BR112018074031B1 - Dispositivo permutador de calor de rede - Google Patents

Abstract

DISPOSITIVO PERMUTADOR DE CALOR DE REDE, MÉTODO E USOS DO MESMO. Um reator químico/misturador, em particular para produzir hidratos compreendendo uma placa misturadora de rede e placas permutadoras de calor em que a placa misturadora de rede compreende uma matriz de câmaras que estão ligadas por canais onde o escoamento de um ou mais fluidos é misturado e dividido sequencialmente. A placa misturadora de rede é confinada pela placa permutadora de calor que tem uma câmara interna onde é introduzido um fluido permutador de calor. As referidas placas de rede e placas permutadoras de calor são concebidas para terem a opção de serem montadas como módulos de unidades de processamento maiores.

Description

CAMPO DE APLICAÇÃO

[001] O presente pedido de patente refere-se a um reator químico/misturador para a transferência de calor em contínuo entre fluidos que escoam em uma placa misturadora de rede meso ou microestruturada, daqui em diante designada como placa misturadora de rede, e placas permutadoras de calor adjacentes à referida placa de rede.

[002] O presente modelo permite montar conjuntos das referidas placas em módulos tendo um número qualquer de placas instaladas e de placas em operação, o que permite taxas de produção flexíveis e dinâmicas. A placa de rede é um dispositivo com aplicação na mistura de dois ou mais fluidos ou no contato de fluidos com um catalisador e geralmente é usado para processos químicos. A reação química, a mistura de fluidos e a mudança de fase dos materiais sempre envolvem a libertação ou absorção de calor e o controle da temperatura é muitas vezes primordial. O controle de temperatura no interior da referida placa de rede é feito a partir da transferência de calor para placas permutadoras de calor adjacentes utilizando um meio quente no interior da referida placa, por exemplo vapor de água, ou um meio frio, por exemplo um meio refrigerador. Este dispositivo e método de transferência de calor são de aplicação, por exemplo, no processamento de gás em líquido ou sólido, ou em reações químicas catalíticas. O campo preferido de aplicação para este modelo é o dos aparelhos químicos.

ESTADO DA TÉCNICA

[003] Os misturadores estáticos têm sido utilizados em aplicações industriais para realizar operações contínuas e tornaram-se equipamentos padrão desde a década de 1970, como alternativa aos misturadores mecânicos, para misturar fluidos miscíveis ou imiscíveis, homogeneização de partículas sólidas e para melhoramento de transferência de calor e massa. Este tipo de misturadores é aplicado em uma ampla gama de diferentes processos industriais nas indústrias farmacêutica, petroquímica, alimentar, cosmética, biotecnológica, água/águas residuais, papel e polímeros. A eficácia dos misturadores estáticos em fornecer uma boa mistura de fluidos miscíveis ou para aumentar as taxas de transferência de calor e massa vem da sua capacidade de induzir a mistura transversal e de aproximar elementos fluidos. Uma das características mais interessantes destes misturadores é que os produtos são misturados apenas pela energia do escoamento, portanto, eles não requerem energia externa, exceto a energia necessária para bombear os fluidos através do misturador; além disso, os misturadores estáticos geralmente requerem pouco espaço, baixo custo de equipamento e não possuem peças móveis. No entanto, o uso de misturadores estáticos geralmente origina um aumento da queda de pressão global no sistema, bem como maior potencial de entupimento, são relativamente mais difíceis de limpar e a um custo mais elevado.

[004] Em muitos processos/reações químicas, é um requisito essencial um controle eficaz e preciso das temperaturas de operação do fluido. Isto é particularmente crítico para reações altamente exotérmicas ou endotérmicas, onde as taxas de transferência de calor se tornam cruciais. A maioria dos dispositivos de permuta de calor é concebida de modo a operar no regime de turbulência, uma vez que é comummente considerado que o regime laminar não é eficiente do ponto de vista da transferência de calor. Alguns autores propuseram a advecção caótica como um meio para aumentar a transferência de calor em escoamentos laminares, como ocorre nos misturadores estáticos. O aumento da transferência de calor na direção normal ao escoamento é devido ao aparecimento de escoamento secundário, que melhora a mistura na direção normal acoplada à divisão de fluxo, promovida pela geometria do misturador estático. Isso resulta na quase eliminação de camadas limite que formam a resistência dominante à transferência de calor nos tubos.

[005] O aumento de transferência de calor causado pelo uso de misturadores estáticos não é um tópico novo, e vários autores já descreveram os benefícios do uso de diferentes tipos de misturadores estáticos, relatando o coeficiente de transferência de calor adimensional, o número de Nusselt, na forma de correlações úteis para a conceção de equipamentos de permuta de calor. Alguns autores mostraram que os coeficientes de transferência de calor podem ser melhorados 2-3 vezes em misturadores estáticos Kenics operando em regime laminar, enquanto que para misturadores estáticos Sulzer SMX, a taxa de transferência de calor pode ser aumentada por um fator de 5 em comparação com a de um tubo vazio. Uma primeira compilação de correlações para o número de Nusselt obtido experimentalmente em tubos contendo misturadores estáticos comercialmente disponíveis é dada em Thakur RK, Vial C, Nigam KDP, Nauman EB, Djelveh G. Static Mixers in the Process Industries — A Review. Chem. Eng. Res. Des. 2003;81(7):787-826. Os permutadores de calor que incluem elementos de mistura estáticos estão comercialmente disponíveis e são usados atualmente na indústria.

[006] Esses fatos são divulgados para ilustrar o problema técnico abordado pela presente divulgação.

BREVE DESCRIÇÃO DO MODELO

[007] A presente descrição permite montar conjuntos das referidas placas em módulos tendo um número qualquer de placas instaladas e de placas em operação, o que permite taxas de produção flexíveis e dinâmicas. A placa de rede é um dispositivo com aplicação na mistura de dois ou mais fluidos ou no contato de fluidos com um catalisador e geralmente é usado para processos químicos. A reação química, a mistura de fluidos e a mudança de fase dos materiais sempre envolvem a libertação ou absorção de calor e o controle da temperatura é muitas vezes primordial. O controle de temperatura no interior da referida placa de rede é feito a partir da transferência de calor para placas permutadoras de calor adjacentes utilizando um meio quente no interior da referida placa, por exemplo vapor de água, ou um meio frio, por exemplo um meio refrigerador. Este dispositivo e método de transferência de calor são de aplicação, por exemplo, no processamento de gás em líquido ou sólido, ou em reações químicas catalíticas. O campo preferido de aplicação para o modelo é como aparelhos químicos.

[008] Um aspecto da presente divulgação refere-se a um reator químico para processos exotérmicos ou endotérmicos compreendendo um empilhamento em camadas de uma placa misturadora de rede para realizar a reação e uma placa permutadora de calor, em que a placa misturadora de rede compreende uma matriz de câmaras, cada câmara sendo interligada por pelo menos dois canais a pelo menos duas outras câmaras, para misturar e dividir um ou mais fluidos de reação sequencialmente através das referidas câmaras, em que a placa permutadora de calor compreende um canal para o escoamento de um termofluído, em que o canal da placa permutadora de calor e as câmaras da placa misturadora de rede estão alinhadas para transferir calor entre as referidas câmaras e o referido canal, em que cada câmara da placa misturadora de rede é uma câmara esférica ou cilíndrica, compreendendo dois ou três canais e duas ou três aberturas para ligação aos referidos canais.

[009] O reator químico para processos exotérmicos ou endotérmicos da presente divulgação mantém as grandes áreas de superfície específicas de microrreatores e, adicionalmente, aumenta simultaneamente as capacidades específicas de transferência de calor, principalmente nos dispositivos mesoestruturados.

[010] Em uma forma de realização para melhores resultados, a profundidade das câmaras e canais do misturador de rede podem estar entre 0,25 mm e 10 mm.

[011] Em uma forma de realização para melhores resultados, os diâmetros das câmaras do misturador de rede podem estar entre 1 mm e 50 mm e a largura ou diâmetros dos canais estão entre 0,25 mm e 10 mm.

[012] Em uma forma de realização para melhores resultados, o número de Reynolds nos canais do misturador de rede (Re) pode ser maior que 100; preferencialmente entre 125 e 1000. O número de Reynolds (Re) é definido nos canais como Re = (u Φ)/v, onde v é a viscosidade cinemática do fluido, Φ é a largura ou o diâmetro dos canais e u é a velocidade média espacial do escoamento nos canais.

[013] Em uma forma de realização para melhores resultados, o reator/misturador pode compreender duas placas permutadoras de calor em que a placa misturadora de rede é empilhada entre as placas permutadoras de calor.

[014] Em uma forma de realização para melhores resultados, pelo menos dois dos canais interligados a cada câmara da placa misturadora de rede podem ser oblíquos relativamente à direção global do escoamento do fluido dentro da placa misturadora de rede.

[015] Em uma forma de realização para melhores resultados, o canal da placa permutadora de calor pode ser um canal sinuoso.

[016] Em uma forma de realização para melhores resultados, o canal da placa permutadora de calor pode compreender duas ou mais cavidades interligadas.

[017] Em uma forma de realização para melhores resultados, as cavidades podem compreender defletores.

[018] Em uma forma de realização para melhores resultados, a placa permutadora de calor compreende uma ou mais aberturas de passagem para a passagem de fluido para, ou a partir de, ou para e a partir da placa misturadora de rede.

[019] Em uma forma de realização para melhores resultados, o reator/misturador da presente divulgação pode compreender uma pluralidade das referidas placas misturadoras de rede e uma pluralidade das referidas placas permutadoras de calor de tal modo que cada placa misturadora de rede seja colocada contiguamente entre duas placas permutadoras de calor.

[020] Em uma forma de realização para melhores resultados, as placas podem compreender entradas laterais e saídas laterais.

[021] Em uma forma de realização para melhores resultados, as placas podem compreender entradas de topo e saídas de fundo que fazem a ligação com placas contíguas.

[022] Em uma forma de realização para melhores resultados, o reator/misturador pode compreender uma ou mais placas de tampa para proporcionar estanqueidade a fluido aos referidos canais e/ou câmaras.

[023] Em uma forma de realização para melhores resultados, cada câmara da placa misturadora de rede é uma câmara esférica ou cilíndrica, compreendendo dois ou três canais e duas ou três aberturas para ligação aos referidos canais.

[024] A presente divulgação refere-se a um método e ao reator/misturador para transferência de calor em processos em que um fluido ou vários fluidos sofrem uma transformação, tal como reação química ou mudança de fase, que liberta ou absorve calor. Em tais casos, a temperatura dos fluidos é alterada por um processo endotérmico ou exotérmico e, portanto, o calor deve ser fornecido ou removido do processo para controlar os fluidos até uma faixa de temperatura adequada. Os referidos processos ocorrem em placas de rede meso ou microestruturadas que consistem em placas tendo uma matriz de cavidades esculpidas interligadas, em que as referidas cavidades são geralmente de forma cilíndrica ou esférica e são daqui em diante designadas por câmaras de mistura. As referidas câmaras de mistura estão interligadas por canais, que são geralmente de forma prismática ou cilíndrica. Os fluidos escoam através desta rede de câmaras e canais de mistura interligadas. O escoamento de um ou mais canais entra em uma câmara de mistura onde o fluido ou fluidos de diferentes canais são misturados.

[025] O fluido ou fluidos misturados saem a partir da referida câmara de mistura através de um ou mais canais que dividem o fluxo de saída para mais do que uma câmara de mistura a jusante. As câmaras de mistura na primeira fila recebem os fluidos das unidades de alimentação através de um ou vários canais de entrada. As câmaras de mistura na última fila podem ter uma ou várias portas de saída. A figura 2 mostra uma forma de realização possível de uma placa misturadora de rede (ou misturador de rede) em uma forma de realização preferida, a referida placa pode ser o dispositivo misturador estático divulgado nos exemplos e desenhos do documento EP1720643 B.

[026] Em uma forma de realização, as placas misturadoras de rede estão ligadas a pelo menos uma placa permutadora de calor adjacente ou, mais tipicamente, cada placa de rede é empilhada entre duas placas permutadoras de calor. As placas permutadoras de calor têm uma ou mais cavidades internas onde escoa um fluido quente ou frio para transferência de calor com os fluidos na placa de rede. Os fluidos para transferência de calor operam por diferença de temperatura para o interior da placa de rede, e também podem operar por mudança de fase, por exemplo condensação, para fins de aquecimento da placa de rede ou vaporização para refrigeração da referida placa. Estes fluidos que fluem através da placa permutadora de calor para fins de transferência de calor são daqui em diante referidos como termofluidos. As cavidades nas placas permutadoras de calor têm uma porta, ou mais do que uma, para fins de entrada e saída dos referidos termofluidos. As referidas cavidades podem ser ligadas diretamente às portas de entrada e saída ou ser interligadas a cavidades adjacentes na placa. Cada cavidade pode ser uma estrutura paralela oca com ou sem defletores. As placas permutadoras de calor podem ter ranhuras de ligação visando a passagem de tubos ou atuando como canais que ligam as correntes de alimentação às portas de entrada e às portas de saída da placa de rede. As referidas ranhuras de ligação são isoladas das cavidades onde o termofluido flui. Além disso, as referidas ranhuras de ligação podem ser concebidas para distribuir fluido a mais do que uma câmara de entrada ou para recolher fluido a partir de várias portas de saída das câmaras de descarga da placa de rede.

[027] Em uma forma de realização, cada conjunto de uma placa de rede e de uma ou duas placas permutadoras de calor são empilhadas de modo a que as cavidades nas placas permutadoras de calor sejam alinhadas para transferir calor com as câmaras e canais na placa de rede. Esta disposição específica é daqui em diante designada como a unidade básica. Dependendo da disposição das placas permutadoras de calor, uma ou mais tampas podem ser necessárias para a unidade básica. Esta invenção tem uma estrutura modular que permite o empilhamento de múltiplas unidades básicas. Empilhar as unidades requer que tubos de ligação tenham uma disposição diferente à da Figura 1, onde os referidos tubos estão a entrar através da parte superior das tampas de permuta de calor, enquanto nas unidades empilhadas esses tubos devem entrar lateralmente, exceto quando os referidos tubos ligam permutadores de calor de diferentes unidades básicas ou são para as unidades básicas na parte superior ou inferior do empilhamento das placas. As referidas unidades básicas operam simultaneamente, o número de unidades básicas operacionais é usado para ajustar a taxa de produção, permitindo taxas de produção flexíveis que podem ser definidas dinamicamente.

BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS

[028] Para uma compreensão mais fácil do modelo, são adicionadas algumas figuras, que representam formas de realização preferidas do modelo, embora não se pretenda limitar o objeto do presente pedido.

[029] Figura 1: Disposição da unidade básica do dispositivo permutador de calor [1] com uma montagem de uma placa de rede [2] empilhada com duas placas permutadoras de calor, uma na parte superior [3] e outra na parte inferior [4] e respetivas tampas das referidas placas permutadoras de calor [5 e 6]. Esta forma de realização particular tem duas entradas para introduzir fluidos na placa de rede, o canal de entrada [7] alimenta fluido em duas câmaras de mistura enquanto a câmara de entrada [8] alimenta fluido em duas outras câmaras de mistura. A saída [9] da placa de rede é o tubo na parte inferior do dispositivo. O termofluido entra na placa permutadora de calor superior a partir da porta [10] e sai pela porta [11].

[030] Figura 2: Placa misturadora de rede [2] com câmaras de mistura cilíndricas [22] e canais prismáticos [23] que ligam as referidas câmaras de mistura [22] e identificação de possíveis locais para entrada de fluidos [24] na primeira fila de câmaras de mistura. A placa de rede [2] no desenho é uma matriz de cinco linhas de câmaras de mistura e quatro câmaras de mistura [22] na primeira linha.

[031] Figura 3: Câmara de mistura cilíndrica com diâmetro D [22] tendo duas câmaras prismáticas de entrada com comprimento l e largura d [23-1] e dois canais prismáticos de saída com as mesmas dimensões [23-2]. A referida câmara de mistura [22] e canais prismáticos [23-1 e 23-2] têm uma profundidade ω.

[032] Figura 4: Placa permutadora de calor [3] com uma possível forma de realização da cavidade [41] para a circulação do fluido de transferência de calor e identificação da entrada [42] e saída [43] da câmara e possível configuração para passagens hidráulicas, ranhuras de ligação [44], de tubos de entrada e saída para a placa de rede. Esta placa possui defletores [45] na cavidade para circulação de termofluido [2].

[033] Figura 5: Área de superfície específica para tanques agitados encamisados [51], tanques agitados com serpentinas [52], reatores tubulares encamisados [53], tanques agitados com permutadores de calor externos [54], microrreatores [55] e o reator da presente divulgação [56].

[034] Figura 6: Capacidade de transferência de calor específica para tanques agitados encamisados [51], tanques agitados com serpentinas [52], reatores tubulares encamisados [53], tanques agitados com permutadores de calor externos [54], microrreatores [55] e o reator da presente divulgação [56].

[035] Figura 7: Capacidade de transferência de calor específica para equipamento típico de permutadores de calor, em particular capacidade de transferência de calor para tanques agitados encamisados [51], tanques agitados com serpentinas [52], reatores tubulares encamisados [53], tanques agitados com permutadores de calor externos [54], microrreatores [55] e o reator da presente divulgação [56].

DESCRIÇÃO DETALHADA DO MODELO

[036] A presente divulgação refere-se a um dispositivo modular que consiste em placas de rede e placas permutadoras de calor. As placas de rede consistem de uma matriz de câmaras que são ligadas por canais onde o escoamento de um ou mais fluidos é misturado e dividido sequencialmente. As placas de rede são confinadas por placas permutadoras de calor que possuem uma câmara interna onde uma fonte fria ou quente é introduzida. As referidas placas de rede e placas permutadoras de calor são concebidas para terem a opção de serem montadas como módulos de unidades de processamento maiores.

[037] Em uma forma de realização, as placas de rede podem ser o misturador estático descrito no documento EP 1 720 643 B, nomeadamente nos desenhos e exemplos.

[038] Em uma forma de realização, uma unidade básica, onde dois fluidos são introduzidos na placa de rede: um gás e um líquido. A placa de rede tem cinco linhas de câmaras de mistura cilíndricas e nas linhas ímpares o número de câmaras é quatro e nas linhas pares o número de câmaras é três. As referidas câmaras de mistura estão ligadas por canais prismáticos. O gás é introduzido nas câmaras de mistura com numeração par da primeira linha, enquanto o líquido é introduzido nas câmaras de mistura com numeração ímpar da primeira linha. O gás é absorvido pelo líquido libertando calor que é removido por uma utilidade, como água fria, que escoa dentro de duas placas permutadoras de calor adjacentes à placa de rede. O líquido é introduzido nas câmaras de mistura a partir de uma ranhura de ligação na placa permutadora de calor superior que está ligada às portas de entrada das câmaras de mistura por tubos cilíndricos. O gás é introduzido nas câmaras de mistura a partir de uma ranhura de ligação na placa permutadora de calor inferior que está ligada às portas de entrada das câmaras de mistura por tubos cilíndricos. A mistura líquida saturada com gás é descarregada a partir da última fila de câmaras de mistura para uma única ranhura de ligação na placa permutadora de calor, onde as referidas câmaras estão ligadas por tubos cilíndricos que saem das suas portas de saída.

[039] Outra forma de realização refere-se a uma instalação de produção em grande escala para o tratamento de um efluente gasoso ácido com solução aquosa alcalina, onde as taxas de fluxo mudam durante o dia. A unidade básica é uma placa de rede empilhada entre duas placas permutadoras de calor com as características descritas no exemplo de aplicação anterior, em que para o presente exemplo o líquido é a solução aquosa alcalina e o gás é o efluente gasoso. A placa de rede tem cinco linhas de câmaras de mistura cilíndricas e nas linhas ímpares o número de câmaras de mistura é quatro e nas linhas pares o número de câmaras de mistura é três. As referidas câmaras de mistura estão ligadas por canais prismáticos. O efluente gasoso é introduzido nas câmaras de mistura com numeração par da primeira linha, enquanto a solução aquosa alcalina é introduzida nas câmaras de mistura com numeração ímpar da primeira linha. O gás ácido é absorvido no líquido libertando calor que é removido por um termofluido, água fria, que escoa dentro das duas placas permutadoras de calor, uma acima e a outra por baixo da placa de rede. A solução aquosa alcalina é introduzida nas câmaras de mistura a partir de uma ranhura de ligação na placa permutadora de calor inferior que está ligada às portas de entrada das câmaras de mistura por tubos cilíndricos perfurados nas placas.

[040] O gás é introduzido nas câmaras de mistura a partir de uma ranhura de ligação na placa permutadora de calor inferior que está ligada às portas de entrada das câmaras de mistura por tubos cilíndricos perfurados nas placas. Um líquido saturado com o gás neutralizado é formado na placa de rede e é descarregado a partir da última fila de câmaras de mistura para uma única ranhura de ligação na placa permutadora de calor onde as referidas câmaras estão ligadas por tubos cilíndricos que saem das suas portas de saída. Um conjunto de cem unidades básicas empilhadas umas sobre as outras com um distribuidor de gás e de solução aquosa alcalina sobre as unidades básicas empilhadas. O tubo para distribuição de líquido tem válvulas na ligação às unidades básicas, e as referidas válvulas permitem alterar dinamicamente o número de unidades básicas em operação e deste modo ajustar o dispositivo à taxa de produção. Um esquema de coletor semelhante é utilizado para a circulação de água fria através das placas permutadoras de calor.

[041] Outra forma de realização refere-se a uma reação endotérmica catalítica que ocorre na fase líquida. A unidade básica é uma placa de rede empilhada entre duas placas permutadoras de calor. A placa de rede tem cinco linhas de câmaras de mistura cilíndricas e nas linhas ímpares o número de câmaras de mistura é seis e nas linhas pares o número de câmaras de mistura é cinco. As referidas câmaras de mistura estão ligadas por canais prismáticos. O líquido é introduzido na primeira linha de câmaras de mistura. Nas duas primeiras linhas de câmaras, o líquido flui na rede para atingir a temperatura necessária para a reação ocorrer. Nas linhas de três a cinco as paredes da câmara de mistura são revestidas com um catalisador que vai iniciar a reação química.

[042] O calor para a reação endotérmica é fornecido pela utilidade quente vapor de água que escoa dentro das duas placas permutadoras de calor uma acima e a outra por baixo da placa de rede. O líquido é introduzido nas câmaras de mistura a partir de uma ranhura de ligação na placa permutadora de calor inferior que está ligada às portas de entrada das câmaras de mistura por tubos cilíndricos perfurados nas placas. O líquido de saída é descarregado a partir da última fila de câmaras de mistura para uma única ranhura de ligação na placa permutadora de calor, onde as referidas câmaras estão ligadas por tubos cilíndricos que saem das suas portas de saída. As placas permutadoras de calor superior e inferior têm duas cavidades, a primeira cavidade está no local próximo das duas primeiras filas de câmaras de mistura e serve para definir a temperatura inicial do reagente. A segunda cavidade está no local próximo da terceira à quinta filas de câmaras de mistura e fornece calor para que a reação endotérmica ocorra. A utilidade quente vapor de água é utilizada nas diferentes cavidades pode ter temperaturas iguais ou diferentes.

[043] Na presente divulgação, os fluidos que escoam nas câmaras de mistura estão sempre a pequenas distâncias do termofluido nas placas de rede, o que diminui as resistências de condução sólidas à transferência de calor. Além disso, coeficientes globais de transferência de calor maiores que 1000 W.m-2.K-1 (valor de referência para o estado da técnica), podem ser alcançados no menor espaço necessário para as cavidades da placa de rede, minimizando o tamanho da unidade básica.

[044] Em uma forma de realização, por exemplo, em dispositivos de metal, as técnicas de fabricação geralmente limitam a faixa possível de valores da profundidade das câmaras de mistura, w. Normalmente, essa profundidade está na faixa de 0,25 mm a vários milímetros, particularmente 0,25 mm a 2,5 mm, onde w > 1 mm são dispositivos mesoestruturados e os dispositivos microestruturados são para w < 1 mm. A utilização das referidas pequenas profundidades da câmara de mistura aumenta a área de superfície específica disponível para a transferência de calor. A área específica para transferência de calor para uma placa de rede com canais prismáticos e câmaras de mistura cilíndricas, como na forma de realização da Figura 3, é profundidade das câmaras e canais de mistura, D é o diâmetro da câmara de mistura, d é a largura dos canais prismáticos de entrada e saída e l é o comprimento dos canais prismáticos. A Figura 5 mostra a área de superfície específica deste modelo e outros dispositivos industriais de referência que constituem o estado da técnica para permutadores de calor. As ordens de magnitude de áreas de superfície específicas maiores podem ser obtidas com esta invenção em comparação com o estado da técnica (tanques agitados com camisas ou serpentinas, reatores tubulares) e valores ainda maiores do que os novos microrreatores concorrentes. A área de superfície específica maior e as resistências de condução diminuídas aumentam a capacidade dos fluidos na placa de rede para transferir calor com os termofluidos.

[045] Em uma forma de realização, o efeito global de maximizar os coeficientes de transferência de calor e minimizar o tamanho do equipamento pode ser sintetizado na capacidade de transferência de calor específica, definida como onde h é o coeficiente de transferênciade calor e A/V é a razão área por unidade de volume. A Figura 6 compara a referida capacidade de transferência de calor específica da presente invenção com dispositivos do estado da técnica, onde novamente se demonstra que a capacidade de transferência de calor específica global supera todos os outros dispositivos de permuta de calor.

[046] Em uma forma de realização, a presente divulgação refere-se a um dispositivo modular, onde as unidades básicas são os blocos de construção de grandes conjuntos.

[047] As vantagens da modularidade são a escalabilidade, operação flexível e a construção de instalações industriais. A escalabilidade é a capacidade deste dispositivo de manter os mesmos recursos operacionais, propriedades do produto e eficiências de transferência de calor, independentemente das taxas de produção.

[048] Em uma forma de realização, a escalabilidade é conseguida, mantendo a taxa de produção em cada unidade dentro de um intervalo definido de operação para uma aplicação específica. O aumento da produção é feito pelo aumento do número de unidades básicas.

[049] Em uma forma de realização, a operação flexível refere-se à possibilidade de alterar a produção durante a operação. A eficiência energética e as características dos produtos dos sistemas de fluxo contínuo são afetadas pelo tempo de permanência dos fluidos no interior do sistema. As tecnologias de controle de poluição são casos específicos em que as taxas de fluxo evoluem durante o dia, geralmente dependem do ciclo diário de atividades humanas. Para tais casos, este dispositivo modular pode manter a taxa de fluxo de cada unidade básica, alterando dinamicamente o número de unidades básicas ativas.

[050] Outra vantagem deste modelo é a construção de grandes instalações industriais.

[051] A natureza modular deste dispositivo permite a fácil construção padrão de grandes locais, montando um número qualquer de unidades básicas como blocos empilháveis que são facilmente ligados em um coletor de tubos. Este princípio de construção baseado em blocos permite a instalação fácil e rápida de grandes instalações industriais.

[052] Em uma forma de realização, o desempenho de transferência de calor do reator químico da presente divulgação foi avaliado e quantificado. A forma de realização é baseada na simulação de CFD de um modelo numérico previamente desenvolvido para o reator estático 3D, Costa MF, Fonte CM, Dias MM, Lopes JCB. Heat Transfer Performance of NETmix - A Novel Micro-Meso Structured Mixer and Reactor. AIChE J. 2017.

[053] O número de Nusselt médio de células unitárias no reator foi determinado para diferentes números de Reynolds, e para duas condições de fronteira diferentes: temperatura de parede constante e taxa de transferência de calor na parede constante.

[054] Em ambos os casos, observou-se que o número de Nusselt aumenta com o aumento do número de Reynolds. Observa-se que a existência de pontos quentes é reduzida quando os padrões de escoamento apresentam um comportamento oscilatório, e os remanescentes vão sendo renovados ao longo do tempo, levando a uma mistura mais eficiente e à transferência de calor.

[055] Os resultados mostram que, para grandes números de Reynolds, taxas de transferência de calor 3-5 vezes maiores podem ser alcançadas quando comparadas ao caso do escoamento entre placas paralelas. Os coeficientes máximos de transferência de calor convectivos são alcançados quando o escoamento dentro das câmaras de mistura evolui para um regime laminar com oscilações autossustentáveis. Um resultado importante obtido a partir destas simulações é que, acima de um número de Reynolds crítico, a camada limite térmica é renovada ao longo da rede de câmaras, aumentando a capacidade de transferência de calor global do reator químico da presente divulgação.

[056] O reator químico da presente divulgação é um dispositivo de mistura particularmente adequado para lidar com reações nas quais é necessária uma rápida transferência de massa interfacial, tais como reações heterogéneas catalíticas e gás- líquido.

[057] Em uma forma de realização, a capacidade de transferência de calor específica do reator químico da presente divulgação foi comparada com outras tecnologias comercialmente disponíveis. Observa-se que o reator químico da presente divulgação apresenta capacidade de transferência de calor específica superior em 2-5 ordens de magnitude do que a maioria das tecnologias utilizadas industrialmente, tais como tanques agitados com camisas ou reatores tubulares, e capacidade de transferência de calor específica superior em quase uma ordem de magnitude aos microrreatores. No reator químico da presente divulgação, o desempenho é devido à sua muito grande razão de superfície para o volume, juntamente com o aumento do coeficiente de transferência de calor apresentado a partir das simulações de CFD e cálculos do número de Nusselt.

[058] Em uma forma de realização, o reator químico/misturador da presente divulgação é uma tecnologia eficiente para remover/fornecer calor de/para um fluido, tornando-o adequado para reações rápidas onde a transferência de calor é a etapa cineticamente limitante, e para reações altamente exo-/endotérmicas, aumentando a capacidade de produção global do processo.

[059] A divulgação não deve ser vista de forma alguma restrita às formas de realização descritas e um perito com conhecimento comum na técnica irá prever muitas possibilidades para modificações da mesma.

[060] As formas de realização acima descritas são combináveis.

[061] As seguintes reivindicações definem ainda formas de realização particulares da divulgação.

Claims (11)

1. DISPOSITIVO PERMUTADOR DE CALOR DE REDE, compreendendo um empilhamento de uma placa misturadora de rede (2) para realizar a reação e uma placa permutadora de calor, caracterizado pelo fato de que a placa misturadora de rede (2) compreende uma matriz de câmaras (22), estando cada câmara interligada por pelo menos dois canais a pelo menos duas outras câmaras, para misturar e dividir um ou mais fluidos de reação sequencialmente através das referidas câmaras, em que a placa permutadora de calor (3) compreende um canal para o escoamento de um termofluido, em que o canal da placa permutadora (3) de calor e as câmaras da placa misturadora de rede (2) estão alinhados para transferir calor entre as referidas câmaras e o referido canal, em que cada câmara da placa misturadora de rede (2) é uma câmara esférica ou cilíndrica, compreendendo dois ou três canais (23-1)/(23-2) e duas ou três aberturas para ligação aos referidos canais, em que os diâmetros das câmaras estão entre 1 mm e 50 mm e a largura ou diâmetros dos canais estão entre 0,25 mm e 10 mm, em que a profundidade das câmaras (22) e dos canais está entre 0,25 mm e 10 mm.

2. DISPOSITIVO PERMUTADOR DE CALOR DE REDE, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por compreender duas placas permutadoras de calor (3), em que a placa misturadora de rede (2) é empilhada entre as placas permutadoras de calor.

3. DISPOSITIVO PERMUTADOR DE CALOR DE REDE, de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado pelo fato em que pelo menos dois dos canais interligados a cada câmara da placa misturadora de rede (2) são oblíquos relativamente à direção global do escoamento de fluido dentro da placa misturadora de rede.

4. DISPOSITIVO PERMUTADOR DE CALOR DE REDE, de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado pelo fato em que o referido canal da placa permutadora de calor (3) é um canal sinuoso.

5. DISPOSITIVO PERMUTADOR DE CALOR DE REDE, de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado pelo fato em que o referido canal da placa permutadora de calor (3) compreende duas ou mais cavidades interligadas.

6. DISPOSITIVO PERMUTADOR DE CALOR DE REDE, de acordo com a reivindicação 5, caracterizado pelo fato em que as referidas cavidades (41) compreendem defletores.

7. DISPOSITIVO PERMUTADOR DE CALOR DE REDE, de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado pelo fato em que a referida placa permutadora de calor (3) compreende uma ou mais aberturas de passagem para a passagem do fluido para, ou a partir de, ou para e a partir da placa misturadora de rede (2).

8. DISPOSITIVO PERMUTADOR DE CALOR DE REDE, de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado por compreender uma pluralidade das referidas placas misturadoras de rede (2) e uma pluralidade das referidas placas permutadoras de calor (3) de tal modo que cada placa misturadora de rede é colocada contiguamente entre duas placas permutadoras de calor.

9. DISPOSITIVO PERMUTADOR DE CALOR DE REDE, de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado pelo fato em que as referidas placas (2) e (3) compreendem entradas laterais e saídas laterais (7) e (9).

10. DISPOSITIVO PERMUTADOR DE CALOR DE REDE, de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado pelo fato em que as referidas placas (2) e (3) compreendem entradas de topo e saídas de fundo para ligação a placas contíguas.

11. DISPOSITIVO PERMUTADOR DE CALOR DE REDE, de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado por compreender uma ou mais placas de tampa para proporcionar estanqueidade a fluidos aos referidos canais e/ou câmaras.