BR112019014666B1 - Tubo vertical de transferência de calor de filme descendente para evaporação de filme descendente de licor residual, e, método para fabricar um tubo vertical de transferência de calor de filme descendente para evaporação de filme descendente de licor residual - Google Patents
Tubo vertical de transferência de calor de filme descendente para evaporação de filme descendente de licor residual, e, método para fabricar um tubo vertical de transferência de calor de filme descendente para evaporação de filme descendente de licor residual Download PDFInfo
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Abstract
a invenção se refere a um tubo de transferência de calor (9) para evaporação de filme descendente tendo uma superfície de meio de aquecimento (21) a ser aquecida por um meio de aquecimento, uma superfície de filme descendente (20) para ter licor residual passando sobre ela, e sendo feito de um material de aço inoxidável de alta liga à base de ferro com um teor de liga acima de 16,00% para cromo e acima de 1% para níquel. a superfície de filme descendente do tubo de transferência de calor é equipada com pelo menos uma saliência de solda (wr; wr1, wr2), a dita saliência de solda tendo uma altura (h; h2) na faixa de 0,3 a 5,0mm, uma largura (w; w2) na faixa de 0,5 a 15 mm, e um ângulo de inclinação (a; a1, a2) em oposição a um plano ortogonal a um eixo geométrico longitudinal (cc) do tubo de transferência de calor em uma faixa de 0 a 70 graus de forma que cada saliência de solda seja inclinada e se estenda helicoidalmente ao longo de pelo menos uma porção do tubo de transferência de calor ou se estenda dentro de um plano ortogonal ao eixo geométrico longitudinal do tubo de transferência de calor e forme porções de saliência de poço na superfície de filme descendente de maneira tal que a distância ao longo do eixo geométrico longitudinal do tubo de transferência de calor entre porções de saliência de solda adjacentes fique na faixa de 0 a 250 mm. a invenção também se refere a um método para fabricar o dito tubo de transferência de calor.
Description
[001] A invenção se refere a um tubo de transferência de calor para evaporação de filme descendente de licor residual. O tubo de transferência de calor tem uma superfície de meio de aquecimento arranjada para ser aquecida por um meio de aquecimento, e uma superfície de filme descendente oposta à e voltada contra a dita superfície de meio de aquecimento, superfície de filme descendente essa que é arranjada para ter licor residual contendo linhina e outros componentes dissolvidos de material celulósico e/ou inorgânicos do material celulósico e substâncias químicas usados passando sobre ela como um filme descendente enquanto se evapora solvente (principalmente água) do filme descendente e, assim, aumenta o teor de matéria seca bem como a viscosidade. O tubo de transferência de calor é feito de um material de chapa metálica, por exemplo, um material de aço inoxidável de alta liga à base de ferro com um teor de liga acima de 16,00% para Cromo e acima de 1% para Níquel, preferivelmente correspondente a qualidades de aço resistente à corrosão pelo menos como AISI 316 ou AISI 304. A invenção também se refere a um método para fabricar um tubo de transferência de calor como esse como descrito acima.
[002] Na área de tecnologia geral de melhoria de transferência de calor, uma variedade de projetos para superfícies de transferência de calor foi proposta. Entretanto, a melhoria das superfícies de transferência de calor em estágios de evaporação para licor residual em fábricas de celulose tem se mostrado difícil. Esses líquidos de origem biológica frequentemente contêm uma alta concentração de matéria seca na forma de resíduos de fibra, lenhina e sais que causam formação de fuligem e crosta nos ditos estágios de evaporação. O teor de matéria seca pode em um primeiro estágio de evaporação ficar em 20% ou mais e, nos estágios de evaporação finais ainda atingirem 80% ou mais, antes de o licor residual ser queimado na caldeira de recuperação. Consequentemente, para impedir tal formação de fuligem e formação de crosta, tubos de transferência de calor são predominantemente equipados com superfícies lisas no lado de licor residual. Entretanto, mesmo com tais superfícies lisas, é frequentemente visto que precipitações são coletadas nas partes inferiores dos ditos estágios de evaporação, exigindo ações de parada e limpeza intensiva. Em qual posição de evaporação de fluxo essas precipitações ocorrem, isto é, 1o, 2o, 3o, 4o, 5o, 6o ou 7o efeito de evaporação no trem de evaporação, depende da concentração atual do teor de matéria seca diferente, e isso pode mudar de uma fábrica para outra, dependendo do perfilamento químico dos processos usados e tipo e origem de material celulósico. A fim de limpar os tubos de transferência de calor, existe uma necessidade de lavar os tubos de transferência de calor usando métodos de limpeza bem rudes tais como equipamento de limpeza de alta pressão, limpeza a vapor ou limpeza ácida. Qualquer modificação das superfícies tem que ser feita de uma maneira tal que os tubos de transferência de calor possam ser lavados, ao mesmo tempo ainda permitindo uma limpeza funcional dos tubos. Em particular, as modificações de superfície têm que ser feitas de maneira tal que elas não sejam destruídas ou danificadas a nenhum maior valor pela operação de limpeza.
[003] Um primeiro objetivo da invenção é prover um tubo de transferência de calor melhorado para evaporação de filme descendente de licor residual contendo lenhina e outros componentes dissolvidos de material celulósico e/ou inorgânicos do material celulósico e substâncias químicas usados.
[004] Um segundo objetivo da invenção é prover um método para fabricar um tubo de transferência de calor como esse.
[005] Para efeitos desta descrição, a expressão solda de superfície é uma solda que é aplicada em uma superfície, que resulta em uma saliência de solda em formato semicircular ou de meia lua na superfície lisa. Uma solda de topo é uma solda que é aplicada entre duas chapas adjacentes e mude essas chapas em uma chapa comum por meio da dita solda de topo. A solda de topo pode ser aplicada de maneira tal que uma saliência de solda em formato semicircular ou de meia lua fique saliente no cordão de solda. Ambos esses tipos de soldas podem ser aplicados durante uma operação de soldagem de um único passe ou múltiplos passes, isto é, a solda é formada durante um único passe ou após a aplicação de diversas soldas umas por cima das outras.
[006] No que diz respeito a saliências de solda, é geralmente considerado que, se existirem saliências formadas em locais separados na superfície de envelope, separadas na direção longitudinal do tubo de transferência de calor, então essas saliências são consideradas saliências separadas, mesmo se ocorrer que elas sejam formadas exatamente pela mesma solda. Por exemplo, quando uma solda helicoidalmente inclinada cruza uma linha na superfície de envelope paralela ao eixo geométrico longitudinal do tubo de transferência de calor, cada ponto de cruzamento com a solda é considerado uma saliência separada.
[007] Para efeitos desta descrição, a expressão camada fina ou filme descendente (de licor residual) é uma camada de licor residual que preferivelmente tem uma espessura de 1 a 10 mm, que escoa sobre uma superfície aquecida e no lado oposto da camada é exposta a um ambiente gasoso no qual o solvente evaporará. O licor residual pode, por exemplo, ser licor de cozimento residual.
[008] O primeiro objetivo da invenção é alcançado com um tubo de transferência de calor como inicialmente descrito, em que a superfície de filme descendente do tubo de transferência de calor é equipada com uma ou diversas soldas formando uma variedade de saliências de solda. As saliências de solda são espaçadas ao longo do eixo geométrico longitudinal do tubo de transferência de calor de maneira tal que a distância ao longo do eixo geométrico longitudinal do tubo de transferência de calor entre saliências de solda adjacentes fique na faixa de 0 a 250 mm. As saliências de solda têm uma altura, medida ortogonalmente à superfície de filme descendente, na faixa de 0,3 a 5,0, mais preferivelmente 0,5 a 2,0 mm e acima de tudo preferivelmente 0,7 a 1,7 mm. Adicionalmente, as saliências de solda têm uma largura, medida ao longo da superfície de filme descendente ortogonalmente à direção longitudinal das saliências de solda, na faixa de 0,5 a 15 mm, mais preferivelmente 1 a 10 mm e acima de tudo preferivelmente 1,5 a 5 mm, e as ditas saliências de solda tendo um ângulo de inclinação em oposição a um plano ortogonal a um eixo geométrico longitudinal do tubo de transferência de calor em uma faixa de 0 a 70 graus. Consequentemente, as saliências de solda podem ser projetadas de maneira que cada saliência de solda fique inclinada, por exemplo, tendo uma ou mais soldas contínuas que se estendem helicoidalmente ao longo de pelo menos uma porção da superfície de envelope do tubo de transferência de calor de maneira a formar uma variedade de saliências de solda inclinadas ao longo do eixo geométrico longitudinal do tubo de transferência de calor. Similarmente, uma variedade de soldas pode formar um padrão descontínuo ou pontilhado de um formato helicoidal geral também formando uma variedade de saliências de solda inclinadas ao longo da extensão longitudinal do tubo de transferência de calor.
[009] Alternativamente, as soldas poderiam ser feitas como um padrão em formato de anel geral, contínuo ou descontínuo, na superfície de envelope do tubo de transferência de calor e o padrão em formato de anel pode ser inclinado ou se estender dentro de um plano ortogonal ao eixo geométrico longitudinal do tubo de transferência de calor e formando ainda porções de saliência de solda na superfície de filme descendente. É também possível ter uma variedade de soldas curtas, tanto de mesmo comprimento quanto de comprimentos diferentes, formando as saliências de solda. Consequentemente, existe uma variedade de maneiras de se projetarem as saliências de solda de maneira tal que a distância ao longo do eixo geométrico longitudinal do tubo de transferência de calor entre porções de saliência de solda adjacentes seja na faixa de 0 a 250 mm.
[0010] Essas saliências de solda permitem uma perturbação ou turbulência no filme fino de licor de cozimento residual que aumenta a taxa de transferência de calor ao mesmo tempo introduzindo apenas um aumento limitado de tensão no material. Esta solução também assegura que os tubos ainda são acessíveis para lanças de pulverização de vapor ou ácido para limpeza por vapor ou ácido. Também, as saliências de solda exigem volumes relativamente pequenos de material de soldagem.
[0011] A área de aplicação é de máxima importância para aumento da eficiência energética no trem de evaporação de uma fábrica de celulose, já que cerca de 1/3 da demanda de energia total para uma fábrica de celulose moderna é usado na usina de evaporação. A superfície de aquecimento total no trem de evaporação em uma fábrica de celulose moderna, mas média, pode exceder 50.000 m2. Se um trem de evaporação existente em uma fábrica de celulose precisar atender a uma maior capacidade, quando os volumes totais de licor de cozimento residual a ser evaporado aumenta à medida que a produção total de polpa aumenta, esta maior capacidade de evaporação pode ser atendida por modificações de superfície das superfícies de transferência de calor em uma estrutura já existente. Se instalada em uma nova usina de evaporação, a superfície de aquecimento instalada total pode ser reduzida, permitindo importantes reduções de custo.
[0012] Os tubos de transferência de calor nessas aplicações são tipicamente feitos de um material de aço inoxidável de alta liga à base de ferro com um teor de liga acima de 16,00% para Cromo e acima de 1% para Níquel, preferivelmente correspondente a qualidades de aço resistente à corrosão como AISI 316 ou AISI 304 ou superior ou Duplex. As ditas qualidades de aço são necessárias para suportar a alta concentração de álcali em combinação com alta concentração de sulfidez que pode causar Trinca por Corrosão sob Tensão (SSC). AISI 316 tem uma composição de liga de Cr:16,00 a 18,00%, Ni:10,00 a 12,00%; Mo 2,00 a 2,50%; AISI 304 tem uma composição de liga de Cr:17,50 a 18,50%, Ni 8,00 a 10,00%; Lean Duplex/ASTM S32101 tem uma composição de liga de Cr:21,00 a 24,00%, Ni:1,00 a 5,50%; Mo0,10 a 0,60%; e Lean Duplex/ASTM S32304 tem uma composição de liga de Cr:21,00 a 25,00%, Ni:3,00 a 6,00%; Mo:0,1 a 0,6%. Nessas aplicações, deformação plástica excessiva deve ser mantida em um mínimo e em geral não é adequado fazer tais modificações nos tubos, já que tais deformações podem levar a altas forças de tensão no material, que pode ser difícil de liberar por tratamento térmico já que os tubos muito frequentemente são maiores que os fornos de aquecimento disponíveis.
[0013] As dimensões supradescritas das saliências de solda (altura e largura) preferivelmente se aplicam a evaporadores de tubo onde o diâmetro do tubo é na faixa de 20 a 100 mm, ainda mais preferivelmente 40 a 60 mm, permitindo fácil aplicação das ditas saliências de solda que formam a solda também sobre ou em tubos finalmente formados mas também em chapas de aço plano que posteriormente são formados e soldados em tubos (por exemplo, por soldagem de topo por meio de uma solda disposta axialmente ou soldagem de topo por meio de uma solda disposta espiralmente).
[0014] A eficiência energética pode ser aumentada em até 100% com essas dimensões e orientações da(s) saliência(s) de fio, ainda assim atendendo a exigência de possibilidade de limpeza se ocorrer precipitação nas superfícies de transferência de calor durante evaporação da camada fina de passagem de licor de cozimento residual.
[0015] Em uma modalidade preferida da invenção, a distância ao longo do eixo geométrico longitudinal do tubo de transferência de calor entre porções de saliência de solda adjacentes, isto é, entre uma borda superior de uma porção de saliência de solda inferior e uma borda inferior de uma porção de saliência de solda superior, é na faixa de 2 a 50 mm, e mesmo mais preferivelmente 5 a 20 mm. Em geral, a turbulência induzida pelas saliências de solda terá um efeito no filme descendente por uma distância de cerca de 10 mm de onde a turbulência é induzida até que o fluxo turbulento seja essencialmente laminar novamente. A distância específica é dependente de uma grande quantidade de parâmetros tais como o formato e altura da saliência de solda, viscosidade do filme líquido bem como da velocidade no fluxo pelo que diferentes distâncias entre as saliências de solda podem ser desejadas dependendo dessas condições. Em seu arranjo mais compactado, as saliências de solda garantirão uma formação completa de turbulência no filme fino que nunca se estabelece em um fluxo laminar. Em seu arranjo mais distante, cada porção de saliência de solda limita o comprimento do fluxo laminar que se forma abaixo de uma saliência de solda anterior.
[0016] Em uma modalidade preferida da invenção, a altura da dita saliência de solda é na faixa de 0,5 a 2,0 mm. Manter a altura nesta faixa limita a exposição dos tubos a tensão térmica pela operação de soldagem e mantém os custos baixos para material de soldagem adicional.
[0017] A altura da saliência de solda pode ser maior em tubos alimentados com licor de cozimento residual com maior teor de matéria seca do que em tubos para licor residual com baixo teor de matéria seca. Por exemplo, em um primeiro efeito de evaporação onde o licor residual alimentado no efeito é 20% a altura da saliência de solda pode ser cerca de 0,5 mm já que isto pode ser suficiente para causar turbulência nas condições de baixa viscosidade relativa, enquanto um efeito de evaporação posterior alimentado com licor residual com teor de matéria seca em 50% pode ter uma altura da saliência de solda de cerca de 2,0 mm já que isto pode ser exigido para causar turbulência a condições de maior viscosidade.
[0018] Em uma modalidade preferida da invenção, a largura da dita saliência de solda é na faixa de 0,5 a 15 mm, preferivelmente 1 a 10 mm e mesmo mais preferivelmente 1,5 a 5 mm. Manter a largura nesta faixa tem a vantagem de induzir turbulência no filme líquido pela perturbação do fluxo do filme.
[0019] Em uma modalidade preferida da invenção, as saliências de solda são inclinadas em oposição a um plano ortogonal ao eixo geométrico longitudinal do tubo de transferência de calor e se estende helicoidalmente ao longo de pelo menos uma porção do comprimento do tubo de transferência de calor. As saliências de solda são inclinadas com um ângulo menor ou igual a 70 graus e preferivelmente menor ou igual a 50 graus. Em algumas modalidades, o ângulo de inclinação preferido é na faixa de 1 a 15 graus, e em outras modalidades na faixa de 15 a 45 graus. Uma saliência de solda como essa pode ser aplicada por uma cabeça de soldagem que tanto revolve em torno do tubo quanto roda dentro do tubo durante aplicação da saliência de solda. Em uma modalidade alternativa pelo menos duas saliências de solda de formação de solda podem ser inclinadas e se estenderem em paralelo, o que possibilita aumentar o ângulo de cada solda, isto é, mudar o passo, ainda também aumentando a distância, medida na direção longitudinal do tubo, entre saliências de solda formadas pelas respectivas soldas.
[0020] Uma outra modalidade da invenção pode incluir pelo menos duas saliências de solda que são inclinadas em oposição a um plano ortogonal ao eixo geométrico longitudinal do tubo de transferência de calor e arranjadas cruzando uma à outra. Tais saliências de solda interceptantes podem melhorar a taxa de transferência de calor já que o filme descendente é forçado para diversas mudanças de direção, induzindo turbulência.
[0021] Vantajosamente, as ditas saliências de solda inclinadas se estendem de uma extremidade do tubo de transferência de calor até a outra extremidade do tubo de transferência de calor.
[0022] Em uma modalidade adicional, uma saliência de solda pode se estender dentro de um plano ortogonal ou inclinado em relação ao eixo geométrico longitudinal do tubo de transferência de calor. Vantajosamente, as saliências de solda são formadas por uma solda circular na superfície de filme descendente do tubo de transferência de calor. Pelo menos cinco soldas paralelas formando saliências podem ser aplicadas à superfície de filme descendente do tubo de transferência de calor. Vantajosamente, a distância entre cada saliência de solda ao longo do eixo geométrico longitudinal do tubo de transferência de calor, isto é, entre uma borda superior de uma saliência de solda inferior e uma borda inferior de uma saliência de solda superior, é na faixa de 0 a 250 mm, preferivelmente 2 a 50 mm e ainda mais preferivelmente na faixa de 5 a 20 mm. O limite superior do número de tais soldas circulares aplicadas é restringido pelo comprimento total do tubo e a distância entre as saliências de solda ao longo do eixo geométrico longitudinal do tubo de transferência de calor. Em uma modalidade da invenção, pelo menos metade do comprimento do tubo do trocador de calor ao longo de seu eixo geométrico longitudinal é provida com saliências de solda, e mais preferivelmente essencialmente todo o tubo do trocador de calor, provido com saliências de solda a uma distância uma da outra, isto é, entre uma borda superior de uma saliência de solda inferior e uma borda inferior de uma saliência de solda superior, na faixa de de 3 a 50 mm e mais preferivelmente na faixa de de 5 a 20 mm.
[0023] Em uma modalidade preferida, pelo menos uma saliência de solda que forma a solda é aplicada à superfície de meio de aquecimento do tubo de transferência de calor, superfície de meio de aquecimento esta que é exposta a e aquecida pelo meio de aquecimento. Tais soldas aumentarão a área exposta total ao meio de aquecimento, e assim a energia transferida do meio de aquecimento.
[0024] Uma solda pode ser contínua, isto é, formando uma fileira ininterrupta de saliências de solda, ou descontínua, isto é, compreendendo uma pluralidade de soldas separadas formando saliências separadas arranjadas em linha a uma distância umas das outras.
[0025] Uma saliência de solda pode ser formada por uma solda de superfície aplicada diretamente no meio de aquecimento ou superfície de filme descendente, mas pode também ser parte de uma solda de topo por fusão que é usada para soldar diferentes partes do tubo entre si.
[0026] Pelo menos uma superfície do tubo de transferência de calor pode ser equipada com sulcos e/ou protuberâncias plasticamente formados. Esses sulcos e protuberâncias vantajosamente se estendem entre ou cruzando as ditas saliências de solda, mas podem também ser usadas como alternativas às ditas saliências de solda. As protuberâncias vantajosamente têm a mesma altura (0,3 a 5,0 mm), largura (0,5 a 15 mm), ângulo de inclinação (0 a 70 graus) e espaçamento (0 a 250 mm) das saliências de solda supradescritas. Os sulcos vantajosamente têm uma profundidade (0,3 a 5,0 mm), largura (0,5 a 15 mm), ângulo de inclinação (0 a 70 graus) e espaçamento (0 a 250 mm). A superfície de filme descendente é vantajosamente provida com protuberâncias, para criar uma perturbação no filme fino de licor de cozimento residual, e a superfície de meio de aquecimento é vantajosamente provida com sulcos, para aumentar a área superficial exposta ao meio de aquecimento. Esses sulcos e protuberâncias são adequadamente aplicados em ou sobre a chapa de aço inoxidável original antes da laminação da chapa em um tubo uma vez que haverá mais tensão no material se os sulcos e protuberâncias forem feitos após o tubo ser formado.
[0027] Pelo menos uma superfície do tubo de transferência de calor pode ser equipada com pinos com a mesma ordem de altura (0,3 a 5,0 mm), largura (0,5 a 15 mm), inclinação (0 a 70 graus) e espaçamento (0 a 250 mm) que as saliências de solda supradescritas. Tais pinos são vantajosamente aplicados em evaporadores de tubo onde o meio de aquecimento usado é vapor limpo.
[0028] As protuberâncias, sulcos e pinos supradescritos introduzem apenas um aumento limitado de tensão no material, de forma que trinca por corrosão sob tensão é evitada.
[0029] O tubo de transferência de calor de acordo com a invenção é adequado para licor residual com teor de matéria seca acima de 0,5 %, e ainda mais adequado para licor residual com teor de matéria seca em uma faixa de 15 a 50 %.
[0030] O tubo de transferência de calor de acordo com a invenção é particularmente adequado para evaporadores de filme descendente vertical.
[0031] A invenção também se refere a um método para fabricar um tubo de transferência de calor como aqui descrito tendo uma superfície de meio de aquecimento e uma superfície de filme descendente fabricadas de um material de chapa metálica. O método compreende a etapa de aplicar uma ou diversas soldas formando uma variedade de saliências de solda à superfície de filme descendente do tubo de transferência de calor. As saliências de solda são espaçadas ao longo do eixo geométrico longitudinal (CC) do tubo de transferência de calor de maneira tal que a distância ao longo do eixo geométrico longitudinal do tubo de transferência de calor entre saliências de solda adjacentes fique na faixa de 0 a 250 mm. As saliências de solda têm uma altura na faixa de 0,3 a 5,0 mm, uma largura (w; w2) na faixa de 0,5 a 15 mm e um ângulo de inclinação (α; α1, α2) em oposição a um plano ortogonal a um eixo geométrico longitudinal (CC) do tubo de transferência de calor (9) em uma faixa de 0 a 70 graus.
[0032] De acordo com um método, uma ou diversas soldas de superfície que formam uma variedade de saliências de solda podem ser aplicadas em uma superfície de um tubo de transferência de calor montado, como uma modificação de serviço de tubos de transferência de calor em estágios de evaporação existentes. Se o filme fino de licor residual estiver escoando no lado de fora do tubo, como nas figuras 1a e 1b, uma cabeça de soldagem rotatória montada em torno do tubo pode ser usada. A cabeça de soldagem rotatória pode então ser acionada axialmente ao longo do tubo enquanto roda de maneira tal que a solda de superfície seja aplicada. Se o filme fino de licor residual estiver escoando no lado interno do tubo, como na figura 2, uma cabeça de soldagem rotatória que se estende ao interior do tubo pode ser usada.
[0033] Em um método alternativo para fabricar o tubo de transferência de calor, as uma ou diversas soldas de superfície que formam uma variedade de saliências de solda podem ser aplicadas em uma superfície do tubo de transferência de calor durante a formação de uma tira de aço plana em um tubo. Pela integração da aplicação da solda durante a operação de formação de tubo as horas de trabalho totais para tubos modificados podem ser mantidas na mesma ordem que para tubos não modificados.
[0034] Em também um método alternativo para fabricar o tubo de transferência de calor, uma ou diversas soldas de superfície que formam uma variedade de saliências de solda podem ser aplicadas em pelo menos um lado de uma tira de aço plana antes de conformar a tira em uma forma tubular e soldagem das bordas da tira de aço uma na outra com uma solda de topo por fusão. A aplicação da solda de superfície na tira de aço planar permitiria o uso de máquinas de soldagem padrões.
[0035] É também possível aplicar uma ou diversas soldas de superfície formando uma variedade de saliências de solda em uma superfície de um tira de aço durante conformação da tira de aço plana em uma forma tubular por modelagem em espiral da tira de aço plana e soldagem das bordas da tira de aço uma na outra com uma solda de topo por fusão, em que as saliências de solda são formadas integradas com a dita solda de topo por fusão. Isto é preferivelmente feito controlando a alimentação da cabeça de soldagem à medida que ela passa sobre a solda de topo a ser formada.
[0036] As figuras mostram modalidades preferidas da invenção, em que: as Fig. 1a e 1b mostram em vistas em seção transversal ortogonal de um evaporador de tubos onde licor residual escoa como um filme fino na superfície externa dos tubos de transferência de calor; a Fig 2 mostra esquematicamente um evaporador de tubos alternativo em que licor residual escoa como um filme fino na superfície interna dos tubos de transferência de calor; a Fig 3a mostra uma primeira modalidade da modificação de superfície inventiva do tubo de transferência de calor com uma única solda de superfície contínua aplicada, com uma parte ampliada mostrada na Fig. 3b, e a Fig 3c mostrando uma seção transversal da solda de superfície aplicada; a Fig 4a mostra uma segunda modalidade da modificação de superfície inventiva do tubo de transferência de calor com múltiplas soldas de superfície paralelas e contínuas aplicadas, com uma parte ampliada mostrada na Fig. 4b; a Fig 5a mostra uma terceira modalidade da modificação de superfície inventiva do tubo de transferência de calor tanto com uma solda de superfície contínua quanto uma solda de topo cruzada, com uma parte ampliada mostrada na Fig. 5b e Fig 5c mostrando uma seção transversal da solda de topo aplicada; a Fig 6a mostra uma quarta modalidade da modificação de superfície inventiva do tubo de transferência de calor com apenas uma única solda de topo contínua aplicada, com uma parte ampliada mostrada na Fig. 6b e Fig 6c mostrando uma seção transversal da solda de topo aplicada; a Fig 7a mostra uma quinta modalidade da modificação de superfície inventiva do tubo de transferência de calor com uma solda de topo aplicada e a superfície circundante equipada com saliências como mostrado em seção transversal na Fig 7b; e a Fig 7c mostrando pinos suplementares arranjados na superfície de filme descendente do tubo de transferência de calor; e as Fig 8 a-c mostram uma sexta modalidade da modificação de superfície inventiva do tubo de transferência de calor com uma variedade de soldas de superfície circulares fechadas aplicadas, todas arranjadas ortogonais ao eixo geométrico longitudinal do tubo.
[0037] Nesta descrição, uma superfície de meio de aquecimento é uma superfície arranjada para ser aquecida por um meio de aquecimento, ao passo que uma superfície de filme descendente é uma superfície arranjada para ter licor residual passando sobre ela como um filme descendente.
[0038] As Figuras 1a e 1b ilustram esquematicamente um evaporador de tubos para evaporar licor residual. O evaporador compreende uma carcaça 1 contendo um conjunto 2 com múltiplos tubos de transferência de calor 9 arranjados verticalmente na carcaça 1.
[0039] A Figura 1 é vista em uma vista seccional transversal da carcaça 1, com os tubos de transferência de calor 9 expostos. A Figura 1b é também vista em uma vista seccional transversal da carcaça 1, mas vista pelo lado esquerdo da figura 1a. Um líquido a ser concentrado, neste caso licor residual, é alimentado através de uma conexão de entrada 3 na carcaça 1, para a base da mesma, formando um volume de líquido com o nível da superfície abaixo dos tubos 9. Licor é descarregado pela base do evaporador através de uma conexão de saída 4 e parte dele é bombeada por meio de uma bomba esquematicamente mostrada 5 através de um tubo de circulação 6 para uma bacia de distribuição 7 acima do conjunto 2, de cuja base ele escoa de forma substancialmente uniforme nas câmaras de distribuição de vapor 8 dos elementos de evaporação e daí adicionalmente ao longo das superfícies de filme descendente externas de tubos de transferência de calor separados 9 para baixo. Na extremidade inferior dos tubos de transferência de calor 9, o licor residual concentrado escoa ao longo da superfície externa das câmaras de coleta de vapor 10 e cai subsequentemente no licor na parte inferior da carcaça 1 e mistura com o mesmo.
[0040] Para prover evaporação, o vapor é alimentado através dos tubos de transferência de calor 9, e é primeiramente alimentado através de um canal de entrada 11 na parte superior do conjunto 2 nas câmaras de distribuição de vapor 8 conectadas às partes superiores dos tubos de transferência de calor 9. Daí, o vapor entra primeiramente em uma câmara de conexão 12, que é conectada às câmaras de coleta superiores 8 dos elementos de evaporação, de forma que o vapor é distribuído através das mesmas uniformemente para todos os tubos de transferência de calor 9. Correspondentemente, a parte restante do vapor e condensado são coletados, após terem passado ao longo da superfície interna dos meios de aquecimento dos tubos de transferência de calor 9, nas câmaras de coleta de vapor 10 da extremidade inferior dos elementos de evaporação, essas câmaras de coleta sendo conectadas a uma câmara de conexão inferior 13. Da parte inferior da câmara de conexão inferior 13 começa um canal de saída 14 para condensados, através de cujo canal o condensado é descarregado, e, respectivamente, da parte superior da câmara de conexão 13 começa um canal de saída 15 para vapor, através de cujo canal o vapor de aquecimento restante é descarregado. A água evaporada do licor residual pela influência de aquecimento é descarregada como vapor através de uma conexão de saída 16 na extremidade superior da carcaça 1 e, respectivamente, o licor concentrado é sangrado da recirculação através de um tubo 17. Dentro do evaporador, na frente da conexão de saída 16, existe adicionalmente um separador de névoa 18 de uma maneira tal que gotas de água ou licor possivelmente contidas no vapor de escape são coletadas no separador de névoa e levadas de volta para baixo. O separador de névoa é montado para ficar encerrado por um alojamento fechado 19 cada lado de forma que todo o vapor de escape tenha que escoar através do separador de névoa 18.
[0041] A Figura 2 ilustra esquematicamente um evaporador de tubos alternativo para evaporar licor residual, com a diferença que o licor residual está escoando como um filme fino em uma superfície de filme descendente interna do tubo de transferência de calor. Detalhes com a mesma função das mostradas na Figura 1 e 2 são atribuídos com o mesmo número de referência. A Figura 2 é vista em uma vista seccional transversal da carcaça 1, com apenas um dos tubos de transferência de calor 9 exposto. Em um evaporador real, diversos tubos são arranjados em paralelo, com uma distância de cerca de 1 a 4 centímetros entre tubos de transferência de calor vizinhos 9, e com um diâmetro de tubo na faixa de 2 a 10 centímetros. Um licor residual a ser concentrado é alimentado através da carcaça 1 na base da mesma, formando um volume de licor residual com o nível da superfície abaixo dos tubos de transferência de calor 9. Licor residual é descarregado pela base do evaporador através de uma conexão de saída 4 e parte dele é bombeada por meio de uma bomba esquematicamente mostrada 5 através de um tubo de circulação 6 para uma bacia de distribuição 7. Do nível da superfície superior da bacia, licor residual está escoando sobre a borda superior do tubo e sobre a superfície de filme descendente interna do tubo de transferência de calor 9 como um filme fino e adicionalmente para baixo. Na extremidade inferior do tubo de transferência de calor 9, o licor residual concentrado cai no volume de líquido. Enquanto escoa como um filme fino sobre a superfície de filme descendente interna do tubo de transferência de calor 9 o tubo é aquecido por um meio de aquecimento na superfície de meio de aquecimento externa do tubo de transferência de calor 9, e o filme é assim exposto a evaporação durante passagem. O meio de aquecimento é suprido por meio do canal de entrada 11 e, na extremidade inferior, vapor residual é extraído por meio do canal de saída 15 e condensado de vapor limpo é drenado por meio do canal de saída 14. O vapor sujo evaporado do licor residual pode ser sangrado por meio da conexão de saída superior 16a e conexão de saída inferior 16b, e preferivelmente são usados defletores de condensado/separador de névoa 18. O licor concentrado é sangrado da recirculação através de um tubo 17. Deve- se notar que o meio de aquecimento pode também ser vapor evaporado de outros estágios de evaporação e, em tais casos, o condensado coletado no canal de saída 14 não seria classificado como água limpa, em vez disso, condensado sujo contendo turpentina ou outros líquidos que têm uma temperatura de condensação próxima à estabelecida na câmara de meio de aquecimento.
[0042] A invenção pode ser usada em ambos os tipos de tubos evaporadores, isto é, onde o licor residual escoa como um filme fino em uma superfície de filme descendente externa do tubo de transferência de calor, como mostrada nas Figuras 1a e 1b, e onde o licor residual escoa como um filme fino em uma superfície de filme descendente interna do tubo de transferência de calor, como mostrado na Figura 2.
[0043] Na Figura 3a uma primeira modalidade de um tubo de transferência de calor 9 de acordo com a invenção é mostrada. Neste caso, uma solda de superfície contínua é aplicada em uma superfície de filme descendente externa 20 do tubo de transferência de calor 9 e formando uma variedade de saliências de solda espaçadas ao longo do eixo geométrico longitudinal do tubo de transferência de calor. Deve-se entender que a solda de superfície pode ser aplicada em vez disso na superfície interna de um tubo de transferência de calor, se o filme fino de licor de cozimento residual escoar na dita superfície interna. A Figura 3b mostra uma porção ampliada da figura 3a, e a figura 3c uma seção transversal detalhada da solda de superfície.
[0044] Nas figuras: • CC é o eixo geométrico longitudinal do tubo de transferência de calor 9; • d é a distância entre saliências de solda adjacentes WR perpendicular à direção da extensão longitudinal da solda que forma as saliências de solda WR; • α é o ângulo de inclinação das saliências de solda WR em oposição a um plano ortogonal ao eixo geométrico central CC do tubo de transferência de calor 9, nesta modalidade próximo a 15 graus; • A distância entre saliências de solda adjacentes ao longo do eixo geométrico longitudinal é d dividida por cos α • h é a altura das ditas saliências de solda WR, medida ortogonalmente à superfície de filme descendente 20, preferivelmente na faixa de 0,3 a 5,0 mm; e • w é a largura das ditas saliências de solda WR, medida no mesmo plano da superfície de filme descendente 20 e ortogonalmente à direção longitudinal das saliências de solda WR, preferivelmente na faixa de 0,5 a 15 mm.
[0045] A Figura 4a mostra uma segunda modalidade do tubo de transferência de calor 9 de acordo com a invenção, com múltiplas soldas de superfície aplicadas para formar saliências de solda paralelas e contínuas WR. A Figura 4b mostra uma parte ampliada do tubo de transferência de calor, em que: • d é a distância entre saliências de solda adjacentes WR perpendicular à direção da extensão longitudinal das soldas que formam as saliências de solda WR, • α é o ângulo de inclinação das saliências de solda WR em função de um plano ortogonal até o eixo geométrico central CC do tubo de transferência de calor 9, nesta modalidade cerca de 45 graus. • A distância entre saliências de solda adjacentes em uma direção paralela ao eixo geométrico longitudinal CC é calculada como d dividida por cos α
[0046] A Figura 5a mostra uma terceira modalidade do tubo de transferência de calor 9 de acordo com a invenção. Uma solda de superfície forma uma variedade de primeiro tipo de saliências de solda WR1, idênticas às saliências de solda WR mostradas na Figura 3a, e uma solda de topo cruzada forma uma variedade de segundas saliências de solda salientes WR2. A Figura 5b mostra uma parte ampliada do tubo de transferência de calor 9, e a figura 5c mostra uma seção transversal através de um do segundo tipo de saliências de solda WR2. A altura h2 e a largura w2 do segundo tipo de saliências de solda WR2 são da mesma magnitude do primeiro tipo de saliência de solda WR1, ao passo que o ângulo de inclinação α2 é um pouco mais acentuado para o segundo tipo de saliências de solda WR2 e a distância d2 entre o segundo tipo de saliências de solda adjacentes WR2 perpendicular à direção da extensão longitudinal das soldas que formam as saliências de solda WR2 é maior. A distância entre saliências de solda adjacentes ao longo do eixo geométrico longitudinal é d2 dividido por cos α2.
[0047] A Figura 6a mostra uma quarta modalidade da modificação da superfície inventiva do tubo de transferência de calor 9 com apenas uma única solda de topo contínua formando uma variedade de saliências de solda WR com uma parte ampliada mostrada na Figura 6b descrevendo o ângulo de inclinação α e a figura 6c mostrando uma seção transversal da solda de topo. Uma tira de metal disposta espiralmente foi soldada de topo para formar o dito tubo de transferência de calor 9. Consequentemente, a distância d entre saliências de solda adjacentes WR é igual à largura da tira de metal. Entretanto, a distância entre saliências de solda adjacentes ao longo do eixo geométrico longitudinal do tubo de transferência de calor é calculada como d dividida por cos α. As saliências de solda WR são formadas em uma superfície de filme descendente interna do tubo de transferência de calor 9.
[0048] A Fig 7a mostra uma quinta modalidade do tubo de transferência de calor 9 de acordo com a invenção com uma solda de topo formando saliências de solda WR em uma superfície de filme descendente 20. A superfície de filme descendente 20 é também equipada com protuberâncias P e uma superfície de meio de aquecimento oposta 21 é provida com sulcos correspondentes G. As protuberâncias P e os sulcos G se estendem ortogonalmente à dita saliência de solda WR em lados opostos do tubo de transferência de calor 9, como mostrado em seção transversal na Fig 7b. Os sulcos e saliências são preferivelmente formados com uma seção transversal trapezoidal com raio vivo nos cantos, isto é, preferivelmente com um raio menor que 2 mm, e vantajosamente têm a mesma altura hp (saliências) e profundidade dg (sulcos) e largura wp, wg que a altura h e largura w da saliência de solda WR.
[0049] A Fig 7c mostra uma sexta modalidade da invenção, em que pinos suplementares Pi são arranjados na superfície de filme descendente 20 do tubo de transferência de calor 9. Os pinos podem ser soldados de topo por fusão na dita superfície de filme descendente 20. Os pinos podem adicionalmente, ou alternativamente, ser arranjados na superfície de meio de aquecimento 21 para aumentar a área superficial exposta ao meio de aquecimento. Os pinos Pi podem ser arranjados em uma rede por meio de arames de fixação finos FW, fixando a distância entre pinos a uma distância equidistante entre pinos vizinhos, antes da fixação da rede na superfície por solda de topo por fusão. Os pinos Pi podem ser construídos de fio espiralmente enrolados.
[0050] As Fig 8a-c mostram uma sétima modalidade do tubo de transferência de calor 9 de acordo com a invenção, em que uma variedade de soldas de superfície circulares fechadas formando saliências de solda WR são aplicadas à superfície de filme descendente externa 20 do tubo de transferência de calor. Todas as saliências de solda WR são arranjadas ortogonais ao eixo geométrico longitudinal CC do tubo de transferência de calor 9. As saliências de solda são assim formadas por soldas formando anéis circulares fechados, com uma variedade de anéis soldados aplicados sobre a superfície; e com • uma distância d entre porções de saliência de solda adjacentes WR perpendicular à direção da extensão longitudinal das soldas que formam as saliências de solda WR, • uma altura h, preferivelmente na faixa de 0,3 a 5,0 mm; e • uma largura w, preferivelmente na faixa de 0,5 a 15 mm.
[0051] Neste caso, assim, a distância entre saliências de solda adjacentes ao longo do eixo geométrico longitudinal do tubo de transferência de calor será a mesma de d uma vez que a distância é calculada como d dividida por cos α, α=0 e cos α =1.
[0052] O escopo de proteção não está limitado às modalidades supradescritas. Versados na técnica entendem que as modalidades podem ser modificadas e combinadas de muitas diferentes maneiras sem fugir do escopo da invenção. Por exemplo, as saliências de solda, protuberâncias, sulcos e pinos nas figuras podem ser descontínuos e eles podem ser arranjados em qualquer uma das superfícies interna e externa dos tubos de transferência de calor.
Claims (15)
1. Tubo vertical de transferência de calor (9) de filme descendente para evaporação de filme descendente de licor residual, o tubo de transferência de calor (9) compreendendo: uma superfície de meio de aquecimento (21) arranjada para ser aquecida por um meio de aquecimento; e uma superfície de filme descendente (20) oposta e voltada contra a superfície de meio de aquecimento (21), a superfície de filme descendente (20) sendo arranjada para ter licor residual contendo linhina e outros componentes dissolvidos de material celulósico e/ou inorgânicos do material celulósico e substâncias químicas usados passando sobre ela como um filme descendente enquanto se evapora solvente do filme descendente e, assim, aumenta o teor de matéria seca; o tubo de transferência de calor sendo feito de um material de chapa de aço, por exemplo, um material de aço inoxidável de alta liga à base de ferro com um teor de liga acima de 16,00% para Cromo e acima de 1% para Níquel, preferivelmente correspondente a qualidades de aço resistente à corrosão pelo menos como AISI 316 ou AISI 304, caracterizado pelo fato de que: a superfície de filme descendente (20) do tubo de transferência de calor (9) é equipada com uma ou diversas soldas que formam uma variedade de saliências de solda (WR; WR1, WR2) espaçadas ao longo do eixo geométrico longitudinal (CC) do tubo de transferência de calor de maneira tal que a distância ao longo do eixo geométrico longitudinal do tubo de transferência de calor entre saliências de solda adjacentes seja na faixa de 0 a 250 mm, as saliências de solda (WR; WR1, WR2) tendo uma altura (h; h2) na faixa de 0,3 a 5,0 mm, as saliências de solda (WR; WR1, WR2) tendo uma largura (w; w2) na faixa de 0,5 a 15 mm, e as saliências de solda (WR; WR1, WR2) tendo um ângulo de inclinação (α; α1 α2) em oposição a um plano ortogonal a um eixo geométrico longitudinal (CC) do tubo de transferência de calor (9) em uma faixa de 0 a 70 graus.
2. Tubo vertical de transferência de calor (9) de filme descendente de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a distância ao longo do eixo geométrico longitudinal do tubo de transferência de calor entre saliências de solda adjacentes está na faixa de 2 a 50 mm, preferivelmente na faixa de 5 a 20 mm.
3. Tubo vertical de transferência de calor (9) de filme descendente de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 ou 2, caracterizado pelo fato de que a altura (h; h2) das saliências de solda (WR; WR1, WR2) está na faixa de 0,5 a 2,0 mm, mais preferivelmente na faixa de 0,7 a 1,7 mm.
4. Tubo vertical de transferência de calor (9) de filme descendente de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 3, caracterizado pelo fato de que as saliências de solda (WR; WR1, WR2) são inclinadas em relação ao plano ortogonal.
5. Tubo vertical de transferência de calor (9) de filme descendente de acordo com a reivindicação 4, caracterizado pelo fato de que pelo menos duas saliências de solda (WR1, WR2) são inclinadas em relação ao plano ortogonal e arranjadas cruzando uma à outra.
6. Tubo vertical de transferência de calor (9) de filme descendente de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 3, caracterizado pelo fato de que cada saliência de solda (WR) se estende dentro de um plano ortogonal ao eixo geométrico longitudinal (CC) do tubo de transferência de calor (9).
7. Tubo vertical de transferência de calor (9) de filme descendente de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 6, caracterizado pelo fato de que pelo menos uma saliência de solda é aplicada na superfície de meio de aquecimento (21) do tubo de transferência de calor (9).
8. Tubo vertical de transferência de calor (9) de filme descendente de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 7, caracterizado pelo fato de que as saliências de solda (WR; WR1) são formadas por uma ou diversas soldas de superfície.
9. Tubo vertical de transferência de calor (9) de filme descendente de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 8, caracterizado pelo fato de que a superfície de filme descendente (20) do tubo de transferência de calor (9) é equipada com protuberâncias plasticamente formadas (P).
10. Tubo vertical de transferência de calor (9) de filme descendente de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 9, caracterizado pelo fato de que a superfície de filme descendente (20) do tubo de transferência de calor (9) é equipada com pinos (Pi).
11. Método para fabricar um tubo vertical de transferência de calor (9) de filme descendente para evaporação de filme descendente de licor residual, compreendendo a etapa de montar o tubo de transferência de calor (9) compreendendo: uma superfície de meio de aquecimento (21) arranjada para ser aquecida por um meio de aquecimento; uma superfície de filme descendente (20) oposta e voltada contra a superfície de meio de aquecimento (21), a superfície de filme descendente (20) sendo arranjada para ter licor residual contendo linhina e outros componentes dissolvidos de material celulósico e/ou inorgânicos do material celulósico e substâncias químicas usados passando sobre ela como um filme descendente enquanto se evapora solvente do filme descendente e, assim, aumenta o teor de matéria seca, o tubo de transferência de calor (9) sendo feito de um material de chapa metálica, por exemplo, um material de aço inoxidável de alta liga à base de ferro com um teor de liga acima de 16,00% para Cromo e acima de 1% para Níquel, preferivelmente correspondente a qualidades de aço resistente à corrosão pelo menos como AISI 316 ou AISI 304, caracterizado pelo fato de que compreende a etapa de: aplicar uma ou diversas soldas formando uma variedade de saliências de solda (WR; WR1, WR2) na superfície de filme descendente (20) do tubo de transferência de calor (9) espaçadas ao longo do eixo geométrico longitudinal (CC) do tubo de transferência de calor de maneira tal que a distância ao longo do eixo geométrico longitudinal do tubo de transferência de calor entre saliências de solda adjacentes seja na faixa de 0 a 250 mm, as saliências de solda (WR; WR1, WR2) tendo uma altura (h; h2) na faixa de 0,3 a 5,0 mm, as saliências de solda (WR; WR1, WR2) tendo uma largura (w; w2) na faixa de 0,5 a 15 mm, e as saliências de solda (WR; WR1, WR2) tendo um ângulo de inclinação (α; α1, α2) em oposição a um plano ortogonal a um eixo geométrico longitudinal (CC) do tubo de transferência de calor (9) em uma faixa de 0 a 70 graus.
12. Método para fabricar um tubo vertical de transferência de calor (9) de filme descendente de acordo com a reivindicação 11, caracterizado pelo fato de que compreende a etapa de aplicar as uma ou diversas soldas formando as saliências de solda (WR; WR1, WR2) na superfície de filme descendente (20) de um tubo de transferência de calor montado (9).
13. Método para fabricar um tubo vertical de transferência de calor (9) de filme descendente de acordo com a reivindicação 11, caracterizado pelo fato de que compreende a etapa de aplicar as uma ou diversas soldas formando as saliências de solda (WR; WR1, WR2) na superfície de filme descendente (20) enquanto se forma uma tira de aço plana no tubo de transferência de calor (9).
14. Método para fabricar um tubo vertical de transferência de calor (9) de filme descendente de acordo com a reivindicação 11, caracterizado pelo fato de que compreende a etapa de aplicar as uma ou diversas soldas formando as saliências de solda (WR; WR1, WR2) na superfície de filme descendente (20) de uma tira de aço plana antes de conformar a tira em uma forma tubular e soldar as bordas da tira de aço uma na outra com uma solda de topo por fusão.
15. Método para fabricar um tubo vertical de transferência de calor (9) de filme descendente de acordo com a reivindicação 11, caracterizado pelo fato de que compreende a etapa de aplicar as uma ou diversas soldas formando as saliências de solda (WR; WR2) na superfície de filme descendente (20) de uma tira de aço durante a conformação da tira de aço plana em uma forma tubular por modelagem em espiral da tira de aço plana e a soldagem das bordas da tira de aço uma na outra com uma solda de topo por fusão, em que as saliências de solda (WR; WR2) são formadas integradas com a solda de topo por fusão.
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| B350 | Update of information on the portal [chapter 15.35 patent gazette] | ||
| B06W | Patent application suspended after preliminary examination (for patents with searches from other patent authorities) chapter 6.23 patent gazette] | ||
| B07A | Application suspended after technical examination (opinion) [chapter 7.1 patent gazette] | ||
| B09A | Decision: intention to grant [chapter 9.1 patent gazette] | ||
| B16A | Patent or certificate of addition of invention granted [chapter 16.1 patent gazette] |
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