BRPI0720398A2 - Placa de trocador de calor secionada, módulo de fluxo secionado ou reator de placa secionado, e, método para regular a temperatura em uma placa de trocador de calor secionado - Google Patents

Placa de trocador de calor secionada, módulo de fluxo secionado ou reator de placa secionado, e, método para regular a temperatura em uma placa de trocador de calor secionado Download PDF

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BRPI0720398A2 BRPI0720398-5A2A BRPI0720398A BRPI0720398A2 BR PI0720398 A2 BRPI0720398 A2 BR PI0720398A2 BR PI0720398 A BRPI0720398 A BR PI0720398A BR PI0720398 A2 BRPI0720398 A2 BR PI0720398A2
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Description

“PLACA DE TROCADOR DE CALOR SECIONADA, MÓDULO DE FLUXO SECIONADO OU REATOR DE PLACA SECIONADO, E, MÉTODO PARA REGULAR A TEMPERATURA EM UMA PLACA DE TROCADOR DE CALOR SECIONADA”
A presente invenção refere-se a um dispositivo de fluxo secionado, tal como uma placa de trocador de calor, um reator de placa secionado ou módulo de fluxo secionado, e um método para regular a temperatura em um trocador de calor secionado, módulo de fluxo secionado ou reator de placa secionado.
A invenção
No uso de reatores contínuos, os resultados são controlados, entre outros, pela temperatura, ou seja, em certas aplicações é importante manter a temperatura em um nível apropriado por um período apropriado de tempo. Também é vantajoso ser capaz de regular a temperatura, de tal forma que diferentes etapas em uma seqüência possam ocorrer em diferentes condições de temperatura e de uma maneira controlada. Para reatores de placa ou módulos de fluxo destinados a serem utilizados em uma pluralidade de objetivos, este grau de flexibilidade é altamente desejável.
Portanto, é um objeto da presente invenção prover regulagem flexível da temperatura de um trocador de calor, módulo de fluxo ou reator de placa.
Outro objeto da presente invenção é controlar as reações exotérmicas e endotérmicas em um trocador de calor contínuo, reator de placa ou módulo de fluxo.
Ainda outro objeto é prover um trocador de calor, reator de placa ou módulo de fluxo que seja flexível.
A presente invenção propõe uma solução que tome possível, por exemplo, que uma pluralidade de reações ocorra continuamente através da injeção de vários reagentes em uma pluralidade de pontos ao longo do canal de fluxo. Controlando as reações respectivas e a formação de produtos e subprodutos, conferi-se a temperatura que está sendo controlada para impedir reações indesejadas e promover reações desejadas. As reações são, portanto, conduzidas de uma maneira controlada mediante o resfriamento e aquecimento local do fluxo de processo no canal de fluxo. Em um módulo de fluxo ou reator de placa, que possui zonas de mistura, o canal de fluxo pode operar em uma via de serpentina, que pode ser bidimensional ou tridimensional. Exemplos de canais de fluxo bidimensionais podem ser encontrados em PCT/SE2006/00118, e exemplos de canais de fluxo tridimensionais em WO 2004/045761. O canal de fluxo, por exemplo, pode ser tubular ou pode assumir a forma de uma câmara de fluxo. O canal de fluxo, de acordo com esta modalidade, pode apresentar elementos de mistura, por exemplo, elementos de mistura estáticos, que se constituem em zonas de mistura, e um exemplo desse tipo de canal de fluxo é descrito em PCT/SE 2006/001428 (SE 0502876-6).
Ao longo do canal de fluxo, podem ser tomadas amostras, produtos intermediários podem ser retirados e mais tarde devolvidos ao fluxo de processo, a temperatura pode ser monitorada ao longo do canal, etc. Os canais de fluxo, tais como os exemplificados em PCT/SE2006/00118, 20 PCT/SE2006/001428 e WO 2004/045761 são resfriados e aquecidos por zonas trocadoras de calor secionadas, que podem ser placas de trocador de calor secionadas ou placas de trocador de calor integrais situadas adjacentes às placas de reator ou às placas de fluxo. Observou-se surpreendentemente que ao alterar a direção de fluxo na placa de trocador de calor ou na placa de 25 utilidade em 90°, é possível criar uma multiplicidade de zonas que, em corrente cruzada em relação à direção principal de fluxo, dividem o fluxo de processo em zonas que podem ser zonas de temperatura diferenciadas, ou seja, cada zona tendo sua própria faixa de temperatura. Mantendo as zonas de trocador de calor a 90° em relação à direção principal de fluxo pode fazer os fluidos do trocador de calor escoarem em corrente cruzada, contracorrente ou corrente paralela em relação ao fluxo presente no canal de fluxo ou na câmara de fluxo. Os modelos de fluxo dependem parcialmente da distribuição de tamanho das zonas em relação ao canal de fluxo ou câmara de fluxo. Estas 5 zonas de trocador de calor dividem o canal de fluxo, módulo de fluxo ou reator de placa em seções que podem ser aquecidas ou resfriadas independentemente uma da outra. Portanto, a presente invenção propicia vantagens que podem ser atingidas com as novas zonas de trocador de calor secionadas, o que significa que a temperatura pode ser mais bem regulada e 10 controlada, e o rendimento de processo e a qualidade de produto podem assim ser aperfeiçoados.
Com a presente invenção, a flexibilidade pode ser aumentada pela possibilidade de diferentes seções da placa de trocador de calor, módulo de fluxo ou reator de placa serem usadas com diferentes fluidos de trocador 15 de calor, tomando possível aumentar a faixa de temperatura disponível. Mediante flexibilidade aumentada, é possível recuperar calor entre as várias zonas secionadas, pois, por exemplo, os fluidos de trocador de calor podem ser circulados novamente em ordem, por exemplo, para recuperar calor de, por exemplo, uma seção de resfriamento, ou vice-versa. Uma faixa de 20 temperatura mais ampla disponível toma possível alterar os tempos de reação por velocidade de fluxo de processo aumentada, etc.
Os objetos acima mencionados e outros são atingidos, de acordo com a invenção, tendo a placa de trocador de calor, módulo de fluxo secionado ou reator de placa secionado descritos na introdução 25 compreendendo uma ou mais seções de trocador de calor e uma ou mais válvulas de regulagem, cujas válvulas de regulagem são conectadas na entrada de cada seção de trocador de calor, ou na saída de cada seção de trocador de calor, ou na entrada e saída de cada seção de trocador de calor, cada trocador de calor estando em um ângulo de 90° em relação a uma direção principal de fluxo para um fluxo de processo em dita placa de trocador de calor secionada, em relação a uma direção principal de um fluxo de processo em dito módulo de fluxo secionado, ou em relação a uma direção principal de um fluxo de processo em dito reator de placa secionado.
5 A placa de trocador de calor secionada pode ser empilhada e
conectada em uma placa de fluxo similar ou placa de reator para formar várias zonas de temperatura do canal de fluxo. As zonas de trocador de calor secionadas no módulo de fluxo ou reator de placa também podem dividir o canal de fluxo ou canal de reator em várias zonas de temperatura mediante o 10 uso de placas de trocador de calor para separar as placas no módulo de fluxo ou reator de placa, de forma que todas as placas onde o canal de fluxo opera se constituam em uma zona de temperatura, e outra placa completa se constitua em outra zona de temperatura. Para prover regulagem do fluxo nas zonas de trocador de calor, ou a entrada ou a saída de cada zona de trocador 15 de calor é conectada em uma válvula, que regula o fluxo através de cada zona de trocador de calor, o que significa que cada zona tem seu fluxo individual regulado em relação à temperatura e ao fluido de trocador de calor usado na respectiva zona de trocador de calor.
Para controlar o fluxo de fluidos de trocador de calor ou a 20 temperatura na zona, pelo menos uma unidade de controle pode ser conectada nas unidades de sensor ou termopares, por exemplo, para registrar a temperatura no fluxo de processo, e as válvulas podem ser conectadas nas unidades de controle ou unidades, cujas unidades controlam cada válvula. A medição da temperatura pode ser mediante, por exemplo, termopares ou 25 sensores, por exemplo, sensores químicos. Os sensores podem dar um valor de temperatura, mas outros parâmetros também podem ser medidos ou registrados por meio de sensores. O processo pode assim ser monitorado e/ou medido, resultando em valores medidos que podem servir como uma base para controle do processo, regulando-se o efeito ótimo dos fluidos de trocador de calor. Estes termopares ou sensores podem ser providos na entrada de cada seção de trocador de calor, ou na saída de cada seção de trocador de calor, ou na entrada e saída de cada seção de trocador de calor, em um ou mais canais de fluxo presente em dita placa de fluxo, dito módulo de fluxo secionado ou 5 dito reator de placa secionado, ou os termopares ou sensores podem ficar situados no lado de saída das válvulas de regulagem, ou combinações dos mesmos.
De acordo com uma modalidade alternativa da invenção, um termopar ou um sensor é provido na saída do canal de fluxo em cada placa ou seção. As informações provenientes do termopar ou sensor então controlam a válvula de fluxo conectada ao canal de fluxo, cuja válvula regula então o fluxo. O fluxo do trocador de calor também pode ser regulado por válvulas de regulagem individuais, por exemplo, válvulas moduladoras, válvulas de solenóide, válvulas de diafragma, válvulas de ação direta, válvulas termostáticas ou válvulas borboleta rotativas de setor esférico. Certas reações requerem uma rápida regulagem de fluxos para impedir que a seqüência de reação seja afetada pelo resfriamento atrasado através do material, por exemplo, em uma seqüência exotérmica, o objetivo sendo impedir dano, etc., onde pode ser vantajoso aplicar regulagem por válvulas controladas por ímã. No caso de reações endotérmicas, outras válvulas podem ser vantajosas, onde estas reações requerem calor.
As válvulas são controladas pela temperatura medida na entrada ou na saída, antes da válvula, ou após a válvula, ou em uma pluralidade de pontos, dependendo do tipo de reação e das condições de 25 reação que ocorrem no método químico específico ou o processo. O resultado da medição é convertido em um sinal de medição. O sinal de medição então pode ser registrado, modulado, controlado, etc., para controlar as válvulas conectadas. O sinal de medição pode ser convertido em um sinal de frequência, que pode ser modulado para prover regulagem de pulso por frequência modulada. Esta regulagem de pulso por frequência modulada pode ser vantajosa onde ocorre inércia térmica. Pode haver este tipo de inércia na unidade de trocador de calor ou no lado mediano do trocador de calor, ou ambos, e no módulo de fluxo ou reator de placa. A regulagem de pulso por 5 frequência modulada toma possível usar válvulas de um tipo “liga/desliga” para modular regulagem. As válvulas podem ser válvulas de regulagem, que podem ser selecionadas a partir do grupo de válvulas que compreendem válvulas moduladoras, válvulas de solenóide, válvulas diafragma, válvulas de ação direta, válvulas termostáticas e válvulas borboleta rotativas de setor 10 esférico.
A presente invenção refere-se também a um método para regular a temperatura em um módulo de fluxo ou reator de placa, em que o módulo de fluxo ou reator de placa compreende uma ou mais zonas de trocador de calor secionadas, e o método compreende o registro da 15 temperatura no fluxo de processo por meio de termopares ou sensores, por exemplo, sensores químicos, a modulagem dos sinais registrados a partir dos sensores ou termopares, e o controle das válvulas conectadas nos fluidos do permutador de calor. O método de acordo com a invenção também pode compreender entrada de reagentes no fluxo de processo em pelo menos uma 20 entrada ao longo do canal de fluxo, cujo fluxo de processo opera em corrente cruzada, contracorrente ou corrente paralela em relação aos fluidos do trocador de calor nas placas de trocador de calor secionadas, com registro da temperatura após a introdução de reagentes. O método de acordo com a invenção também pode compreender a possibilidade de as seções de trocador 25 de calor estarem em um ângulo de 90° em relação a uma direção principal de fluxo para um fluxo de processo em pelo menos uma placa de fluxo, ou em relação a uma direção principal de fluxo para um fluxo de processo em dito módulo de fluxo secionado, ou em relação a uma direção principal de fluxo para um fluxo de processo em dito reator de placa secionado. O método também pode compreender registro da temperatura após a introdução de reagentes.
Modalidades preferidas da presente invenção são descritas abaixo em pormenores com referência aos desenhos esquemáticos anexos, que ilustram somente os aspectos necessários para entendimento da invenção. Breve Descrição dos desenhos
A fig. 1 é uma placa de trocador de calor secionada de acordo com a invenção, como vista a partir de cima.
A fig. 2 é um módulo de fluxo secionado ou reator de placa, como visto desde a lateral, em uma modalidade alternativa de acordo com a invenção.
A fig. 3 é uma regulagem pulsada da temperatura de acordo com o presente método.
A fig. 4 é uma modalidade adicional da presente invenção.
A fig. 5 é um diagrama de temperatura/tempo para a
modalidade ilustrada na fig. 4.
Descrição Detalhada dos Desenhos
A fig. 1 descreve uma placa de trocador de calor secionada de acordo com uma modalidade, de acordo com a presente invenção. O diagrama 20 ilustra a placa de trocador de calor como vista a partir de cima, que é dividida em uma pluralidade de seções paralelas. O fluxo na placa de trocador de calor, de acordo com esta modalidade, ocorre em um ângulo de 90° em relação ao fluxo principal do processo, nesta figura está representado por uma grande seta cinza. Em cada seção, os fluidos do trocador de calor podem 25 escoar em corrente cruzada, corrente paralela ou contracorrente em relação ao fluxo no canal de fluxo, que fica sobre a placa de fluxo ou placa de reator, mas o fluxo total ou fluxo principal do processo escoa em corrente cruzada. Os fluidos de trocador de calor são colocados em cada seção 1 através das respectivas entradas 2. Os fluidos de trocador de calor possuem, de acordo com esta modalidade, a mesma temperatura de entrada. Para diferenciação da temperatura de entrada em várias seções, é necessário que os fluidos sejam tirados de diferentes fontes, a diferentes temperaturas, que não estão ilustrados na fig. 1, mas se a entrada combinada 6, ao contrário, é substituída 5 pelas entradas separadas 2 e as últimas são conectadas separadamente em diferentes meios ou diferentes fontes de fluidos de trocador de calor, que estão a diferentes temperaturas, uma diferenciação da temperatura de entrada pode ser provida entre as diferentes seções na placa de trocador de calor secionada. Outra maneira de diferenciar a temperatura nas várias seções é 10 regular os fluxos nas várias seções, que podem se efetuado por meio das válvulas 5 situadas, ou antes das entradas 2, ou após as saídas 3 (na fig. 1 as válvulas estão situadas após as saídas 3). As saídas 3 podem ser conectadas em um distribuidor 7, onde os fluidos de trocador de calor são juntados, mas é possível fazer as saídas 3 chegarem a alguma entrada para permuta de calor 15 adicional, por exemplo, em outra zona do trocador de calor, onde possa ser utilizado calor remanescente.
A fig. 2 ilustra uma modalidade alternativa de acordo com a presente invenção, mostrando um reator ou módulo de fluxo. O fluxo nas placas de trocador de calor de acordo com esta modalidade está em um ângulo 20 de 90° em relação ao fluxo principal do processo, nesta figura representado por duas setas pretas pequenas (de entrada e saída) em cada lado do módulo ou reator. Este diagrama ilustra um módulo de fluxo ou reator de placa que possui entre cada placa de fluxo 8 ou placa de reator 8 uma ou mais placas de trocador de calor 1, que pode ser secionada ou não-secionada. O módulo de 25 fluxo ou reator de placa é visto a partir da lateral. De acordo com esta modalidade, duas placas de trocador de calor 1 são separadas por uma placa isolante 9. A fig. 2 mostra ainda como as válvulas 5 podem ficar situadas ou no lado de entrada, ou no lado de saída das placas de trocador de calor. De acordo com a modalidade da fig. 2, as placas de trocador de calor são secionadas por pelo menos uma válvula 5 estando conectadas a cada placa para regular o meio do trocador de calor. Os termopares 10 podem ser conectados ou após as válvulas 5, após a saída para o meio de trocador de calor, ou antes da saída no trocador de calor, ou os termopares 10 podem ser 5 providos tanto na saída do trocador de calor como no lado de saída da válvula (somente a provisão de termopares 10 no lado de saída das válvulas é ilustrada na fig. 2). A temperatura registrada pelos termopares controla então as válvulas que regulam o fluxo através dos respectivos trocadores de calor, tomando possível assim prover regulagem de pulso, que pode ser tal que a 10 temperatura varia dentro de uma faixa, ou tal que a temperatura uniforme continuamente é mantida.
A fig. 3 ilustra um diagrama tempo/temperatura para um método, em que a temperatura é regulada. A regulagem da temperatura é baseada em um sinal de medição provendo informações sobre se a 15 temperatura no ponto de medição subiu ou desceu a partir da temperatura predeterminada, e o processamento deste tipo de sinal leva a um sinal sendo enviado para a válvula reguladora ou válvulas, de modo que o fluxo é regulado pela última sendo aberta para obtenção de um fluxo maior ou constringida para obtenção de um fluxo menor. Uma vez que as reações 20 químicas não ocorrem uniformemente, o fluxo dos meios de trocador de calor irá variar de acordo com as medições que são feitas continuamente, a fim de atingir um efeito de temperatura tão vantajoso quanto for possível no fluxo de reação.
De acordo com a modalidade da fig. 4, um centro de 25 regulagem (RC no diagrama) usa valores medidos a partir de termopares situados tanto na entrada como na saída do canal de fluxo de cada seção SI, S2, S3 e S4, e na entrada e saída dos fluidos de trocador de calor a partir de cada seção. O diagrama mostra somente as temperaturas medidas por termopares (T no diagrama). O registro no centro de regulagem também pode ser baseado em valores provenientes de sensores que medem diretamente ou indiretamente os resultados de processo, ou seja, as porções da reação ou reações laterais que são usadas para controlar o processo. A regulagem de acordo com a modalidade ilustrada na fig. 4 pode ser usada ainda tanto para 5 iniciar e interromper reações em diferentes seções e para controlar as reações. Sendo possível misturar fluidos de trocador de calor quentes e frios (VV e KV respectivamente no diagrama), toma possível atingir flexibilidade tanto em função reguladora como em design de planta. Esta flexibilidade toma possível adaptar a permuta de calor a diferentes processos, mas também ao trocador de 10 calor, módulo de fluxo ou reator usados.
A fig. 5 ilustra um diagrama de temperatura/tempo para um método de acordo com a modalidade ilustrada na fig. 4, em que uma pluralidade de temperaturas é medida e regulada. As temperaturas medidas podem ser as temperaturas de entrada e saída do meio de processo a partir de 15 uma ou mais seções e, por exemplo, a temperatura de entrada dos fluidos de trocador de calor. As temperaturas de fluidos entrando e saindo do trocador de calor e dos meios de processo podem ser reguladas também para cobrirem funções de segurança, por exemplo, impedir ebulição na lateral do trocador de calor.

Claims (13)

1. Placa de trocador de calor secionada, caracterizada pelo fato de compreender entradas e saídas para um ou mais fluidos de trocador de calor, válvulas reguladoras, termopares e/ou sensores, cuja placa de trocador de calor é dividida em seções de trocador de calor, cada seção de trocador de calor tendo uma válvula reguladora conectada a sua entrada para regulagem dos fluidos de trocador de calor, e tendo um termopar e/ou um sensor conectado na sua entrada ou saída, ou no fluxo de processo, cujo termopar ou sensor envia sinais que controla a válvula reguladora na saída da seção de trocador de calor, cada seção de trocador de calor estando a um ângulo de 90° em relação a uma direção principal de fluxo para um fluxo de processo em um canal de fluxo de serpentina, cujo canal de fluxo está localizado sobre/em uma placa de reator.
2. Placa de trocador de calor secionada de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de que as válvulas reguladoras são selecionadas a partir de um grupo de válvulas que compreende válvulas moduladoras, válvulas de solenóide, válvulas de diafragma, válvulas de ação direta, válvulas termostáticas e válvulas borboleta rotativas de setor esférico.
3. Placa de trocador de calor secionada de acordo com a reivindicação 1 ou reivindicação 2, caracterizada pelo fato de que cada seção de trocador de calor é situada de tal forma que os fluidos de trocador de calor escoam em corrente cruzada, corrente paralela ou contracorrente ou combinações de corrente cruzada, corrente paralela ou contracorrente, dependendo do tamanho das seções de trocador de calor, em relação a um fluxo de processo em um canal de fluxo de serpentina, cujo canal de fluxo está localizado sobre/em uma placa de fluxo ou sobre/em uma placa de reator.
4. Placa de trocador de calor secionada de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes, caracterizada pelo fato de que as válvulas reguladoras são conectadas em uma ou mais entradas sobre a placa de trocador de calor secionada.
5. Placa de trocador de calor secionada de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes, caracterizada pelo fato de que as seções de trocador de calor possuem o mesmo fluido de trocador de calor, ou as seções de trocador de calor possuem fluidos de trocador de calor diferentes.
6. Placa de trocador de calor secionada de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes, caracterizada pelo fato de que a placa de trocador de calor secionada faz parte de um módulo de fluxo ou um reator de placa, e o módulo de fluxo ou reator de placa compreende ainda placas de fluxo e/ou placas de reator.
7. Módulo de fluxo secionado ou reator de placa secionado caracterizado pelo fato de compreender pelo menos uma placa de trocador de calor secionada de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 5 e pelo menos uma placa de fluxo, e/ou pelo menos uma placa de reator, que é/são empilhadas entre as placas de trocador de calor secionadas ou entre as placas de trocador de calor secionadas e as placas de trocador de calor não secionadas.
8. Módulo de fluxo secionado ou reator de placa secionado compreendendo uma pluralidade de placas de trocador de calor que possuem entradas e saídas para fluidos de trocador de calor, e que compreende ainda válvulas reguladoras, termopares e/ou sensores, caracterizado pelo fato de que as placas de trocador de calor constituem-se em seções de trocador de calor, cada seção de trocador de calor tendo uma válvula reguladora conectada na sua saída para regular os fluidos de trocador de calor, e tendo um termopar ou um sensor conectado na sua entrada ou saída, ou no fluxo de processo, cujo termopar ou sensor envia sinais que controlam a válvula reguladora na saída da seção de trocador de calor, cada seção de trocador de calor estando em um ângulo de 90° em relação a uma direção principal de fluxo para um fluxo de processo em pelo menos uma placa de fluxo, e/ou em relação a uma direção principal de fluxo para um fluxo de processo em pelo menos uma placa de reator, cujas placas de fluxo ou placas de reator apresentam um canal de fluxo de serpentina para fluidos.
9. Método para regular a temperatura em uma placa de trocador de calor secionada de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 6, caracterizado pelo fato de que os termopares e/ou sensores registram a temperatura de fluidos de trocador de calor na entrada ou saída da seção de trocador de calor ou no fluxo de processo, e sinais de medição são enviados a partir dos termopares ou sensores, cujos sinais de medição são modulados e então controlam o fluxo através das válvulas reguladoras nas saídas das seções de trocador de calor.
10. Método para regular a temperatura em um módulo de fluxo secionado ou reator de placa secionado de acordo com a reivindicação 7 ou reivindicação 8, caracterizado pelo fato de que os termopares e/ou sensores registram a temperatura de fluidos de trocador de calor na entrada ou saída da seção de trocador de calor ou no fluxo de processo, e sinais de medição são enviados a partir de termopares ou sensores, cujos sinais de medição são modulados e então controlam o fluxo através das válvulas reguladoras na saída das seções de trocador de calor.
11. Método de acordo com a reivindicação 9 ou reivindicação10, caracterizado pelo fato de que a adição de reagentes no fluxo de processo ocorre em pelo menos uma entrada ao longo do canal de fluxo, cujo fluxo de processo corre em corrente cruzada, contracorrente ou corrente paralela em relação aos fluidos de trocador de calor presentes nas placas de trocador de calor secionadas, com registro da temperatura após a adição dos reagentes.
12.Método de acordo com qualquer uma das reivindicações 9,10 ou 11, caracterizado pelo fato de que os fluidos de trocador de calor circulam novamente por outra seção de trocador de calor para recuperação de calor a partir de uma seção de resfriamento, ou recuperação de frio a partir de uma seção de aquecimento.
13. Método de acordo com qualquer uma das reivindicações 9, 10, 11 ou 12, caracterizado pelo fato de que os sinais de medição são convertidos em um sinal de frequência que é modulado para prover regulagem de pulso por frequência modulada das válvulas reguladoras, de forma que é criado um fluxo de fluido pulsante.
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