BR112016021210B1 - trocador de calor, conjunto de reatores, método para controlar a temperatura de um reator, e, uso de um trocador de calor - Google Patents
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Abstract
TROCADOR DE CALOR, CONJUNTO DE REATORES, MÉTODO PARA CONTROLAR A TEMPERATURA DE UM REATOR, E, USO DE UM TROCADOR DE CALOR. A presente invenção se refere a um trocador de calor (1) que compreende um feixe de pelo menos dois tubos de trocador de calor (3), em que o feixe de tubos de trocador de calor (3) é alinhado verticalmente e finalizado para baixo por um piso do tubo do trocador de calor (31), um alojamento do trocador de calor (5) encerrando o feixe de tubos do trocador de calor (3), em que um meio de transferência de calor líquido (7) circula no feixe de tubos do trocador de calor (3) no alojamento do trocador de calor (5), uma coifa do trocador de calor (9) finalizando o alojamento do trocador de calor (5) para cima, um piso do trocador de calor (11) finalizando o alojamento do trocador de calor (5) para baixo, uma entrada (13) no trocador de calor (1) no alojamento do trocador de calor (5) para o meio de transferência de calor (7), uma saída (15) para fora do trocador de calor (1) no alojamento do trocador de calor (5) para o meio de transferência de calor (7), e uma conexão de alívio de emergência (17) que é arranjado perto da coifa de trocador de calor (9). O trocador de calor (...).
Description
[001] A presente invenção se refere a um trocador de calor, a um conjunto de reatores compreendendo um reator e este trocador de calor e a um método para controlar a temperatura de um reator.
[002] Trocadores de calor para reatores e dispositivos similares são conhecidos, em princípio, da técnica anterior. Assim, DE 22 07 166 A1 descreve um conjunto de resfriamento para aparelhos de reação compreendendo um meio de transferência de calor por recirculação, em que uma bomba de circulação e um refrigerador são dispostos externos a um vaso de reação para o dito meio de transferência de calor. Nele, a bomba de circulação e o refrigerador são acomodados em dois alojamentos dispostos lado a lado. Além do mais, um vaso de expansão para o meio de transferência de calor é disposto acima e em comunicação com o alojamento da bomba e um separador de vapor para o refrigerador é disposto diretamente acima do alojamento do refrigerador e em comunicação com os tubos do refrigerador. Um disco de rotura pode ser disposto na tampa do vaso de expansão.
[003] Em conjunto com um método para variar a temperatura de um reator concha-e-tubo, DE 10 2006 034 811 A1 descreve um refrigerador de banho de sal sem restrições específicas no seu meio de resfriamento. O refrigerador tem um vaso de equalização com um medidor de nível de enchimento disposto nele. Mediante o atingimento de um nível de enchimento predeterminado, meio de transferência de calor em excesso flui por meio de um extravasamento e/ou uma porta de alívio de emergência. Além de ser usada na expansão excessiva do meio de transferência de calor, a porta de alívio de emergência também opera no evento de ruptura de um tubo refrigerador evaporativo, por exemplo.
[004] Mediante a operação de um trocador de calor do tipo em questão como um refrigerador, o momento do vazamento é crítico. Os tubos do refrigerador contêm vapor água/água a uma pressão de 5 mPa (50 bar) ou mais. Ruptura de um destes tubos do refrigerador, então, faz com que a água seja forçada no meio de transferência de calor nesta pressão. Uma vez que o meio de transferência de calor líquido é circulado a uma temperatura de cerca de 280°C, por exemplo, a água vaporiza imediatamente e um acúmulo espontâneo de alta pressão, desta forma, ocorre.
[005] Conforme descrito anteriormente, a técnica anterior consequentemente inclui medidas de precaução de maneira a liberar pressão do trocador de calor, isto é, refrigerador, no evento de sobrepressão. Entretanto, estes dispositivos não foram completamente providos, em si, na prática. Trocadores de calor do tipo em questão, em particular refrigeradores de banho de sal, podem medir entre 4 m e 8 m de altura. O contrário dificilmente causa uma ruptura do tubo refrigerador, descrita na técnica repetidamente na prática a despeito do maior cuidado sendo tomado e boa manutenção da usina. Com relação a isto, foi observado que tais rupturas do tubo ocorrem principalmente na região inferior dos tubos do refrigerador, isto é, somente uma pequena distância da placa do refrigerador do tubo.
[006] Quando o meio de resfriamento usado é água, que é vaporizado pelo meio de transferência de calor, ele geralmente está presente na forma líquida até uma certa altura na região inferior dos tubos do refrigerador. Na prática, rupturas do tubo são observadas repetidamente nesta região específica e estas são atribuídas, inter alia, à operação incorreta dos refrigeradores. Uma outra razão para as rupturas do tubo poder ter qualidade da água de alimentação inadequada que leva a estresse e/ou corrosão não explicados. Quando uma ruptura do tubo ocorre, então, o vapor precisa passar através da coluna do meio de transferência de calor acima dela ou desloca o meio de transferência de calor de maneira a liberar a pressão de acúmulo por meio da porta de alívio de emergência conhecida da técnica anterior ou por meio do disco de ruptura. Tal passagem ou deslocamento é possível somente com muita dificuldade, em particular com os meios de transferência de calor convencionalmente usados de densidade relativamente alta, por exemplo, com banhos de sal tendo uma densidade de 2.
[007] Como um resultado, a camisa do refrigerador é exposta a uma pressão para a qual ela não é normalmente designada. Trocadores de calor do tipo em questão, isto é, em particular refrigeradores compreendendo um meio de transferência de calor líquido, são geralmente de um projeto despressurizado. No pior caso, um aumento da pressão que resulta de uma ruptura do tubo pode levar a camisa do refrigerador em si a rasgar e o meio de transferência de calor derramar para o exterior. Isto dá origem a um perigo agudo à saúde humana e ao ambiente.
[008] Em vista das desvantagens da técnica anterior, é um objetivo da presente invenção prover um melhor trocador de calor garantindo, em particular, rápido e segundo alívio da pressão no evento de vazamento. É um objetivo adicional prover um conjunto de reatores correspondente e especificar um método para controlar a temperatura de um reator onde o dito conjunto e o dito método não tenham desvantagens da técnica anterior.
[009] Em um primeiro aspecto da invenção, o objetivo mencionado anteriormente é alcançado por um trocador de calor (1) compreendendo - um feixe de pelo menos dois tubos de trocador de calor (3), em que o feixe de tubos de trocador de calor (3) foi verticalmente orientado e é finalizado na base por uma placa do tubo de trocador de calor (31), - um alojamento do trocador de calor (5) que circunda o feixe de tubos de trocador de calor (3), em que um meio de transferência de calor líquido (7) é passado em torno do feixe de tubos de trocador de calor (3) no alojamento do trocador de calor (5), - uma tampa do trocador de calor (9) que veda o topo do alojamento do trocador de calor (5), - uma base do trocador de calor (11) que veda a base do alojamento do trocador de calor (5), - um ponto de alimentação (13) para o meio de transferência de calor (7), em que o dito ponto de alimentação é provido no alojamento do trocador de calor (5) e leva ao trocador de calor (1), - uma saída (15) para o meio de transferência de calor (7), em que a dita saída é provida no alojamento do trocador de calor (5) e leva para fora do trocador de calor (1), - uma porta de alívio de emergência (17) disposta na proximidade da tampa do trocador de calor (9).
[0010] O trocador de calor (1) compreende um dispositivo de segurança (19) disposto na proximidade da base do trocador de calor (11).
[0011] Em um segundo aspecto da invenção, o trocador de calor (1) descrito anteriormente é integrado em um conjunto de reatores (101). Este conjunto de reatores (101) compreende - um reator (27) - um trocador de calor (1), conforme definido anteriormente, conectado ao reator (27), - uma bomba (29) para circular pelo menos algum do meio de transferência de calor líquido (7), em que a dita bomba é conectada ao reator (27) e/ou ao trocador de calor (1).
[0012] Em um terceiro aspecto da invenção, o método de acordo com a invenção para controlar a temperatura de um reator (27) pode ser realizado com o trocador de calor (1) de acordo com a invenção ou o conjunto de reatores (101) de acordo com a invenção. Este método compreende as etapas de a) introduzir, por meio de um ponto de alimentação, no trocador de calor (1) definido anteriormente pelo menos algum do meio de transferência de calor líquido (7) descarregado do reator (27) a uma primeira temperatura T1, b) passar o meio de transferência de calor líquido (7) em torno dos tubos de trocador de calor (3) do trocador de calor (1) para trocar calor entre o meio de transferência de calor (7) e os tubos de trocador de calor (3), c) drenar o meio de transferência de calor líquido (7) do trocador de calor (1) a uma segunda temperatura T2 e fornecer o meio de transferência de calor líquido (7) ao reator (27), em que, no evento de um aumento de pressão no trocador de calor (1), a sobrepressão que surge é reduzida por meio de pelo menos um dispositivo de segurança (19).
[0013] Se, em conjunto com o trocador de calor (1) de acordo com a invenção e/ou o conjunto de reatores (101) de acordo com a invenção, a descrição que se segue também lista características do método, estas preferivelmente se referem ao método de acordo com a invenção, que é ainda mais particularmente definido daqui em diante.
[0014] O trocador de calor (1) de acordo com a invenção tem a vantagem que, devido ao dispositivo de segurança (19) ser provido na proximidade da base do trocador de calor (11), sobrepressão no lado do meio de transferência de calor líquido (7) pode ser rápida e seguramente reduzida sem o meio de transferência de calor (7) no trocador de calor (1) ter que ser deslocado ou passado através da maior parte da altura do trocador de calor (1). Consequentemente, um trocador de calor (1) é provido, que é essencialmente protegido contra todos os aumentos de pressão. Além do mais, o fornecimento do dispositivo de segurança (19) significa que o alojamento do trocador de calor (5) pode ser de um projeto despressurizado e isto é refletido no custo do trocador de calor (1) e a usina como um todo.
[0015] Neste caso, despressurizado significa que nenhuma medida de precaução precisa ser tomada contra pressões maiores que 0,5 mPa (5 bar). O alojamento do trocador de calor (5), junto com a tampa do trocador de calor (9) e a base do trocador de calor (11), é certamente designado para uma pressão de até 0,3 mPa (3 bar), exercida hidrostaticamente pelo meio de transferência de calor (7) e gerada por uma bomba de circulação para o meio de transferência de calor (7).
[0016] O termo “em proximidade com” com relação à tampa do trocador de calor (9) e à base do trocador de calor (11) significa que a porta de alívio de emergência (17) é disposta no terço superior, em particular, no quarto superior, do alojamento do trocador de calor (5) e que o dispositivo de segurança (19) é disposto no terço inferior, em particular no quarto inferior e, com preferência muito particular, no quinto inferior do alojamento do trocador de calor (5).
[0017] A invenção é descrita em mais detalhes daqui em diante.
[0018] A presente invenção primeiramente provê um trocador de calor (1) compreendendo um feixe de pelo menos dois tubos de trocador de calor (3), um alojamento do trocador de calor (5), uma tampa do trocador de calor (9), uma base do trocador de calor (11), um ponto de alimentação (13) e uma saída (15) e também uma porta de alívio de emergência (17). O trocador de calor (1) de acordo com a invenção é notável em que compreende um dispositivo de segurança (19) disposto na proximidade da base do trocador de calor (11).
[0019] Em uma modalidade específica, o trocador de calor (1) de acordo com a invenção é um refrigerador.
[0020] Em um desenvolvimento do trocador de calor (1) de acordo com a invenção, o dispositivo de segurança (19) é um meio de despressurização de emergência. Para os propósitos da presente invenção, “meio de despressurização de emergência” deve ser entendido essencialmente como uma tubulação que leva para fora do alojamento do trocador de calor (5) em proximidade com a base do trocador de calor (11) e essencialmente que leva verticalmente para cima, de maneira tal que o meio de despressurização de emergência atinja pelo menos mais que o nível líquido do meio de transferência de calor líquido (7) no alojamento do trocador de calor (5). Isto pode ser usado para compensar a queda de pressão que surge da perfusão da perfusão através do feixe de tubos de trocador de calor. Em operação correta, o dispositivo de segurança (19) é enchido a um certo nível com o meio de transferência de calor líquido (7). O dispositivo de segurança (19) é preferivelmente provido com aquecimento traço de maneira a manter o meio de transferência de calor líquido (7) essencialmente na mesma viscosidade que o meio de transferência de calor (7) dentro do trocador de calor (1).
[0021] Agora, quando a pressão aumenta no trocador de calor (1) e substancialmente excede a pressão de operação normal do mesmo, isto é, uma pressão de não mais que 0,3 mPa (3 bar), esta pressão pode ser liberada pela coluna do meio de transferência de calor no dispositivo de segurança (19) sendo empurrado para cima. Tomando o exemplo de uma ruptura do tubo com escape de água e/ou vapor, isto significa que o vapor formado no meio de transferência de calor (7) pode fácil e vantajosamente expandir no dispositivo de segurança (19). Fazendo isto, o vapor tem uma coluna substancialmente menor do meio de transferência de calor (7) para deslocar ou passar através, comparado à massa do meio de transferência de calor (7) dentro do trocador de calor (1). O diâmetro do dispositivo de segurança (19) é preferivelmente entre 100 mm e 800 mm.
[0022] Com relação a isto, provou ser vantajosa a razão da área da seção transversal livre do dispositivo de segurança (19) para a área da seção transversal livre de um tubo do trocador de calor (3) entre 15 e 1.600. Esta razão garante que, no evento de vazamento de um tubo do trocador de calor (3), a mistura vapor/líquido de evasão pode ser descarregada sem um grande aumento da pressão no alojamento do trocador de calor (5). Uma razão insuficiente dos diâmetros levaria, no evento de vazamento, a um aumento intensificado na pressão até a pressão de vapor do meio de transferência de calor (7) na temperatura relevante.
[0023] Para os propósitos da presente invenção, “área da seção transversal livre” deve ser entendida como a área efetivamente disponível para o fluxo do meio de transferência de calor (7).
[0024] Em uma modalidade adicional, o trocador de calor (1) compreende um meio de contenção (21) para o meio de transferência de calor (7), em que o dito meio de contenção é conectado a jusante do dispositivo de segurança (19) e/ou a porta de alívio de emergência (17). Quando uma quantidade relativamente grande de meio de transferência de calor (7) é deslocada aumentando a pressão por meio do dispositivo de segurança (19) e/ou da porta de alívio de emergência (17), o meio de transferência de calor (7) pode ser contido pelo meio de contenção (21) sem fuga da usina. Primeiramente, isto melhora a segurança, uma vez que não há fuga do meio de transferência de calor (7) em alta temperatura e, em segundo lugar, o meio de contenção (21) permite que o meio de transferência de calor (7) seja recirculado no trocador de calor (1) sem contaminação, uma vez que a falha foi corrigida. Com esta finalidade, é particularmente vantajoso para o meio de contenção (21) compreender aquecimento traço de maneira a evitar um aumento na viscosidade do meio de transferência de calor (7) para o ponto de solidificação do mesmo. O meio de contenção (21) pode adicionalmente servir para tamponar diferenças no nível de enchimento do meio de transferência de calor (7) e/ou coletar algum ou todo o meio de transferência de calor (7) durante uma parada de toda a usina, por exemplo, durante o trabalho de inspeção.
[0025] É adicionalmente preferível que o trocador de calor (1) compreenda um dispositivo para remover o meio de transferência de calor líquido (7) de uma fase gasosa, em que o dito dispositivo promove separação efetiva de gás e líquido no evento de vazamento quando a mistura da substância de fuga é bifásica (vapor/líquido). O dispositivo mencionado é, em particular, disposto no meio de contenção (21).
[0026] É adicionalmente preferível ventilar o meio de contenção (21) para a atmosfera por meio de uma seção transversal suficientemente grande de maneira a liberar o gás removido, por exemplo, vapor, na atmosfera sem um grande aumento da pressão no meio de contenção (21). Aqui, a razão das áreas da seção transversal disponíveis para ventilação com base na área da seção transversal de um tubo do trocador de calor (3) deveria ser na faixa de 500 a 1.000.000.
[0027] Adicionalmente mostrou ser vantajoso prover, entre o dispositivo de segurança (19) e o meio de contenção (21) no trocador de calor (1), de acordo com a invenção, um separador (23) para uma porção do meio de transferência de calor líquido (7). O separador (23) deve, no evento de vazamento, amplamente coletar o volume líquido do meio de transferência de calor (7) no sistema de tubulação a jusante da porta de alívio de emergência (17) e/ou do dispositivo de segurança (19) em operação normal de maneira a diminuir assim a pressão que surge devido a um tampão líquido quando é empurrado através do sistema da tubulação para o meio de contenção (21), quando esta medida não é feita. O volume de retenção do separador (23), desta forma, deveria corresponder pelo menos ao volume da tubulação da tubulação entre o dispositivo de segurança (19) e o separador (23).
[0028] Mostrou ser vantajoso para uma distribuição de temperatura uniforme e eficiente para o trocador de calor (1) compreender componentes internos (25) para desviar o meio de transferência de calor líquido (7) e para os componentes internos (25) serem posicionados nos tubos de trocador de calor individuais ou entre eles (3) e/ou nos tubos de trocador de calor (3) individuais ou entre eles e no alojamento (5). Os componentes internos (25) são preferivelmente placas de desvio que podem ser na forma de anel ou na forma de disco. Isto também é referido como um “conjunto disco e rosca”. Em particular, os componentes internos (25) são alinhados horizontalmente e o meio de transferência de calor (7), desta forma, flui nos tubos de trocador de calor (3) essencialmente transversalmente.
[0029] É particularmente preferível que o trocador de calor (1) seja um refrigerador de banho de sal e/ou que o meio de transferência de calor líquido seja um fundido de sal. O fundido de sal é preferivelmente uma mistura de nitratos de metal alcalino e nitritos de metal alcalino. Fundidos de sal particularmente preferidos são compostos de 53% em peso de nitrato de potássio, 40% em peso de nitrito de sódio e 7% em peso de nitrato de sódio ou 60% em peso de nitrato de potássio e 40% em peso de nitrito de sódio. Estas misturas de uma mistura eutética e têm um ponto de fusão de cerca de 142°C. A temperatura de operação destes fundidos de sal é entre 200°C e 500°C.
[0030] A presente invenção pode ser aplicada aos óleos de transferência de calor, bem como a um meio de transferência de calor líquido (7) na forma de um fundido de sal. Entretanto, estes óleos de transferência de calor são geralmente limitados a uma temperatura de operação máxima de 250°C a 280°C, que é insuficiente para resfriar muitas reações exotérmicas, por exemplo, em reatores concha-e-tubo.
[0031] A presente invenção adicionalmente provê um conjunto de reatores (101) compreendendo um reator (27), um trocador de calor (1), conforme definido anteriormente, conectado ao reator (27), e uma bomba (29) para circular pelo menos algum do meio de transferência de calor líquido (7), em que a dita bomba é conectada ao reator (27) e/ou ao trocador de calor (1).
[0032] O fato que o conjunto de reatores (101) de acordo com a invenção compreende o trocador de calor (1) de acordo com a invenção significa que essencialmente as mesmas vantagens descritas anteriormente são alcançadas. Em particular, sobrepressão que ocorre no trocador de calor (1) no lado do meio de transferência de calor líquido (7) pode ser rápida e em segundo lugar reduzida no conjunto de reatores (101) de acordo com a invenção. O meio de transferência de calor (7) no trocador de calor (1) essencialmente não precisa ser deslocado ou passado, uma vez que a pressão pode ser reduzida por meio do dispositivo de segurança (19) do trocador de calor (1). A disponibilização do trocador de calor (1) de acordo com a invenção significa que o sistema do trocador de calor do conjunto de reatores (101) consequentemente pode ser de um projeto essencialmente despressurizado, que reduz o custo do conjunto de reatores (101).
[0033] Neste caso, despressurizado significa que nenhuma medida de precaução precisa ser tomada para pressões maiores que 0,5 mPa (5 bar). O conjunto de reatores (101) é, certamente, designado para uma pressão de até 0,3 mPa (3 bar), exercida hidrostaticamente pelo meio de transferência de calor (7) e gerada por uma bomba de circulação para o meio de transferência de calor (7). Além do mais, o volume de reação do reator (27) é designado para as pressões de reação predominantes de até 8 mPa (80 bar) na parte do meio de reação.
[0034] Para os propósitos da presente invenção, o termo “trocador de calor (1) conectado ao reator (27)” deve ser entendido como o ponto de alimentação (13) provido no alojamento do trocador de calor (5) e a saída (15) para o meio de transferência de calor (7) provida no alojamento do trocador de calor são conectados de uma maneira adequada, em particular soldado, a um ponto de alimentação e saída do reator correspondentes (27). É conveniente que uma válvula de controle seja instalado tanto no ponto de alimentação (13) quanto na saída (15) de maneira tal que a quantidade do meio de transferência de calor (7) circulado através do trocador de calor (1), e desta forma a temperatura no reator (27), possa ser ajustada ou controlada.
[0035] Em uma modalidade preferida, o reator (27) é um reator concha-e-tubo para realizar reações exotérmicas ou endotérmicas.
[0036] No caso de reações exotérmicas, o calor gerado na reação exotérmica é absorvido pelo meio de transferência de calor líquido (7) e fornecido ao trocador de calor (1) de acordo com a invenção, neste caso um refrigerador, pela circulação do meio de transferência de calor (7). Conforme descrito anteriormente, o trocador de calor (1) de acordo com a invenção pode ser um trocador de calor de banho de sal. Em particular, os tubos de trocador de calor (3) do refrigerador de banho de sal podem ser tubos do evaporador nos quais água é vaporizada. Desta maneira, a energia liberada durante a reação pode ser recuperada na forma de vapor e usada proveitosamente para acionar turbinas de vapor ou para propósitos de aquecimento, por exemplo.
[0037] O trocador de calor (1) de acordo com a invenção também pode ser usado para superaquecer o vapor. Isto é particularmente vantajoso quando o vapor superaquecido obtido é convertido em energia elétrica por meio de uma turbina de vapor, por exemplo. A utilização da energia de vaporização, isto é, a eficiência, aumenta quanto mais a energia pode ser fornecida além da energia de vaporização. Com esta finalidade, vapor já gerado, por exemplo, de um primeiro trocador de calor (1) de acordo com a invenção, é passado através de um trocador de calor adicional (1) de acordo com a invenção de maneira a aumentar a temperatura do vapor. Consequentemente, a presente invenção pode ser usada para diferentemente melhorar a eficiência.
[0038] O conjunto de reatores (101) adicionalmente pode compreender um vaso de expansão não mostrado nas figuras. A densidade do meio de transferência de calor (7), isto é, o volume ocupado por ele, muda como uma função da temperatura. Com esta finalidade, um espaço de expansão suficientemente grande, no presente caso um vaso de expansão, deve ser provido. A expansão do meio de transferência de calor (7), de outra forma, poderia exercer pressão adicional no trocador de calor (1) e/ou no reator (27).
[0039] Um terceiro aspecto da presente invenção é um método para controlar a temperatura de um reator (27) compreendendo as etapas de a) introduzir, por meio de um ponto de alimentação, no trocador de calor (1) de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 7, pelo menos algum do meio de transferência de calor líquido (7) descarregado do reator (27) a uma primeira temperatura T1, b) passar o meio de transferência de calor líquido (7) em torno dos tubos de trocador de calor (3) do trocador de calor (1) para trocar calor entre o meio de transferência de calor (7) e os tubos de trocador de calor (3), c) drenar o meio de transferência de calor líquido (7) do trocador de calor (1) a uma segunda temperatura T2 e fornecer o meio de transferência de calor líquido (7) ao reator (27), em que, no evento de um aumento da pressão no trocador de calor (1), a sobrepressão que surge é reduzida por meio de pelo menos um dispositivo de segurança (19).
[0040] Conforme descrito anteriormente, uma falha nos tubos de trocador de calor (3) pode ocorrer na operação de um trocador de calor (1) de acordo com a invenção como um refrigerador. Estes vazamentos podem ter a forma tanto de um ou mais furos pequenos ou relativamente grandes quanto ruptura completa de um tubo do trocador de calor (3). O lado do meio de resfriamento do trocador de calor (1) é geralmente operado em uma pressão maior que o lado do meio de transferência de calor do reator (27). Neste caso, há o ingresso do meio de resfriamento, por exemplo água, no meio de transferência de calor líquido (7). Quando as condições de temperatura que predominam no lado do meio de transferência de calor estão em excesso do ponto de ebulição do meio de resfriamento, o meio de resfriamento vaporiza muito rapidamente e então rapidamente leva a um aumento na pressão. Este aumento na pressão pode ocorrer inesperada e imprevisivelmente e, desta forma, nenhuma contramedida pode ser tomada em um tempo suficientemente curto. No evento de um aumento de pressão como este, a sobrepressão que surge é reduzida por meio do dispositivo de segurança (19) pelo vapor que é formado deslocando ou passando através da coluna do meio de transferência de calor (7) no dispositivo de segurança (19), desta forma, evitando o dano ao o alojamento do trocador de calor (5). De acordo com a invenção, uma sobrepressão que surge e que é de 0,2 mPa (2 bar) ou acima é reduzida pelo dispositivo de segurança (19).
[0041] No caso onde o trocador de calor (1) de acordo com a invenção é operado como um refrigerador, a primeira temperatura T1 na qual pelo menos algum do meio de transferência de calor líquido (7) é descarregado do reator (27) é 200°C a 450°C, enquanto que a segunda temperatura T2 na qual o meio de transferência de calor líquido (7) é descarregado do trocador de calor (1) é 120°C a 300°C.
[0042] Mostrou ser vantajoso no método de acordo com a invenção quando na etapa b) que o meio de transferência de calor (7) serpenteia entre os tubos de trocador de calor (3). Isto significa que, como um resultado da presença opcional dos componentes internos (25) para desviar o meio de transferência de calor líquido (7), o dito meio de transferência de calor líquido é conduzido essencialmente transversalmente para os tubos de trocador de calor (3). Em particular, o meio de transferência de calor (7) é fornecido à extremidade da base do trocador de calor (1) e descarregado na extremidade do topo do trocador de calor (1) por meio da saída (15). A condução do meio de transferência de calor (7) desta maneira garante transferência térmica ideal do meio de transferência de calor (7) para o meio de resfriamento nos tubos do trocador de calor (3).
[0043] O método de acordo com a invenção é vantajosamente realizado em um reator (27) como um reator concha-e-tubo para realizar reações exotérmicas ou endotérmicas.
[0044] A reação realizada no reator (27) pode, em particular, ser uma oxidação de fase de gás parcial. Esta oxidação de fase de gás preferivelmente compreende a oxidação de propeno a acroleína, isobuteno a metacroleína, acroleína a ácido acrílico, metacroleína a ácido metacrílico e o-xileno a anidrido ftálico.
[0045] Em um aspecto adicional da presente invenção, o trocador de calor (1) descrito anteriormente é usado para controlar a temperatura de um reator (27) para realizar reações exotérmicas, em que o reator (27) é um reator concha-e-tubo e o meio de transferência de calor líquido (7) é um fundido de sal.
[0046] Objetivos, características, vantagens e possíveis aplicações adicionais ficarão evidentes a partir da seguinte descrição dos exemplos de trabalho da presente invenção com referência às figuras. Todas as características descritas e/ou ilustradas nas figuras, sozinhas ou em qualquer combinação, formam o assunto em questão da presente invenção, independentemente de sua combinação nas reivindicações ou nas reivindicações às quais elas se referem.
[0047] Figura 1 apresenta um diagrama esquemático de um trocador de calor (1) em uma modalidade da invenção e Figura 2 apresenta um diagrama esquemático de um conjunto de reatores (101) em uma modalidade da invenção.
[0048] Um trocador de calor 1 de acordo com a invenção é apresentado na figura 1. A concha externa do trocador de calor 1 é formada pelo alojamento do trocador de calor 5, a tampa do trocador de calor 9 que veda o topo e a base do trocador de calor 11 que veda a base. Os tubos de trocador de calor 3 são verticalmente orientados dentro do trocador de calor 1 e terminados na base por uma placa do tubo de trocador de calor 31. Em uma modalidade da invenção, em que o trocador de calor (1) é operado como um refrigerador, os tubos de trocador de calor 3 foram pelo menos parcialmente enchidos com água, que é introduzida de um abastecimento não mostrado na figura 1. Em uma modalidade, placas de desvio 25 são instaladas entre os tubos de trocador de calor 3 e/ou entre os tubos de trocador de calor 3 e o alojamento do trocador de calor 5, de maneira tal que um meio de transferência de calor 7 passe em torno dos tubos de trocador de calor 3 em um fluxo serpeante.
[0049] O meio de transferência de calor líquido 7 é abastecido por meio de um ponto de alimentação 13 provido no alojamento do trocador de calor 5 na metade da base do alojamento do trocador de calor 5. Abastecimento é preferivelmente efetuado em cerca da altura da placa do tubo de trocador de calor 31. O meio de transferência de calor 7 é passado nos tubos de trocador de calor e entre eles 3 amplamente de forma transversal à orientação dos tubos de trocador de calor 3, isto é, essencialmente horizontalmente, e passado através das placas de desvio correspondentes 25. O meio de transferência de calor 7 que foi resfriado em temperatura é descarregado do trocador de calor 1 novamente por meio de uma saída 15 provida no alojamento do trocador de calor 5. Em particular, a saída 15 é localizada logo abaixo da tampa do trocador de calor 9. Conforme pode ser diferenciado a partir da figura 1, uma porta de alívio de emergência 17 é igualmente localizada na região superior do alojamento do trocador de calor 5, logo abaixo da tampa do trocador de calor 9. A porta de alívio de emergência 17 normalmente tem um diâmetro entre 100 mm e 800 mm. O dispositivo de segurança 19 é disposto oposto à porta de alívio de emergência, na região inferior do alojamento do trocador de calor 5, em particular no terço inferior, preferivelmente no quarto inferior, em particular no quinto inferior. O dispositivo de segurança 19 é, em particular, um meio de despressurização de emergência formado de um tipo de revestimento de elevação.
[0050] Figura 2 apresenta um conjunto de reatores 101 compreendendo um reator 27 que é preferivelmente um reator concha-e-tubo para realizar reações exotérmicas ou endotérmicas. Em um reator concha-e- tubo como este, um feixe de tubos de reação verticalmente orientados é disposto entre duas placas do tubo. Os tubos de reação podem compreender um pacote de um leito do material catalisador (catalisador de leito fixo). O meio de transferência de calor líquido 7 que absorve e dissipa o calor gerado na reação exotérmica ou abastece o calor requerido na reação endotérmica é passado em torno dos tubos de reação. As condições de reação constantes são providas, em uma temperatura predeterminada, pelo meio de transferência de calor 7 sendo circulado para propósitos de controle da temperatura usando uma bomba.
[0051] O meio de transferência de calor 7 preferivelmente entra no reator 27 em proximidade com a placa de tubo da base e sai do reator em proximidade com a placa do tubo superior.
[0052] O meio de transferência de calor 7 flui através do reator 27 e pelo menos algum do dito meio de transferência de calor é circulado por pelo menos uma bomba 29. A bomba 29 e as linhas de entrada e saída correspondentes da bomba 29 são vantajosamente aquecidas por traço de maneira tal que nenhum resfriamento indesejado e diminuição do atendente na viscosidade do meio de transferência de calor 7 aconteça. A bomba 29 é idealmente anexada diretamente ao alojamento do reator. Na modalidade apresentada, o trocador de calor 1 de acordo com a invenção é disposto essencialmente oposto à bomba 29. O dito trocador de calor é vantajosamente disposto a uma distância relativamente curta, isto é, a uma distância de 10 cm a 250 cm, do reator 27. A porta de alívio de emergência 17 leva para fora da região superior do trocador de calor 1, conforme mostrado na figura 1. O dispositivo de segurança 19, que é essencial à presente invenção, é disposto oposto à porta de alívio de emergência, na região inferior do trocador de calor 1.
[0053] No evento de uma ruptura do tubo, onde há uma entrada do meio de resfriamento, principalmente água e vapor de água, dos tubos de trocador de calor 3 no meio de transferência de calor 7, a água que entra é muito rapidamente vaporizada e uma pressão inesperadamente alta, desta forma, aumenta no trocador de calor 1. A presença do dispositivo de segurança 19 permite que a pressão aumente na região inferior do trocador de calor 1 seja liberada relativamente de forma direta por meio do dispositivo de segurança 19. Isto é efetuado pela coluna do meio de transferência de calor líquido 7 no dispositivo de segurança 19 sendo empurrado para cima. Na extremidade superior desta coluna do meio de transferência de calor, geralmente há uma região onde a viscosidade do meio de transferência de calor é relativamente alta, até porções quase sólidas, altamente viscosas. Estas porções, isto é, um tipo de tampão, são inicialmente contidas no separador 23, em particular em um separador intermediário e são, desta forma, removidas do sistema adicional. A mistura subsequente do meio de transferência de calor 7 e água e também vapor de água é passada através de uma tubulação 33 em um meio de contenção a jusante 21. Tanto o dispositivo de segurança 19 quanto a tubulação 33 e o meio de contenção 21 são aquecidos por traço de maneira a evitar um aumento na viscosidade do meio de transferência de calor 7 ou solidificação.
[0054] O meio de transferência de calor líquido 7 pode ser removido, no meio de contenção 21, da mistura vapor água/água. Isto pode ser efetuado, em particular, usando um dispositivo para remover o meio de transferência de calor líquido 7 de uma fase gasosa. A remoção pode ser efetuada por meio de um separador de ciclone ou simplesmente por meio de separação gravitacional. O meio de transferência de calor 7 então pode ser abastecido de volta no trocador de calor 1 ou no reator 27 por meio de uma linha não mostrada na figura 2.
Claims (16)
1. Trocador de calor (1), caracterizadopelo fato de que compreende - um feixe de pelo menos dois tubos de trocador de calor (3), em que o feixe de tubos de trocador de calor (3) foi verticalmente orientado e é finalizado na base por uma placa do tubo de trocador de calor (31), - um alojamento do trocador de calor (5) que circunda o feixe de tubos de trocador de calor (3), em que um meio de transferência de calor líquido (7) é passado em torno do feixe de tubos de trocador de calor (3) no alojamento do trocador de calor (5), - uma tampa do trocador de calor (9) que veda o topo do alojamento do trocador de calor (5), - uma base do trocador de calor (11) que veda a base do alojamento do trocador de calor (5), - um ponto de alimentação (13) para o meio de transferência de calor (7), em que o dito ponto de alimentação é provido no alojamento do trocador de calor (5) e leva ao trocador de calor (1), - uma saída (15) para o meio de transferência de calor (7), em que a dita saída é provida no alojamento do trocador de calor (5) e leva para fora do trocador de calor (1), - uma porta de alívio de emergência (17) disposta na proximidade da tampa do trocador de calor (9), em que - trocador de calor (1) compreende um dispositivo de segurança (19) disposto na proximidade da base do trocador de calor (11) em que o dispositivo de segurança (19) é essencialmente uma tubulação que leva para fora do alojamento do trocador de calor (5) em proximidade com a base do trocador de calor (11) e essencialmente que leva verticalmente para cima, de maneira tal que o meio de despressurização de emergência atinja pelo menos mais que o nível líquido do meio de transferência de calor líquido (7) no alojamento do trocador de calor (5).
2. Trocador de calor (1) de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o segundo dispositivo de segurança (19) é um meio de despressurização de emergência.
3. Trocador de calor (1) de acordo com a reivindicação 1 ou 2, caracterizado pelo fato de que a razão da área da seção transversal livre do dispositivo de segurança (19) para a área da seção transversal livre de um tubo do trocador de calor (3) é entre 15 e 1.600.
4. Trocador de calor (1) de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 3, caracterizado pelo fato de que o trocador de calor (1) compreende um meio de contenção (21) para o meio de transferência de calor (7), em que o dito meio de contenção é conectado a jusante do dispositivo de segurança (19) e/ou da porta de alívio de emergência (17).
5. Trocador de calor (1) de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 4, caracterizado pelo fato de que o trocador de calor (1) compreende um dispositivo para remover o meio de transferência de calor líquido (7) de uma fase gasosa.
6. Trocador de calor (1) de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 5, caracterizado pelo fato de que entre o dispositivo de segurança (19) e o meio de contenção (21), o trocador de calor (1) compreende um separador (23) para uma porção do meio de transferência de calor líquido (7).
7. Trocador de calor (1) de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 6, caracterizado pelo fato de que o trocador de calor (1) compreende componentes internos (25) para desviar o meio de transferência de calor líquido (7) e os componentes internos (25) são posicionados nos tubos de trocador de calor individuais e entre eles (3) e/ou nos tubos de trocador de calor individuais e entre eles (3) e o alojamento do trocador de calor (5).
8. Trocador de calor (1) de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 7, caracterizado pelo fato de que o trocador de calor (1) é um trocador de calor de banho de sal e/ou o meio de transferência de calor líquido (7) é um fundido de sal.
9. Conjunto de reatores (101), caracterizado pelo fato de que compreende - um reator (27) - um trocador de calor (1) como definido em qualquer uma das reivindicações 1 a 8 conectado ao reator (27), - uma bomba (29) para circular pelo menos algum do meio de transferência de calor líquido (7), em que a dita bomba é conectada ao reator (27) e/ou ao trocador de calor (1).
10. Conjunto de reatores (101) de acordo com a reivindicação 9, caracterizado pelo fato de que o reator (27) é um reator concha-e-tubo para realizar reações exotérmicas ou endotérmicas.
11. Método para controlar a temperatura de um reator (27), caracterizado pelo fato de que compreende as etapas de a) introduzir, por meio de um ponto de alimentação, no trocador de calor (1) como definido em qualquer uma das reivindicações 1 a 8 pelo menos algum de um meio de transferência de calor líquido (7) descarregado do reator (27) a uma primeira temperatura T1, b) passar o meio de transferência de calor líquido (7) em torno dos tubos de trocador de calor (3) do trocador de calor (1) para trocar calor entre o meio de transferência de calor (7) e os tubos de trocador de calor (3), c) drenar o meio de transferência de calor líquido (7) do trocador de calor (1) a uma segunda temperatura T2 e fornecer o meio de transferência de calor líquido (7) ao reator (27), em que, no evento de um aumento da pressão no trocador de calor (1), a sobrepressão que surge é reduzida por meio de pelo menos um dispositivo de segurança (19), em que o dispositivo de segurança (19) é essencialmente uma tubulação que leva para fora do alojamento do trocador de calor (5) em proximidade com a base do trocador de calor (11) e essencialmente que leva verticalmente para cima, de maneira tal que o meio de despressurização de emergência atinja pelo menos mais que o nível líquido do meio de transferência de calor líquido (7) no alojamento do trocador de calor (5).
12. Método de acordo com a reivindicação 11, caracterizado pelo fato de que, na etapa b), o meio de transferência de calor (7) serpenteia entre os tubos de trocador de calor (3).
13. Método de acordo com a reivindicação 11 ou 12, caracterizado pelo fato de que o reator (27) é um reator concha-e-tubo para realizar reações exotérmicas ou endotérmicas.
14. Método de acordo com qualquer uma das reivindicações 11 a 13, caracterizado pelo fato de que a reação realizada no reator (27) é uma oxidação de fase de gás parcial.
15. Método de acordo com a reivindicação 14, caracterizado pelo fato de que a oxidação de fase de gás parcial compreende a oxidação de propeno a acroleína, isobuteno a metacroleína, acroleína a ácido acrílico, metacroleína a ácido metacrílico e o-xileno a anidrido ftálico.
16. Uso de um trocador de calor (1) como definido em qualquer uma das reivindicações 1 a 8, caracterizado pelo fato de que é para resfriar um reator (27) para realizar reações exotérmicas, em que o reator (27) é um reator concha-e-tubo e o meio de transferência de calor líquido (7) é um fundido de sal.
Applications Claiming Priority (5)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
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