BRPI0515521B1 - Reactor understanding an olefin production oven - Google Patents

Description

“REATOR COMPREENDENDO UM FORNO DE PRODUÇÃO DE OLEFINA” A presente invenção refere-se a tubulação para uso em atividades industriais, cuja tubulação tem uma geometria particular. Particularmente, a invenção refere-se a um reator compreendendo um forno de produção de olefina compreendendo tal tubulação.

Muitos processos industriais envolvem o transporte de fluidos de uma parte de uma fábrica ou de máquina para outra, e isto é rotineiramente feito pelo uso de tubulação. O fluido também pode ser tratado durante sua passagem pela tubulação, por exemplo, por aquecimento, irradiação, reação química etc.

Tubos usados para este fim,e particularmente aqueles usados para transportar fluidos por longas distâncias, são normalmente retos, pelo fato de suas linhas centrais serem linhas retas e as paredes dos tubos são paralelas às linhas centrais.

Entretanto, foi verificado que geometrias alternativas para tubos podem ser empregadas, as quais podem prover uma série de vantagens sobre tubos retos. Em particular, um tubo formado como uma hélice de baixa oferece diversas vantagens significativas sobre um tubo reto.

Por “hélice de pequena amplitude” queremos dizer que o tubo é formado de modo que sua linha central segue um caminho substancialmente helicoidal, e que a amplitude da hélice é igual ou menor do que metade do diâmetro interno da tubulação.

Quando o fluido entre em uma peça da tubulação modelada em hélice desse modo, fluxo em torvelinho é estabelecido quase imediatamente. Fluxo em torvelinho tem um número de vantagens sobre fluxo convencional. Turbulência, e perdas de pressão associadas (e perdas de energia) podem ser reduzidas. Em adição, como resultado da mistura sobre a seção transversal, o perfil de velocidade do fluxo através do tubo é mais uniforme (ou mais bmsco) do que seria com o fluxo em um tubo convencional, com o fluido em torvelinho tendendo atuar como um êmbolo, raspando as paredes do tubo.

Foi verificado que o fluxo em torvelinho é geralmente estabelecido através de toda a largura do tubo dentro de uns poucos diâmetros de tubo da entrada em um hélice de pequena amplitude. Além disso, o movimento secundário e mistura sobre a seção transversal associada ao fluxo em torvelinho resulta em massa considerável, momento e transferência de calor no fluido dentro do núcleo, e entre fluidos nas paredes do tubo e fluido dentro do núcleo. O termo “amplitude da hélice” como usado aqui refere-se à extensão do deslocamento da linha central, de uma posição média para um extremo lateral. A amplitude é, assim, metade da largura lateral total da linha central helicoidal. A área de seção transversal da tubulação é, normalmente, substancialmente constante ao longo de seu comprimento, mas pode variar dependendo das características particulares necessárias.

Em tubulação helicoidal de pequena amplitude deste tipo, onde a amplitude da hélice é menor do que metade do diâmetro interno do tubo, há uma “linha de visada" ao longo do lúmen da tubulação. Muito embora o fluxo na linha de visada possa potencialmente seguir um caminho reto, foi verificado que ele tem uma componente de torvelinho.

Para as finalidades deste relatório, o termo “amplitude relativa” de é formado de modo que sua linha central segue um caminho substancialmente helicoidal, e que a amplitude da hélice é igual ou menor do que metade do diâmetro interno da tubulação, helicoidal é definido como a amplitude dividida pelo diâmetro interno. Uma vez que a amplitude da tubulação helicoidal é menor ou igual à metade do diâmetro interno da tubulação, isto significa que a amplitude relativa é menor ou igual a 0,5. Amplitudes relativas menores ou iguais a 0,45, 0,40, 0,35, 0,30,0,25,0,20,0,15, 0,10 ou 0,05 podem ser preferidas. Amplitudes relativas menores provêem um melhor uso de espaço lateral disponível, pelo fato da tubulação não ser muito mais larga globalmente do que um tubo reto normal com a mesma área de seção transversal. Amplitudes relativas menores também resultam em uma “linha de visada” mais larga, provendo mais espaço para a inserção de medidores de pressão ou outro equipamento ao longo da tubulação. Entretanto, amplitudes relativas muito pequenas podem, em certas circunstâncias, levar a movimento e mistura secundários reduzidos.

Com números maiores de Reynolds, amplitudes relativas menores podem ser usadas, enquanto o fluxo em torvelinho é induzido por uma extensão satisfatória. Isto geralmente significará que, para um dado diâmetro interno, onde haja uma elevada taxa de fluxo, uma amplitude relativa pequena pode ser usada enquanto ainda sendo suficiente para induzir fluxo em torvelinho. O ângulo da hélice (ou passo, onde o passo é o comprimento de uma volta da hélice, e pode ser definido em termos de diâmetro interno do tubo) é também um fator relevante influenciando o fluxo. Como com a amplitude relativa, o ângulo de hélice pode ser otimizado de acordo com as condições e, em particular, a viscosidade, densidade e velocidade do fluido sendo transportado através da tubulação. O ângulo de hélice é, de preferência, menor ou igual a 65°, mais preferivelmente menor ou igual a 55°, 45°, 35°, 25°, 20°, 15°, 10° ou 5o.

De modo geral, para maiores números de Reynolds, o ângulo de hélice podem ser menores, enquanto fluxo em torvelinho satisfatório é obtido, ao passo que, com números de Reynolds menores, um maior ângulo de hélice será necessário para produzir torvelinho satisfatório. O uso de maiores ângulos de hélice para fluxos mais rápidos (com maiores números de Reynolds) serão, geralmente, indesejáveis, uma vez que poderá haver bolsas próximas às paredes de fluido estagnado. Por conseguinte, para um dado número de Reynolds (ou faixa de números de Reynolds), o ângulo de hélice será preferencialmente escolhido como sendo tão pequeno quanto possível para produzir torvelinho satisfatório. Em certos modos de realização, o ângulo de hélice é menor do que 20°.

Um comprimento de tubulação tendo uma geometria helicoidal de pequena amplitude está mostrado na Fig. 1. Esta tubulação 1 tem uma seção transversal circular, um diâmetro externo DE, um diâmetro interno Dj e uma espessura de parede. A tubulação é embobinada em uma hélice de amplitude constante A (medida da média para a extrema), passo constante P, ângulo de hélice constante Θ e uma largura de varredura W. A tubulação 1 é contida em um envelope imaginário 20 que se estende longitudinalmente e tem uma largura igual à largura de varredura W da hélice. O envelope 20 pode ser considerado como tendo um eixo longitudinal central 30, que pode também ser referido como um eixo de rotação helicoidal. A tubulação ilustrada 1 tem um eixo reto 30, mas devendo ser apreciado que o eixo central pode ser curvo, ou, sem dúvida, pode ter qualquer forma dependendo dos requisitos. A tubulação tem uma linha central 40 que segue um caminho helicoidal ao redor do eixo longitudinal central 30.

Deve ser observado que a amplitude A é menor do que a metade do diâmetro interno da tubulação Di. Mantendo-se a amplitude abaixo deste tamanho, o espaço lateral ocupado pela tubulação e o comprimento global da tubulação podem ser mantidos relativamente pequenos, enquanto, ao mesmo tempo, a concentração de gás helicoidal da tubulação promove fluxo em torvelinho de fluido ao longo da tubulação. O uso de tubulação helicoidal de pequena amplitude pode ser benéfico para um grande número de processos envolvendo a movimentação ou transporte de fluido através de tubos, a mistura de fluidos dentro dos tubos, transferência de calor e de massa para dentro ou para fora de fluido dentro dos tubos, processos nos quais a deposição ou contaminação ocorre dentro de tubos e processos nos quais reações químicas ocorrem dentro de tubos. Este uso é aplicável a gases ou líquidos como uma fase única ou a uma mistura de gases, líquidos ou sólidos em qualquer combinação como uma mistura multifásica. O uso dessa tubulação pode ter um significativo impacto econômico.

Como um exemplo, a redução da turbulência e a queda de pressão reduzida associada provida pelo fluxo em torvelinho, sob condições apropriadas, possibilitam redução de custos de bombeamento.

Isto pode se significativo na distribuição de hidrocarbonetos através das tubulações, incluindo processos de produção de óleo cru e gás. Por exemplo, tubos ascendentes de produção e linhas de escoamento de petróleo para uso em terra firme ou fora-da-costa podem incluir pelo menos uma porção com geometria helicoidal de pequena amplitude. A geometria helícoidal de pequena amplitude melhora a dinâmica de fluxo através das linhas de escoamento pelo fato de reduzir turbulência de fluxo através da linha de escoamento ou tubo ascendente e, assim, reduzir perda de pressão. A linha de escoamento ou tubo ascendente pode ser substancialmente vertical, substancialmente horizontal ou ter uma geometria curva, incluindo uma forma de S ou uma forma de catenária. A linha de escoamento ou tubo ascendente pode ser rígida ou flexível, ou qualquer combinação das duas. A linha de escoamento ou tubo ascendente pode ser construída de qualquer combinação de materiais, e pode incluir anéis de reforço.

Simiíarmente, tubulação de produção para uso furo abaixo dentro de poços de óleo, gás, água ou geotérmícos pode usar geometria helicoidal de pequena amplitude. Pelo menos uma porção de um poço conterá tubulação de produção com geometria helicoidal e pequena amplitude. Os benefícios incluirão uma redução de turbulência de fluxo, e reduzida perda de pressão.

Além disso, tubulações para o transporte de hidrocarboneto podem usar geometria helicoidal de pequena amplitude e gozar dos benefícios de reduzida turbulência de fluxo e reduzida perda de pressão. Naturalmente, tubulações para o transporte de outros fluidos, como água potável, água servida e esgoto, lamas, pós, produtos alimentícios ou bebidas ou, sem dúvida, qualquer fluido multi ou monofásico, também podem ter geometria helicoidal de pequena amplitude e gozar dos mesmos benefícios.

Outra área onde a queda de pressão reduzia é de particular benefício está no contexto de adutores de captação d’água e tubos de descarga para aplicações em hidroelétricas. Perda reduzida de pressão levará a maior produção de geração de energia e, mesmo uma pequena redução na queda de pressão pode levar a um aumento muito grande em produção de energia durante a vida a usina.

Uma queda reduzida de pressão é também importante na distribuição de vapor ao redor de usinas elétricas e outras plantas industriais. É também importante para a operação de reações químicas onde a pressão precise ser mantida no nível mais baixo possível para aumentar a produção, incluindo processos operados sob vácuo, como na produção de olefínas por pirólise e a produção de estireno a partir de etil benzeno.

Mistura dentro dos tubos é importante em muitas indústrias, incluindo as indústrias químicas, de produtos alimentícios, farmacêuticas, e de água e óleo. Freqüentemente, é importante que uma pequena quantidade de produto químico ativo seja uniformemente distribuída em uma grande massa de outro material. Em alguns casos, isto é conhecido como dosagem. Exemplos seriam a adição de antioxidante a uma variedade de materiais e produtos alimentícios, e a adição de cloro ou álcali à água potável. A hélice de pequena amplitude, devido a despachar intrinsecamente boa mistura, pode reduzir a quantidade de produto químico ativo necessária para assegurar uma concentração suficiente para obter a finalidade desejada, e pode assegurar a ausência localmente de concentrações inaceitavelmente altas (ou baixas) de aditivos.

Mistura é também importante onde for necessário juntar duas ou mais correntes grandes de fluidos e assegurar que elas não permaneçam separadas. A mistura é ainda importante quando for benéfico reter o fluido com uma fase misturada estável (para impedir separação indesejada de fase). Isto é importante na produção de óleo cm e gás, onde a separação de gás cria incmstações que reduz a capacidade de tubulações e eleva a despesa com a operação. Sem dúvida, outro grande benefício do uso de uma geometria heficoidal de pequena amplitude em tubos ascendentes e linhas de escoamento de produção de petróleo, tubulação de produção para uso furo abaixo, e tubulações para transporte de hidrocarbonetos e outros fluídos na redução de fluxo lento. A mistura de fase melhorada é também significativa em tubulações, por tender a manter gás ou ar no fluido, em vez de ter sua coleta em pontos elevados do tubo e, possivelmente, causando bolsões de ar.

Mistura também é importante no transporte de sólidos por um líquido, como transporte de esgoto ou o transporte de minerais por tubulação em processos extrativos de minerais, para impedir que sólidos se depositem. Esta redução de sedimentação (e de precipitação de mineral e/ou hidrocarboneto) é também, significativa para tubos ascendentes e linhas de escoamento de produção de petróleo,e tubulação de produção para uso furo abaixo. Redução de sedimentação é também importante em aplicações em hidroelétricas. Em adição, em tubos ascendentes e linhas de escoamento de produção de petróleo, e tubulação de produção para uso furo abaixo, a mistura melhorada reduz o risco de escape de água.

Como um exemplo, misturadores estáticos para dosagem de produtos químicos e processamento de produtos alimentícios, produtos químicos, petroquímicos e farmacêuticos, podem usar geometria helicoidal de pequena amplitude. Os benefícios incluirão mistura cruzada, e reduzido bloqueio por sedimento ou precipitados. Em adição, como explicado acima, a geometria helicoidal de pequena amplitude terá também uma reduzida perda de pressão no misturador. Adicionalmente, uma vez que haja um lúmen com “linha de visada” ao longo da porção helicoidal de pequena amplitude, e não haver chapas ou paletas defletoras como comumente encontrado em misturadores convencionais, há uma maior facilidade de limpeza. Estes benefícios resultarão em manutenção e desgaste reduzidos.

Uma tubulação helicoidal de pequena amplitude também pode ser usada para assegurar completa mistura de componentes antes da reação. Isto assegurará que a reação ocorra mais completamente e que materiais sejam usados eficazmente. Tipicamente, isto envolvería a mistura de reagentes gasosos ou líquidos antes de passá-los sobre um catalisador. Entretanto, é especifícamente previsto que isto ser usado para misturar combustível e ar antes de passá-los para um motor de combustão interna. Isto aumentaria a eficiência do processo de combustão interna e reduziría a quantidade de combustível não queimado ou parcialmente queimado e sólidos finos passando para a atmosfera. Este último aperfeiçoamento reduziría também a demanda, e desse modo, aumentaria o desempenho do conversor catalisador a jusante de motores de combustão interna usados no transporte rodoviário.

Devido à tubulação helicoidal de pequena amplitude assegurar fluxo helicoidal (em torvelinho) dentro de tubos e gerar um perfil de velocidade más brusco,a taxa e uniformidade de transferência de calor para/de o fluido no interior do tubo pode se aumentada. Em fluxo normá, o fluido no centro do tubo move-se consideravelmente mais rápido do que o fluido próximo às paredes do tubo e, assim, caso o tubo seja aquecido, o fluido próximo às paredes será aquecido para um grau máor do que o fluido próximo ao centro do tubo.

Entretanto, como o fluxo em torvelinho tem um perfil de velocidade más brusco (e assim mais uniforme), é menos provável que partes do fluido sejam sobre ou sub-aquecidas, causando efeitos indesejados. A tubulação helicoidal de pequena amplitude permite que o mesmo calor seja transferido com uma menor temperatura diferenciá entre o lado interno e o lado externo da tubulação.

Isto pode ser particularmente benéfico quando um componente é adicionado a um fluido e tratado de águm modo (como por aquecimento). Com mistura pobre, a parte da mistura que estiver se deslocando rapidamente será subtratada, e a parte da mistura que estiver se deslocando lentamente será sobretratada; entretanto, com a muito boa mistura provida pela geometria helicoidal de pequena amplitude, isto pode se evitado, e tratamento más uniforme obtido.

Isto pode ser de sério benefício econômico em fomos, como fomos de craqueamento de olefinas, fomos de pré-aquecimento para craqueadores ou rompedores de viscosidade, trocadores de linha de transferência em plantas de olefina, trocadores de calor em usinas elétricas, dispositivos de resfriamento para unidades de refrigeração industrial, dispositivos de resfriamento para unidades de separação de ar e unidades de refrigeração geralmente. 0 perfil de velocidade brusco é também benéfico em aplicações de hidroelétricas. Turbinas tendem a funcionar melhor quando o perfil de velocidade é mais brusco e, assim, o uso de porções helicoidais de pequena amplitude em aplicações em hidroelétricas pode aumentar a eficácia desse modo, Vantagens adicionais de fluxo em torvelinho no contexto de aplicações em hidroelétricas incluem cavitação reduzida e tensões em tubo reduzidas.

Em adição, o aspecto de “êmbolo” do fluxo em torvelinho gerado pela tubulação helicoidal de pequena amplitude pode prover significativos benefícios econômicos àqueles processos que ocorrem em tubos onde a deposição de finos ou outras partículas sólidas sobre a parede interna do tubo cria uma barreira à transferência de calor, ou contamina o fluido escoando através do mesmo, ou reduz o fluxo de fluido através do tubo. Esses finos ou outras partículas sólidas podem estar presentes no fluido, ou podem ser criados por uma reação química entre os componentes do fluido. O uso de tubulação helicoidal de pequena amplitude é esperado reduzir significativamente essa deposição de sólidos sobre a parede interna do tubo, prolongando, assim sua vida operacional antes de limpeza, redução de quantidade de calor necessária, e redução de queda de pressão em comparação com o tubo sujo. Exemplos de onde estes efeitos poderíam ser economicamente significativos são o transporte de sólidos em tubulações de líquidos, e também a produção de olefmas por pirólise, onde a deposição de coque sobre o interior das serpentinas de fomo exige que sejam retirados de serviço para limpeza tipicamente, a cada 20 a 60 dias). Um efeito similar ocorre em outros fomos, como fomos de pré-aquecimento para processos de refinaria.

Além disso, o perfil de velocidade brusco e o aspecto de “êmbolo” é extremamente útil no contexto de processamento em lote, que é comum no processamento farmacêutico e de produtos alimentícios. Devido ao perfil de velocidade brusco, a dispersão axial de lotes pode ser reduzida e a concentração de pico obtida muito mais cedo do que para arranjos convencionais. Estas características são particularmente benéficas se os tamanhos dos lotes forem pequenos. Em adição, o “fluxo de êmbolo” ajuda a remover traços de um primeiro componente das paredes de tubos após a comutação para um segundo componente, que ajuda a reduzir a possibilidade de contaminação no processamento em lote. O tempo necessário para lavar o sistema pode ser pelo menos reduzido juntamente a quantidade de fluido necessária para efetuar a lavagem. O uso de tubulação helicoidal de pequena amplitude também pode ter significado econômico de material quando reações químicas ocorrem em tubulações ou tubos. A combinação de melhor mistura e transferência de calor mais uniforme aumentará a produção e encorajará a completação de reações (incluindo combustão). Produções maiores também reduzirão custos de separação a jusante. Exemplos de processos onde isto seria importante incluem produção de olefina e reações de fase gás similares, como o craqueamento de tolueno para formar benzeno, e a conversão de butadieno-1 em butadieno. Quando tais reações envolvem a produção de mais de uma molécula de produto para cada molécula de material suprido, a queda de pressão menor no reator e sua rede de tubos a jusante que pode ser obtida através do uso de tubulação helicoidal de pequena amplitude provê um benefício adicional da menor pressão média, devido a ela reduzir a possibilidade de moléculas de produto se recombinarem para formar o material de suprimento ou outros subprodutos indesejados. Em adição, o uso de geometria helicoidal de pequena amplitude em reatores para aplicações químicas, petroquímicas e farmacêuticas pode levar a menor deposição de carbono nos tubos do reator, o que é de particular importância na indústria petroquímica. A melhor mistura e transferência de calor mais uniforme também encorajarão a completação de reações de combustão sem uma grande quantidade de excesso de ar (acima da necessária pela estequiometria das reações). Isto é particularraente importante para incineradores ou fomos de descarte de água, onde é necessário assegurar completa reação para impedir produtos químicos e/ou partículas deletérias ao ambiente e saúde humana escapar para a atmosfera. Isto podería ser impedido e combustão completa assegurada pela passagem dos gases de combustão, enquanto ainda quentes, através de uma seção de tubulação formada como hélice de pequena amplitude antes de passá-los para a atmosfera. A geração de fluxo em torvelinho através do fomo aumentará a taxa e eficiência da combustão, e a remoção de refugo.

Quando com fluxos que incluem duas ou mais fases diferentes, a porção helicoidal de pequena amplitude pode ser usada ainda para separar “em linha” uma mistura de fluidos tendo densidades diferentes. O torvelinho criado pelo fluxo helicoidal tende a deslocar componentes de maior densidade da mistura em direção às paredes do tubo e componentes de menor densidade em direção à linha centra, como resultado do efeito centrifugo. Por meio de arranjos adequados, componentes de densidade maior (ou menor) podem ser removidos., deixando o componente remanescente presente na maior concentração. O processo pode ser repetido usando ainda separadores estáticos similares em linha. Esta separação pode ser usada para remover gases de líquidos, e pode, portanto, ser usada para ajudar a reduzir formação de material inerte na indústria petroquímica em particular.

Uma abordagem similar a esta pode ser usada para aumentar ou diminuir a concentração de partículas em um fluido em escoamento. Isto será obtido pela remoção do fluido da vizinhança da linha central do tubo ou de próximo às paredes do tubo.

Em adição, o fluxo em torvelinho causado pela porção helicoidal de pequena amplitude pode ser usado para remover material particulado de um fluxo. Isto é de particular importância, por exemplo, em captadores de ar. Captadores de ar são usados em um grande número de situações onde o ar seja necessário e, em particular, em veículos onde o ar é necessário para a combustão e/ou refrigeração. Captadores de ar em helicópteros, em particular, normalmente precisam de separadores de poeira, para impedir que poeira atinja o motor, mas o fluxo em torvelinho gerado pela geometria helicoidal de pequena amplitude pode ser usado para separar a poeira do fluxo de ar sem a necessidade de filtros separados.

Além disso, foi verificado que o fluxo em torvelinho causado por uma porção helicoidal de pequena amplitude continua por uma certa distância em um tubo reto a jusante da seção. Desse modo, a seção da tubulação helicoidal de pequena amplitude pode ser inserida a montante de estruturas como curvas, junções em T ou Y, tubos de distribuição, e/ou mudanças de seção transversal de tubos, onde o fluxo em torvelinho gerado pela porção helicoidal de pequena amplitude suprimiría a separação de fluxo, estagnação e instabilidade de escoamento, com o benefício de custos de bombeamento e corrosão e desgaste nos tubos. Os benefícios particulares do fluxo em torvelinho na curva, junções etc. serão separação de fluxo reduzida, levando a reduzida perda de pressão, reduzida sedimentação e precipitação, reduzida cavitação e maior estabilidade de escoamento. Tubos de geometria helicoidal de pequena amplitude posicionados antes de curvas também reduzirão erosão por particulado dentro das curvas de tubos, o que pode ser de particular benefício em relação a suprimento de combustível a usinas elétricas.

Será, desse modo, claro para alguém experiente na técnica que a tubulação com uma geometria helicoidal de pequena amplitude pode prover muitas vantagens em um grande número de situações.

REIVINDICAÇÕES

Claims (7)

1. Reator compreendendo um fomo de produção de olefina, cujo reator compreende ainda uma tubulação de reator, caracterizado pelo fato de que a tubulação de reator tem uma Unha central (40) que segue um caminho substancialmente hehcoidal, onde a amplitude (A) da hélice é igual ou menor do que metade do diâmetro interno (Di) da tubulação de modo a prover uma linha de visada ao longo do lúmen da tubulação.

2. Reator de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a tubulação tem uma seção transversal substancialmente circular e um diâmetro externo (De), cuja tubulação fica contida em um envelope imaginário (20) que se estende longitudinalmente e tem uma largura (W) igual à largura de varredura da hélice, com a largura do envelope definindo o espaço lateral ocupado pela tubulação e sendo maior do que o diâmetro externo (DE) da tubulação.

3. Reator de acordo com a reivindicação 2, caracterizado pelo feto de que o envelope tem um eixo longitudinal central (30) em tomo do qual a linha central (40) da tubulação segue um caminho helicoidal, sendo que o eixo central longitudinal é reto.

4. Reator de acordo com a reivindicação 2, caracterizado pelo fato de que o envelope tem um eixo longitudinal central (30) em tomo do qual a linha central (40) da tubulação segue um caminho helicoidal, sendo que o eixo central longitudinal é curvo.

5. Reator de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 4, caracterizado pelo fato de que a amplitude (A) da hélice é menor ou igual a 0,4 do diâmetro interno (Di) da tubulação.

6. Reator de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 5, caracterizado pelo fato de que o ângulo da hélice é menor ou igual a 55°.

7. Reator de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 6, caracterizado pelo feto de ser para a produção de olefinas por pirólise.