ES2202691T3

ES2202691T3 - Intercambiador de calor sin congelacion.

Info

Publication number: ES2202691T3
Application number: ES98108183T
Authority: ES
Inventors: Alan Tat Yan Cheng; Donald Leonard De Vack
Original assignee: Praxair Technology Inc
Current assignee: Praxair Technology Inc
Priority date: 1997-05-07
Filing date: 1998-05-05
Publication date: 2004-04-01
Anticipated expiration: 2018-05-05
Also published as: EP0915311B1; EP0915311A1; DE69818394T2; BR9801584A; DE69818394D1; US5937656A

Abstract

SE DESCRIBE UNA UNIDAD DE TERMOINTERCAMBIADOR QUE TIENE UN ALOJAMIENTO DENTRO DEL CUAL SE INTRODUCE UN LIQUIDO CRIOGENICO, Y SE LE PERMITE EVAPORARSE Y VAPORIZARSE CONVIRTIENDOSE EN GAS FRIO CRIOGENICO. POR EL TERMOINTERCAMBIADOR FLUYE UN FLUIDO DE PROCESO QUE DEBE ENFRIARSE, Y EL INTERCAMBIO TERMICO QUE ENFRIA EL FLUIDO DE PROCESO TIENE LUGAR ENTRE EL GAS FRIO Y EL TERMOINTERCAMBIADOR, SIN ESTABLECER CONTACTO DIRECTOR ENTRE EL LIQUIDO CRIOGENICO Y EL TERMOINTERCAMBIADOR, QUE PROVOCARIA CONGELACION. LA CAPACIDAD DE REFRIGERACION DEL GAS FRIO CRIOGENICO SE RELLENA POR CONTACTO DE INTERCAMBIO TERMICO CON EL LIQUIDO CRIOGENICO EN EVAPORACION.

Description

Intercambiador de calor sin congelación.

Campo de la invención

La invención se refiere a una unidad de intercambiador de calor de acuerdo con el preámbulo de la reivindicación 1. Un intercambiador de calor de este tipo se conoce a partir de los documentos JP-A-06 159596 y JP-A-02242090.

Antecedentes de la invención

Los líquidos criogénicos, tales como el nitrógeno líquido, se han usado con éxito en cierto número de operaciones de congelación a baja temperatura, tales como la congelación de alimentos o materiales biológicos. En teoría, se ha reconocido que ciertos procesos químicos y farmacéuticos podrían también beneficiarse del enfriamiento criogénico debido a las bajas temperaturas y a la elevada fuerza de accionamiento que permiten los líquidos criogénicos. Sin embargo, el uso de líquidos criogénicos en procesos químicos a baja temperatura ha estado limitado debido a que la baja temperatura y elevada fuerza de accionamiento pueden originar la congelación del fluido de proceso. La congelación del fluido de proceso en operaciones químicas es no deseable y puede resultar peligrosa, especialmente si se utiliza la refrigeración para controlar reacciones exotérmicas.

Un intento convencional de evitar el problema de la congelación del fluido de proceso es diseñar un intercambiador de calor de envolvente y tubo sobredimensionado. Un fluido de transferencia de calor o reactante es bombeado en el lado de tubo a una alta velocidad. Un líquido criogénico, tal como el nitrógeno líquido, es rociado o inundado sobre el lado de envolvente del intercambiador de calor. En este tipo de intercambiador de calor se producirá la congelación del fluido de transferencia de calor conforme el nitrógeno líquido descarga su calor latente de vaporización sobre las superficies metálicas del tubo y de la carcasa. Cuando el hielo comienza a crecer y a propagarse, la superficie de transferencia de calor perderá su conductividad térmica. El resultado es bien una pérdida rápida de la capacidad de transferencia de calor o bien una congelación total del contenido completo del intercambiador de calor. Una vez producida la congelación, la unidad debe ser desescarchada antes de que se pueda volver a poner en servicio. Para las reacciones químicas o en forma más general, para las aplicaciones de transferencia de calor que requieren un tiempo de paso de tanda muy corto (del orden, por ejemplo, de 10 a 15 minutos), un intercambiador de calor sobredimensionado puede ofrecer una solución, porque puede seguir en funcionamiento durante un tiempo limitado antes de perder su capacidad de proporcionar una transferencia de calor eficaz. Pero si el tiempo de paso por tanda es significativamente más largo (por ejemplo 1 hora) el sobredimensionamiento del intercambiador de calor necesita ya ser de 4 a 6 veces mayor para lograr el mismo resultado (refrigerar el fluido de proceso) sin congelación, lo cual se añade prohibitivamente al coste.

Otro enfoque convencional es mezclar el nitrógeno líquido con nitrógeno gaseoso a temperatura ambiente para reducir la fuerza de accionamiento y producir un gas criogénico a una temperatura más alta que la temperatura de condensación (-320ºF, 77,6 K) para el nitrógeno a una presión de 1 atm, puesto que el gas frío criogénico puede mantenerse tan caliente como sea necesario para evitar el problema de la congelación. En este enfoque, sin embargo, se pierde todo el calor latente de vaporización en el proceso de mezclado. Además, la tasa de consumo de nitrógeno es normalmente demasiado elevada para ser económicamente aceptable. En otras palabras, debido a la baja fuerza de accionamiento y a la no disponibilidad del cambio de fase (vaporización), se necesita una cantidad de nitrógeno inaceptablemente elevada para realizar la operación de enfriamiento sin congelación. Además, la mezcla de gas frío perderá su calor sensible muy rápidamente debido a su baja capacidad térmica, lo cual la hace inaceptable para muchas aplicaciones de intercambio de calor.

Otros sistemas de la técnica anterior han mezclado gas criogénico usado con el líquido criogénico que llega para proporcionar una mezcla resultante de gas frío criogénico. Sin embargo, sólo el componente de calor sensible del gas frío criogénico contribuye a la refrigeración. Como resultado, la mezcla pierde su capacidad de refrigeración muy rápidamente (como era el caso cuando se mezclaba líquido criogénico con gas a temperatura ambiente, descrito anteriormente) y se hace muy difícil un enfriamiento uniforme. También, el gran volumen de gas (causado por la combinación del nitrógeno líquido que se evapora y del gas criogénico usado añadido) origina una caída de presión excesiva y aumenta el coste de funcionamiento.

Objetos de la invención

Por tanto, es un objeto de la invención proporcionar una unidad de intercambiador de calor para un fluido de proceso que funciona con un líquido criogénico pero que no origina la congelación del fluido de proceso, y es de funcionamiento económico.

Breve descripción de los dibujos

La Fig. 1 es un diagrama esquemático de una unidad de intercambiador de calor que no forma parte de la invención;

la Fig. 2 es un gráfico que muestra las eficiencias de proceso en una unidad de intercambiador de calor del tipo de la Fig. 1;

la Fig. 3 es un diagrama esquemático de otra unidad de intercambiador de calor que no forma parte de la invención; y

la Fig. 4 es un diagrama esquemático de una unidad de intercambiador de calor de paso múltiple de acuerdo con la invención.

Breve descripción de la invención

La mayor parte de la congelación se produce porque el líquido criogénico hierve (se vaporiza) y descarga su calor latente de vaporización rápidamente cuando se pone en contacto con una superficie más caliente, tal como la pared de un intercambiador de calor. El calor latente de vaporización corresponde a más de la mitad de toda la refrigeración disponible de un líquido criogénico. Por tanto, una sección muy pequeña de la superficie más caliente puede volverse extremadamente fría con mucha rapidez durante el contacto inicial con el nitrógeno líquido que iniciará el proceso de congelación. Además, tanto el coeficiente de transferencia de calor como el calor específico del nitrógeno líquido son cientos de veces superiores al del gas nitrógeno frío criogénico que efectúa una transferencia de calor eficiente pero contribuye al problema de congelación. Así, las mismas propiedades de los líquidos criogénicos que contribuyen a la eficiencia en la transferencia de calor contribuyen también al problema de congelación del fluido de

\hbox{proceso.}

La presente invención evita el contacto directo entre el conducto que contiene el fluido de proceso y el líquido criogénico, evitando de esta manera la congelación del fluido de proceso. Además, la presente invención compensa el pobre coeficiente de transferencia de calor del gas frío (en el enfriamiento del líquido de proceso) manteniendo el gas frío a una temperatura baja (a través del contacto con el conducto que contiene el líquido criogénico) y manteniendo por tanto una buena fuerza de accionamiento y una buena tasa de transferencia de calor.

La presente invención proporciona una unidad de intercambiador de calor en la cual no existe contacto directo del líquido criogénico, por ejemplo nitrógeno líquido, con la superficie (habitualmente metálica) del conducto en el cual fluye el fluido de proceso. Esto evita que el intercambiador de calor se congele. Para lograr esto, la invención proporciona una unidad de transferencia de calor en la cual se hace hervir al líquido criogénico previamente a entrar en contacto con la superficie del intercambiador de calor correspondiente al fluido de proceso. El líquido criogénico se vaporiza en forma de un gas frío, de forma que es el gas frío, y no el líquido criogénico, el que media en el intercambio de calor con el fluido de proceso. De esta forma, la superficie de cualquier componente del equipo, tal como un tubo de intercambiador de calor, que contiene el fluido de proceso, entra sólo en contacto con el gas frío criogénico vaporizado, y no con el propio líquido criogénico. Puesto que el fluido de proceso tiene una capacidad térmica muy superior por unidad de volumen a la del gas criogénico, el fluido de proceso puede absorber, y de hecho absorbe, todo el calor sensible del gas frío criogénico sin congelarse.

La invención proporciona un intercambiador de calor de acuerdo con la reivindicación 1.

Descripción detallada de la invención

A lo largo de la presente memoria descriptiva, el uso de las palabras "vertical" y "horizontal" y derivados de las mismas es meramente descriptivo y no pretende constituir una limitación del aparato y del procedimiento de la presente invención. Además, aunque la presente invención se describe esencialmente en términos de modelos de flujo a contracorriente, no está limitada a tales modelos, aunque éstos son preferidos.

Haciendo referencia a la Figura 1, la unidad de intercambiador de calor 10 tiene una carcasa 14 de cualquier tamaño y forma adecuados, siendo típica una forma cilíndrica. El exterior de la carcasa 14 está aislado preferiblemente con cualquier material adecuado. Dentro de la carcasa se encuentra un tubo 18 que se extiende verticalmente con una forma y diámetro adecuados, que sirve como un evaporador. Esto es, el evaporador 18 recibe un refrigerante líquido criogénico, tal como nitrógeno líquido, a partir de una fuente exterior (no representada) por medio de una línea 20 hasta una entrada 22 situada en su extremo inferior. El líquido criogénico hierve (se calienta) conforme se desplaza hacia arriba a través del evaporador y se vaporiza para producir un gas frío que sale por el extremo superior del evaporador dentro de la carcasa. El extremo superior del evaporador (opcionalmente) tiene en su salida una válvula de flotador 26, cuya función se describe a continuación.

También dentro de la carcasa 14 se encuentra un par de tubos 30a y 30b de intercambiador de calor que se extienden verticalmente cuyos extremos inferiores están conectados por una sección de tubería 32 situada en la parte inferior de la carcasa. Aunque sólo se muestran dos tubos de intercambiador de calor en la figura ilustrada, se pueden usar tubos adicionales. Cada uno de los tubos 30 de intercambiador de calor tiene aletas 33 que se extienden horizontalmente a través de su longitud para mejorar la función de intercambio de calor. El fluido de proceso caliente que se debe enfriar se suministra a partir de una fuente (no representada) a través de una línea de alimentación 34 al extremo superior del tubo 30b del intercambiador de calor. El fluido de proceso puede ser bien un líquido o bien un gas, siendo un líquido la aplicación más común. El líquido de proceso fluye hacia abajo en el tubo 30b, a través de la tubería 32, hacia arriba a través del tubo 30a del intercambiador de calor y sale desde el extremo superior 36 del tubo 30a como un líquido enfriado.

Un separador 38 que se extiende verticalmente está suspendido desde la parte superior de la carcasa 14 situada entre el evaporador 18 que lleva el líquido criogénico y el tubo 30b del intercambiador de calor para dividir el interior de la carcasa en dos secciones, designadas como I y II. La finalidad del separador se describe a continuación. En la Sección I, se extiende horizontalmente una serie de deflectores 39a, es decir, transversalmente al evaporador 18 y al tubo 30a del intercambiador de calor, dentro de la sección I de la carcasa desde el separador 38 hacia la pared interior de la carcasa 14, pero terminando antes de llegar a ésta. También se extienden deflectores horizontales 39b adicionales dentro de la sección I de la carcasa desde la pared interior de la carcasa hacia el separador 38, pero terminando antes de llegar al mismo. Los deflectores 39a y 39b se alternan formando un camino de flujo obstruido, de tipo serpentín, tal como se indica mediante las flechas A, desde la parte superior a la inferior de la sección I de la carcasa.

Todos los componentes de la unidad de intercambiador de calor dentro de la carcasa 14 son de materiales que resultan adecuados para los tipos de líquidos que se procesan y que pueden resistir las temperaturas de proceso del líquido criogénico y del gas frío. Los componentes metálicos, tales como los tubos 30 del intercambiador de calor, se seleccionan y construyen de forma que tengan una buena capacidad de intercambio de calor.

En el sistema de la Fig. 1, el líquido criogénico es introducido desde el conducto 20 a la entrada 22 del evaporador 18. Conforme el líquido se desplaza hacia arriba en el evaporador 18, hierve y se vaporiza y sale desde el extremo superior 26 del vaporizador como un gas frío, en este caso nitrógeno frío. El gas frío que abandona la parte superior del evaporador 18 se desplaza, como se indica por las flechas A, hacia abajo en una dirección a contracorriente del líquido criogénico que fluye hacia arriba en el evaporador. El gas frío fluye tanto hacia abajo como en una dirección de flujo transversal alrededor de los deflectores 39.

En caso de interrupción del proceso, esto es, en el caso de que la presión en la carcasa 14 se haga superior a la presión del líquido criogénico y del vapor en el evaporador 18, el flotador 26 situado en la parte superior del evaporador retendrá el líquido criogénico sin que escape del evaporador e inunde la carcasa del intercambiador de calor.

En la sección I de la carcasa, el fluido de proceso que fluye por el tubo aleteado 30a del intercambiador de calor recogerá refrigeración desde (transferirá calor a) el gas nitrógeno frío que fluye en la carcasa con un flujo a contracorriente respecto al fluido de proceso. La capacidad de calor del gas frío criogénico es pequeña (comparada con la del fluido de proceso) y por tanto el gas frío tenderá a calentarse rápidamente. Sin embargo, los deflectores 39 fuerzan al gas frío que fluye hacia abajo a recoger refrigeración adicional, durante su modelo de flujo a contracorriente, directamente del evaporador 18 frío. También los deflectores aumentan el tiempo de desplazamiento del gas frío en la carcasa y prolongan el contacto con el evaporador frío. Esto sirve no sólo para mantener la temperatura y el valor de refrigeración del gas frío, sino que también calienta el tubo 18 del evaporador y origina que hierva el líquido criogénico dentro del tubo 18. Así se mantiene la temperatura baja del gas frío y su temperatura disminuye lineal y lentamente conforme el gas frío se desplaza hacia abajo en la carcasa de la unidad de intercambiador de calor, de forma que es posible con facilidad mantener una \DeltaT sustancial entre el gas frío y el fluido de proceso, es decir, una \DeltaT mayor del 50% de la \DeltaT inicial (y preferiblemente al menos del 80% o del 90% de la \DeltaT inicial) a través de la porción de transferencia de calor gemela (gas frío-a-fluido de proceso y líquido criogénico-a-gas frío) del proceso de transferencia de calor (por ejemplo en la Sección I de la Fig. 1). Esto da lugar a una tasa de transferencia de calor sustancialmente constante entre el fluido de proceso y el gas frío a través de la Sección I. De esta forma, en un aspecto el presente procedimiento permite que se realice la transferencia de calor con una elevada eficiencia (habitualmente ausente en los procedimientos en los cuales el refrigerante es un gas frío, debido a la baja capacidad de calor de las sustancias gaseosas).

El gas frío sirve como un fluido intermedio de transferencia de calor entre el líquido criogénico del evaporador 18 y el fluido de proceso del tubo 30a del intercambiador de calor, evitando que se congele el fluido de proceso.

Típicamente, el gas frío criogénico, que se desplaza hacia abajo hasta el fondo de la Sección I de la carcasa del intercambiador de calor, permanecerá muy frío, por ejemplo a -195ºC, cuando se usa nitrógeno líquido como líquido criogénico y por tanto se usa gas nitrógeno como gas frío.

Los deflectores 39 originan que el gas frío fluya en un camino de serpentín y en la misma dirección general que la disposición de las aletas horizontales 33 del tubo 30 de intercambiador de calor. Esto mejora el intercambio de calor, puesto que existe un aumento de la superficie de contacto entre el gas frío y las aletas 33. Las aletas 33 del intercambiador de calor se usan para reducir la longitud de tubería, puesto que la fuerza de accionamiento del refrigerante se ha reducido mediante la utilización del gas frío criogénico más caliente en vez del líquido criogénico más frío.

El intercambiador de calor de la Fig. 1 mantiene la temperatura del gas frío criogénico y la carga de refrigeración (calor sensible) que proporciona una tasa de transferencia de calor elevada. Sin embargo, es todavía más atractivo económicamente si el gas frío en el extremo de la etapa de intercambio de calor gemela (sección I) no se purga a su temperatura baja, sino que se utiliza para preenfriar el fluido de proceso.

El gas frío en el extremo inferior de la carcasa 14 fluye por debajo del deflector 39 inferior y alrededor del extremo inferior del separador 38 dentro de la sección II en la cual tiene lugar el preenfriamiento del fluido de proceso. El gas frío procedente de la sección I fluye hacia arriba en la sección II de la carcasa según un flujo a contracorriente respecto al flujo hacia abajo del fluido de proceso caliente que entra en el tubo 30b del intercambiador de calor. Esto proporciona cierto preenfriamiento del líquido de proceso antes de que entre en la sección I en la cual tiene lugar el enfriamiento principal. El gas frío gastado sale desde la parte superior de la sección II de la carcasa en 37 hasta una purga adecuada o un aparato de recuperación (no representado).

Por tanto, el gas de purga que sale se somete a intercambio de calor durante el flujo a contracorriente con el fluido de proceso que entra en la sección II de la carcasa. La sección II de la carcasa se usa como una sección de recuperación de calor para permitir que el gas frío que abandona la unidad se eleve de temperatura de forma que mejore la eficiencia térmica general. En la sección II, la temperatura del gas frío criogénico puede elevarse muy rápidamente puesto que no se vuelve a suministrar refrigeración adicional alguna al gas frío criogénico (la zona gemela de transferencia de calor sólo existe en la sección I).

La unidad de intercambiador de calor 10 es capaz por tanto de convertir todo el calor latente del fluido criogénico en calor sensible sin mezclar el refrigerante líquido criogénico con el gas gastado, lo cual podría incrementar en forma no deseable el volumen de refrigerante. Sin embargo, la unidad puede mantener una temperatura y un valor de refrigeración bajos del gas frío para maximizar y mantener la fuerza de accionamiento de transferencia de calor tanto si el fluido de proceso fluye en una dirección a contracorriente como si lo hace en el sentido de la corriente del refrigerante. Es otra ventaja que la temperatura del fluido de proceso puede hacerse bajar rápidamente a través de un amplio intervalo de temperaturas y sin que se congelen ni el fluido ni la pared del intercambiador de calor.

Se realizó un ensayo usando la unidad 10 de la Fig. 1 con una carcasa 14 (columna de 1,5 m (5 pies) de altura, un tubo evaporador 18 (preferiblemente aleteado) y dos tubos 30a, 30b de intercambiador de calor (preferiblemente aleteados) cada uno de 1,27 cm (½ pulgada) de diámetro. Usando agua como fluido de proceso fluyendo con un caudal de 0,011 m^{3} (3 galones) por minuto a través de los tubos 30 de intercambiador de calor, se obtuvieron la carga de refrigerante y eficiencia de proceso que se muestran en la Fig. 2. Tal como se ve, la unidad suministró 3.176 kcal (13.000 BTU) por hora de refrigeración mientras que el líquido de proceso recibió 3.024 kcal/h (12.000 BTU/h) de carga térmica. Es decir, la refrigeración se transfirió con una eficiencia de al menos el 85%. No se observó congelación con la unidad funcionando en las condiciones ilustradas de flujo y puntos de trabajo establecidos. La temperatura inicial del agua fue de 16ºC. El líquido criogénico era nitrógeno líquido inicialmente a -195ºC.

La tasa de transferencia de calor permanece sustancialmente constante a partir de una longitud unidad recorrida por el refrigerante (gas frío) a la unidad de longitud inmediatamente adyacente. A lo largo de la totalidad de la sección de intercambiador de calor gemela, la tasa de transferencia de calor disminuye lentamente y en forma sustancialmente lineal. Este no es el caso en ninguno de los procedimientos de la técnica interior.

La Fig. 3 muestra una unidad de intercambiador de calor que no forma parte de la invención, pero de diseño más compacto que no usa la sección II de la carcasa de la Fig. 1. En la Fig. 3, se usan los mismos números de referencia para los mismo componentes que en la Fig. 1.

Aquí, la carcasa 40 tiene una sección 41 que se extiende hacia abajo. El evaporador 18 está situado en la sección más corta de la carcasa y recibe el refrigerante líquido criogénico a través de la línea 20 en su extremo inferior. El líquido criogénico se desplaza hacia arriba y se vaporiza para salir en la carcasa desde el extremo superior del evaporador 18. Un único tubo 30 aleteado del intercambiador de calor prolonga la longitud de la carcasa 40, incluyendo la sección 41 alargada de la carcasa, y recibe el fluido de proceso a enfriar en su extremo inferior desde la línea de abastecimiento 34. La sección inferior del tubo 18 del intercambiador de calor en la extensión 41 de la carcasa no se enfrenta a ninguna parte del evaporador 18 en la cual fluye el líquido criogénico.

Una serie de deflectores 39 se extiende parcialmente a través del interior de la carcasa desde la pared interior de la carcasa 40 alternando desde los lados opuestos a fin de definir un camino de flujo en serpentín para el gas frío.

En el funcionamiento de la unidad de intercambiador de calor de la Fig. 3, el líquido criogénico entra por el lado inferior del evaporador 18 y se desplaza hacia arriba saliendo como un vapor de gas frío desde el extremo superior del evaporador. El líquido de proceso caliente a ser enfriado entra en el extremo inferior del tubo 30 del intercambiador de calor y fluye hacia arriba. El gas frío criogénico del evaporador 18 se desplaza hacia abajo en la carcasa según un camino de serpentín en la forma determinada por los deflectores 39. El intercambio de calor tiene lugar entre el gas frío y el líquido de proceso que fluye en la dirección de contracorriente en el tubo 30 del intercambiador de calor.

El líquido criogénico que fluye en el evaporador 18 enfría también el gas frío de la carcasa conforme se desplaza a través del camino de serpentín entre los deflectores 39. Aquí tampoco hay contacto entre el refrigerante líquido criogénico y el tubo del intercambiador de calor de forma que no se produce congelación alguna.

La prolongación 41 de la carcasa y la porción del tubo 30 del intercambiador de calor situada en ella sirven como una sección de recuperación de calor. Esto es, el líquido de proceso caliente que entra es enfriado en cierta medida en la extensión de la carcasa 41 conforme el gas frío pierde gran parte de su capacidad de enfriamiento y sale por el extremo inferior de la extensión de la carcasa. La eficiencia térmica de la unidad de la Fig. 3 no es tan buena como la de la unidad de la Fig. 1, pero es más económica de construir (menor coste de capital).

Para un fluido de proceso que tiene un punto de congelación a temperatura más elevada, es a veces deseable hacer que la temperatura del gas frío que proporciona el intercambio de calor sea más caliente. Esto se puede lograr como se muestra en la Fig. 3 por medio de la utilización de un venturi 43 para arrastrar algo del gas frío calentado usado que sale de la carcasa en 37 y reciclarlo de nuevo de forma que se mezcle con el líquido criogénico fresco que entra en el venturi 43. El líquido criogénico más caliente mezclado aplicado desde el venturi al evaporador 18 aumenta el flujo volumétrico a través del evaporador mientras el gas frío que interactúa con el tubo 30 del intercambiador de calor se vuelve más caliente. La entalpía total que se transfiere se reducirá. Por tanto, es deseable el venturi 43 sólo si la temperatura de funcionamiento de la unidad de intercambiador está muy próxima al punto de congelación del fluido de proceso. Por ejemplo, si el fluido de proceso es agua, se utilizaría un venturi si la temperatura de funcionamiento de la unidad de intercambiador fuera de -3ºC.

La Fig. 4 muestra un intercambiador de calor 60 de placas paralelas para efectuar varias pasadas del fluido de proceso con el refrigerante de gas frío. El intercambiador 60 tiene una carcasa 61 que está dividida mediante placas paralelas o paneles 63 de un material adecuado en secciones R1, R2 y R3 portadoras de refrigerante y secciones F1 y F2 portadoras de fluido de proceso. Las secciones R1 y R2 de refrigerante son adyacentes y la sección R1 recibe el líquido criogénico a través del conducto 62 en su entrada 64. El líquido criogénico fluye hacia arriba en la sección R1 y sale por el extremo superior, donde están colocados un flotador y un sensor electrónico 66 para detener el sobreflujo del líquido criogénico si hay una interrupción de proceso. El líquido criogénico se vaporiza en forma de un gas frío en la sección R1 y pasa a través de un conducto 68 a la segunda sección R2 refrigerante. El gas frío fluye hacia abajo en la sección R2 y sale a través de un conducto 69 para fluir hacia la tercera sección R3 refrigerante, en la cual fluye hacia arriba para abandonar la unidad por la salida 71 en forma gaseosa. La sección R3 está separada de la sección R2 por la sección F2 de fluido de proceso.

El fluido de proceso entra en la parte superior de la sección F1 desde el conducto de entrada 76, fluye hacia abajo en F1 y sale a través de un conducto 78 por su extremo inferior para fluir hacia arriba en la sección F2 de fluido de proceso. La sección F2 queda en forma de sándwich entre las secciones R2 y R3 de refrigerante. El fluido de proceso sale de la unidad de intercambiador de calor a través de la salida 74 en el extremo superior de la sección R2. En la Fig. 4 las flechas de trazo continuo muestran la dirección del líquido de proceso y las flechas de trazos discontinuos la dirección del líquido criogénico y del gas frío.

El líquido criogénico que entra en el intercambiador por la entrada 64 hierve y se vaporiza en gas criogénico frío conforme hace su primera pasada a través de la sección R1 del intercambiador de calor. El gas frío vaporizado entra en la sección R2. En la segunda pasada a través de la sección R2, el gas vaporizado frío experimenta intercambio de calor con el fluido de proceso de la sección F2 a través del panel 63 situado entre las dos secciones, para enfriar el fluido. Se puede usar una tercera pasada o más para limpiar la refrigeración remanente. Esto se logra en la unidad de intercambiador de calor de la Fig. 4 usando la sección R3 para realizar intercambio de calor con el fluido de proceso que fluye en la sección F1. El objeto es mantener el líquido criogénico en la primera pasada a través de R1 sin que sobrefluya o inunde la segunda pasada a través de R2 donde el fluido de proceso en F2 se pondrá en contacto sólo con el gas frío vaporizado y no con el propio líquido criogénico.

Se ha provisto preferiblemente un regulador de retropresión (no representado en ninguna de las figuras), para el gas frío gastado en la salida (37 en las Figs. 1 y 3; 71 en la Fig. 4) del gas frío gastado de la unidad de intercambiador de calor. Este regulador permite que el sistema suministre el gas frío gastado a una presión deseada por el usuario del intercambiador de calor. Este gas frío gastado puede así ser "reciclado" a otra aplicación que precise gas presurizado esencialmente sin costo adicional para el usuario de la unidad de intercambiador de calor de la presente invención.

Las unidades de congelador de la invención proporcionan el enfriamiento efectivo de un fluido de proceso mientras minimizan el peligro de originar la congelación de cualquier parte del intercambiador.

La presente invención puede ser practicada en relación con cualquier fluido de proceso y cualquier líquido criogénico. Ejemplos no limitativos de fluidos de proceso incluyen sustancias individuales, así como mezclas de reacción o de productos que incluyen una fase líquida o gaseosa, tales como soluciones acuosas (u orgánicas) y suspensiones o emulsiones, tales como mezclas de hidrocarburos orgánicos (alcanos, alquenos, aromáticos, olefinas y mezclas de los mismos) o gases (por ejemplo CO_{2}, CH_{4}, etileno y otros gases de hidrocarburos volátiles); ejemplos no limitativos de líquidos criogénicos incluyen helio, oxígeno, argón, y monóxido de carbono. El líquido criogénico preferido es el nitrógeno líquido.

Claims

1. Una unidad de intercambiador de calor que comprende:

una carcasa (61);

un evaporador (R1) en dicha carcasa para recibir un líquido criogénico, fluyendo el líquido criogénico dentro de dicho evaporador y vaporizándose en forma de un gas frío que fluye hacia dicha carcasa;

un intercambiador de calor (F1, F2) en dicha carcasa a través del cual fluye un fluido a ser enfriado;

estando el gas frío producido por dicho evaporador en una primera relación de intercambio de calor con dicho intercambiador de calor para efectuar la transferencia de calor y el enfriamiento de dicho fluido, y en una segunda relación de intercambio de calor con dicho evaporador para suministrar calor de vaporización a dicho líquido criogénico en vaporización que fluye en dicho evaporador;

caracterizada porque

dicho fluido a ser enfriado es un fluido para un proceso químico y dicha carcasa (61) comprende además un primer panel (63) que divide la carcasa en dicho evaporador (R1) para recibir el líquido criogénico que se evapora en forma de un gas frío y una sección de gas frío en la cual fluye el gas frío, y un segundo panel (63) que divide la sección de gas frío de dicho intercambiador de calor (F1, F2) en el cual fluye el fluido de proceso, teniendo lugar intercambio de calor a través de dicho primer panel entre el gas frío y el líquido criogénico que se evapora y a través de dicho segundo panel entre el gas frío y el fluido de proceso, respectivamente.

2. Una unidad de intercambiador de calor como la de la reivindicación 1, donde cada uno de dicho evaporador (R1) y dicho intercambiador de calor (F1,F2) son verticales, fluyendo el líquido criogénico que entra en dicho evaporador en una primera dirección en el mismo y saliendo como un gas frío que fluye en una segunda dirección opuesta a dicha primera dirección.

3. Una unidad de intercambiador de calor como la de la reivindicación 2, donde el fluido de proceso fluye en una dirección concurrente o a contracorriente del gas frío.