMR, ilustrado na Figura 2;
A Figura 4 é uma vista de um conector segundo a presente in-venção;
A Figura 5A é uma vista de um conector segundo a presenteinvenção;
A Figura 5B é uma vista de um conector segundo a presenteinvenção;
A Figura 6A é uma vista plana lateral de um conector e tomadaao longo da linha 6A - 6A da Figura 5A;
A Figura 6B é uma vista plana lateral de um conector e tomadaao longo da linha 6B - 6B da Figura 5B;
A Figura 6C é uma vista plana de lateral um cenector elementosde vonexão e tomada ao longo da linha 6C - 6C da Figura 3;
A Figura 7 é uma vista em elevação lateral, ilustrando o gram-peamento de arranjos de tubos adjacentes durante um método de constru-ção da presente invenção.
DESCRIÇÃO DETALHADA DA INVENÇÃO
Com referência agora aos desenhos, em maiores detalhes, apresente invenção refere-se a um misturador estático 10, o qual é utilizadopor meio de posicionamento no interior de uma tubulação ou outro condutode fluxo de fluido completamente ou parcialmente envolvido 12 para mistu-rar ou reduzir de alguma outra forma as variações de seção transversal emcomposição, temperatura ou outras propriedades de um ou mais cursos defluidos, fluindo no interior do conduto 12. O misturador estático 10 tambémpode ser utilizado para ocasionar troca de calor entre um curso de produtofluido e um fluido de serviço, fluindo de maneira concorrente ou contra a cor-rente e separado do curso de produto fluido por meio de uma parede. Ummisturador estático do tipo SMX 10 encontra-se ilustrada na Figura 1 e por-ções de um misturador estático do tipo SMR encontram-se ilustradas nasFiguras 2 - 3.
O misturador estático 10 compreende duas ou mais grades 14de elementos cruzados 16 e fendas adjacentes a cada elemento cruzado16. Os elementos cruzados 16 ficam dispostos segundo ângulos, que seinterceptam reciprocamente e segundo um ângulo inclinação de em relaçãoa um eixo geométrico longitudinal do conduto de fluxo de fluido 12. Por exemplo, ângulos de interceptação de 60 e 90 graus e ângulos de inclinaçãode 30 e 45 graus podem ser utilizados. As grades ficam dispostas de talmaneira que cada elemento cruzado de uma grade intercepte uma fenda naoutra grade. Os elementos cruzados 16 no interior de cada grade 14, depreferência, mas não necessariamente, estendem-se de forma paralela unsaos outros e ficam localizados dentro de um plano comum. Os elementoscruzados 16 podem se apresentar em forma de placas corrugadas, como nocaso de um misturador estático SMV 10, barras, como no caso de um mistu-rador estático SMX 10,ilustrado na Figura 1 e tubos, como no caso do mistu-rador estático SMR 10, ilustrado nas Figuras 2-3. Placas, hastes e outrasestruturas que funcionam para levar à divisão e recombinação do curso defluido, fluindo no interior do conduto 12 também podem ser utilizadas comoelementos de cruzamento 16. No caso de tubos, um ou mais cursos de flui-do também fluem no interior dos tubos, tal como para troca de calor com ocurso de fluido fluindo no exterior dos tubos. Em adição aos misturadoresestáticos SMX e SMR ilustrados, a invenção pode ser aplicada a misturado-res estáticos comumente conhecidos pela denominação SMXL ou qualqueroutro misturador, apresentando elementos inclinadas e cruzados de qual-quer formato.
De acordo com a presente invenção, um conector alongado 18fica posicionado entre e seguro aos elementos cruzados adjacentes 16 decada grade em par 14. Quando múltiplas grades em par 14 são utilizadas, oconector 18, de preferência, estende-se continuamente ao longo da totalida-de do comprimento em seção transversal do misturador estático 10 e unereciprocamente os elementos cruzados adjacentes 16 em cada dentre asgrades múltiplas 14. O conector 18, de preferência, é uma barra plana,como ilustrado nas Figuras 4 - 6C, mas também pode ser uma haste ou ou-tra estrutura. O conector 18 se constitui de material, apresentando a rigideze composição necessárias para junção aos elementos cruzados 16. Porexemplo, quando os elementos cruzados 16 se constituem de metal, o co-nector 18, de preferência, é de metal compatível. Quando os elementos cru-zados 16 são de construção polimérica ou cerâmica, o conector 18, de pre-ferência, é de construção similar.
O conector 18, preferivelmente, fica posicionado de tal formaque intercepte os elementos cruzados 16 ao longo de pelo menos algunsdentre seus pontos de interseção. Também podem ser utilizados múltiplosconectores 18, estendendo-se em paralelo e espaçados segundo uma rela-ção de afastamento.
O conector 18 deveria ser de construção relativamente esbeltapara minimizar a restrição de fluxo entre elementos cruzados adjacentes 16.Preferivelmente, no entanto, o conector 18 se constitui de material mais es-pesso para resistência adicional e inclui sulcos cruzados 20, posicionadosao longo de linhas de contato dos elementos cruzados 16 com o conector18. Os sulcos 20 em uma face do conector 18 estendem-se segundo umarelação reciprocamente paralela e segundo um ângulo em relação aos sul-cos 20, formados na face oposta do conector 18. A espessura do conector18 nos pontos de cruzamento dos sulcos 20, caso presente, é preferivel-mente muito pequena ou zero. Os sulcos 20, então, servem para reduzir oespaçamento entre elementos cruzados adjacentes 16, enquanto facilitam ajunção dos elementos de cruzamento 16 ao conector 18, por meio de provi-mento de uma superfície de junção mais ampla e uma adaptação mecânicapara segurar em conjunto os elementos cruzados 16. Os sulcos 20 podemser formados de qualquer maneira apropriada, tal como por meio de remo-ção de material do conector 18 ou por meio de formação de sulcos durantea fabricação do conector 18, por exemplo, durante a fundição ou moldagempor injeção do conector 18.
Apenas como exemplo, quando o conector 18 é utilizado comelementos cruzados tubulares 16, tal como no presente misturador estáticoSMR 10, o conector 18 apresenta 30 mm de largura e 5 mm de espessura apossuindo sulcos 20, que são contornados para recebimento complementardos elementos cruzados tubulares 16. Desta forma, caso os tubos nos ele-mentos cruzados 16 apresentam um diâmetro de 13,5 mm, os sulcos 20 te-rão um formato de meia-lua, correspondente ao diâmetro de tubulação deaproximadamente 14 mm. A profundidade deste sulco em meia-lua 20, depreferência, é de 2,5 a 3 mm, a fim de permitir um espaçamento zero entreos elementos cruzados 16, mas podendo ser também de uma dimensãomenor, para permitir alguma distância de separação entre os elementos cru-zados 16.
Os elementos cruzados 16 são fixos ao conector 18 por meio desolda, solda de latão, adesão ou outras técnicas apropriadas de maneiraescalonada ou de forma contínua. Por exemplo, o conector 18 pode, inicial-mente, ser unido aos elementos cruzados adjacentes 16 por meio de gram-peamento, como ilustrado na Figura 7 ou por meio de solda de abas. Após aestrutura de duas ou mais camadas de elementos cruzados 16 ser fixadesta maneira, os sulcos 20 são preenchidos com material em latão, talcomo latão de níquel em forma de pasta ou folheada. A totalidade da estru-tura é então posicionada em um forno a vácuo para tratamento por calor esolda em latão a uma temperatura apropriada, tal como 1050°C. Alternati-vamente, outros métodos de solda em latão podem ser utilizados, bemcomo solda total ou parcial, adesão ou outros meios de junção.
Notavelmente, a carga em cada elemento cruzado 16, resultan-do da queda de pressão do curso de fluido fluindo em torno dos elementoscruzados 16 é transferida ao conector 18, ao invés de para o próximo ele-mento cruzado 16, como ocorre com a construção convencional e com ométodo de reforço utilizando abas. Amostras de testes ilustraram que oselementos cruzados tubulares 16 podem absorver a carga de pelo menos30 kN, caso o conector 18 apresente largura de 30 mm e espessura de 5 mm eseja seguro com utilização do procedimento de solda em latão, descrito aci-ma. Esta resistência excede amplamente a carga de 0,5 a 1 kN que é expe-rimentada, tipicamente, para a queda de pressão de 20 a 40 bar através deum misturador estático, constituído de vinte grades de tubos com quinzetubos inclinados em cada grade.
O conector 18 também pode ser utilizado como estrutura de su-porte para a totalidade da estrutura por meio de fixação do mesmo ao flangeou corpo de alimentação de entrada ou de saída, com isso eliminando a ne-cessidade de suportes dispendiosos entre agrupamentos de tubos ou ele-mentos de mistura.

Claims (31)

1. Misturador estático, compreendendo: uma primeira grade (14)compreendendo um ou mais elementos cruzados (16) e uma ou mais fen-das, adjacentes a cada elemento cruzado (16), e uma segunda grade (14)compreendendo um ou mais elementos cruzados (16) e uma ou mais fen-das, adjacentes a cada elemento cruzado (16), os elementos cruzados (16)da referida primeira grade (14) sendo dispostos segundo ângulos de inter-seção em relação aos elementos cruzados (16) da segunda grade (14), ca-racterizado pelo fato de compreender pelo menos um conector alongado(18) posicionado entre e seguro aos elementos cruzados (16) da primeiragrade (14) e aos referidos elementos cruzados (16) da segunda grade (14).
2. Misturador estático, de acordo com a reivindicação 1, carac-terizado pelo fato de que as referidas grades (14) ficam dispostas de tal for-ma que cada elemento cruzado (16) de uma grade intercepte uma fenda naoutra grade.
3. Misturador estático, de acordo com a reivindicação 2, carac-terizado pelo fato de que os elementos cruzados (16) da primeira grade (14)ficam, de forma geral, segundo uma relação reciprocamente paralela.
4. Misturador estático, de acordo com a reivindicação 3, carac-terizado pelo fato de que os elementos cruzados (16) da primeira grade (14)se localizam em um plano comum.
5. Misturador estático, de acordo com a reivindicação 4, carac-terizado pelo fato de que os elementos cruzados (16) da segunda grade(14) ficam, de forma geral, segundo uma relação reciprocamente paralela.
6. Misturador estático de acordo com a reivindicação 5, caracte-rizado pelo fato de que os elementos cruzados (16) da segunda grade (14)se localizam em um plano comum.
7. Misturador estático, de acordo com a reivindicação 1, carac-terizado pelo fato de que os elementos cruzados (16) constituem de umdentre placas corrugadas e tubos.
8. Misturador estático, de acordo com a reivindicação 1, carac-terizado pelo fato de compreender mais do que duas grades (14).
9. Misturador estático, de acordo com a reivindicação 8, carac-terizado pelo fato de que cada grade (4) compreende elementos cruzados(16).
10. Misturador estático, de acordo com a reivindicação 9, carac-terizado pelo fato de que os elementos cruzados (16) de cada grade (14)ficam dispostos segundo ângulos de interseção, um em relação ao outro.
11. Misturador estático, de acordo com a reivindicação 10, ca-racterizado pelo fato de que o mencionado conector (18) fica posicionadoentre os elementos cruzados (16) de cada grade (14).
12. Misturador estático, de acordo com a reivindicação 1, carac-terizado pelo fato de que os elementos cruzados (16) são de construçãometálica, polimérica, cerâmica ou combinações destes.
13. Misturador estático, de acordo com a reivindicação 1, carac-terizado pelo fato de que o referido conector alongado (18) estende-se con-tinuamente ao longo do inteiro comprimento de seção transversal do mistu-rador estático.
14. Misturador estático, de acordo com a reivindicação 1, carac-terizado pelo fato de que o referido conector alongado (18) fica posicionadode forma que intercepte os elementos cruzados (16) ao longo de pelo me-nos alguns de seus pontos de interseção.
15. Misturador estático, de acordo com a reivindicação 1, carac-terizado pelo fato de que o conector alongado (18) possui sulcos cruzados(20), posicionados ao longo de linhas de contato dos elementos cruzados(16) com o conector (18), sendo que os referidos sulcos (20) provêm umasuperfície de junção e um ajuste mecânico maiores para segurar em conjun-to os elementos cruzados (16).
16. Misturador estático, de acordo com a reivindicação 15, ca-racterizado pelo fato de que os sulcos (20) ficam localizados em uma pri-meira face do conector (18) e estendem-se segundo uma relação com refe-rência aos elementos cruzados (16) da primeira grade (14) e os referidossulcos (20) ficam localizados em uma segunda face do conector (18) e es-tendem-se segundo uma relação com referência aos elementos cruzados(16) da segunda grade (14).
17. Misturador estático, de acordo com a reivindicação 1, carac-terizado pelo fato de que os elementos cruzados(16) ficam seguros aomencionado conector (18) por meio de um dentre solda, solda em latão, a-desão e combinações destes.
18. Misturador estático, de acordo com a reivindicação 1, carac-terizado pelo fato de que os mencionados ângulos de interseção são 60° e90°.
19. Misturador estático, de acordo com a reivindicação 1, carac-terizado pelo fato de incluir sulcos cruzados (20) no conector (18), posicio-nados ao longo de linhas de contato dos elementos cruzados (16) com oreferido conector (18) para proporcionar uma superfície de ligação e um a-juste mecânico maiores para manter juntos os elementos cruzados (16).
20. Misturador estático, de acordo com a reivindicação 19, ca-racterizado pelo fato de que os mencionados sulcos cruzadas (20) se loca-lizam numa primeira face do conector (18), sendo estendidos em relaçãoaos elementos cruzados (16) da primeira grade (14) e os sulcos cruzados(20) se localizam em uma segunda face do conector (18), sendo estendidosem relação aos elementos cruzados (16) da segunda grade (14).
21. Método de construção de um misturador estático conformedefinido na reivindicação 1, caracterizado pelo fato de compreender: (a)provimento de pelo menos duas grades (14); (b) posicionamento de um oumais elementos cruzados (16) e uma ou mais fendas adjacentes a cada e-Iemento cruzado (16) na primeira grade (14); (c) posicionamento de um oumais elementos cruzados (16) e uma ou mais fendas adjacentes a cada e-Iemento cruzado (16) na segunda grade (14); (d) disposição dos elementoscruzados (16) da primeira grade (14) segundo ângulos de interseção emrelação aos elementos cruzados (16) da segunda grade (14); (e) posiciona-mento de pelo menos um conector (18) entre os elementos cruzados (16) daprimeira grade (14) e os elementos cruzados (16) da segunda grade (14); e(f) junção do conector (18) com os elementos cruzados (16).
22. Método, de acordo com a reivindicação 21, caracterizadopelo fato compreender ainda: disposição das grades (14) de tal forma queos elementos cruzados (16) de uma grade (14) interceptem uma fenda naoutra grade.
23. Método, de acordo com a reivindicação 22, Método, de a-cordo com a reivindicação 21, caracterizado pelo fato compreender ainda:provimento de mais de duas grades (14).
24. Método, de acordo com a reivindicação 23, caracterizadopelo fato compreender ainda: posicionamento de um ou mais elementoscruzados (16) em cada grade (14).
25. Método, de acordo com a reivindicação 24, caracterizadopelo fato compreender ainda: disposição dos elementos cruzados (16) decada grade (14) segundo ângulos de interseção, um em relação ao outro.
26. Método, de acordo com a reivindicação 25, caracterizadopelo fato compreender ainda: posicionamento do referido conector (18) en-tre elementos cruzados (16) de cada grade (14).
27. Misturador estático, de acordo com a reivindicação 1 ou 2,caracterizado pelo fato de compreender ser localizado na trajetória de fluxode uma montagem que inclui um conduto de formato geral anelar (12) quepossui um eixo geométrico central e superfícies concêntricas interna e ex-terna, radialmente espaçadas se estendendo circunferencialmente, a referi-da superfície interna definindo a referida trajetória de fluxo que se estendeao longo do referido eixo geométrico.
28. Misturador estático, de acordo com a reivindicação 27, ca-racterizada pelo fato de que a montagem inclui uma pluralidade de mistu-radores estáticos localizados na dita trajetória de fluxo.
29. Misturador estático, de acordo com a reivindicação 27, ca-racterizada pelo fato de incluir uma pluralidade dos mencionados conecto-res alongados (18) estendidos em paralelo e espaçados entre si, sendo po-sicionados entre a fixados nos referidos elementos cruzados (16) da primei-ra grade (14) e nos elementos cruzados (16) da segunda grade (14).
30. Misturador estático, de acordo com a reivindicação 29, ca-racterizada pelo fato de os referidos ângulos de interseção são 60° e 90°.
31. Misturador estático, de acordo com a reivindicação 31, ca-racterizada pelo fato de os elementos cruzados (16) são estendidos em umângulo de 30° ou 45° em relação ao mencionado eixo geométrico central.
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