BR112014003858B1 - sistema de tubulação de permutador de calor para o transporte de fluidos viscosos e processo para o transporte de um fluido viscoso - Google Patents

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Abstract

SISTEMA DE TUBULAÇÃO DE PERMUTADORES DE CALOR. A presente invenção refere-se a um sistema de tubulação de permutador de calor para o transporte de fluidos viscosos, com uma série de permutadores de calor individuais projetados como elementos de tubulação e com distribuição controlada predeterminada da temperatura e/ou da pressão ao longo do sistema de tubulação, bem como na seção transversal das tubulações, caracterizado pelo fato de que em distâncias regulares do sistema de tubulação são previstos permutadores de calor projetados como elementos de tubulação, sendo que as distâncias regulares são selecionadas de modo a manter uma distribuição predeterminada de temperatura e/ou de pressão ao longo do sistema de tubulação, sendo que nos permutadores de calor são previstos meios de têmpera de um fluido viscoso transportado na tubulação de permutador de calor, bem como elementos de misturação opcionais manter uma distribuição predeterminada de temperatura e/ou de pressão na seção transversal em função da respectiva seção transversal de tubulação, e sendo que no mínimo 30% do comprimento do sistema de tubulação de permutadores de calor estão equipados com permutadores de calor, bem como a um processo para o transporte de fluidos viscosos através das tubulações de permutadores de calor.(...).

Description

[001] A presente invenção refere-se ao emprego de permutadores de calor no transporte de fluidos instáveis.
[002] Tubulações para o transporte de meios viscosos, como, por exemplo, materiais sintéticos de fundição a quente ("hot melts"), são conhecidos, por exemplo, pelo OS 2009/0321975. Nesse caso, apresenta-se uma instalação onde um polímero viscoso é conduzido para um extrusor. Nesse caso, a massa fundida de polímero é resfriada através de um permutador de calor.
[003] Um reator para a execução contínua de uma reação de polimerização em meios altamente viscosos é descrito na EP 096 201 A1. Percebeu-se que o consumo de energia na misturação e na transmissão de calor no caso de alta viscosidade é tão elevado que as reações químicas durante a polimerização podem ser influenciadas. Por isso, são desejados meios para a eliminação do calor de redação e tempos limitados de misturação para a homogeneização. Para isso, o reator é circulado por um agente de refrigeração e são previstos elementos de misturação estáticos no interior.
[004] Elementos de misturação estáticos são bastante difundidos e sobre isso pode servir de referência, por exemplo, a evidenciação da US 7.841.765 ou o WO 2009/000642.
[005] No entanto, não apenas as reações de polimerização podem requerer uma eliminação do calor de reação. Também os processos de dissolução, armazenamento provisório de polímeros a serem reduzidos termicamente e as soluções poliméricas requerem um controle de temperatura que seja controlado ativamente, para que os produtos desejados, por um lado, apresentem uma qualidade correspondente e, por outro lado, que as etapas do processo acima descritas também possam ser conduzidas com segurança quanto à temperatura. Recentemente, têm sido feitos muitos esforços no sentido de que produtos biodegradáveis, como, por exemplo, fibras de celulose, produzidos a partir de soluções de fiação, possam ser produzidos em escala industrial. Soluções de fiação ou de extrusão podem ser produzidas tanto a partir de polímeros nativos (celulose e derivados de celulose, por exemplo), como também a partir de materiais sintéticos de base biológica, que tenham sido obtidos através de alteração química abrangente das matérias-primas biogênicas. Por outro lado, sob a designação de biopolímeros pode-se entender polímeros sintetizados de criaturas, os quais se apresentam sob a forma de polissacarídeos, proteínas e ácidos nucleicos. Essas soluções de fiação podem ser constituídas de uma mistura de um biopolímero, como, por exemplo, celulose, um solvente, um componente de solubilização, bem como aditivos necessários ao processo (estabilizadores, ácidos, álcalis) e aditivos que modificam a propriedade do produto. Uma exposição correspondente de tais sistemas de solução de fiação com celulose- óxido de amina-água pode ser deduzida da publicação "Structure Formation of Regenerated Cellulose Materials from NMMO-Solutions (Prog. Polym. Sci. 26 (2001) 1473 - 1524).
[006] Tais soluções poliméricas apresentam, geralmente, um comportamento pronunciado de sensibilidade à temperatura e à viscosidade, ao qual é preciso dar grande atenção em todas as etapas do processo, começando com a produção da solução, isto é, solução do polímero, através de etapas intermediárias necessárias ao processo, tais como transporte, distribuição, filtragem, permuta de calor, adição de aditivos e formatação. A publicação "Rheology of Concentrated N- Methylmorpholine-N-Oxide Cellulose Solutions (Polymer Science, Ser. A, vol. 39, n° 9, 1997, p. 1033-1040) trata particularmente da reologia dessas massas de polímeros.
[007] A US 2009/304890 A1 descreve um sistema de tubulação formado por vários permutadores de calor, os quais estão envolvidos por coberturas de meio térmico para a regulagem da temperatura. Por dentro, as tubulações estão equipadas com lamelas para aumentar a turbulência. Também podem ser previstas chapas para impacto.
[008] A US 2009/165994 A1 refere-se a um permutador de calor com estruturas internas de condução de meios térmicos, as quais são previstas tanto para o transporte de calor, como para uma misturação.
[009] Na US 4.110.521 A descreve-se um sistema de tubulação para a polimerização de acrilamidas, o qual compreende permutadores de calor com uma cobertura de têmpera e misturadores estáticos internos.
[0010] A US 5.046.548 A mostra um permutador de calor com uma espiral dupla localizada internamente, a qual conduz o meio portador de calor. Eventualmente, também pode ser previstas uma tubulação de retorno interna em linha reta.
[0011] O WO 2009/122143 A2 refere-se a um "Reator Pulso-Fluxo" (PFR) com peças embutidas, as quais provocam um movimento oscilante do material fluido bombeado. Nesse documento, também são descritos meios para o aquecimento do material, como, por exemplo, uma cobertura de água quente.
[0012] O WO 2005/119154 A1 descreve um sistema para o aquecimento de suspensões com alta densidade, que tendem a um fluxo laminar com pouca transmissão interna de calor. O sistema possui uma série de unidades individuais de permutador de calor, sendo que cada permutador de calor possui vários tubos internos paralelos.
[0013] As publicações de patentes US 2009/117218 A1, DE 10 2009 043788 A1, DE 102 41 276 A1, FR 1.383.810 A e EP 1 350 560 A1 descrevem outros permutadores de calor.
[0014] Nas publicações acima mencionadas explicita-se que as influências de temperatura e de viscosidade no processo de processamento devem ser levadas em consideração. Pesquisas correspondentes comprovam que é preciso dar a máxima atenção ao processamento para gerar produtos moldados, tais como fibras empilhadas, filamentos, lâminas, corpos moldados e materiais de velo. Para a produção de produtos moldados de alto valor qualitativo, são colocadas exigências máximas quanto à qualidade da solução polimérica, pois a solução polimérica no processo de moldagem fica exposta a esforços máximos de carga.
[0015] Além dos critérios de qualidade requeridos para a massa fundida de polímero, tais como uniformidade de temperatura e de viscosidade, também é preciso atentar para que, por um lado, as soluções poliméricas sejam conduzidas de modo termicamente homogêneo e que não ocorra nenhuma decomposição termicamente induzida do polímero (celulose), bem como do solvente (óxido de amina), no processo NMMO para a produção de produtos moldados. É conhecido o fato de que, no caso das soluções poliméricas de celulose anteriormente mencionadas, em certas condições podem ocorrer reações de decomposição autocatalíticas, que podem ocorrer espontaneamente. Em tais reações também é necessário que o calor de reação surgido possa ser eliminado do modo mais controlado possível.
[0016] As soluções poliméricas de celulose-óxido de amina-água também têm a propriedade de que elas podem desbotar sob a influência do calor. Esse desbotamento pode assumir uma dimensão tal que a solução polimérica pode desbotar de cor de mel ao início da produção da solução ao longo do caminho de transporte, no sentido de marrom escuro até preto. Esse desbotamento é provocado pelo esforço de carga térmica do polímero e do solvente. Uma solução polimérica bastante desbotada leva a que o produto final produzido nas posições de processamento também assuma uma cor marrom escura e, por isso, torne-se impróprio para o uso comercial.
[0017] Por si só, o transporte da solução de celulose de alta viscosidade através de tubulações leva a que através da resistência de pressão da tubulação (100 a 500 kPa/m (1 a 5 bar/m)) seja induzido um calor de fricção que é introduzido na massa polimérica.
[0018] Uma vez que as soluções poliméricas produzidas em larga escala frequentemente apresentam impurezas, então, na produção de soluções poliméricas essas impurezas, como, por exemplo, corpos intumescidos, são afastadas por filtragem antes do processamento da solução polimérica. Em função da filtragem, é gerada uma perda de pressão através do meio de filtragem, a qual induz calor de fricção adicional na massa polimérica. Para se chegar às posições individuais de processamento com a massa polimérica produzida, a massa polimérica é usualmente repartida por pedaços angulares, pedaços em forma de T, pedaços em forma de Y, por distribuidor múltiplo, fazendo com que ocorra mais uma entrada de calor.
[0019] O deslocamento ou transporte das soluções poliméricas altamente viscosas por meio de bombas, como, por exemplo, bomba de engrenagens, extrusor, bomba helicoidal, bomba de canal, bombas centrífugas, induz ainda mais calor de fricção e o introduz na solução de celulose sensível à viscosidade e à temperatura.
[0020] Não somente os componentes de instalação acima mencionados é que podem introduzir calor de fricção (potência de dissipação dos aparelhos), mas também misturadores aí instalados, como, por exemplo, misturador estático, misturador tubular etc., o que também leva a calor de fricção.
[0021] Um sistema para o transporte de soluções poliméricas, começando desde a produção da solução, através de bombeamento, filtro, elementos de distribuição, até a aparelhos de processamento final, requer sistemas de instalações da maior complexidade, para que todas as fontes acima mencionadas de calor de fricção possam ser eliminadas da solução polimérica no local de ocorrência, para que se alcance uma uniformidade de temperatura e de viscosidade para o processamento da solução polimérica, mediante a conservação do mais alto padrão de segurança.
[0022] O objetivo desta invenção consiste em fornecer um sistema de transporte para o processamento de fluidos de alta viscosidade, sistema este que apresente a segurança térmica necessária, para que seja possível manter sob controle as reações de decomposição com matização térmica exotérmica e/ou endotérmica, bem como desbotamentos, e que possa ajustar a homogeneidade da temperatura e da viscosidade.
[0023] De acordo com a invenção, disponibiliza-se um sistema de tubulação de permutadores de calor, que é apropriado para o transporte de fluidos viscosos e apresenta uma série de permutadores de calor individuais projetados como elementos de tubulação, sendo que no mínimo 30% do comprimento do sistema de tubulação de permutadores de calor estão equipados com permutadores de calor. O sistema possibilita uma distribuição controlada predeterminada da temperatura e/ou da pressão ao longo do sistema de tubulação, bem como na seção transversal das tubulações, como, por exemplo, através de redisposição do fluido. Em distâncias regulares do sistema de tubulação são previstos permutadores de calor projetados como elementos de tubulação, sendo que as distâncias regulares são escolhidas de modo a se poder manter uma distribuição predeterminada da temperatura e/ou da pressão ao longo do sistema de tubulação. Nos permutadores de calor são previstos meios de têmpera para manter um fluido viscoso transportado na tubulação de permutadores de calor a uma temperatura predeterminada, bem como elementos de misturação opcionais para, em função da seção transversal de tubulação, poder manter uma distribuição pré-definida da temperatura e/ou da pressão na seção transversal das tubulações, para com isso também se poder manter a homogeneidade da viscosidade.
[0024] Tubulações para o transporte de fluidos viscosos já são conhecidas. No WO 94/28213 A1 é proposto um tubo para o transporte de massas viscosas, a saber, uma solução de celulose-NMMO (N - óxido de N - metilmorfolina), no qual o fluido é resfriado no centro do tubo e/ou na parede de um pedaço de tubulação, segundo as fórmulas lá apresentadas. Para isso, um agente refrigerante é conduzido através de uma cobertura de refrigeração que envolve o tubo. O agente refrigerante desvia o calor de reações exotérmicas eventualmente surgidas para fora do fluido de trabalho e resfria a região externa da corrente de fluido. Devido a isso formam-se diferenças de temperatura bastante divergentes entre o fluido na região externa e no centro do tubo, as quais influenciam negativamente as propriedades físicas e químicas do fluido.
[0025] A DE10024540 descreve um elemento de condução de fluido com um elemento de refrigeração situado internamente sob a forma de um tubo concêntrico. Também neste caso, devido à corrente laminar de fluidos viscosos, podem se formar gradientes de temperatura na seção transversal.
[0026] De acordo com a invenção, descobriu-se que, em função do diâmetro interno, pode ser necessário um elemento de misturação, como, por exemplo, um misturador estático, para - dependendo da diferença de temperatura tolerável - conservar a distribuição de temperatura na seção transversal e, com isso, a constância da viscosidade da massa de polímero em uma tubulação.
[0027] Adicionalmente, para evitar gradientes de temperatura na seção transversal de permutador de calor, também é um objetivo obter uma temperatura constante na trajetória longitudinal da tubulação de permutador de calor. Por isso, no essencial, ao longo de toda a tubulação de permutador de calor são previstos meios de têmpera de acordo com a invenção. Por "no essencial" deve-se entender que não exatamente sobre cada seção da trajetória é preciso haver um meio de têmpera; é possível transpor em ponte trechos curtos sem meios de têmpera, sem ser preciso temer restrições substanciais da qualidade do fluido e da segurança do sistema. Uma análise da evolução da viscosidade e da evolução da temperatura pode ser usada para determinar o emprego local do meio de têmpera. Particularmente cotovelos ou outros elementos técnicos intermediários, tais como filtro, dispositivos de alívio de sobrepressão, bombas, peças de conexão, divisores de fluxo, unificadores de fluxo, elementos de retirada, particularmente aparelhos técnicos de medição como, por exemplo, viscosímetro in-line, medidor de fluxo ou recipiente de pressão, podem ser livres de meios de têmpera de acordo com a invenção. De preferência, são empregadas peças de conexão com misturadores estáticos. Na medida em que nesses elementos se deva evitar aquecimento, podem ser previstos elementos de refrigeração especiais internamente ou externamente.
[0028] De acordo com a invenção, foi determinada a fração crítica de permutadores de calor (com meios de têmpera) em um sistema de condução de fluido com no mínimo 30% do comprimento; de preferência no mínimo 35%, especialmente de preferência no mínimo 40%, no mínimo 45%, no mínimo 50%, no mínimo 55%, no mínimo 60%, no mínimo 65%, no mínimo 70%, no mínimo 75%, no mínimo 80%, ou mesmo no mínimo 85%, no mínimo 90%, no mínimo 95%, do comprimento do sistema de tubulação de permutadores de calor são equipados com permutadores de calor ou meios de têmpera. Uma seção com um permutador de calor é designada como tal seção longitudinal do sistema de tubulação, no qual é previsto um meio de têmpera como, por exemplo, tubulações de portadores de calor. Com isso, uma grande parte do sistema de tubulação é um permutador de calor; por isso, esse aspecto da presente invenção também é chamado de sistema de tubulação de permutadores de calor. De preferência, em seções de no mínimo a cada 8 m, a cada 7 m, a cada 6 m, a cada 5 m, a cada 4 m ou a cada 3 m é previsto um permutador de calor no sistema de tubulação de permutadores de calor. Nessas seções, de 8 m, 7 m, 6 m, 5 m, 4 m ou 3 m, no mínimo 30% do comprimento, de preferência no mínimo 35%, especialmente de preferência no mínimo 40%, no mínimo 45%, no mínimo 50%, no mínimo 55%, no mínimo 60%, no mínimo 65%, no mínimo 70%, no mínimo 75%, no mínimo 80%, ou mesmo no mínimo 85%, no mínimo 90%, no mínimo 95%, do comprimento da seção podem ser equipados com permutadores de calor ou com meios de têmpera.
[0029] O sistema de acordo com a invenção deve homogeneizar a temperatura e a distribuição de pressão durante todo o transporte de um fluido desde a produção (como, por exemplo, dissolução do polímero sob pressão e/ou vácuo, e aquecimento da solução de fiação para a temperatura de transporte, colocação sob pressão em qualquer sequência) até o processamento final (a moldagem, no caso de massas de fiação).
[0030] No sentido de uma condução segura do processo é vantajoso controlar a capacidade específica de eliminação de calor (quilowatt por metro de comprimento, quilowatt por m2 da superfície interna) das partes da instalação. Como indicador técnico de segurança usa-se, além dos indicadores anteriormente mencionados, também a densidade volumétrica de corrente de calor do fluido em quilowatt por m2 do volume de fluido da parte correspondente da instalação.
[0031] Por isso, é importante que no processamento de fluidos e polímeros termicamente sensíveis, os respectivos componentes de instalação sejam configurados de tal modo que o fluido, respectivamente polímero, termicamente sensível aí contido possa ser conduzido através de um controle de calor conduzido ativamente para um nível seguro de temperatura, embora também segundo uma distribuição segura de temperatura pelas seções transversais das correspondentes partes de instalação, bem como pelo comprimento de todo o sistema. Massas fundidas de polímeros e soluções poliméricas apresentam, geralmente, propriedades viscosas estruturais com elevados valores de viscosidade; por isso, além de um controle de calor executado ativamente, deve-se atentar para uma alta homogeneidade da corrente polimérica, para que em todos os pontos da instalação, respectivamente da parte de instalação, estejam presentes perfis iguais de temperatura e de viscosidade. Tal como descrito acima, no caso de processamento de misturas de polímeros, constituídas de celulose, água e óxido de amina, a partir do início da produção da solução até a moldagem ocorre uma condução de calor de fricção por vários componentes da instalação, o que leva a perfis descontrolados e desregulados de temperatura e de viscosidade e, em caso extremo, a reações exotérmicas. Por isso, o fluido é temperado e reordenado continuamente.
[0032] O fluido termicamente instável, constituído de celulose/NMMO/água decompõe-se autocataliticamente no caso de estabilização insuficiente já a partir de temperaturas de 120°C a 130°C. Por estabilização do fluido entende-se que ao fluido são adicionados reagentes químicos já no decorrer da produção da massa de polímero, os quais devem proteger, por um lado, o polímero e, por outro lado, o solvente contra decomposição térmica. Uma outra adição dos reagentes estabilizantes também pode ser adicionada no decorrer do transporte da massa polimérica pela tubulação de permutadores de calor, especialmente nas regiões do sistema de permutadores de calor onde também se encontram elementos de misturação. Além da adição de reagentes estabilizantes, também podem ser adicionadas ao sistema de permutadores de calor outras substâncias que alterem as propriedades do produto, as quais podem levar a uma eventual matização térmica no status da adição. Portanto, o sistema de permutadores de calor de acordo com a invenção pode compensar de modo bastante satisfatório os processos exotérmicos ou endotérmicos que ocorram, em todo o sistema de permutadores de calor. Evidentemente, com o sistema de permutadores de calor também é possível introduzir substâncias em forma gasosa, além da adição de substâncias líquidas. Através do sistema de tubulação de permutadores de calor de acordo com a invenção não são formadas zonas com temperatura excessiva, que poderiam agir como zonas de saída para uma reação exotérmica que se expandisse por todo o sistema.
[0033] Nas formas de execução preferenciais, no mínimo um meio de têmpera de um permutador de calor é uma tubulação portadora de calor ou uma cobertura portadora de calor. É possível resfriar ou aquecer permutadores de calor individuais através de meios de têmpera situados internamente ou através de meios de têmpera externos. Um meio de têmpera envolve uma seção ao menos parcialmente para aquecer ou resfriar fluido na parede de tubulação. Qual possibilidade de temperar é perfeita para um sistema pode ser facilmente calculada por um especialista, levando em consideração a condição superficial dos meios de têmpera e, eventualmente, do calor de fricção adicional através de misturadores e/ou meios de têmpera situados internamente. Para um fluido de celulose/NMMO/água comprovou-se de acordo com a invenção que podem ser empregados de modo ideal permutadores de calor resfriados externamente até um diâmetro interno de 35 mm, de 40 mm, de 60 mm ou de 90 mm; de mode ideal, permutadores de calor resfriados internamente a partir de um diâmetro interno de 135 mm e permutadores de calor resfriados internamente ou externamente entre 90 mm e 135 mm. Em formas de execução especiais, o sistema de tubulação de permutadores de calor contém um permutador de calor com um meio de têmpera no interior do permutador de calor, de preferência no caso de um diâmetro interno de no mínimo 35 mm, de no mínimo 40 mm, de no mínimo 60 mm ou de no mínimo 90 mm do permutador de calor. Independentemente disso ou adicionalmente a isso, o sistema de tubulação de permutadores de calor pode conter um permutador de calor com um meio de têmpera externamente ao espaço interno do permutador de calor, de preferência uma cobertura de têmpera, sendo que, de preferência, o diâmetro interno do permutador de calor comporta no máximo 130 mm.
[0034] O sistema de tubulação de permutadores de calor de acordo com a invenção pode ser constituído por várias seções, nas quais são empregados permutadores de calor de diferentes dimensões. Particularmente depois de elementos de bifurcação, uma corrente de fluido pode ser dividida em duas ou mais correntes, nas quais usualmente são empregados permutadores de calor com menores diâmetros internos. Portanto, a invenção se refere a um sistema de tubulação de permutadores de calor com um diâmetro interno escalonado de permutadores de calor individuais, o qual se reduz no curso do sistema de tubulação.
[0035] De preferência, o sistema de tubulação de permutadores de calor apresenta 1, 2, 3, 4, 5, 6 ou mais elementos de bifurcação.
[0036] O escalonamento do diâmetro interno de seções individuais ou de permutadores de calor individuais do sistema de acordo com a invenção situa-se, de preferência, dentro de um determinado limite. Nesse sentido, o diâmetro interno de uma primeira seção do sistema de tubulação de permutadores de calor em relação a uma segunda seção pode comportar no máximo 5:1; de preferência no mínimo 10:9, especialmente de preferência 3:1 a 6:5; especialmente de preferência 2:1 a 4:3. Particularmente essa proporção se apresenta no caso de permutadores de calor ou seções consecutivos, especialmente depois de elementos de divisão. Em formas de execução particulares, podem ocorrer no sistema 1, 2, 3, 4, 5 ou 6 ou mais desses diâmetros internos com diferentes escalonamentos.
[0037] De preferência, um calor suficiente correspondentemente à densidade de corrente de calor volumétrica (KW/m3) é eliminado através dos permutadores de calor individuais para a regulagem do controle de temperatura e de calor. A partir da densidade de corrente de calor volumétrica, os especialistas podem calcular facilmente a densidade de corrente de calor linear (KW/m) e a densidade de corrente de calor superficial (KW/m2). De preferência, a densidade de corrente de calor no caso de tubulações de fluidos com um diâmetro interno de no mínimo 250 mm é de no mínimo 120 KW/m3 ou mais, de preferência 263 KW/m3, especialmente de preferência 442 KW/m3, ou 707 KW/m3 ou mais, na medida em que também seva ser eliminado o calor de outras peças do sistema de tubulação de calor, tais como bombas ou filtros.
[0038] De preferência, a densidade de corrente de calor em tubulações de fluidos com um diâmetro interno de no mínimo 180 mm, é no mínimo 40 KW/m3 ou 80 KW/m3 ou mais, de preferência 111 KW/m3, especialmente de preferência 188 KW/m3, ou 300 KW/m3, ou mais, na medida em que também deva ser eliminado o calor de outras peças do sistema de tubulação de calor, tais como bombas ou filtros.
[0039] De preferência, a densidade de corrente de calor em tubulações de fluidos com um diâmetro interno de no mínimo 140 mm, é no mínimo 30 KW/m3 ou mais, de preferência 80 KW/m3, especialmente de preferência 103 KW/m3, ou 164 KW/m3, ou mais, na medida em que também deva ser eliminado o calor de outras peças do sistema de tubulação de calor, tais como bombas ou filtros.
[0040] De preferência, a densidade de corrente de calor em tubulações de fluidos com um diâmetro interno de no mínimo 110 mm, é no mínimo 12 KW/m3 ou mais, de preferência 22 KW/m3, especialmente de preferência 75 KW/m3, ou 120 KW/m3, ou mais, na medida em que também deva ser eliminado o calor de outras peças do sistema de tubulação de calor, tais como bombas ou filtros.
[0041] De preferência, a densidade de corrente de calor em tubulações de fluidos com um diâmetro interno de no mínimo 90 mm, é no mínimo 10 KW/m3 ou mais, de preferência 12 KW/m3, especialmente de preferência 18 KW/m3, ou 29 KW/m3, ou mais, na medida em que também deva ser eliminado o calor de outras peças do sistema de tubulação de calor, tais como bombas ou filtros.
[0042] De preferência, a densidade de corrente de calor em tubulações de fluidos com um diâmetro interno de no mínimo 60 mm, é no mínimo 10 KW/m3 ou mais, de preferência 11 KW/m3, especialmente de preferência 17 KW/m3, ou 28 KW/m3, ou mais, na medida em que também deva ser eliminado o calor de outras peças do sistema de tubulação de calor, tais como bombas ou filtros.
[0043] Em formas de execução preferenciais, a densidade de corrente de calor (W1) em KW/m3 no mínimo eliminada resulta da seguinte fórmula:
[0044] W1 = 0,0051 x d2 - 1,0468 x d + 63,5
[0045] sendo que d é o diâmetro interno do permutador de calor em mm (cf. figura 7, linha pontilhada).
[0046] De preferência, a densidade de corrente de calor (W2) eliminada de modo ideal em KW/m3 é
[0047] W2 = 0,0102 x d2 - 2,0935 x d + 127,07 (cf. figura 7, linha cheia). Em formas de execução especiais, o calor eliminado pode comportar no mínimo W1, no mínimo a metade de W2, no mínimo a média de W1 e W2, ou no mínimo 3/4 de W2.
[0048] O calor eliminado pode ser controlado através de seleção do meio de têmpera. No caso de meios portadores de calor, o calor pode ser eliminado através da seleção do meio e de sua temperatura. Como meios portadores de calor nas tubulações de permutadores de calor podem ser empregados água fria, água quente, salmoura fria, óleo térmico ou outros fluidos em consistência líquida ou gasosa.
[0049] De preferência, as diferenças de temperatura predeterminadas na seção transversal e/ou na direção longitudinal do sistema de permutadores de calor comportam no máximo 5°C, na medida em que sejam selecionados permutadores de calor correspondentes com comprimento, diâmetro e têmpera adequados. De preferência, as diferenças de temperatura predeterminadas na seção transversal e/ou na direção longitudinal do sistema de permutadores de calor comportam no máximo 4°C, no máximo 3°C, no máximo 2°C.
[0050] O sistema de tubulação de permutadores de calor pode ser dimensionado conforme o desejo e as solicitações de processo e de construção. De preferência, o sistema de tubulação de permutadores de calor tem um comprimento de no mínimo 1 m, de preferência no mínimo 2 m, de preferência no mínimo 4 m, de preferência no mínimo 6 m, de preferência no mínimo 8 m, de preferência no mínimo 10 m, no mínimo 12 m, no mínimo 14 m, no mínimo 16 m.
[0051] De preferência, o sistema de tubulação de permutadores de calor encontra-se conectado operativamente com uma bomba para a condução de meio viscoso sob pressão, comum filtro, com um recipiente de compensação de pressão e de volume, com um regulador de sobrepressão, com componentes de aparelhos de medição aí intercalados ou combinações destes ou similares. O sistema deve ser correspondentemente tratado, recolocado e temperado, respectivamente controlado, tal como aqui descrito, especialmente durante todo o transporte do fluido desde a produção até o consumo. Um sistema desse tipo pode ser conduzido através de bombas, filtros e/ou reguladores de sobrepressão ou similares.
[0052] Em formas de execução particularmente preferidas, o sistema de tubulação de permutadores de calor de acordo com a invenção contém elementos de misturação no espaço interno de pelo menos uma seção da tubulação ou do permutador de calor. Tal com já foi descrito, no caso de diâmetros internos pequenos no permutador de calor, de preferência devem ser previstos elementos de misturação internos e um resfriamento externo. Elementos de misturação servem para a turbulência da corrente de fluido no sentido de converter uma corrente laminar em uma turbulenta e/ou no sentido de obter uma troca de fluidos a partir do centro do permutador de calor para as regiões externas de seção transversal. De preferência, no mínimo 30% do comprimento, de preferência no mínimo 35%, especialmente de preferência no mínimo 40%, no mínimo 45%, no mínimo 50%, no mínimo 55%, no mínimo 60%, no mínimo 65%, no mínimo 70%, no mínimo 75%, no mínimo 80%, ou mesmo no mínimo 85%, no mínimo 90%, no mínimo 95%, do sistema de tubulação de permutadores de calor estão equipados com misturadores, especialmente elementos de misturação estáticos. Em seções com um diâmetro interno menor do que 90 mm, de preferência menor do que 130 mm, de preferência pelo menos 20 % do comprimento, de preferência pelo menos 30%, especialmente de preferência pelo menos 40%, pelo menos 50%, pelo menos 60%, pelo menos 70%, pelo menos 80%, ou mesmo pelo menos 90%, pelo menos 95%, das seções ou dos permutadores de calor individuais estão equipados com misturadores, especialmente elementos de misturação estáticos.
[0053] Também em seções ou em permutadores de calor individuais com têmpera interna é possível prever elementos de misturação; de preferência, os elementos de têmpera situados internamente possuem ao mesmo tempo uma função de misturação. Segundo essa forma de execução, a invenção se refere a um sistema de tubulação de permutadores de calor que possui um elemento de misturação projetado como meio de têmpera, como, por exemplo, na forma de uma tubulação portadora de calor no interior do permutador de calor. Isso pode ocorrer, por exemplo, através de voltas correspondentemente moldadas de uma tubulação portadora de calor. De preferência, para se evitar calor de fricção através de perda de pressão, escolhe-se uma densidade pequena de compactação, como por exemplo uma densidade de compactação de no máximo 40% da superfície interna de seção transversal, a qual será assumida pelos meios de têmpera, especialmente tubulações portadoras de calor. Em algumas seções do sistema de permutadores de calor pode ser útil uma superfície livre de seção transversal de no máximo 50%, 65%, 70%, 75%. De preferência, a superfície livre de seção transversal situa-se entre 5% e 80%, especialmente de preferência entre 10% e 70%, entre 15% e 60%, entre 20% e 50%, entre 25% e 45%, ou entre 30% e 40%.
[0054] A invenção também fornece um permutador de calor individual com densidade de compactação correspondente para o transporte de fluidos viscosos. O sistema de tubulação de permutadores de calor de acordo com a invenção é constituído, de preferência, por no mínimo um ou mais dos permutadores de calor descritos a seguir. Um permutador de calor de acordo com a invenção apresenta uma cobertura externa e uma ou mais tubulações portadoras de calor localizadas internamente. Característico da invenção é que as tubulações portadoras de calor situadas internamente apresentam regiões de guia na direção da cobertura e regiões sinuosas ou que as tubulações portadoras de calor ficam alojadas, ao menos no essencial, ao longo de todo o comprimento do permutador de calor, especialmente no caso de pouca densidade de compactação das tubulações portadoras de calor.
[0055] A invenção disponibiliza um permutador de calor, que cria condições controladas e constantes para o transporte de fluidos viscosos. Nesse sentido, através das regiões sinuosas de acordo com a invenção obtém-se um resfriamento uniforme do fluido transportado pela seção transversal do permutador de calor. Devido à admissão adicional de regiões onde são conduzidas as tubulações portadoras de calor na direção da cobertura, respectivamente devido à pouca densidade de compactação correspondente de grande superfície livre de seção transversal, assegura-se que a corrente do fluido só seja afetada minimamente pelo permutador de calor. Isso é crítico especialmente no caso de fluidos viscosos, pois, caso contrário ocorrem elevados calores de fricção e perdas de pressão. Devido a essas reações indesejáveis podem ocorrer explosões no caso de fluidos instáveis termicamente, como, por exemplo, soluções de celulose-óxido de amina terciário.
[0056] Nas regiões sinuosas, as tubulações portadoras de calor são conduzidas por um ou mais cotovelos, voltas ou laços. As regiões sinuosas fazem especialmente com que as tubulações portadoras de calor possam alternar entre regiões de borda da cobertura do permutador de calor. De preferência, as tubulações portadoras de calor são conduzidas, no essencial, de modo deslocado em relação ao centro ou ao eixo do permutador de calor, sendo que as regiões sinuosas podem alternar uma mudança de um lado, respectivamente de uma região de borda, para outro - não necessariamente para lados opostos - e eventualmente podem ser reconduzidas, respectivamente podem ser conduzidas para um outro lado diferente. Devido a essas regiões sinuosas produz-se, por um lado, uma transferência homogênea de calor; também é possível desse modo estabelecer uma corrente mais turbulenta do fluido, que transporte ainda mais a misturação e impeça a formação de gradientes de viscosidade e de temperatura. Uma vantagem especial consiste em que devido ao emprego das tubulações portadoras de calor servindo de elementos de misturação no local da ocorrência de aquecimentos por fricção (energia de dissipação através de perdas de pressão), através da pressão de impacto nas tubulações é possível eliminar diretamente esse calor e impede-se antecipadamente um aquecimento de regiões de fluido isoladas. Devido a essas providências obtém-se um perfil constante de temperatura do fluido viscoso transportado na seção transversal do permutador de calor, e evitam-se zonas de aquecimento local ("hot spots"). Essa é uma vantagem decisiva no caso de fluidos altamente viscosos, que podem gerar pressões contrárias consideráveis e, como resultado, calores de fricção.
[0057] De acordo com a invenção, nas tubulações portadoras de calor é conduzido um agente refrigerante durante a operação. No entanto, as "tubulações portadoras de calor" não devem ser entendidas como limitadas a esse uso, pois também é possível conduzir meios térmicos ou meios de têmpera em outras formas de execução. Os meios de têmpera em geral, assim como os portadores de calor podem ser servir tanto para o resfriamento, como também para o aquecimento do fluido, dependendo se a temperatura do meio de têmpera é mais alta ou mais baixa do que temperatura do fluido. No sistema de tubulação de permutadores de calor, a temperatura dos meios de têmpera também pode ser controlada de tal modo que determinadas seções do sistema atuem como seções de resfriamento e outras seções atuem como seções de aquecimento.
[0058] Por "regiões" entende-se aqui, em geral, regiões no interior dos permutadores de calor que são apropriadas para a condução de um fluido. Em sua maioria, trata-se, neste caso, de regiões de tubulação. Por "região de tubulação" entende-se aqui uma seção com determinado comprimento ao longo do permutador de calor. "Regiões de borda" são regiões limitadas de seção transversal do permutador de calor em uma determinada região de tubulação na proximidade da cobertura externa.
[0059] Para manter reduzida ao máximo a passagem de calor entre o permutador de calor ou o sistema de tubulação de permutadores de calor e seu ambiente, em uma outra configuração vantajosa pode ser previsto que o permutador de calor ou o sistema seja envolvido ao menos por seções por uma camada de isolamento térmico. Desse modo, é possível produzir melhor particularmente um controle de temperatura mais planejado do fluido no interior.
[0060] Em formas preferenciais de execução, são previstas no mínimo duas tubulações portadoras de calor. Essas tubulações portadoras de calor podem estar adaptadas para a condução de meio portador de calor na direção contrária. Essas - pelo menos duas - tubulações portadoras de calor são conduzidas dentro da cobertura no permutador de calor, por exemplo, paralelamente ao menos por regiões. Desse modo, por exemplo, as seções nas quais as tubulações portadoras de calor são conduzidas ao longo do permutador de calor, isto é, ao longo da cobertura sob a forma de regiões não sinuosas, podem estar presentes nas mesmas regiões de tubulação ou alternadamente. De preferência, as regiões sinuosas de pelo menos duas tubulações portadoras de calor estão presentes conjuntamente em uma seção limitada de tubulação. Uma ou mais tubulações portadoras de calor pode/podem estar conectadas, em uma região de extremidade, com uma segunda tubulação portadora de calor para a recondução de meio portador de calor nessas segundas tubulações portadoras de calor. Devido ao refluxo das tubulações portadoras de calor, é possível viabilizar extremidades simples de conexão para a alimentação e escoamento em proximidade espacial. Além disso, evita-se que devido ao aquecimento do agente refrigerante durante a passagem de fluxo através do permutador de calor ocorram quedas de temperatura ao longo do permutador de calor. Isso é particularmente vantajoso no caso de permutadores de calor longos de vários metros, por exemplo.
[0061] Além disso, as regiões sinuosas de pelo menos duas tubulações portadoras de calor podem estar presentes conjuntamente de modo cruzado uma em relação à outra em uma seção limitada de tubulação. Isso provoca uma misturação particularmente eficiente do fluido e uma transferência homogênea de calor com o agente refrigerante. Devido à misturação eficiente através das tubulações portadoras de calor é possível se prescindir, de preferência, de outros elementos de misturação, inclusive elementos de misturação estáticos, cujo objetivo essencial é provocar uma corrente turbulenta - frequentemente mediante a geração de uma pressão contrária considerável - ao longo do permutador de calor. Portanto, o permutador de calor, em seções com tubulações portadoras de calor, pode estar livre, no essencial, de elementos de misturação adicionais.
[0062] De modo especial, as regiões sinuosas são previstas para gerar turbulência no fluido viscoso. Formas especiais ou distorções das tubulações de agente refrigerante para o aumento da turbulência já em si conhecidas e podem ser empregadas para isso.
[0063] De preferência, no sistema de tubulação de permutadores de calor de acordo com a invenção são previstos 1,2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11,12 ou mais permutadores de calor individuais, tal como aqui descrito ou já conhecido de outra maneira. O sistema de acordo com a invenção caracteriza-se especialmente pelo emprego modular de uma série de permutadores de calor individuais.
[0064] Em formas preferenciais de execução, no sistema de tubulação de permutadores de calor são previstos um ou mais dispositivos de alívio de sobrepressão, de preferência dispositivos de alívio de sobrepressão baseados em elementos de ruptura. O emprego de dispositivos de alívio de sobrepressão já em conhecido em geral. Os meios usuais incluem, por exemplo, discos rompíveis, que apresentam um diafragma que se rompe sob a ação de uma pressão que seja maior do que a pressão operacional normal, embora menor do que a pressão na qual um tubo ou recipiente se rompe, o que torna possível um alívio de pressão com um espaço externo. Discos rompíveis são descritos, por exemplo, nas US 6.241.113, US 3.845.879, US 2008/0202595, EP 1 591 703 e na US 7.870.865. Alguns discos rompíveis podem apresentar perfurações, para garantir uma ruptura em vários pontos ou ao longo de pontos de ruptura teórica. Discos rompíveis podem ser empregados nos mais diversos dispositivos que tentam controlar a ação dos discos rompíveis. Nesse sentido, a US 4.079.854 descreve um dispositivo que apresenta uma unidade de corte com uma lâmina, a qual rasga um disco rompível côncavo segundo uma ação de pressão. A US 3.872.874 descreve um dispositivo de disco rompível com um disco rompível convexo, o qual, ao ocorrer uma expansão de pressão, é pressionado contra um mandril de corte. O WO 2005/054731 se refere a uma disposição de disco rompível com um detector de pressão. A EP 789 822 se refere a um dispositivo de segurança contra pressão para massas viscosas termicamente instáveis, tais como soluções de celulose-NMMO (N-óxido de N-metilmorfolina), no qual um elemento rompível se projeta para dentro do espaço interno de um tubo de transporte. A US 5.337.776 se refere a uma tubulação com um dispositivo de alívio de sobrepressão, sendo que um disco rompível se situa alinhado no lado interno da parede do tubo, para que seja produzida uma circulação de líquido transportado em torno o disco rompível.
[0065] De preferência, os dispositivos de alívio de sobrepressão são previstos em elementos de conexão entre regiões dos permutadores de calor individuais com os meios de têmpera. De acordo com a invenção, as seções com meios de têmpera provocam uma temperatura extremamente eficiente e em conexão com isso um controle de pressão do fluido conduzido, de tal modo que nessas seções não são necessários dispositivos de alívio de sobrepressão. Já que os permutadores de calor de acordo com a invenção, equipados com meios de têmpera, formam uma homogeneização extremamente eficiente da temperatura e da viscosidade, então, sabidamente, nessas zonas deve ser evitada a instalação de dispositivos de alívio de sobrepressão, pois estes provocam um ponto frio no sistema de permutadores de calor e, com isso, perturbam sensivelmente o controle térmico da tubulação de permutadores de calor. Por isso, os dispositivos de alívio de sobrepressão são previstos principalmente em elementos de conexão nos quais não é conduzido nenhum meio de têmpera interno. Alternativamente, podem ser previstos elementos de misturação nas regiões dos dispositivos de alívio de sobrepressão, para que esses dispositivos entrem em contato com fluido homogêneo. Os dispositivos de alívio de sobrepressão também podem ser temperados por um meio de têmpera.
[0066] Por meio das formas de execução de acordo com a invenção de um sistema de tubulação de permutadores de calor é possível disponibilizar tubulações particularmente longas, as quais possibilitam um resfriamento por todo o comprimento. Isso é relevante especialmente no caso de transporte de soluções de fiação altamente viscosas, nas quais é possível transpor em ponte vários metros entre o reator e o extrusor ou similar. Instalações que servem de exemplo requerem uma tubulação de cerca de 20 m. De preferência, sã disponibilizadas tubulações longas de permutadores de calor, de no mínimo 1 m, de preferência no mínimo 2 m, no mínimo 3 m, no mínimo 4 m, no mínimo 5 m, no mínimo 6 m, no mínimo 7 m, no mínimo 8 m, no mínimo 9 m, no mínimo 10 m, no mínimo 12 m, no mínimo 15 m. Ao longo do sistema de tubulação de permutadores de calor podem ser previstos vários permutadores de calor, isto é, seções com meios de têmpera próprios limitados. As tubulações portadoras de calor de permutadores de calor individuais podem ser operadas separadamente com agente refrigerante. De preferência, a tubulação contém 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10 ou mais permutadores de calor. Permutadores de calor individuais apresentam as tubulações portadoras de calor de acordo com a invenção e podem apresentar dimensões de 0,2 a 4 m, de preferência de 0,3 a 3 m, especialmente de preferência de 0,4 a 2 m, especialmente de preferência de 0,5 a1 m. De preferência, o interior de permutador de calor de permutadores de calor individuais encontra-se aberto nas duas extremidades e possibilita a conexão de outros permutadores de calor ou outros elementos, tais como peças de conexão, divisores de fluxo, filtros, bombas, recipientes de pressão ou aparelhos terminais, tais como extrusor e dispositivos de fiação.
[0067] De preferência, as tubulações portadoras de calor são alojadas no mínimo ao longo de 60%, especialmente de preferência no mínimo ao longo de 65%, no mínimo ao longo de 70%, no mínimo ao longo de 75%, no mínimo ao longo de 80%, no mínimo ao longo de 85%, no mínimo ao longo de 90%, no mínimo ao longo de 95%, do comprimento de um ou mais, especialmente de todos, permutadores de calor do sistema de acordo com a invenção.
[0068] De preferência, o sistema de tubulação de permutadores de calor de acordo com a invenção é conectado operativamente sob pressão juntamente com uma bomba para a condução do meio viscoso. Particularmente no transporte de fluidos com alta viscosidade, que são comprimidos sob pressão através dos permutadores de calor no sistema, é que se tornam particularmente evidentes as vantagens da presente invenção.
[0069] Para gerar a menor pressão contrária possível, os fluidos viscosos são transportados com a menor resistência possível através dos permutadores de calor. Para isso, reduz-se a densidade de compactação dos meios de têmpera. De modo especial, em formas preferenciais de execução, na seção transversal dos permutadores de calor, no máximo até 50%, de preferência até 45%, até 40%, até 35%, até 30%, até 25%, até 20%, até 15%, até 12%, até 10%, até 8%, até 7%, até 6%, até 5%, da superfície interna de seção transversal são ocupados pelo meio de têmpera. Ou seja, a seção transversal livre é a fração restante de seção transversal livre para o fluxo do fluido e, de preferência, no mínimo 50%, especialmente de preferência no mínimo 55%, no mínimo 60%, no mínimo 65%, no mínimo 70%, no mínimo 75%, no mínimo 80%, no mínimo 85%, no mínimo 90%.
[0070] Um permutador de calor com meio de têmpera interno pode apresentar várias regiões com tubulações sinuosas portadoras de calor. Nas regiões sinuosas subsequentes das tubulações portadoras de calor, as tubulações portadoras de calor encontram-se, de preferência, torcidas ou deslocadas angularmente uma em relação à outra na vista sobre a seção transversal. As regiões sinuosas seguintes podem ser formadas, por exemplo, por uma tubulação portadora de calor de retorno, respectivamente por uma tubulação portadora de calor na qual o agente refrigerante é conduzido na direção oposta para uma primeira tubulação portadora de calor.
[0071] As tubulações portadoras de calor e/ou os permutadores de calor podem ser produzidos a partir de diferentes materiais, como aço, aço refinado, cerâmica, metais sinterizados, alumínio, material sintético, metais não ferrosos ou metais nobres. Os materiais preferenciais são todos os ferros, ligas de ferro, aços de cromo-níquel, aços niquelados (por exemplo, materiais Hastelloy), titânio, tântalo, carboneto de silício, vidro, cerâmica, ouro, platina e também materiais sintéticos. Materiais especiais são as ligas com alto teor de molibdênio, respectivamente níquel, cromo e ligas de molibdênio, para a resistência contra corrosão localizada e corrosão de fendas, ou ligas de níquel-cobre com alta resistência à tração. Exemplos de material são Hastelloy C (alta resistência à corrosão), Hastelloy B (liga de alta temperatura de têmpera por precipitação), inconel (resistência contra fissuras de corrosão por tensão em aplicações petroquímicas), incoloy (alta solidez, assim como alta resistência contra temperaturas elevadas e em relação à oxidação e a carburação), monel (alta resistência à tração, resistente em relação a corrosão). No entanto, as tubulações portadoras de calor e/ou os permutadores de calor também podem ser produzidos de materiais revestidos.
[0072] Mediante o conhecimento da resistência a corrosão dos materiais de construção empregados para o sistema de permutadores de calor em relação ao fluido a ser transportado, um especialista pode decidir quais materiais de construção podem ser empregados e como o sistema de permutadores de calor pode ser conectado construtivamente a uma unidade de instalação. No caso de um sistema de permutadores de calor empregado para homogeneização de temperatura e de viscosidade das massas poliméricas constituídas de celulose, óxido de amina e água, deve-se atentar para liberdade de ferro e de metal não ferroso.
[0073] De preferência, seleciona-se um material com uma condutibilidade térmica de 5 a 100 W/mK, especialmente de preferência de 10 a 60 W/mK.
[0074] Em formas de execução especiais, a cobertura de um permutador de calor encontra-se isolada e/ou pode ser prevista como tubo duplo, pois a troca de calor ocorre no interior e não tem que ocorrer nenhum transporte de calor externo essencial por cima da cobertura.
[0075] Além disso, a invenção se refere a um processo para o transporte de um fluido viscoso através de um sistema de tubulação de permutadores de calor de acordo com a invenção ou de um permutador de calor de acordo com a invenção. A invenção também se refere ao emprego do sistema de tubulação de permutadores de calor ou do permutador de calor para o transporte de um fluido viscoso. De preferência, o fluido viscoso é termicamente instável. Fluidos termicamente instáveis são, por exemplo, soluções biopoliméricas, soluções de celulose, tais como soluções de celulose-óxido de amina, especialmente soluções de soluções de óxido de amina terciárias. Um exemplo é uma solução de celulose-NMMO, tal como descrita no WO 94/28213 A1. O fluido pode ser uma solução aquosa. Fluidos termicamente instáveis são aqueles nos quais existe o risco de uma elevação de temperatura durante o transporte através dos permutadores de calor e do sistema de instalação. Elevações de temperatura podem ocorrer, por exemplo, devido a reações exotérmicas, especialmente reações químicas, ou devido a calor de fricção no transporte de fluidos altamente viscosos. Outros fluidos são, especialmente, materiais sintéticos técnicos, fluidos solidificáveis, especialmente "hot-melts", tais como polímeros, policarbonatos, poliéster, poliamida, ácido polilático, polipropileno etc. O fluido pode ser um fluido tixotrópico, especialmente uma solução de fiação. Fluidos especiais possuem uma temperatura de fusão de no mínimo cerca de 40°C, no mínimo 50°C, no mínimo 55°C, no mínimo 60°C, no mínimo 65°C, no mínimo 70°C, no mínimo 75°C, embora também possam alcançar temperaturas de fusão até 280°C. O fluido pode ser conduzido a temperaturas exemplares de no mínimo cerca de 40°C, no mínimo 50°C, no mínimo 55°C, no mínimo 60°C, no mínimo 65°C, no mínimo 70°C, no mínimo 75°C, no mínimo cerca de 80°C, no mínimo 85°C, no mínimo 90°C, no mínimo 95°C. A presente invenção pode ser empregada para eliminar o calor de reações exotérmicas ou energia de dissipação devido a fricção/perdas de pressão do fluido viscoso.
[0076] Em formas de execução preferenciais, um agente refrigerante é conduzido através da tubulação portadora de calor (internamente e externamente, por exemplo, na cobertura, de um permutador de calor), agente este que difere da temperatura do fluido viscoso transportado no máximo em 20°C, de preferência no máximo 15°C, no máximo 12°C, máximo 10°C, máximo 9°C, máximo 8°C, máximo 7°C, máximo 6°C, máximo 5°C, máximo 4°C, máximo 3°C. O permutador de calor de acordo com a invenção foi aprovado como sendo eficiente de tal modo que se tornam possíveis pequenas diferenças de temperatura com uma eliminação suficiente de calor. De preferência, a temperatura do agente refrigerante é menor do que a do fluido.
[0077] Em formas especiais de execução, os fluidos viscosos são transportados a altas pressões de no mínimo 1,5 MPa (15 bar), no mínimo 2 MPa (20 bar), no mínimo 2,5 MPa (25 bar), no mínimo 10 MPa (100 bar), de preferência no mínimo 20 MPa (200 bar), no mínimo 30 MPa (300 bar), no mínimo 40 MPa (400 bar), no mínimo 50 MPa (500 bar), no mínimo 60 MPa (600 bar), no mínimo 70 MPa (700 bar), no mínimo 80 MPa (800 bar), de pressão inicial através dos permutadores de calor ou do sistema de tubulação. Em outras formas de execução, o sistema de tubulação de permutadores de calor ou um permutador de calor individual de acordo com a invenção, respectivamente o dispositivo de sobrepressão, está adaptado para o transporte de fluidos a altas pressões até no máximo 100 MPa (1000 bar), de preferência até 6 MPa (60 bar), até 8 MPa (80 bar), até 12 MPa (120 bar), até 25 MPa (250 bar), até 35 MPa (350 bar), até 45 MPa (450 bar), até 55 MPa (550 bar), até 65 MPa (650 bar), até 75 MPa (750 bar), até 90 MPa (900 bar). De preferência, a viscosidade de cisalhamento zero do fluido situa-se na faixa de 100 a 15.000 Pas, especialmente entre 500 a 10.000 Pas.
[0078] Em formas de execução preferenciais, a presente invenção é definida da seguinte maneira:
[0079] Sistema de tubulação de permutador de calor para o transporte de fluidos viscosos, com uma série de permutadores de calor individuais, por exemplo, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8 ou mais, projetados como elementos de tubulação e com distribuição controlada predeterminada da temperatura e/ou da pressão ao longo do sistema de tubulação, bem como na seção transversal das tubulações, caracterizado pelo fato de que em distâncias regulares do sistema de tubulação são previstos permutadores de calor projetados como elementos de tubulação, sendo que as distâncias regulares são selecionadas de modo a manter uma distribuição predeterminada de temperatura e/ou de pressão, através de reacomodação do fluido, ao longo do sistema de tubulação, sendo que nos permutadores de calor são previstos meios de têmpera para fluidos viscosos transportados na tubulação de permutadores de calor, bem como elementos de misturação opcionais manter uma distribuição predeterminada de temperatura e/ou de pressão na seção transversal em função da respectiva seção transversal de tubulação, e sendo que no mínimo 30% do comprimento do sistema de tubulação de permutadores de calor estão equipados com permutadores de calor.
[0080] Sistema de tubulação de permutadores de calor de acordo com a definição 1, caracterizado pelo fato de que no mínimo um meio de têmpera de um permutador de calor é uma tubulação portadora de calor ou uma cobertura portadora de calor.
[0081] Sistema de tubulação de portadores de calor de acordo com a definição 1 ou 2, com um diâmetro interno escalonado de permutadores de calor individuais, o qual se reduz no percurso do sistema de tubulação.
[0082] Sistema de tubulação de portadores de calor de acordo com uma das definições de 1 a 3, com no mínimo um elemento de bifurcação.
[0083] Sistema de tubulação de portadores de calor de acordo com uma das definições de 1 a 4, sendo que o diâmetro interno de uma primeira seção do sistema de tubulação de permutadores de calor em relação a uma segunda seção é de no máximo 5:1, de preferência no mínimo 10:9.
[0084] Sistema de tubulação de portadores de calor de acordo com uma das definições de 1 a 5, com um permutador de calor com um meio de têmpera no interior do permutador de calor, de preferência com um diâmetro interno de no mínimo 90 mm do permutador de calor.
[0085] Sistema de tubulação de portadores de calor de acordo com uma das definições de 1 a 6, com um permutador de calor com um meio de têmpera externamente ao espaço interno do permutador de calor, de preferência uma cobertura de têmpera, sendo que, de preferência, o diâmetro interno do permutador de calor é no máximo 130 mm.
[0086] Sistema de tubulação de portadores de calor de acordo com uma das definições de 1 a 7, caracterizado pelo fato de que as diferenças de temperatura predeterminadas na seção transversal e/ou na direção longitudinal do sistema de permutadores de calor são no máximo de 5°C.
[0087] Sistema de tubulação de portadores de calor de acordo com uma das definições de 1 a 7, contendo elementos de misturação no espaço interno de pelo menos uma seção de tubulação.
[0088] Sistema de tubulação de portadores de calor de acordo com as definições 6 e 9, sendo que o elemento de misturação e meio de têmpera é uma tubulação portadora de calor no interior do permutador de calor.
[0089] Sistema de tubulação de portadores de calor de acordo com a definição 10, caracterizado pelo fato de que a tubulação portadora de calor localizada internamente apresenta regiões de guia na direção da cobertura e das regiões sinuosas.
[0090] Sistema de tubulação de portadores de calor de acordo com uma das definições de 1 a 11, caracterizado pelo fato de que o sistema de tubulação de permutadores de calor tem um comprimento de no mínimo 1 m, de preferência no mínimo 2 m, de preferência no mínimo 4 m, de preferência no mínimo 6m, de preferência no mínimo 8 m, de preferência no mínimo 10 m.
[0091] Sistema de tubulação de portadores de calor de acordo com uma das definições de 1 a 12, caracterizado pelo fato de que os meios de têmpera estão alojados no mínimo ao longo de 60 % do comprimento do sistema de tubulação de permutadores de calor.
[0092] Sistema de tubulação de portadores de calor de acordo com uma das definições de 1 a 13, caracterizado pelo fato de que ele está conectado operativamente junto com uma bomba para a condução do meio viscoso sob pressão, com um filtro, com um regulador de sobrepressão, um dispositivo de processamento para o processamento da solução polimérica, tal como dispositivos de fiação ou dispositivos de estiramento, ou combinações dos mesmos ou similares.
[0093] Sistema de tubulação de portadores de calor de acordo com uma das definições de 1 a 14, com uma tubulação portadora de calor no interior de um permutador de calor, sendo que na seção transversal do permutador de calor no máximo 40% da superfície interna da seção transversal são tomados pelas tubulações portadoras de calor.
[0094] Permutador de calor para o transporte de fluidos viscosos, com uma cobertura externa e uma ou mais tubulações portadoras de calor situadas internamente, especialmente tubulações de agente refrigerante, caracterizado pelo fato de que as tubulações portadoras de calor situadas internamente apresentam regiões de guia na direção da cobertura e regiões sinuosas, sendo que, de preferência, são previstas duas tubulações portadoras de calor, as quais, de preferência, estão adaptadas para a condução do agente refrigerante em direção oposta.
[0095] Permutador de calor de acordo com a definição 16, caracterizado pelo fato de que uma tubulação portadora de calor está conectada, em uma região de extremidade, com uma segunda tubulação portadora de calor para a recondução do meio portador de calor nesta segunda tubulação portadora de calor.
[0096] Permutador de calor de acordo com a definição 16 ou 17, caracterizado pelo fato de que as regiões sinuosas de no mínimo duas tubulações portadoras de calor estão presentes conjuntamente em uma seção de tubulação limitada.
[0097] Permutador de calor de acordo com uma das definições de 16 a 18, caracterizado pelo fato de que as regiões sinuosas de no mínimo duas tubulações portadoras de calor estão presentes conjuntamente em uma seção de tubulação limitada, de modo cruzado uma em relação à outra.
[0098] Permutador de calor de acordo com uma das definições de 15 a 19, caracterizado pelo fato de que as regiões sinuosas estão adaptadas para a turbulência do fluido viscoso.
[0099] Permutador de calor de acordo com uma das definições de 15 a 20, caracterizado pelo fato de que o permutador de calor tem um comprimento de no mínimo 1 m, de preferência no mínimo 2 m, de preferência no mínimo 4 m, de preferência no mínimo 5m.
[00100] Permutador de calor de acordo com uma das definições de 15 a 21, caracterizado pelo fato de que as tubulações portadoras de calor estão alojadas ao menos ao longo de 50% do comprimento do permutador de calor.
[00101] Permutador de calor de acordo com uma das definições de 15 a 22, caracterizado pelo fato de que ele está conectado operativamente junto com uma bomba para a condução do meio viscoso sob pressão.
[00102] Permutador de calor de acordo com uma das definições de 15 a 23, com baixa densidade de compactação de tubulação portadora de calor, sendo que na seção transversal do permutador de calor são admitidos no máximo até 40% da superfície interna de seção transversal através das tubulações portadoras de calor.
[00103] Permutador de calor de acordo com uma das definições de 15 a 24, caracterizado pelo fato de que as regiões sinuosas seguintes das tubulações portadoras de calor encontram-se torcidas ou em angulação uma em relação à outra em uma vista de cima sobre a seção transversal.
[00104] Sistema de tubulação de permutadores de calor de acordo com uma das definições de 1 a 14, sendo que no mínimo uma seção do sistema é constituída por um permutador de calor de acordo com uma das definições de 15 a 25.
[00105] Processo para o transporte de um fluido viscoso através de um sistema de tubulação de permutadores de calor ou de um permutador de calor de acordo com uma das definições de 1 a 26, especialmente sendo que o fluido viscoso é termicamente instável, é, de preferência, uma solução de celulose.
[00106] Processo para o transporte de um fluido viscoso através de um sistema de tubulação de permutadores de calor ou de um permutador de calor de acordo com uma das definições de 1 a 27, sendo que o fluido viscoso é termicamente instável, de preferência uma solução de celulose incluindo ou sendo constituída de celulose e um solvente orgânico.
[00107] Processo para o transporte de um fluido viscoso através de um sistema de tubulação de permutadores de calor ou de um permutador de calor de acordo com uma das definições de 1 a 28, sendo que o fluido viscoso é uma solução de celulose incluindo ou sendo constituída por celulose, óxido de amina e água, de preferência sendo que o óxido de amina é N - óxido de N - metilmorfolina.
[00108] Processo para o transporte de um fluido viscoso através de um sistema de tubulação de permutadores de calor ou de um permutador de calor de acordo com uma das definições de 1 a 26, sendo que o fluido viscoso é uma solução de celulose e a celulose dissolvida se apresenta sob a forma de um derivado da celulose na solução.
[00109] Processo para o transporte de um fluido viscoso através de um sistema de tubulação de permutadores de calor ou de um permutador de calor de acordo com uma das definições de 1 a 26, sendo que o fluido viscoso é uma solução biopolimérica e o biopolímero dissolvido representa um material sintético de base biológica.
[00110] Processo para o transporte de um fluido viscoso através de um sistema de tubulação de permutadores de calor ou de um permutador de calor de acordo com uma das definições de 1 a 26, sendo que o fluido viscoso é uma solução biopolimérica e o biopolímero dissolvido se apresenta sob a forma de polissacarídeos, proteínas e ácidos nucleicos.
[00111] A presente invenção é ilustrada ainda pelas figuras e exemplos que se seguem sem que esteja limitada a essas formas especiais de execução da invenção.
[00112] A figura 1 mostra um corte longitudinal através de um permutador de calor 1 de acordo com a invenção, com uma cobertura externa 2 e uma região interna 3 e tubulações de agente refrigerante 4, as quais apresentam regiões de guia 5 na direção da cobertura e regiões sinuosas 6.
[00113] As figuras 2a, 2b e 2c mostram três cortes através de um permutador de calor de acordo com a invenção, dois cortes longitudinais normais na figura 2a (corte A-A) e na figura 2b (corte B-B) e um corte transversal na figura 2c (corte C-C), com respectivamente duas tubulações cruzadas de agente refrigerante em uma região sinuosa. As tubulações de agente refrigerante estão ligadas entre si através de tubulações de conexão 7, de tal modo que o agente refrigerante possa ser reconduzido em cada segunda tubulação de agente refrigerante. Também são mostradas uma entrada 8 e uma saída 9 de agente refrigerante.
[00114] A figura 3 mostra um corte transversal através de um permutador de calor 1 respectivamente com quatro tubulações cruzadas de agente refrigerante 4 em uma região sinuosa 6.
[00115] A figura 4 mostra uma tubulação de permutadores de calor, ramificada por um divisor de fluxo 10, sendo que seções de tubulação individuais estão conectadas através de cotovelos 11.
[00116] A figura 5 mostra uma comparação dos gradientes de temperatura em um sistema tradicional de tubulação para fluido, tal como descrito no WO 94/28213 A1, e o controle de temperatura de acordo com a invenção. Mostra-se uma dispersão de temperatura de polímero (celulose) em seções de um tubo de transporte, o qual não é um permutador de calor. A trajetória de curva (A) exposta descreve a evolução da temperatura em média de tal modo que, depois da produção da solução, a massa polimérica seja resfriada através de um permutador de calor, em seguida seja introduzida em uma tubulação e seja transportada para o processamento (extrusão). As perdas de pressão resultantes do transporte em massa, bem como da filtragem e de diversas mudanças de direção fazem com que através da fricção seja introduzido calor na massa polimérica, fazendo com que no conjunto ocorra uma elevação do nível da temperatura. As curvas B - centro do tubo - e B’ - parede do tubo - representam uma análise do ensinamento de acordo com o WO 94/28213 A1, segundo o qual apenas a parede de um tubo é resfriada. É evidente que não homogeneidade da temperatura aumenta com o afastamento da produção de solução para o processamento, portanto através do transporte na tubulação, o que se expressa em uma expansão das duas curvas (B) e (B’). O WO 94/28213 A1 ensina que pode ocorrer uma expansão de temperatura de até 15°C, através do sistema de tubulação propriamente abandonado em relação à temperatura e ao controle de calor. Através do ensinamento do WO 94/28213 fica claro que devido à expansão de temperatura admitida na solução polimérica ou de celulose transportada estabelecem-se e se formam grandes diferenças de viscosidade. Se essa não homogeneidade de temperatura e de viscosidade não for eliminada, então ocorre impreterivelmente erros de produção indesejáveis nas posições subsequentes de processamento para gerar produtos moldados, erros estes que atuam no sentido de que os produtos extrusados se rompem durante a fiação ou estiragem, colam com outros produtos extrusados e devido a isso são gerados produtos finais inservíveis.
[00117] A figura 6 mostra a evolução da temperatura de soluções de celulose em diferentes configurações de instalação, sendo que são expostas 3 diferentes evoluções de temperatura (C, D, E).
[00118] (C): após a produção de solução da solução polimérica de celulose, é executada a transferência da massa para um filtro, a condução através do filtro e a transferência para o processamento para gerar um corpo moldado (extrusão). No caso da trajetória de curva C, apenas o calor de dissipação do permutador de calor é eliminado.
[00119] (D): após a produção de solução da solução polimérica de celulose, é executada a transferência da massa para um filtro, a condução através do filtro e a transferência para o processamento para gerar um corpo moldado. No caso da trajetória de curva D, elimina-se não apenas o calor de dissipação do permutador de calor, que neste caso contribui para a homogeneidade da temperatura e da viscosidade, senão que também ocorre a eliminação do aquecimento devido a bombas de aumento de pressão, bem como o aquecimento em função da filtragem.
[00120] Como fica evidente a partir da curva (D), obtém-se uma homogeneização de temperatura e de viscosidade ao longo do trecho de transporte, por toda a superfície de seção transversal da tubulação de permutadores de calor, bem como pelo volume da tubulação de permutadores de calor. Adicionalmente, obtém-se uma homogeneização da temperatura de massa ao longo de toda a trajetória da tubulação de permutadores de calor.
[00121] (E): com o sistema de acordo com a invenção, também o controle da temperatura do fluido pode ser executado de tal modo que, no caso de uma elevação desejada de temperatura do fluido, a tubulação de permutadores de calor é dimensionada em relação à perda de pressão de um modo tal que a elevação desejada de temperatura seja introduzida através de calor de fricção no permutador de calor. Em função da forma de execução construtiva da tubulação de permutador de calor sob a forma de permutador de calor conduzido indiretamente, além do calor introduzido através de fricção no permutador de calor também é possível introduzir calor adicionalmente através de um fluido de permutador de calor fornecido à tubulação de permutador de calor para a elevação da temperatura da solução de celulose.
[00122] A figura 7 mostra um cálculo de calor a ser eliminado, em função da superfície/diâmetro do permutador de calor.
[00123] Adicionalmente, são indicadas regiões de seleção quanto à densidade de corrente de calor de permutadores de calor individuais, sendo que se apresentam regiões ideais para diferentes permutadores de calor - na região 1: simples misturadores estáticos no interior com têmpera externa através de meios de têmpera na cobertura do permutador de calor; - na região 2: misturadores tubulares estáticos temperados internamente; - na região 1,2: região em que estão presentes misturadores estáticos ou misturadores tubulares estáticos temperados internamente. A linha "densidade mínima de corrente de calor" mostra o calor mínimo a ser eliminado para, por exemplo, descarregar o calor de fricção surgido através do tubo e do misturador na mistura fluida de celulose/NMMO/água, a uma temperatura teórica de 95°C. A linha cheia mostra a quantidade de calor eliminada de modo ideal.
[00124] A figura 8 mostra perfis de temperatura de seção transversal de tubos percorridos por fluido, sem permutador de calor. Figura 8a: tubo com 25 mm de diâmetro; figura 8b: tubo com 100 mm de diâmetro. As curvas de temperatura mostram, de cima para baixo, o perfil (1) na entrada, (b) após 1 m, (c) após 3 m e (d) na saída (após 10 m).
Exemplos:
[00125] Segundo esses exemplos, emprega-se uma tubulação de permutador de calor, tal como mostrado na figura 2. Nessa forma, um permutador de calor contém quatro tubulações de agente refrigerante, sendo que em uma extremidade, respectivamente dois estão conectados para a recondução do agente refrigerante. Na outra extremidade são previstas conexões para a introdução e retirada do agente refrigerante. O interior do permutador de calor está aberto nas duas extremidades e possibilita a conexão de outros permutadores de calor ou outros elementos, tais como peças de conexão, divisores de fluxo, filtros, bombas, recipientes de pressão ou aparelhos terminais, tais como extrusores ou similares. Tais conexões são mostradas na figura 3. No interior do permutador de calor são alojados as tubulações de agente refrigerante, sendo que cada duas na mesma seção apresentam regiões sinuosas com laços cruzados de tubulação, respectivamente apresentam, na sequência, em uma outra seção, regiões de guia na direção da cobertura. Alternadamente, essas regiões se alternam. Deslocado em relação a isso é previsto um outro par de tubulações de agente refrigerante, as quais também apresentam, mutuamente, na mesma seção, regiões sinuosas e regiões não sinuosas, sendo que em relação ao primeiro par de tubulação de refrigeração, essas regiões sinuosas e não sinuosas se apresentam contra a mesma.
Exemplo 1:
[00126] Em operação, testou-se uma tubulação de permutador de calor de acordo com a figura 3, com uma solução de celulose-NMMO- água.
[00127] Uma solução de fiação constituída por diferentes celulóides de sulfito (fabricantes MoDo, Sappi Saiccor), composta por 12,9% de celulose, 76,3% de óxido de amina (NMMO) e 10,8% de água foi produzida em um aparelho de dissolução, a uma temperatura entre 97°C e 102°C.
[00128] A solução, a uma densidade de 1200 kg/m3, apresentou uma viscosidade de cisalhamento zero (a 85°C) de 15.000 Pas. A solução de fiação assim obtida foi ajustada, depois da produção, em um permutador de calor (tipo: Sulzer SMR) equipado com elementos de misturador estático aquecidos e situados internamente, para uma temperatura de 95°C.
[00129] Na saída do permutador de calor, a temperatura da solução descarregada foi determinada, sendo que foram medidas as seguintes temperaturas:
[00130] T1=95,8°C
[00131] T2 = 96,7°C
[00132] T3 = 96,1°C
[00133] T4 = 95,2°C
[00134] T5 = 97,1°C
[00135] A partir das temperaturas medidas fica evidente que foi alcançada uma diferença de temperatura de cerca de 1,9°C pela seção transversal do permutador de calor.
Exemplo 2 - Teste com tubo vazio
[00136] Na continuação, a solução de celulose descarregada do permutador de calor é guiada para um tubo vazio com diâmetro interno de 108 mm (cerca de 3 m de comprimento).
[00137] Para o processamento subsequente, a corrente de solução de fiação foi dividida em duas correntes individuais com 80 mm de diâmetro interno do tubo vazio (cerca de 2 m de comprimento).
[00138] Os tubos vazios foram providos externamente de uma cobertura de têmpera e, em cima desta, um isolamento térmico (50 mm de espessura de isolamento).
[00139] A cobertura de têmpera foi mantida a uma temperatura de 82°C.
[00140] Após o trecho de transporte para os tubos vazios (5 metros de comprimento), determinou-se a distribuição de temperatura da solução de fiação ao longo da seção transversal em uma das duas saídas (65 mm), sendo que foram medidas as seguintes temperaturas:
[00141] T1 = 97,8°C (medidos no centro do tubo)
[00142] T2 = 91,7°C
[00143] T3 = 83,5°C
[00144] T4 = 89,2°C
[00145] T5 = 91,1°C
[00146] A partir das temperaturas medidas fica evidente que foi alcançada uma diferença de temperatura de cerca de 14,3°C ao longo da seção transversal do tubo vazio. Fica evidente que, apesar das temperaturas muito baixas da cobertura, foi medida uma temperatura de núcleo bastante elevada, o que pode ser explicado por um aquecimento de cisalhamento pronunciado do fluido.
Exemplo 3 - Permutador de calor com elementos de misturador estático aquecidos e localizados internamente
[00147] Apesar da termostatização de fora e introdução de calor de cisalhamento, a invenção se propõe o objetivo de manter a constância de temperatura e de viscosidade da solução de fiação por toda a trajetória da tubulação em um nível uniforme. Para conseguir isso, o sistema de tubos vazios acima mencionado foi substituído por um sistema de permutadores de calor.
[00148] O sistema de permutadores de calor é constituído por três permutadores de calor ligados entre si.
[00149] O primeiro permutador de calor (diâmetro interno da caixa - 108 mm, comprimento - 3m) era constituído por uma caixa com elementos de misturador estático aquecidos e localizados internamente (tipo: Sulzer SMR). A cobertura de têmpera da caixa foi conectada com os elementos de misturador estático internos, sendo que a temperatura do meio de têmpera foi ajustada para 92°C.
[00150] Os elementos de misturador estático internos apresentaram um comprimento de 2 m (cerca de 65% do comprimento total).
[00151] Após o primeiro elemento permutador de calor, a solução de fiação foi submetida a uma medição de temperatura, sendo que se estabeleceram as seguintes temperaturas após a passagem através do permutador de calor:
[00152] T1=94,8°C
[00153] T2 = 94,4°C
[00154] T3 = 95,1°C
[00155] T4 = 95,6°C
[00156] T5 = 95,9°C
[00157] A partir das temperaturas medidas, fica evidente que foi alcançada uma diferença de temperatura de cerca de 1,1°C. Nota-se que através da forma de execução de acordo com a invenção é possível ajustar uma solução de fiação bastante uniforme em relação à temperatura e à distribuição de viscosidade e, ao mesmo tempo, é possível eliminar o aquecimento de cisalhamento do fluido de modo induzido no sistema de permutadores de calor.
Exemplo 4 - Permutador de calor com elementos de misturador estático situados internamente.
[00158] Após a divisão da corrente de solução de fiação, a solução de celulose foi transportada através de 2 permutadores de calor construtivamente iguais e conectados em paralelo.
[00159] Os dois permutadores de calor (diâmetro interno da caixa - 85 mm; comprimento - 2 m) eram constituídos por uma caixa com elementos de misturador estático internos (tipo: Sulzer SMXL). A cobertura de têmpera da caixa foi ajustada para uma temperatura de 90°C.
[00160] Os elementos de misturador estático internos apresentam um comprimento de 1,2 m (cerca de 60% do comprimento da caixa).
[00161] Depois de um dos dois elementos de permutador de calor, a solução de fiação foi submetida a uma medição de temperatura, sendo que se estabeleceram as seguintes temperaturas após a passagem através do permutador de calor:
[00162] T1=95,3°C
[00163] T2 = 96,7°C
[00164] T3 = 95,4°C
[00165] T4 = 96,1°C
[00166] T5 = 95,5°C
[00167] A partir das temperaturas medidas fica evidente que foi alcançada uma diferença de temperatura de cerca de 1,4°C. Nota-se que devido à forma de execução de acordo com a invenção, é possível ajustar uma solução de fiação bastante uniforme quanto à temperatura e à distribuição de viscosidade e, ao mesmo tempo, é possível eliminar o aquecimento de cisalhamento do fluido no sistema de permutadores de calor.
[00168] Com base nos dados para a expansão de temperatura foram calculados os comprimentos mínimos e ideais para permutador de calor em um sistema de condução de fluido. No caso de uma expansão de 1,5°C de um fluido de celulose/NMMO/água, a 95°C, em um sistema de 20 permutadores de calor individuais, respectivamente com um comprimento de 1 m, com diâmetros internos de 175 mm, 136 mm, 108 mm, 85 mm e 65 mm, no mínimo 34% do comprimento total do sistema de transporte, da primeira bomba até um extrusor, guiado através de um filtro e de uma outra bomba é um permutador de calor. Dentro de cada um dos elementos permutadores de calor, nem todo o comprimento é provido de uma tubulação portadora de calor, senão que, considerando- se peças de conexão e eventualmente um equipamento incompleto no caso de permutadores de calor com 175 mm de diâmetro interno, 56,9% do comprimento, idealmente 73,1% do comprimento, são providos de meios portadores de calor. Em permutadores de calor com 136 mm de diâmetro interno, 69,2% do comprimento, idealmente 85,8% do comprimento, são providos de meios portadores de calor. Em permutadores de calor com 108 mm de diâmetro interno, 61,7% do comprimento, idealmente 86,7% do comprimento, são providos de meios portadores de calor. Em portadores de calor com 85 mm de diâmetro interno, 63,6% do comprimento, idealmente 84,1% do comprimento, são providos de meios portadores de calor. Em portadores de calor com 65 mm de diâmetro interno, 50,0% do comprimento, idealmente 75,0% do comprimento, são providos de meios portadores de calor.
[00169] Permutadores de calor com 175 a 108 mm de diâmetro interno são temperados internamente; permutadores de calor com diâmetros internos de 85 a 65 mm são temperados externamente com misturadores estáticos situados internamente.
[00170] Para o comprimento total do sistema de permutadores de calor, com base na soma das frações de comprimento dos permutadores de calor, 61,5% do comprimento, idealmente 81,0% do comprimento, são providos de meios portadores de calor. No caso de elementos de distribuição necessários, filtros e bombas, no máximo 97,1% do comprimento podem ser providos de meio portador de calor. Exemplo 5:
[00171] Através de um sistema de tubulação de permutadores de calor, constituído por permutadores de calor e por peças de conexão com elementos rompíveis (como peças de distribuição), uma solução polimérica - para o emprego como solução de fiação - com a composição que se segue foi transferida desde a produção da solução de fiação até o processamento da mesma a uma máquina de fiação.
[00172] A massa de fiação, constituída por uma mistura de celulóide do tipo MoDo Dissolving - DP 510-550 e Sappi Saiccor DP 560-580 foi produzida continuamente na seguinte composição: celulose 12,9%; óxido de amina (NMMO - N-óxido de N-metilmorfolina), 76,3%; água 10,8%.
[00173] A produção da solução ocorreu após tratamento prévio enzimático aquoso e de produção de suspensão através de evaporação de água excedente sob vácuo em um recipiente de reação percorrido continuamente a uma temperatura de 97 a 103°C. Para a estabilização do solvente NMMO/água foram adicionados estabilizadores já conhecidos. A estabilização da solução de celulose ocorre, de modo conhecido, com éster de propil de ácido gálico. Para a produção da solução orientada para a segurança, o teor de íons de metal pesado é controlado e não ultrapassa um valor de 10 ppm como parâmetro de soma (de íons metálicos e íons de metais não ferrosos).
[00174] A densidade da solução produzida comporta 1.200 kg/m3 a uma temperatura ambiente. A viscosidade de cisalhamento zero da massa de fiação ajustada através dos componentes de misturação de celulóide pode ser de até 15.000 Pas medidos a 75°C. Dependendo da temperatura de processamento escolhida no processo de fiação, a viscosidade de cisalhamento zero pode se mover na faixa de 500 a 15.000 Pas. Em função do comportamento viscoso estrutural da solução de fiação, a viscosidade cai para uma faixa abaixo de 100 Pas no caso de taxas de cisalhamento de fiação de acordo com a respectiva temperatura de processamento escolhida, e também é bastante dependente da concentração de celulose na solução de fiação.
[00175] Nas peças de conexão, durante a condução, foi retirada massa polimérica nas aberturas de tomada de amostras, para a medição da temperatura e para a medição da viscosidade, sendo que os discos rompíveis instalados na peça de conexão foram dimensionados para a passagem de uma carga específica por mm2 de superfície rompível.
Figure img0001
[00176] Desvios quanto à temperatura e à viscosidade foram constatados por 10 medições individuais e mediante a formação do valor médio.
[00177] Exemplo de comparação: transferência simulada de calor de fluidos viscosos em tubulações sem permutadores de calor internos
[00178] Tubulações com controle de temperatura simulado, tal como no WO 94/28213, sem permutador de calor interno para a avaliação da transferência de calor do centro do tubo para a parede de tubo para o fluxo de fluidos altamente viscosos (como soluções de celulose).
[00179] O perfil de seção transversal de temperatura foi medido na entrada (comprimento 0 m), após 1 m, 3 m e na saída (comprimento 10 m). Tubos com diâmetros de 25 mm e 100 mm serviram de base para o teste. Foram selecionados valores típicos para meios de alta viscosidade correspondentes a velocidades de corrente (1,13 m/min para diâmetro 25 mm e 3,54 m/min para diâmetro de 100 mm). Na entrada da região de medição, a distribuição de velocidade é estampada como constante ao longo da seção transversal sob a forma de tampão. As simulações são todas executadas de modo laminar. A temperatura da parede comportou 152,7°C para o tubo com 25 mm e 129,9°C para o tubo com 100 mm de diâmetro (segundo o WO 94/28213). A densidade do fluido comportou 1200 kg/m3; a capacidade térmica 2700 J/kgK e a condutibilidade térmica foi modelada como função linear da temperatura (0,23 a 0,24 W/mK).
[00180] Em uma primeira passagem de cálculo, a capacidade de influência das temperaturas de fluido foi simulada através do diâmetro do tubo sem entrada de calor (nenhuma reação de decomposição no fluido).
[00181] O perfil de temperatura de seção transversal do tubo com 25 mm encontra-se reproduzido na figura 8a. As curvas de temperatura mostram de cima para baixo o perfil 1) na entrada, b) após 1 m, c) após 3 m e d) na saída (após 10 m). Fica evidente que através da cobertura, o tubo ainda pode ser resfriado no centro de tubo.
[00182] O perfil de temperatura de seção transversal do tubo com 100 mm acha-se reproduzido na figura 8b. As curvas de temperatura são mostradas de modo análogo ao da figura 8b, sendo que as diferenças só podem então ser reconhecidas na região de borda do tubo. Mostra-se que através da cobertura o tubo não pode ser resfriado no centro de tubo. A temperatura nuclear do fluido pode ser influenciada através da temperatura de parede mais baixa em cerca de 15°C.
[00183] Segue-se que para tais fluidos é necessário um resfriamento alternativo e uma misturação, tal como foi disponibilizado de acordo com a presente invenção.

Claims (15)

1. Sistema de tubulação de permutador de calor para o transporte de fluidos viscosos, com uma série de permutadores de calor (1) individuais projetados como elementos de tubulação e com distribuição controlada predeterminada da temperatura e/ou da pressão ao longo do sistema de tubulação, bem como na seção transversal das tubulações, sendo que em distâncias regulares do sistema de tubulação são previstos permutadores de calor (1) projetados como elementos de tubulação, sendo que as distâncias regulares são selecionadas de modo a manter uma distribuição predeterminada de temperatura e/ou de pressão ao longo do sistema de tubulação, sendo que nos permutadores de calor (1) são previstos meios de têmpera para temperar os fluidos, bem como elementos de misturação opcionais mantendo uma distribuição predeterminada de temperatura e/ou de pressão na seção transversal em função da respectiva seção transversal de tubulação, e sendo que no mínimo 30% do comprimento do sistema de tubulação de permutadores de calor estão equipados com permutadores de calor (1), caracterizado pelo fato de que apresenta um diâmetro interno escalonado de permutadores de calor (1) individuais, o qual se reduz no percurso do sistema de tubulação.
2. Sistema de tubulação de permutadores de calor de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que no mínimo um meio de têmpera de um permutador de calor (1) é uma tubulação portadora de calor (4) ou uma cobertura portadora de calor.
3. Sistema de tubulação de portadores de calor de acordo com a reivindicação 1 ou 2, caracterizado pelo fato de que apresenta no mínimo um elemento de bifurcação (10).
4. Sistema de tubulação de portadores de calor de acordo com qualquer uma das reivindicações de 1 a 3, caracterizado pelo fato de que o diâmetro interno de uma primeira seção do sistema de tubulação de permutadores de calor em relação a uma segunda seção é de no máximo 5:1, de preferência no mínimo 10:9.
5. Sistema de tubulação de portadores de calor de acordo com qualquer uma das reivindicações de 1 a 4, caracterizado pelo fato de que apresenta um permutador de calor (1) com um meio de têmpera no interior do permutador de calor (1), de preferência com um diâmetro interno de no mínimo 90 mm do permutador de calor (1).
6. Sistema de tubulação de portadores de calor de acordo com qualquer uma das reivindicações de 1 a 5, caracterizado pelo fato de que apresenta um permutador de calor (1) com um meio de têmpera externamente ao espaço interno do permutador de calor (1), de preferência uma cobertura de têmpera, sendo que, de preferência, o diâmetro interno do permutador de calor (1) é no máximo 130 mm.
7. Sistema de tubulação de portadores de calor de acordo com qualquer uma das reivindicações de 1 a 6, caracterizado pelo fato de que as diferenças de temperatura predeterminadas na seção transversal e/ou na direção longitudinal do sistema de permutadores de calor (1) são no máximo de 5°C.
8. Sistema de tubulação de portadores de calor de acordo com qualquer uma das reivindicações de 1 a 7, caracterizado pelo fato de que contém elementos de misturação no espaço interno de pelo menos uma seção de tubulação.
9. Sistema de tubulação de portadores de calor de acordo com a reivindicação 6 ou 9, caracterizado pelo fato de que o elemento de misturação e meio de têmpera é uma tubulação portadora de calor (4) no interior do permutador de calor (1).
10. Sistema de tubulação de portadores de calor de acordo com a reivindicação 9, caracterizado pelo fato de que a tubulação portadora de calor (4) localizada internamente apresenta regiões de guia na direção da cobertura e regiões sinuosas.
11. Sistema de tubulação de portadores de calor de acordo com qualquer uma das reivindicações de 1 a 10, caracterizado pelo fato de que o sistema de tubulação de permutadores de calor tem um comprimento de no mínimo 1 m, de preferência no mínimo 2 m, de preferência no mínimo 4 m, de preferência no mínimo 6m, de preferência no mínimo 8 m, de preferência no mínimo 10 m.
12. Sistema de tubulação de portadores de calor de acordo com qualquer uma das reivindicações de 1 a 11, caracterizado pelo fato de que os meios de têmpera estão alojados no mínimo ao longo de 60 % do comprimento do sistema de tubulação de permutadores de calor.
13. Sistema de tubulação de portadores de calor de acordo com qualquer uma das reivindicações de 1 a 12, caracterizado pelo fato de que ele está conectado operativamente junto com uma bomba para a condução do meio viscoso sob pressão, com um filtro, com um regulador de sobrepressão ou combinações dos mesmos.
14. Sistema de tubulação de portadores de calor de acordo com qualquer uma das reivindicações de 1 a 13, caracterizado pelo fato de que apresenta uma tubulação portadora de calor (4) no interior de um permutador de calor (1), sendo que na seção transversal do permutador de calor (1) no máximo 40% da superfície interna da seção transversal são tomados pelas tubulações portadoras de calor.
15. Processo para o transporte de um fluido viscoso através de um sistema de tubulação de permutadores de calor, como definido em qualquer uma das reivindicações de 1 a 14, caracterizado pelo fato de que o fluido viscoso é instável termicamente, sendo de preferência uma solução de celulose, e/ou sendo uma solução biopolimérica, de preferência escolhida a partir de polissacarídeos, proteínas, ácidos nucleicos ou misturas destes.
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