BR112020004786A2

BR112020004786A2 - trocador de calor e processo para transferir calor

Info

Publication number: BR112020004786A2
Application number: BR112020004786-4A
Authority: BR
Inventors: Robert Louis CLEGG
Original assignee: Robert Louis Clegg
Priority date: 2017-09-11
Filing date: 2018-09-11
Publication date: 2020-09-24
Also published as: CN111065877A; US20200284514A1; EP3682180A4; AU2018329209A1; US12000656B2; WO2019046910A1; CN111065877B; US20240280323A1; EP3682180A1; EA202090646A1; CA3075431A1; AU2018329209B2

Abstract

Trata-se de um trocador de calor (10) de configuração de tubo de calor para transferir calor entre uma primeira e segunda correntes de processo através de um fluido de transferência de calor que compreende: pelo menos uma primeira passagem de corrente de processo (19); pelo menos uma segunda passagem de corrente de processo (29) e um invólucro (11) que envolve as primeiras e a segundas passagens de corrente de processo (19, 29) dentro de um volume (55). O volume (55), como resultado de um processo de transferência de calor, é totalmente preenchido com as fases tanto de vapor quanto líquida do fluido de transferência de calor. As primeiras e segundas passagens de corrente de processo (19, 29) são espaçadas por uma zona de desvinculação (50), que permite a separação gravitacional das ditas fases de vapor e líquida e limita o acúmulo da fase líquida de fluido de transferência de calor em torno da primeira passagem (ou passagens) de corrente de processo (19). Esses trocadores de calor podem ser usados, entre outras aplicações, para substituir um estágio de resfriamento de expansão em uma instalação de processo Bayer.

Description

TROCADOR DE CALOR E PROCESSO PARA TRANSFERIR CALOR

[001] A invenção refere-se a um trocador de calor e, em particular, a um trocador de calor do tipo tubo de calor de termossifão.

[002] A recuperação de calor de pastas fluidas e fluidos de incrustação é geralmente conduzida expandindo-se a lama ou fluido a uma pressão mais baixa e condensando-se o vapor expandido em um trocador de calor, aquecendo-se uma corrente de refrigerante de processo.

[003] Por exemplo, nas refinarias de alumina com digestão a baixa temperatura (a ~145 °C), normalmente existem 3 tanques de expansão de digestão em linha e, na digestão a alta temperatura (normalmente ≥ 240 °C), normalmente existem 10 tanques de expansão em linha na seção de digestão de a refinaria de alumina. Uma queda de temperatura razoável em um tanque de expansão é de 12 °C, embora possa ser superior, especialmente em refinarias de digestão a alta temperatura. O licor da refinaria tipicamente tem uma elevação do ponto de ebulição de 8 °C e o trocador de calor pode ter uma temperatura de aproximação tão baixa quanto 2 °C. Isso significa que o aquecimento líquido na digestão deve ser pelo menos em torno de 12+8+2 °C, ou normalmente superior a 22 °C, tipicamente ~25 °C na digestão a baixa temperatura e mais na digestão a alta temperatura.

[004] O vapor dos tanques de expansão de digestão contém invariavelmente quantidades vestigiais de licor de refinaria que contribuem para incrustação da parte externa dos tubos de troca de calor, sejam os mesmos tubos em um trocador de calor de involucro e tubo ou "tubos" em um digestor de tubo revestido. É difícil remover essa incrustação uma vez que a mesma está no “lado do invólucro” do trocador de calor ou do digestor de tubo.

[005] Os tanques de expansão, devido à sua geometria e tamanho, são desincrustados manualmente por meios mecânicos; enquanto que o interior dos tubos é mais fácil de limpar, tanto quimicamente através de corrente turbulento quanto por meios mecânicos semiautomáticos.

[006] Além da exigência de alta energia da refinaria, outra desvantagem de tanques de expansão na digestão é a crescente concentração cáustica do licor que passa pelos tanques de expansão da digestão, o que reduz a produtividade da refinaria.

[007] A recuperação de calor da pasta fluida de precipitação de uma refinaria de alumina tradicional não é prática, uma vez que o calor adicional não pode ser utilizado na digestão com a tecnologia atual de resfriamento de expansão da pasta fluida de digestão e troca de calor para a corrente de alimentação da digestão. Muitas vezes, as refinarias ainda aumentam a perda de calor na seção de precipitação da refinaria.

[008] Um trocador de calor com base em tubo de calor, como descrito na Patente US 5.027.891, pode ser aplicado para atingir temperaturas de aproximação que são significativamente inferiores a 22 °C. O trocador de calor é tipicamente um trocador de calor de invólucro e tubo com uma pluralidade de condutos e água (H₂O, R-718) como o fluido de transferência de calor. Não há exigência de um tubo distribuidor, pois os tubos "frios" são localizados acima dos tubos "quentes", de modo que a gravidade retorna o condensado para o fluido ao redor dos tubos "quentes". Infelizmente, o uso de uma pluralidade de tubos acondicionados próximos, como desejado para maximizar a área de transferência de calor em um trocador de calor de invólucro e tubo tradicional, pode levar a problemas de operacionalidade, uma vez que a possibilidade de inundação do trocador de calor, à medida que o fluido de transferência de calor se acumula em volta dos tubos "frios" reduz sua eficiência na transferência de calor. No conhecimento do Requerente, o trocador de calor da Patente no US 5.027.891 não foi utilizado comercialmente.

[009] É um objetivo da presente invenção evitar problemas de operacionalidade, tais como aqueles causados por inundação em um trocador de calor, especialmente do tipo tubo de calor. Esse trocador de calor poderia ser implantado de forma útil na indústria, por exemplo, na indústria de alumina, mas a presente invenção não se limita ao uso em refino de alumina ou a qualquer processo que conduza recuperação de calor por meio de tanque de expansão e trocador de calor.

[0010] Com este objetivo em vista, a presente invenção fornece um trocador de calor de configuração de tubo de calor de termossifão para transferir calor entre uma primeira corrente de processo e uma segunda corrente de processo por meio de um fluido de transferência de calor que compreende: pelo menos uma primeira passagem de corrente de processo; pelo menos uma segunda passagem de corrente de processo; e um invólucro que envolve a dita pluralidade de primeiras e segundas passagens de corrente de processo dentro de um volume, sendo que o dito volume, como resultado de um processo de transferência de calor, é totalmente preenchido com as fases tanto de vapor quanto líquida do dito fluido de transferência de calor, em que a dita pelo menos uma primeira passagem de corrente de processo e a dita pelo menos uma segunda passagem de corrente do processo são espaçadas por uma zona de desvinculação, que permite a separação das ditas fases de vapor e líquida e limitam o acúmulo da fase líquida de fluido de transferência de calor em torno das ditas primeiras passagens de corrente de processo. Vantajosamente, o trocador de calor inclui uma pluralidade de primeiras e segundas passagens de corrente de processo para aumentar a eficiência da transferência de calor. Uma forma conveniente de passagem é contida dentro de um cano ou tubo e os termos "passagem", "cano" e "tubo" podem ser usados de forma intercambiada na descrição a seguir.

[0011] As primeiras passagens ou tubos de corrente de processo podem conter uma corrente, preferencialmente uma corrente de licor, que deve ser aquecida pela condensação da fase de vapor do fluido de transferência de calor. A corrente de licor pode ser uma pasta fluida. As primeiras passagens de corrente de processo podem ser chamadas de tubos "frios". As segundas passagens ou tubos de corrente de processo então contêm convenientemente uma corrente, preferencialmente uma corrente de licor que deve ser resfriada pela evaporação da fase líquida do fluido de transferência de calor. A corrente de licor pode ser uma pasta fluida. Os primeiros tubos de corrente de processo são tipicamente localizados acima das segundas passagens de corrente de processo, sendo que o trocador de calor é um trocador de calor de termossifão. Os segundos tubos de corrente de processo podem ser chamados de tubos "quentes". Os diâmetros dos tubos são selecionados tão pequeno quanto possível para fornecer a área de superfície máxima para troca de calor, mas sem o risco de obstrução com um período razoável de limpeza química e/ou mecânica, nem muita queda de pressão para um sistema hidráulico ou de bombeamento convencional.

[0012] Os primeiros e segundos tubos de corrente de processo podem ser dispostos de várias maneiras. Os primeiros e segundos tubos de corrente de processo podem ter a mesma disposição, por exemplo, cada um sendo disposto em paralelo ou em um feixe. Os primeiros e segundos tubos de corrente de processo também podem ser dispostos em grupos ou feixes distintos com número igual ou diferente de tubos em cada grupo. Os diâmetros dos primeiros e segundos tubos de corrente de processo podem ser iguais ou diferentes. Por exemplo, os tubos "frios" podem ter diâmetro menor, fornecendo coletivamente maior área de superfície do que os tubos "quentes". Um método é organizar os primeiros tubos de corrente de processo em um arranjo convencional de condensador de invólucro e tubo, e a segunda corrente de processo e zona de desvinculação de arrastamento em uma disposição de refervedor de invólucro e tubo convencional. Por exemplo, o passo de tubo dos primeiros tubos de corrente de processo pode ser 1,25 do diâmetro do primeiro tubo de corrente de processo, típico do passo de tubo encontrado nos condensadores convencionais de invólucro e tubo, enquanto o passo de tubo da segunda corrente de processo pode ser de 1,5 a 2,0 do diâmetro do segundo tubo da corrente de processo, típico do passo de tubo encontrado nos refervedores de invólucro e tubo convencionais.

[0013] Os primeiros e segundos tubos de corrente de processo podem ser separados por um ou mais defletores dispostos na zona de desvinculação. A inclusão de defletor (ou defletores), convenientemente na forma de placas de metal, aumentaria a carga térmica na qual um ponto de inundação é atingido e pode ser vantajosa, dependendo do fluido de transferência de calor selecionado. O defletor (ou defletores) pode ser disposto no trocador de calor para direcionar o vapor e/ou condensado ao longo dos trajetos desejados selecionados para minimizar ainda mais o risco de inundação. Para esse fim, deseja-se que o defletor (ou defletores) seja espaçado do invólucro por uma lacuna para direcionar o vapor ao longo de um trajeto, de modo a "empurrar" o condensado em direção ao invólucro para longe do vapor ascendente minimizando, desse modo, o impacto da velocidade do vapor na inundação do trocador de calor.

[0014] A pressão dentro dos primeiros e segundos tubos de corrente de processo é desejavelmente mantida acima da pressão de vapor da fase líquida para evitar o fluxo de duas fases.

[0015] O trocador de calor permite desvincular as fases líquida e de vapor do dito fluido de transferência de calor por gravidade. Um tubo distribuidor pode ser usado, mas não deve ser necessário. Separadores de arrastamento poderiam ser instalados na zona de desvinculação. A zona de desvinculação tem altura e área de corte transversal horizontal suficientes para permitir um grau desejado de desvinculação de líquido de condensado da fase de vapor por gravidade por um dado fluido de transferência de calor. A zona de desvinculação pode ser projetada da mesma maneira que a zona de desvinculação em um refervedor convencional de invólucro e tubo, por exemplo,

a velocidade máxima de vapor pode ser definida pela equação de Souders Brown: 𝜌𝐿 − 𝜌𝑉 𝑉 = 𝑘√ 𝜌𝑉 em que: V = velocidade máxima do vapor de fluido de transferência de calor (m/s) k = constante (m/s) ρL = densidade do líquido de transferência de calor (kg/m³) ρL = densidade do vapor do fluido de transferência de calor (kg/m³)

[0016] A constante da equação de Souders-Brown, k pode ser configurada para 0,2 m/s, semelhante àquela usada em uma zona de desvinculação de refervedor convencional.

[0017] O fluido de transferência de calor e a área da corte transversal do trocador de calor são selecionados para que a velocidade do vapor de fluido de transferência de calor seja suficiente para evitar inundações. O fluido de transferência de calor selecionado reduz desejavelmente a velocidade ascendente do vapor, selecionando-se um que tenha um alto fluxo de calor (corrente de energia por área de corte transversal horizontal, por exemplo, KW/m²) na temperatura normal de operação do trocador de calor. Parâmetros preferidos incluem um ou mais de alto calor de evaporação, alta pressão de vapor, alta diferença de densidade de líquido e de vapor; e altos coeficientes de transferência de calor por ebulição e condensado. O fluido de transferência de calor pode ser selecionado de refrigerantes e fluidos de transferência de calor de tubo de calor conhecidos.

[0018] Os primeiros e segundos tubos de corrente de processo podem ser dispostos respectivamente em recipientes distintos, isto é, recipientes quentes e frios, que se comunicam através de passagens separadas. Um desses conjuntos de passagens pode permitir que o vapor se desloque do recipiente quente para o recipiente frio. Outro conjunto de passagens poderia permitir que o fluido de transferência de calor condensado retornasse do recipiente frio para o recipiente quente.

[0019] Nesse caso, uma porção de ou toda a fase de vapor pode ser comprimida para aumentar a temperatura de condensação, se desejado, para aumentar a eficiência da transferência de calor. A compressão aumenta a pressão do vapor e, portanto, a temperatura de condensação e, portanto, a força de acionamento para transferência de calor no trocador de calor. Uma combinação de compressor e restrição - tal como um orifício - respectivamente sobre o vapor e o condensado do fluido de transferência de calor pode ser usada para reduzir a área de transferência de calor e/ou reduzir a temperatura de aproximação do sistema trocador de calor para um valor menor ou mesmo para um valor negativo.

[0020] A presente invenção também fornece um processo para transferir calor entre uma primeira corrente de processo e uma segunda corrente de processo por meio de um fluido de transferência de calor em um trocador de calor de configuração de tubo de calor que compreende: direcionar uma primeira corrente de processo através de pelo menos uma primeira passagem de corrente de processo; direcionar uma segunda corrente de processo através de pelo menos uma segunda passagem de corrente de processo; e colocar um fluido de transferência de calor em um invólucro que envolve as ditas primeiras e segundas passagens de corrente de processo dentro de um volume, sendo que o dito volume, como resultado do processo de transferência de calor, é totalmente preenchido com as fases de vapor e líquida do dito fluido de transferência de calor, em que a dita pelo menos uma primeira passagem de corrente do processo e a dita pelo menos uma segunda passagem de corrente do processo são espaçadas por uma zona de desvinculação, que permite a separação das ditas fases de vapor e líquida e limita o acúmulo de fluido de transferência de calor da fase líquida sobre a dita pelo menos uma primeira passagem de corrente do processo. Vantajosamente, o trocador de calor inclui uma pluralidade de primeiras e segundas passagens de corrente de processo para aumentar a eficiência da transferência de calor.

[0021] A seleção de fluidos de transferência de calor ideais depende, além das considerações descritas acima, da faixa de temperatura operacional de um processo no qual o trocador de calor é implantado. Alguns fluidos de transferência de calor preferidos para 100 °C, sem limitação, devido a uma variedade de refrigerantes e fluidos de transferência de calor de tubos de calor poder ser usada, são água (H₂O, R-718), amônia (NH₃, R-717), clorometano (CH₃Cl, R-40), butano (C₄H₁₀, R-600), cloroetano (C₂H₅Cl, R-160) e dodecafluoropentano (C₅F₁₂, R-4-1-12). O fluido de transferência de calor é selecionado para ter um ponto crítico acima da faixa operacional de temperatura desejada para um processo químico. O meio de transferência de calor é convenientemente selecionado para ter estabilidade térmica e nenhuma formação de incrustação em toda a faixa de temperatura de operação do trocador de calor. Por exemplo, embora a água (H₂O, R-718) possa ser usada como meio de transferência de calor operando a 100 °C, sua seleção não é preferível a outros fluidos, tais como amônia (NH₃, R-717) e clorometano (C₂H₅Cl, R-160), têm um fluxo de calor mais alto em seu ponto de inundação e, portanto, são menos suscetíveis a inundações nessa temperatura.

[0022] O trocador de calor e o processo podem ser usados em uma variedade de indústrias, por exemplo, em processos hidrometalúrgicos, incluindo na indústria de alumina, onde trocadores de calor, como descrito acima, podem ser aplicados para substituir um sistema de resfriamento de expansão convencional em uma instalação de processo Bayer em que, nesse caso, a primeira e a segunda corrente de processo podem ser denominadas corrente de processo Bayer. O trocador de calor pode ser incluído dentro de um reator tubular, como um digestor tubular usado na indústria de alumina. O trocador de calor também poderia ser usado em outros reatores tubulares.

[0023] O trocador de calor e o processo de transferência de calor podem ser mais completamente compreendidos a partir da descrição a seguir das modalidades preferenciais do mesmo. Essa descrição é feita com referência aos desenhos anexos, nos quais:

[0024] A Figura 1 é um fluxograma para um processo Bayer da técnica anterior.

[0025] A Figura 2 é um fluxograma para um processo Bayer incluindo o trocador de calor de modalidades da presente invenção.

[0026] A Figura 3a é uma seção transversal de um trocador de calor de acordo com uma primeira modalidade da presente invenção.

[0027] A Figura 3b é uma seção transversal de um trocador de calor de acordo com uma segunda modalidade da presente invenção.

[0028] A Figura 4 é uma seção transversal de um trocador de calor de acordo com uma terceira modalidade da presente invenção e incluindo um defletor.

[0029] A Figura 5 é uma seção transversal de um trocador de calor de acordo com uma quarta modalidade da presente invenção e incluindo um arranjo de defletores.

[0030] A Figura 6 é uma seção transversal de um trocador de calor de acordo com uma quinta modalidade da presente invenção e incluindo um arranjo de defletores.

[0031] A Figura 7 é uma seção transversal de um trocador de calor de acordo com uma sexta modalidade da presente invenção e incluindo um arranjo de defletores.

[0032] A Figura 8 é uma seção transversal de um trocador de calor de acordo com uma sétima modalidade da presente invenção e incluindo um arranjo de defletores.

[0033] A Figura 9 é uma seção transversal de um trocador de calor no qual a primeira e a segunda passagens de corrente de processo são dispostas em dois recipientes separados.

[0034] A Figura 10 é uma seção transversal de um trocador de calor no qual existe um compressor na corrente de vapor e uma restrição na linha de líquido entre a primeira e a segunda passagens de corrente de processo é disposta em dois recipientes separados.

[0035] Agora é feita referência à Figura 1, uma instalação de processo Bayer da técnica anterior 1 emprega resfriamento de expansão entre o estágio de digestão e os estágios de separação de lama vermelha. O minério de bauxita é triturado e lixiviado com uma solução cáustica em um digestor aquecido. Os processos de digestão a baixa ou alta temperatura podem ser usados de acordo com a prática conhecida na arte. Uma pasta líquida que compreende uma porção de licor contendo valores de aluminato de sódio dissolvido e uma porção sólida composta de minério de bauxita não dissolvido e ganga é então resfriada em um sistema de resfriamento de expansão que tipicamente requer espaço substancial. O resfriamento de expansão ocorre devido a sucessivas etapas de redução de pressão, tipicamente em torno de dez etapas na digestão a alta temperatura e três na digestão a baixa temperatura, o que faz com que parte da porção do licor evapore para vapor. Esse vapor é usado para aquecer licor gasto ou regenerado, ou uma pasta desses licores e bauxita para retornar ao digestor. A eficiência da transferência de calor no resfriamento de expansão é limitada por considerações como as descritas acima, particularmente a elevação do ponto de ebulição e a queda de temperatura no estágio de expansão. Incrustação e concentração da corrente de licor também podem causar preocupações de eficiência operacional.

[0036] O estágio de resfriamento de expansão da Figura. 1 é substituído por uma pluralidade de trocadores de calor 10 na instalação de processo Bayer 100 da Figura. 2 e principalmente nas seções de digestão e precipitação. O trocador de calor 10 tem uma configuração de tubo de calor do tipo termossifão para transferir calor entre a corrente de licor cáustico quente ou a pasta fluida contendo aluminato de sódio dissolvido e bauxita e ganga não dissolvidas; e uma corrente de licor gasto refrigerante ou uma pasta fluida de licor gasto e bauxita por meio de um fluido de transferência de calor. O trocador de calor 10 compreende, como mostrado nas Figuras. 3a a 9, uma pluralidade de primeiros tubos de corrente de processo e uma pluralidade de segundos tubos de corrente de processo, todos de geometria cilíndrica e fabricados a partir de material termicamente condutor, tal como aço carbono, aço inoxidável, niquelado ou níquel. Um invólucro cilíndrico 11 envolve os primeiro e segundos tubos de corrente de processo que se estendem horizontalmente dentro de um volume 55 que, como resultado de um processo de transferência de calor, é totalmente preenchido com as fases tanto de vapor quanto líquida do fluido de transferência de calor. A fase líquida do fluido de transferência de calor forma um volume líquido 35 no qual os primeiros tubos de corrente de processo são totalmente imersos. O fluido de transferência de calor é selecionado levando em conta as seguintes considerações. Dependendo da temperatura de funcionamento, água (H₂O, R-718) pode não ser o fluido de transferência de calor preferencial para a aplicação, devido à sua propensão a causar inundação do trocador de calor 10 em corrente de transferência de calor inferior aos outros fluidos de transferência de calor possíveis. Tais fluidos de transferência de calor podem, por exemplo e sem limitação, ser selecionados do grupo de refrigerantes e fluidos de transferência de calor de tubos de calor, que consiste em amônia (NH₃, R-717), clorometano (CH₃Cl, R-40), propano (C3H8, R-290)), butano (C₄H₁₀, R-600), cloroetano (C₂H₅Cl, R-160), octafluoropropano (C₃F₈, R-218) e dodecafluoropentano (C₅F₁₂, R-4-1-12) podem ser preferidos para resolver tais problemas.

[0037] O fluido de transferência de calor vaporiza parcialmente à medida que o calor é transferido dos tubos quentes para o fluido de transferência de calor. O vapor saturado com fluido de transferência de calor sobe para a zona de desvinculação, onde principalmente o vapor de transferência de calor sobe em direção aos tubos frios e condensa, de modo que o calor latente de vaporização é transferido do fluido de transferência de calor para os tubos frios. Licor gasto ou licor gasto e pasta fluida de bauxita são aquecidos nesse processo.

[0038] A pluralidade de primeiros tubos de corrente de processo e a pluralidade de segundos tubos de corrente de processo são espaçadas por uma zona de desvinculação 50 de altura e seção transversal horizontal suficientes para permitir a separação das ditas fases de vapor e líquida por gravidade e limitar o acúmulo de fluido de transferência de calor de fase líquida sobre os ditos primeiros tubos de corrente de processo.

[0039] Na Figura 2, o resfriamento na precipitação é substituído pelo trocador de calor 10, em que a pasta fluida de precipitação é a corrente de processo "quente" e o licor gasto é a corrente de processo "fria". Se o equilíbrio térmico do processo exigir, um trocador de calor 10 pode ser usado onde a pasta fluida de precipitação é a corrente quente e um fluido de resfriamento, tal como água de resfriamento, pode ser a corrente "fria".

[0040] A Figura 3a mostra um trocador de calor 10 com um tubo quente único 29 e um tubo frio único 19. A eficiência da transferência de calor seria melhorada, na maioria dos casos, fornecendo-se uma pluralidade de tubos quentes e uma pluralidade de tubos frios.

[0041] A Figura 3b mostra um trocador de calor 10 com três tubos quentes 30 e três tubos frios 20, todos do mesmo diâmetro, suficientes para evitar bloqueio devido à formação de incrustações. Tubos quentes 30 e tubos frios 20 são dispostos da mesma maneira.

[0042] A Figura 4 mostra um trocador de calor 10 contendo um tubo quente 31 separado do tubo frio 21 por um defletor 59 na forma de uma placa de metal. O tubo quente 31 e o tubo frio 21 têm o mesmo diâmetro. O defletor 59 aumenta a carga térmica na qual é atingido um ponto de inundação direcionando-se o vapor de modo a "empurrar" o condensado em direção ao perímetro externo do invólucro externo 11 e através da pequena lacuna 59a; minimizando, assim, o impacto da velocidade do vapor na inundação do trocador de calor 10. O condensado tenderá a retornar por gravidade à base do invólucro externo 11 através da pequena lacuna 59a disposta intencionalmente entre o defletor 59 e o invólucro externo 11. Será entendido que as dimensões da folga 59a podem ser selecionadas para obter o comportamento desejado do fluxo de condensado.

[0043] A Figura 5 mostra um trocador de calor 10 com três tubos quentes 32 e três tubos frios 22, tendo todos o mesmo diâmetro. Os defletores 60, 61 e 62 separam os tubos quentes 32 dos tubos frios 22. Os defletores 61 e 62 cooperam em uma disposição destinada a aumentar a carga térmica na qual é atingido um ponto de inundação, direcionando-se o vapor ao longo de um trajeto para "empurrar" o condensado em direção ao perímetro externo do invólucro externo 11; minimizando, assim, o impacto da velocidade do vapor na inundação do trocador de calor 10. O condensado tenderá a retornar por gravidade à base do invólucro externo 11 através de pequenas lacunas 60a dispostas intencionalmente entre os defletores 60 e 61; e o defletor 62 do invólucro externo 11. Será entendido que as dimensões das lacunas 60a podem ser selecionadas para obter o comportamento desejado do fluxo de condensado.

[0044] A Figura 6 mostra um trocador de calor 10 no qual tubos frios são dispostos em dois grupos ou feixes distintos 180 e 190, com tubos frios 182 e 192, neste caso, todos com o mesmo diâmetro. Os feixes 180 e 190 são separados de um feixe de tubos quentes 190 pelos defletores 165 e 166 para aumentar a carga térmica na qual é atingido um ponto de inundação. Os tubos quentes 172 têm um diâmetro maior do que os tubos frios 182 e 192, por exemplo, tendo 5,08 cm (2 polegadas) de diâmetro em comparação com 2,54 cm (1 polegada) de diâmetro. Os tubos quentes 182 transportam o licor cáustico de incrustação que inclui sólidos erosivos.

[0045] A Figura 7 mostra um trocador de calor 10 no qual tubos frios são dispostos em dois grupos ou feixes 220 e 240, em que todos os tubos frios 222 e 242 têm o mesmo diâmetro. Os feixes 220 e 240 são separados de um feixe de três tubos quentes 230 pelos defletores 160 e 161 para aumentar a carga térmica na qual é atingido um ponto de inundação. Os tubos quentes 172, que são dispostos horizontalmente e em paralelo, têm diâmetro maior do que os tubos frios 222 e 242, por exemplo, tendo 5,08 cm (2 polegadas) de diâmetro em comparação com 2,54 cm (1 polegada) de diâmetro. Os tubos quentes 230 transportam o licor cáustico de incrustação que inclui sólidos erosivos. Como os trocadores de calor 10 das Figuras 6 e 7 têm condições operacionais semelhantes e o trocador de calor 10 na Figura 7 tem mais tubos "frios" 222 e 242, a largura do invólucro externo 11 tem que ser mais ampla para permitir carga térmica superior e, portanto, maior volume de vapor subindo com o mesmo fluido de transferência de calor e, portanto, a mesma velocidade ascendente do ponto de inundação.

[0046] A Figura 8 é uma modalidade em que o número de tubos frios 207 e 216 é maior que na Figura 7 devido a mais do que um passar através do trocador de calor 10. A Figura 8 mostra um trocador de calor 10 no qual tubos frios são dispostos em dois grupos ou feixes 205 e 215, em que todos os tubos frios 207 e 216 têm o mesmo diâmetro. Os feixes 205 e 215 são separados dos tubos quentes 230 por dois defletores relativamente pequenos (em comparação com o volume 55) 155 e 156 para aumentar a carga térmica na qual é atingido um ponto de inundação. Os tubos quentes 272, que são dispostos horizontalmente e em paralelo, têm diâmetro maior do que os tubos frios 207 e 216, por exemplo, tendo 5,08 cm (2 polegadas) de diâmetro em comparação com 2,54 cm (1 polegada) de diâmetro. Os tubos quentes 272 transportam o licor cáustico que inclui sólidos erosivos e de incrustação. Essa disposição permite que a diferença de temperatura média logarítmica (LMTD) nos tubos frios 207 e 216 seja reduzida enquanto o LMTD nos tubos quentes 272 é aumentado em comparação com o trocador de calor na Figura

7.

[0047] A Figura 9 mostra um arranjo de dois recipientes para o trocador de calor 10 que também pode ser considerado um sistema de trocador de calor. Três tubos quentes 127 são dispostos horizontalmente e em paralelo dentro do recipiente quente 120. Os tubos quentes 127 podem, por exemplo, ter 5,08 cm (2 polegadas) de diâmetro. O vapor do corpo de fluido de transferência de calor em evaporação 134 sobe através do volume de desvinculação de vapor-líquido 315 para ser transportado através da passagem de vapor 330 para o recipiente frio 110 que contém um feixe 115 de tubos frios 117 que têm, por exemplo, 2,54 cm (1 polegada) de diâmetro. Essa disposição tem a vantagem de o vapor "empurrar" o fluido de transferência de calor condensado em direção ao fundo do recipiente 110. O fluido de transferência de calor condensado retorna ao recipiente quente 120 através da passagem de retorno de fluido de transferência de calor 350.

[0048] Enquanto os tubos de 2,54 cm (1 polegada) de diâmetro, mencionados a título de exemplo acima, podem transportar fluidos de incrustação, os sólidos estão ausentes ou são muito finos, por exemplo, que transporta o licor usado em uma refinaria de alumina. A incrustação também pode ser prontamente endereçada por métodos conhecidos na técnica de trocadores de calor de invólucro e tubo. A desincrustação mecânica pode ser evitada.

[0049] Separadores de arrastamento convencionais (não puxados) podem ser instalados no volume de desvinculação de vapor-líquido 315 para aumentar ainda mais a carga térmica na qual ocorre a inundação. Esses separadores de arrastamento podem ser, porém, sem limitação, do tipo de malha e/ou chicana. Dentro do conduto 330, uma separação de arrastamento adicional pode ser conduzida (não puxada), por exemplo, ciclones em que o líquido de transferência de calor separado é retornado ao corpo de transferência de calor 134.

[0050] A Figura 10 mostra um trocador de calor semelhante ao mostrado na Figura 9, exceto que ele tem um compressor 515 na passagem de vapor 520 e uma restrição 505, como um orifício ou válvula de controle, na passagem de retorno de condensado. O recipiente quente 120A tem tubos quentes 537.

O recipiente frio 110A tem um número significativamente maior de tubos frios de menor diâmetro 517. A implantação combinada de compressor 515 e orifício ou válvula de controle 505 produz uma diferença de temperatura mais alta, para que a área de transferência de calor possa ser reduzida ou uma diferença de temperatura menor, e até negativa, entre as correntes "quente" e "fria” possa ser realizada.

[0051] Em cada um dos casos descritos acima, a zona de desvinculação pode ser projetada da mesma maneira que a zona de desvinculação em um refervedor de invólucro e tubo convencional, por exemplo, a velocidade máxima de vapor pode ser definida pela equação de Souders Brown: 𝜌𝐿 − 𝜌𝑉 𝑉 = 𝑘√ 𝜌𝑉 em que: V = velocidade máxima do vapor de fluido de transferência de calor (m/s) k = constante (m/s) ρL = densidade do líquido de transferência de calor (kg/m³) ρL = densidade do vapor do fluido de transferência de calor (kg/m³)

[0052] A constante da equação de Souders-Brown, k pode ser configurada para 0,2 m/s, semelhante àquela usada em uma zona de desvinculação de refervedor convencional.

[0053] A eficiência de transferência de calor do trocador de calor 10 é maior do que a obtida através do resfriamento de expansão convencional e, no contexto de uma refinaria de alumina, permite obter uma maior produtividade com uma área de ocupação da instalação menor, esta última potencialmente reduzindo o custo de construção da instalação de processo. Será entendido que o trocador de calor pode ser usado para outras aplicações hidrometalúrgicas e químicas.

[0054] Modificações e variações no trocador de calor e no processo de transferência de calor, conforme descrito no presente relatório descritivo, podem ser evidentes para o leitor experiente desta divulgação. Tais modificações e variações são consideradas dentro do escopo da presente invenção.

Claims

REIVINDICAÇÕES

1. TROCADOR DE CALOR de configuração de tubo de calor para transferir calor entre uma primeira corrente de processo e uma segunda corrente de processo por meio de um fluido de transferência de calor, caracterizado por compreender: pelo menos uma primeira passagem de corrente de processo; pelo menos uma segunda passagem de corrente de processo; e um invólucro que envolve a dita pluralidade de primeiras e segundas passagens de corrente de processo dentro de um volume, sendo que o dito volume, como resultado de um processo de transferência de calor, é totalmente preenchido com as fases tanto de vapor quanto líquida do dito fluido de transferência de calor, em que a dita pelo menos uma primeira passagem de corrente de processo e a dita pelo menos uma segunda passagem de corrente do processo são espaçadas por uma zona de desvinculação, que permite a separação das ditas fases de vapor e líquida e limitam o acúmulo da fase líquida de fluido de transferência de calor em torno da dita pelo menos uma primeira passagem de corrente de processo.

2. TROCADOR DE CALOR, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por compreender uma pluralidade de primeiras e segundas passagens de corrente de processo na forma de tubos.

3. TROCADOR DE CALOR, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 ou 2, caracterizado pelas primeiras passagens de corrente de processo conterem uma corrente, preferencialmente uma corrente de licor, que deve ser aquecida pela condensação da fase de vapor do fluido de transferência de calor e as segundas passagens de corrente de processo contêm uma corrente, de preferência uma corrente de licor, que deve ser resfriada pela evaporação da fase líquida do fluido de transferência de calor.

4. TROCADOR DE CALOR, de acordo com a reivindicação 3, caracterizado pelas primeiras passagens de corrente do processo serem localizadas acima das segundas passagens de corrente do processo.

5. TROCADOR DE CALOR, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 4, caracterizado pelas primeiras e as segundas passagens de corrente de processo serem dispostas em paralelo.

6. TROCADOR DE CALOR, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 5, caracterizado pelas primeiras e a segundas passagens de corrente de processo serem dispostas em feixes distintos de tubos.

7. TROCADOR DE CALOR, de acordo com a reivindicação 6, caracterizado por cada feixe ter o mesmo número de tubos, que têm opcionalmente o mesmo diâmetro.

8. TROCADOR DE CALOR, de acordo com a reivindicação 6, caracterizado por cada feixe ter um número diferente de tubos, que têm opcionalmente o mesmo diâmetro.

9. TROCADOR DE CALOR, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 8, caracterizado pelas ditas primeiras e segundas passagens de corrente de processo serem separadas por pelo menos um defletor que direciona o condensado em direção ao invólucro do trocador de calor para longe do vapor ascendente.

10. TROCADOR DE CALOR, de acordo com a reivindicação 9, caracterizado pelo dito pelo menos um defletor ser espaçado do invólucro por uma lacuna.

11. TROCADOR DE CALOR, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 10, caracterizado pela pressão dentro das ditas primeiras e segundas passagens de corrente do processo ser mantida acima da pressão de vapor da fase líquida para evitar o fluxo de duas fases.

12. TROCADOR DE CALOR, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 11, caracterizado pela primeira e a segunda passagens de corrente do processo serem dispostas respectivamente em recipientes distintos que se comunicam através de passagens separadas, um conjunto de passagens que permitem que o vapor se desloque do recipiente quente para o recipiente frio, outro conjunto de passagens que, opcionalmente, permite que o fluido de transferência de calor condensado retorne do recipiente frio para o recipiente quente.

13. TROCADOR DE CALOR, de acordo com a reivindicação 12, caracterizado por uma porção de ou toda a fase de vapor ser comprimida para aumentar a temperatura de condensação.

14. TROCADOR DE CALOR, de acordo com qualquer uma das a reivindicações 12 ou 13, caracterizado por compreender uma combinação de compressor e restrição, respectivamente, no vapor e condensado do fluido de transferência de calor.

15. TROCADOR DE CALOR, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 14, caracterizado pelo fluido de transferência de calor e a área de corte transversal do trocador de calor serem selecionados para que a velocidade do vapor do fluido de transferência de calor seja suficiente para evitar inundações.

16. TROCADOR DE CALOR, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 15, caracterizado pelos separadores de arrastamento serem instalados na zona de desvinculação.

17. PROCESSO PARA TRANSFERIR CALOR entre uma primeira corrente de processo e uma segunda corrente de processo por meio de um fluido de transferência de calor em um trocador de calor de configuração de tubo de calor, caracterizado por compreender: direcionar uma primeira corrente de processo através de pelo menos uma primeira passagem de corrente de processo; direcionar uma segunda corrente de processo através de pelo menos uma segunda passagem de corrente de processo; e colocar um fluido de transferência de calor em um invólucro que envolve as ditas primeiras e segundas passagens de corrente de processo dentro de um volume, sendo que o dito volume, como resultado do processo de transferência de calor, é totalmente preenchido com as fases de vapor e líquida do dito fluido de transferência de calor, em que a dita pelo menos uma primeira passagem de corrente do processo e a dita pelo menos uma segunda passagem de corrente do processo são espaçadas por uma zona de desvinculação, que permite a separação das ditas fases de vapor e líquida e limita o acúmulo de fluido de transferência de calor da fase líquida sobre a dita pelo menos uma primeira passagem de corrente do processo.

18. PROCESSO, de acordo com a reivindicação 17, caracterizado pelo fluido de transferência de calor ser selecionado de fluidos refrigerantes e de transferência de calor para tubos de aquecimento, opcionalmente selecionado, do grupo que consiste em amônia (NH₃, R-717), propano (C₃H₈, R- 290), butano (C₄H₁₀, R-600), clorometano (CH₃Cl, R-40), cloroetano (C₂H₅Cl, R-160), octafluoropropano (C₃F₈, R-218) e dodecafluoropentano (C₅F₁₂, R-4-1-12).

19. PROCESSO, de acordo com qualquer uma das reivindicações 17 ou 18, caracterizado pelo fluido de transferência de calor ser selecionado para ter um ponto crítico acima de uma faixa de temperatura desejada para um processo químico, sendo que o dito fluido de transferência de calor é selecionado para ter estabilidade térmica e nenhuma formação de incrustação em toda a faixa de operação do trocador de calor.

20. PROCESSO, de acordo com qualquer uma das reivindicações 17 a 19, caracterizado pelas ditas primeira e segunda correntes de processo serem correntes de processo Bayer.

21. PROCESSO, de acordo com qualquer uma das reivindicações 17 a 20, caracterizado pelo dito trocador de calor ser incluído em um reator tubular, tal como um digestor tubular usado na indústria de alumina.