ES2267780T3 - Transporte de fluidos altamente viscosos en sistemas de conducciones cerrados. - Google Patents
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Abstract
Aparato para regular la tasa de transferencia de, en es- pecial fluidos altamente viscosos en sistemas de conduc- ciones cerrados, constando de una tubería de alimentación (82), un recipiente (10), una placa desplazable (40) de- ntro del recipiente (10) y un grupo de evacuación (32), los fluidos se alimentan hacia el recipiente (10) por la tubería de admisión (82), que se caracteriza en que el recipiente (10) está cerrado en la abertura de entrada por una placa portante movible (40) que está estanqueiza- da contra las paredes interiores del recipiente y soporta la tubería de admisión (82), y en la abertura de salida (31) por una base (21) y el grupo de evacuación (32) fi- jado a ésta, cerrado de tal manera, que el volumen del recipiente (10) cambia automáticamente como resultado de la diferencia en las tasas de transferencia en la entrada y salida y el resultante desplazamiento de la placa (40).
Description
Transporte de fluidos altamente viscosos en
sistemas de conducciones cerrados.
El presente invento hace referencia a un aparato
para regular la tasa de transferencia de fluidos altamente viscosos
en sistemas de conducciones cerrados, así como el procedimiento para
el almacenamiento intermedio cuidadoso con el producto,
especialmente de fluidos altamente viscosos y sensibles a la
temperatura en sistemas de conducciones cerrados.
Líquidos altamente viscosos como por ejemplo
polímeros fundidos, soluciones polímeras o preparaciones de
alimentos se trasportan en grandes instalaciones de producción
normalmente en sistemas de conducciones cerrados. A las presiones
de transporte que se presentan usualmente, estos líquidos se han de
considerar incompresibles. Al mismo tiempo, los mismos sistemas de
conducciones están ejecutados de volumen constante para resistir la
presión de transporte y poder permitir un mando exacto del caudal
volumétrico.
Por eso a lo largo de un sistema de conducciones
cerrado la tasa de transferencia del líquido altamente viscoso
varía solamente con la entrada de material adicional al sistema de
conducciones o al hacer salir material del sistema de
conducciones.
Lo primero se puede lograr mediante grupos que
aplican presión como por ejemplo extrusoras o bombas, lo último
mediante válvulas, grifos de purga o útiles para transformar como
por ejemplo toberas o útiles para fundición inyectable. El tipo de
grupos y valvulería utilizados y su interconexión a instalaciones de
técnicas de procesos, es extraordinariamente variado.
Por eso a continuación se describirá una
instalación de este tipo mediante ejemplo de la elaboración de
pegamentos fundibles por calor.
Al principio del proceso se prepara a partir de
materias primas y productos intermedios la masa adhesiva que se ha
de elaborar según su formulación. Para ello se utilizan por ejemplo
tanques para mezclar con grupos mezcladores especiales para mezclar
o máquinas amasadoras, extrusoras de compounding y otros numerosos
tipos de máquina más. Si se utiliza la masa adhesiva ya terminada,
entonces esta tiene que fundirse de forma cuidadosa y uniforme.
Esto se hace por ejemplo en así llamados aparatos fusores en tanque,
equipos fusores en cuba, en fusores de rodillos o en extrusoras
fusoras. De estos aparatos se alimenta el pegamento fundible por
calor terminado mediante una bomba o bajo la presión propia de un
grupo a una tubería o una tubería flexible resistente a presión. En
esta tubería en la mayoría de los casos están instaladas fijas:
varias válvulas de cierre, puntos de medición de presión y
temperatura, filtros de masa fundida y muchas cosas más. Si se
elaboran pegamentos fundibles por calor cambiantes o cantidades muy
grandes, entonces frecuentemente existen varias líneas para la
fabricación de las masas adhesivas, que están unidas entre sí
mediante los correspondientes desviadores de tubería y válvulas de
cierre.
La masa fundida llega a través de este sistema
de conducciones a uno o varios sistemas de aplicación. Parte de
estos sistemas de aplicación es en la mayoría de los casos un órgano
propio que crea una presión como por ejemplo una bomba de
engranajes, un dosificador de émbolos o un tornillo transportador
sin fin. En algunos casos estos órganos que crean una presión
dependen para su funcionamiento de una presión inicial constante
mínima. Esto por ejemplo frecuentemente es el caso en las bombas de
engranajes. Sistemas de aplicación para la masa adhesiva fundida
sobre un material de soporte pueden por ejemplo ser toberas que
trabajan continuamente, como para recubrir superficies completas o
franjas, para aplicaciones de cordones o para rociados por
turbulencia. Igualmente se pueden utilizar procesos de aplicación
intermitentes, en los que la corriente de adhesivo se interrumpe a
intervalos predeterminados o dado caso se interrumpe a mano, así por
ejemplo en el encolado totalmente automatizado de cartonajes o en
la aplicación a mano mediante una pistola para pegamento. Solamente
en casos aislados se puede concluir de que la fabricación y la
elaboración de pegamentos fundibles por calor, se efectúa con
exactamente las mismas tasas de transferencia. Incluso en estos
casos ideales se tiene que tener en cuenta que ya pequeñas
diferencias de la tasa de transferencia o pulsaciones en sistemas de
conducciones totalmente llenos, ocasionan enormes fluctuaciones de
la presión, cuando los órganos resistentes al transporte como por
ejemplo bombas de fundido o extrusoras se utilizan como medios de
transporte.
Pero presiones iniciales fluctuantes afectan por
ejemplo notablemente la constancia de la aplicación de la masa en
el caso de aplicaciones mediante toberas de superficies completas.
Por ello son necesarios costosos circuitos de regulación para
proteger la instalación y para asegurar una alta calidad del
producto y un proceso estable.
Mucho más frecuente se combina una fabricación
discontinua con una elaboración continua. Menos frecuentes se
presentan combinaciones de fabricación continua y elaboración
discontinua. En ambos casos hay que ocuparse de encontrar una
construcción de máquina que compense las diferentes tasas de
transferencia.
El fallo de corta duración de una parte de la
instalación conduce además, en el caso del acoplamiento de
fabricación de pegamentos fundibles por calor mediante un sistema
de conducciones totalmente lleno, a un fallo inmediato también de
la otra parte de la instalación, ya que o bien no se puede quitar la
masa adhesiva, o no se dispone de ninguna masa adhesiva.
En todos los casos aquí esbozados, esto se puede
subsanar mediante la utilización de grupos no resistentes al
transporte o mediante volúmenes de compensación construidos a este
efecto. Estos volúmenes de compensación pueden ser tanques tampón o
amortiguadores de pulsaciones.
La utilización de grupos resistentes al
transporte como por ejemplo bombas de émbolos neumáticas o bombas
de engranajes con rendimientos volumétricos bajos, conduce en el
funcionamiento a esfuerzos mecánicos y térmicos de los pegamentos
fundibles por calor, en función de la tasa de transferencia. Las
bombas de émbolos presentan además una característica de
rendimiento fuertemente pulsante, que las hace inapropiadas para
procesos de aplicación continuos.
La utilización de tanques tampón convencionales
está limitada a fluidos comparativamente de baja viscosidad, ya que
de otra manera no se puede garantizar el vaciado completo bajo el
efecto de la fuerza de gravedad. Inclusive órganos agitadores muy
complejos o raseros para pared, no pueden garantizar una
drenabilidad completa en el caso de sustancias pegajosas y
viscosas. Además, durante el funcionamiento continuo, por principio
se presenta una retromezcla con el material que ya se encuentra en
el tanque tampón, lo que tiene como consecuencia una amplia
distribución del tiempo de permanencia y con ello procesos de
envejecimiento incontrolados de pegamentos fundibles por calor
térmicamente sensibles.
El principio
Gear-In-Die (GID), representa un
rasgo particular del tanque tampón en unión con la bomba de
engranajes. En este caso, una bomba de engranajes ejecutada a todo
lo ancho de la aplicación, está intercalada antes de una tobera de
ranura lineal, que recibe el fluido desde el recipiente de reserva.
Este está ejecutado rectangularmente, solamente parcialmente lleno,
y en caso de que sea necesario, con una sobrepresión de aire
comprimido. De esto resultan grandes desventajas, en tanto que al
utilizar líquidos con una alta viscosidad, el intercambio de fluido
en funcionamiento continuo y la drenabilidad completa, solamente son
posibles de forma incompleta. Al mismo tiempo puede muy fácilmente
presentarse un envejecimiento o inclusive una descomposición de
fluidos sensibles, a través de la superficie del fluido expuesta al
aire.
Amortiguadores de pulsación son instrumentos
habituales para compensar las fluctuaciones de volumen en sistemas
de conducciones. Pero para ello, en el caso de fluidos
incompresibles, solamente son necesarios volúmenes de compensación
muy pequeños, con lo que los aparatos disponibles no son apropiados
para compensar diferencias de volúmenes mayores. Tienen además por
principio la desventaja, que el material que se recibe primero, se
entrega como último, lo que también aquí puede tener como
consecuencia largos tiempos de permanencia y con ello un
comportamiento de envejecimiento desventajoso de pegamentos fundidos
por calor, sensibles a la temperatura.
La misma desventaja se encuentra en las así
llamadas prensas tampón. Aquí se presiona un recipiente cilíndrico,
movible hidráulicamente contra una placa fija ajustada exactamente
en el cilindro, en la que se encuentran las aberturas de entrada y
de salida. También aquí el fluido entra y sale por el mismo lado del
recipiente. Debido a la construcción de ejecución cilíndrica, con
una muy pequeña relación longitud/diámetro, con una salida y
entrada dispuesta axialmente, este tipo de aparato presenta grandes
zonas con un intercambio de fluido muy insuficiente, que conducen
parcialmente a un envejecimiento muy fuerte de fluidos térmicamente
sensibles o perecederos. Con los mismos caudales volumétricos en
salida y entrada, finalmente no se efectúa ningún intercambio del
contenido del recipiente. La movilidad de todo el recipiente hace
inevitable una estructura muy compleja del aparato, especialmente
cuando se tienen en cuenta las altísimas presiones de apriete de
hasta 30 bares. Ya que aquí se trata de una intensificación de la
presión hidráulica del esbelto cilindro hidráulico sobre la gran
sección del recipiente, solamente se pueden alcanzar estas altísimas
presiones de las conducciones con instalaciones hidráulicas
enormes.
Hay acumuladores de presión para regular un
flujo de fluido, que son capaces de regular tanto las fluctuaciones
de presión como las tasas de transferencia de dentro de un sistema
de conducciones cerrado en funcionamiento continuo y a la vez
establecer altas presiones de elaboración constantes. El modo de
funcionamiento de recipientes acumuladores reside en que a través
del recipiente se pone a disposición un determinado volumen de
producto y un determinado volumen libre. Estos están disponibles
para el caso cuando falla el lado del proceso que suministra el
fluido o el que recibe el fluido.
La evacuación del fluido del recipiente
acumulador con un órgano de transporte, por ejemplo es apoyado y
mantenido constante, estableciendo una presión mediante un émbolo
movible accionado neumáticamente. Un pico de presión causado por el
lado del proceso que suministra el fluido, cuyo origen es un volumen
que se desvía del caudal volumétrico teórico, se ataja en tanto que
la placa del émbolo unida con la neumática, libera la diferencia de
volumen como volumen del recipiente. La presión inicial del órgano
de transporte conectado directamente al recipiente acumulador
solamente se modifica según la inercia del sistema despreciablemente
poco. La inercia del sistema depende por ejemplo del par de
fricción de las juntas del émbolo y del volumen del émbolo
neumático. Aquí tiene sentido utilizar émbolos neumáticos de gran
volumen o equipados con una válvula de seguridad. Esto evita que el
gas se comprima dentro de los émbolos neumáticos. Una compresión
ocasionaría una reacción sobre la placa del émbolo, que ocasiona un
incremen-
to o una reducción de la presión en el recipiente acumulador y con ello de la presión inicial del órgano de transporte.
to o una reducción de la presión en el recipiente acumulador y con ello de la presión inicial del órgano de transporte.
El émbolo está estanqueizado contra el
recipiente de almacenamiento con juntas idóneas contra la fuga de
fluido a través de la placa del émbolo. Estos aparatos que en la
mayoría de los casos provienen de la tecnología de fusión en cuba,
existen en diferentes ejecuciones, que se diferencian esencialmente
por la disposición de los puntos de alimentación y de
desalimentación.
Se conoce que se puede llevar a cabo la
alimentación y la desalimentación del fluido en la zona del
fondo.
Los problemas que se presentan en esta solución,
son análogos a los de la prensa tampón.
De la DE 36 25 358 A se conoce un procedimiento
para fundir masas termoplásticas o duroplásticas, especialmente de
pegamentos fundibles por calor, en los que la masa se introduce en
un dispositivo fusor con un envoltorio.
La masa se prepara en forma de bloques, cada uno
de los cuales está completamente envuelto. Para fundir los bloques
se utiliza un dispositivo de fusión a presión, en el que los bloques
con el envoltorio se prensan en un cilindro con la ayuda de un
émbolo contra la placa de fondo calefactable, provista de canales de
salida.
Es objeto del invento, resolver las
insuficiencias de las tecnologías que se derivan del estado de la
técnica para la regulación de un flujo de fluido altamente viscoso
sensible a la temperatura, mediante un aparato que es capaz de
regular durante el funcionamiento continuo, tanto las fluctuaciones
de presión como las tasas de transferencia en un sistema de
conducciones cerrado, garantizar un mando estrecho de la
distribución del tiempo de permanencia, de almacenar grandes
cantidades de fluido y establecer altas presiones de elaboración
constantes.
A continuación el sistema deberá presentar
además las siguientes propiedades:
- \bullet
- Ser en gran medida sin espacios muertos para evitar el envejecimiento, especialmente de fluidos sensibles a la temperatura.
- \bullet
- Debe ser de una construcción sencilla a los fines de limpieza y debe mostrar una reducción de costes así como una gran fiabilidad para aumentar la eficiencia general de la instalación.
La aplicación del procedimiento no se limita a
fluidos altamente viscosos sensibles a la temperatura, sin por ello
excluir por ello fluidos de baja viscosidad, sino igualmente
posible.
Esta función se resuelve mediante un aparato
como el que está expuesto en la reivindicación principal. Las
sub-reivindicaciones describen perfeccionamientos
ventajosos del objeto del invento así como procedimientos para el
almacenamiento intermedio especialmente de fluidos altamente
viscosos sensibles a la temperatura en sistemas de conducciones
cerrados.
En consecuencia el invento se refiere a un
aparato para regular la tasa de transferencia especialmente de
fluidos altamente viscosos en sistemas de conducciones cerrados,
constando de una tubería de alimentación preferentemente flexible,
una placa movible dentro de un recipiente y un grupo de evacuación,
en tanto que los fluidos son conducidos al recipiente a través de
la tubería de alimentación.
El recipiente está cerrado en la abertura de
alimentación mediante una placa que soporta la tubería de
alimentación estanqueizada contra las paredes interiores del
recipiente y en la abertura de salida mediante un fondo y un grupo
de salida, de manera que el volumen se modifica automáticamente
debido a la diferencia de las tasas de transferencia en la
alimentación y salida y el desplazamiento de la placa ocasionado por
ello.
Esto va acompañado porque los grupos en el lado
de afluido y el lado de salida y a una presión interior
prácticamente constante, los grupos están desacoplados uno del otro
en relación a la tasa de transferencia y a la presión.
En una forma de ejecución preferente, el
recipiente tiene forma tubular, especialmente con sección circular,
y/o perfilado longitudinalmente y/o de doble pared.
En otra forma de ejecución preferente, el
recipiente está revestido interiormente con una capa antiadhesiva
y/o anticorrosiva.
Las partes internas de la placa y del fondo
presentan preferentemente un perfil complementario, especialmente
cónico, de manera que el volumen del recipiente casi llega a cero en
la posición final inferior de la placa.
Además la placa está preferentemente configurada
de tal manera, que el fluido se distribuye uniformemente por toda
la sección del recipiente.
El fluido preferentemente se distribuye dentro
de la placa hacia el borde exterior a través de un canal de
distribución en forma de estrella de manera que sale uniformemente
en todo el perímetro de la placa hacia el recipiente.
A fin de garantizar una viscosidad suficiente
del fluido, todas las partes del recipiente tocadas por el fluido
pueden estar termostatizadas, en tanto que la termostatización se
efectúa preferentemente eléctricamente, preferentemente mediante
conductores calefactores o inductivamente, por líquidos térmicos
como agua o aceite térmico y/o vapor.
En otra forma de ejecución preferente, la placa
se presiona contra la superficie del fluido por una fuerza
preferentemente constante e independientemente de la posición de la
placa, en tanto que la fuerza se genera especialmente por un
cilindro hidráulico y/o por un peso. En otra forma de ejecución de
los recipientes, la fuerza se genera por una presión sobre la placa
del émbolo, concretamente por gas, en tanto que placa del émbolo
está provista de juntas para su estanqueización contra el espacio
del gas.
En otra forma de ejecución el volumen del
recipiente se llena completamente con fluido.
La presión interior de recipiente en el punto de
entrada se establece preferentemente solamente por el peso propio
de la placa, las partes de la instalación que reposan sobre la placa
y la fuerza de compresión de la placa.
El grado de relleno del recipiente y con ello la
posición de la placa, puede ser independiente de la presión
interior del recipiente en el punto de entrada, igualmente la
presión interior del recipiente en el punto de entrada
independiente del nivel de relleno.
En otra forma de ejecución preferente, el grupo
de evacuación es una extrusora, una bomba, una bomba de engranajes,
especialmente una bomba de evacuación de polímeros o un órgano de
cierre.
El recipiente se puede hacer funcionar en un
modo de funcionamiento tal, en el que la entrada se encuentra en el
fondo del recipiente y la salida se hace a través de la placa.
Además es ventajoso, cuando el grupo de
evacuación está montado en la placa o en el extremo libre de la
tubería movible de alimentación y de salida.
Especialmente ventajoso es cuando la posición de
la placa movible y con ello el volumen encerrado dentro de
recipiente, es medible mediante un captador de distancia y que la
modificación del volumen puede aprovecharse para la regulación de
los grupos conectados que suministran y consumen fluido.
La alimentación de la masa fundida desde arriba
dentro de un émbolo que sigue verticalmente el nivel de relleno así
como la desalimentación en la zona del fondo del recipiente,
representa un proceso en el que la distribución del tiempo de
permanencia se logra gracias a que se aplica el denominado principio
First-In-First-Out.
El fluido que entra primero, también abandona el acumulador primero
y tiene por ello un tiempo de permanencia más definido que en el
principio de funcionamiento de la alimentación en la zona del
fondo.
En principio, el acumulador constituye una
tubería con un diámetro grande y una longitud variable. De la teoría
("Reología práctica de los plásticos y elastómeros" de Pahl,
M.; GeiBle, W.; Laun, H.M.; Sociedad Técnica de los Plásticos de la
VDI (VDI = Asociación Alemana de Ingenieros), Dusseldorf: Editorial
de la VDI, 1991) y de la práctica, la distribución del tiempo de
permanencia se reparte por la sección del tubo. En un fluido de
estructura viscosa como por ejemplo un polímero fundido, con un
coeficiente Ostwald/de-Waele de 0,5, según el
tiempo medio de espera
\overline{t} =
\frac{Longitud \ de \ la \ conducción \ x \ Superficie \ de \ la \
conducción}{Caudal \ volumétrico \
total},
75,7% del fluido ha salido de la tubería de
conducción. Apenas después de 10,2 veces el tiempo medio de espera
ha salido el 99,8% de la tubería de conducción.
Análogamente se comporta el recipiente
atravesado según el principio
First-In-First-Out.
Este tiempo de espera fomenta el envejecimiento especialmente de
fluidos sensibles a la temperatura especialmente en el recipiente
calefactado.
A continuación el invento se describirá más
detalladamente mediante diferentes dibujos.
Así muestran
Figura 1 una sección vertical por el aparato con
recipiente, fondo, placa inclusive guía de la placa y grupo de
evacuación en una estructura de soporte,
Figura 2 una sección vertical por la placa
desplazable y
Figura 3 la vista desde arriba sobre el canal de
distribución de la placa desplazable.
En la figura 1 se puede ver el recipiente
cilíndrico 11, que está colgado de una estructura 1 que lo rodea.
El recipiente está colocado verticalmente. La disposición vertical
es preferente, sin embargo también son igualmente posibles otras
posiciones de montaje.
El recipiente 11 está fijamente unido al fondo
21. La placa desplazable 40 se encuentra en el recipiente 11,
pudiéndose empero extraer hacia arriba con un cilindro neumático 51
para realizar trabajos de mantenimiento. El recipiente 11 y el
fondo 21 están ejecutados enteramente con dos paredes, a fin de
posibilitar una termostatización continua.
El fondo del cilindro 11 se forma por el fondo
21 preferentemente en un cono que se va estrechando hacia abajo, en
cuyo centro se encuentra la abertura de salida 31.
Hacia arriba el cilindro 11 está cerrado por una
placa 40 calefactable, desplazable y estanqueizada contra la pared
interior del recipiente. La placa 40 está guiada por una guía que
está en el exterior, como por ejemplo dos cilindros neumáticos 51
con un yugo 61 y dos barras de soporte 71 paralelas al eje del
cilindro. En el centro de la placa 40 se encuentra la abertura de
entrada 81.
A través de una tubería de alimentación movible,
por ejemplo una tubería flexible, calefactable 82, se alimenta a la
placa 40, el flujo de fluido que se ha de amortiguar.
En la figura 2 está representada la placa. La
placa 40 consta esencialmente de la parte superior 41 y la parte
inferior 42 y está construida de tal manera que el flujo de fluido
se distribuye con simetría radial dentro de la ranura anular entre
la placa 40 y el cilindro 11, entre los elementos de distribución 43
que están empotrados entre la parte superior 41 y la parte inferior
42. La ranura anular se denominará de aquí en adelante punto de
entrada. Ambas partes de la placa 41 y 42 están unidas entre sí de
tal manera que la calefacción eléctrica que está integrada en la
parte superior 41, también calienta la parte inferior 42 a través de
las superficies de contacto de los elementos de distribución 43. El
centrado de la placa 40 en el recipiente 11 se efectúa mediante los
anillos de obturación 44 que están bajo el esfuerzo de compresión y
en caso de ser necesario, adicionalmente mediante las levas 12.
La parte inferior 42 de la placa está
configurada hacia abajo de forma cónica y complementaria al fondo
del recipiente 21, a fin de tener garantizado: un barrido uniforme,
sin espacios muertos del recipiente 10 y una drenabilidad
completa.
Los cilindros neumáticos 51 generan mediante un
dispositivo de regulación equivalente, una presión ajustable pero
constante sobre la placa desplazable 40. Esta presión reposa, junto
con el peso propio que se debe a la construcción de la placa 40, su
guía consistiendo del yunque 61 y las barras de soporte 71 y la
tubería de alimentación fijada a la placa, sobre el contenido del
recipiente y genera de esta manera una constante presión interna
del recipiente. Esta presión interior constante es muy ventajosa
para la extracción del fluido que se ha de amortiguar. La
extracción se efectúa a través de la abertura de salida 31, a la que
está conectada directamente una bomba de boca grande 32. Esta bomba
32 es preferentemente una bomba de engranajes o en una conformación
especialmente apropiada, una bomba de evacuación de polímeros, que
puede evacuar fluidos altamente viscosos también de alto vacío y
puede generar presiones diferenciales de hasta 250 bares.
La calefacción de la bomba 32, al igual que las
otras calefacciones, está ejecutada preferentemente como calefacción
adicional, a fin de garantizar un temperamiento lo más
uniformemente posible, sin puntos fríos ni sobrecalentados.
Igualmente también son posibles otros portadores de calor líquidos o
vapor.
El nivel de relleno del recipiente 10 se mide
por ejemplo mediante un captador de distancia analógico y se puede
utilizar para el mando de la instalación completa.
Según el invento, un fluido altamente viscoso se
transporta a través de una tubería flexible 82 y una placa 40 con
la carga A dentro del recipiente 10. La presión interior del
recipiente 10 en la abertura de salida 31 determina por la
contrapresión del cilindro neumático 51 y el peso propio de la placa
40, las piezas montadas 71 y 61 que sobre ella están apoyadas y la
tubería de alimentación 82 y la presión hidrostática del fluido. El
fluido circula a través del recipiente 10, debido a la especial
geometría simultáneamente desde afuera hacia adentro y desde arriba
hacia abajo. De esta manera se garantiza que el intercambio de
fluido se efectúe completamente, sin espacios muertos y en un
estrecho espectro del tiempo de permanencia.
La bomba 32 hace circular el fluido por debajo
de la presión interior el recipiente 10 a través de la abertura de
salida 31 de forma continua. La bomba 32 transporta el fluido con
una tasa de transferencia B para su posterior transformación.
Con diferencias entre las tasas de transferencia
A y B, aumenta lentamente el nivel de relleno, medido por el
captador de distancia (A>B) o baja disminuye lentamente (A<B).
Gracias a ello las tasas de transferencia de las partes de la
instalación que suministran y que reducen fluido se desacoplan
eficaz y ventajosamente. Pero como que debido a ello la presión
interior solamente se ve afectada muy poco (la presión
hidroneumática aporta con p = 1000 kg/m^{3} únicamente
aproximadamente 100 mbar por cada metro de nivel de relleno), la
presión inicial de la bomba 32 y con ello su comportamiento de
bombeo queda prácticamente constante. Esta especialmente deseada
presión inicial constante en bombas de engranajes, ejerce un efecto
muy ventajoso sobre la constancia de la presión de bombeo y con
ello sobre la calidad del producto. Además, a través del nivel de
relleno registrado por el captador de distancia y sobre su
modificación en la regulación de la tasa de transferencia de las
partes que aportan fluido y las que consumen fluido, tasa de
transferencia determinable mediante un cálculo, se puede intervenir
corrigiendo automáticamente, y así poder llevar a cabo una
regulación automática del rendimiento. Con tasas de transferencia A
y B iguales, el nivel de relleno queda constante, pero en este caso
el contenido del recipiente se sustituye constantemente, de manera
que se evita eficazmente un sobre-envejecimiento
del fluido dentro del recipiente.
\newpage
Al fallar las partes de la instalación que
aportan fluido (A=0) la parte de la instalación que consume fluido
puede, en función del volumen del recipiente y el caudal volumétrico
de salida, por un tiempo determinado seguir siendo alimentada por
el volumen del recipiente, o al revés, al fallar la parte de la
instalación que consume fluido (B=0), la parte que suministra
fluido puede, en función del nivel de relleno, del volumen máximo
del recipiente y del caudal volumétrico de entrada, seguir
funcionando por un tiempo determinado. Con ello se puede se puede
incrementar sensiblemente y ventajosamente la efectividad de una
instalación completa como esta, en tanto que los procedimientos de
parada y arrancada de las partes de la instalación no directamente
afectadas por los fallos de corta duración no tienen lugar.
El volumen del recipiente 10 está dimensionado
de manera que al presentarse diferencias de tasa de transferencia a
corto plazo (|A-B|), queda suficiente tiempo
para incidir en el proceso y corregirlo. Si a pesar de esto, el
volumen encerrado entre la placa 40 y el fondo del recipiente 21
alcanza el valor máximo o mínimo, una lógica instalada en el
control del proceso, desconecta automáticamente la parte de la
instalación que suministra o la que consume fluido.
El temperamiento de las partes del aparato tiene
la sola función de mantener constante la temperatura del fluido y
con ello sus propiedades de fluidez. Los cambios de temperatura
solamente están previstos en el funcionamiento de arranque y de
parada.
El invento abarca además procedimientos para un
almacenamiento intermedio cuidadoso, especialmente de fluidos
altamente viscosos sensibles a la temperatura en sistemas de
conducciones cerrados.
En los recipientes según el invento existen
émbolos, que exigen conducciones de transporte flexibles. Éstas
mayoritariamente se realizan mediante tuberías flexibles.
Debido a la utilización de tuberías flexibles,
se presentan las siguientes limitaciones:
En la elaboración especialmente de polímeros
fundidos, se utilizan tuberías o tuberías flexibles calefactadas.
Tuberías flexibles calefactadas, como las que se utilizan para el
transporte de polímeros fundidos, tienen que resistir altas
presiones. Tuberías flexibles para altas presiones (200 bares y más)
solamente se pueden fabricar con secciones de hasta un máximo de 40
mm. Esto limita la tasa de transferencia de un sistema de
almacenamiento o exige el funcionamiento de varias tuberías
flexibles en paralelo. Las tuberías flexibles tienen además la
desventaja de que son muy difíciles de limpiar. Fluidos difíciles,
que tienden a craquear o son muy adhesivos y que después de
envejecer son muy difíciles de disolver en solventes,
preferentemente se libran de los componentes contaminados,
requemándolos. Esto no se puede llevar a cabo, ya que la mayoría de
las tuberías flexibles constan de plásticos orgánicos.
El principio de funcionamiento de un recipiente
acumulador con una placa de émbolo movible consta entre otros en
que los casos de fallos por averías del proceso que suministra
fluido y la del que consume fluido, se salvan temporalmente en
función del volumen del acumulador, bien por el contenido del
acumulador o por el volumen vacío del acumulador. Esta forma de
funcionamiento implica que en un proceso sin averías, el émbolo
tiene una posición casi constante. En una avería del proceso de
consumo de fluido, como los que por ejemplo pueden presentarse en
procedimientos de aplicación de recubrimiento, el acumulador se
rellena y después de la avería se lleva nuevamente a su posición.
Es posible que debido a la lubricación deseada de la junta, quede
fluido adherido a las paredes de recipiente en la zona por encima
de la placa del émbolo.
La zona por encima de la placa del émbolo está
en contacto con el oxígeno del aire y está calefactada. Si luego
dejan de presentarse averías por un cierto tiempo, la pared del
recipiente no se vuelve a limpiar por las juntas. Debido a ello los
fluidos sensibles a la temperatura y perecederos se envejecen. La
consecuencia es que se pueden crear capas que afectan la función y
de las cuales en la próxima pasada de la placa del émbolo se
sueltan partes que llegan al proceso y desde allí afectan
negativamente las propiedades del producto.
Para la formación de una presión sobre la placa
del émbolo para mantener constante la presión inicial y la mejora
de la exactitud del transporte del órgano de evacuación (por ejemplo
una bomba de émbolos rotatorios) se prefieren construcciones
neumáticas o hidráulicas montadas en el exterior del recipiente. La
transmisión de fuerza se efectúa mediante una construcción
relativamente compleja que consta de un yugo, que está unido a la
placa del émbolo mediante barras.
La capacidad de un acumulador como el que
describe arriba depende del volumen del recipiente. Si en el caso
de tasas de transferencia totales muy altas de todo el proceso se
necesita una capacidad de almacenamiento muy alta, entonces es
necesario un volumen del recipiente muy grande. Recipientes idóneos
o tienen un diámetro muy grande o son muy altos. Especialmente con
fluidos altamente viscosos, debido a una altura muy grande, se
incrementan las pérdidas de presión dentro del recipiente y exigen
un mayor incremento de presión mediante la placa del émbolo. Una
mayor presión dentro del recipiente exige un dimensionamiento más
costoso del recipiente. Recipientes con un diámetro grande, en los
cuales tanto la pérdida de presión y la redondez necesaria para el
efecto de las juntas de la placa del émbolo son menores, son también
muy caras de fabricar. Además, en recipientes con un gran diámetro,
la conducción del flujo, en especial en la entrada y en la salida es
especialmente desventajosa. Se crean espacios muertos por donde no
hay circulación, especialmente en la zona exterior en torno a la
entrada y salida. En ensayos se ha mostrado que en relaciones de
diámetro de 1:2 (entrada : diámetro del recipiente), se forman
espacios muertos a pesar de una corriente absolutamente laminar y
construcciones interiores dentro del recipiente, que ocasionan un
cierto rebote de turbulencia (en la medida en que en corrientes
laminares se puede hablar de turbulencia).
La succión del fluido desde el recipiente
mediante la utilización preferentemente de bombas de engranajes,
presenta problemas, porque debido a las reducidas secciones de la
admisión hacia el lado de succión de la bomba de engranajes
especialmente en el caso de fluidos altamente viscosos, se crean
grandes pérdidas de presión. Por eso la admisión hacia la bomba de
engranajes se realiza mediante altas presiones, como las que se
generan por la placa del émbolo impulsada neumática o
hidráulicamente. Esto conduce a su vez a que el recipiente como ya
se ha descrito, tenga que ser proyectado para presiones muy
altas.
La figura 4 muestra una forma de ejecución del
procedimiento según el invento.
El procedimiento para la eliminación de los
problemas descritos de sistemas de almacenamiento tradicionales
para en particular fluidos altamente viscosos sensibles a la
temperatura, abarca dos recipientes acumuladores 100 y 200, que se
conectan en serie. El intercambio del fluido contenido dentro del
volumen de almacenamiento 300 y la continua limpieza de las paredes
del recipiente, se garantiza por el continuo rellenado y vaciado y
el simultáneo desplazamiento ascendente y descendente de la placa
del émbolo 400 provista de juntas hacia la pared del
recipiente.
Ambos recipientes acumuladores 100 y 200 se
llenan y vacían alternadamente. Los volúmenes de recipiente pueden
diseñarse libremente, en función de de las exigencias de cara a los
tiempos de averías que se han de salvar de la parte que suministra
y la que consume fluido. En una excelente forma de ejecución del
proceso, estas están diseñadas con el mismo volumen. El recipiente
acumulador 100 se alimenta por la parte del proceso que suministra
fluido. El rellenado y vaciado de los recipientes 100 y 200 se
controla mediante la bomba de engranajes 500, aumentando y
reduciendo las revoluciones. La bomba 600 funciona con unas
revoluciones constantes, tal como lo exige el rendimiento total del
proceso. De la diferencia +/- de las revoluciones teóricas de la
bomba 600, resulta un tiempo de rellenado y vaciado controlable.
Con una simultánea ausencia de espacios muertos del recipiente
acumulador, resulta un tiempo de permanencia definido de la masa en
los recipientes de almacenamiento.
Sin espacios muertos significa que después de
bajar la placa del émbolo, ésta reposa plana sobre la brida del
fondo del recipiente y con ello presiona el fluido a través del paso
con forma de cono truncado de la brida del fondo 700. Con esto se
garantiza que toda la cantidad de fluido fluye desde el recipiente
de almacenamiento a la bomba de engranajes. La alimentación de la
masa especialmente altamente viscosa se efectúa lateralmente a
través de una brida en el cono truncado, que representa a la vez la
placa del fondo del recipiente. La brida centrada está provista de
un orificio con forma troncocónica, que se va reduciendo hacia
abajo. En el extremo del cono truncado está fijada una bomba de
engranajes. La forma de cono truncado afecta positivamente la
corriente del fluido en relación a pérdidas de presión pequeñas y
espacios muertos. Lateralmente a través de la brida del fondo en el
cono truncado, se alimenta el fluido a través de un taladro. Esto
tiene la ventaja, que el recipiente acumulador también se puede
hacer funcionar con la placa del émbolo bajada, al no presentarse
averías en la parte del proceso que suministra fluido, y circulando
fluido continuamente por el cono truncado y con ello se mantiene
muy baja la posibilidad del envejecimiento del fluido en esta zona.
Para un mejor desmontaje además se puede separar el recipiente de
almacenamiento mediante uniones con tornillos de la brida del fondo.
Por ejemplo, para elaborar pegamentos fundibles por calor es
necesaria y posible una calefactación de la brida del fondo.
Ambos recipientes se vacían mediante bombas de
engranajes apropiadas, preferentemente mediante el modelo Vacorex
de la empresa Maag Pump Systems Textron GmbH. El fabricante indica
la capacidad de extraer absolutamente fluidos de un recipiente con
una presión interior de 0,1 bares. Las bombas se caracterizan por
una sección de admisión muy grande y tolerancias de fabricación muy
justas. En ensayos se ha mostrado que esta(s)
bomba(s) de engranajes está(n) en capacidad de transportar
especialmente fluidos de viscosidad muy alta de hasta 50000 Pas
desde un recipiente acumulador con una presión inicial de 2
bares.
Para el procedimiento están indicados los
recipientes según el invento.
Especialmente ventajoso es el procedimiento con
recipientes en los cuales la presión sobre la placa del émbolo se
genera por gas, en tanto que la placa del émbolo está provista de
juntas para la estanqueización contra el espacio de gas 800. La
placa del émbolo está provista de una o más barras de guía 900 a
través de la tapa del recipiente, que evita que la placa del émbolo
se ladee. Además por medio de las barras de guía se garantiza el
suministro con el medio calefactor o refrigerante de la placa del
émbolo.
El medio calefactor o refrigerante puede ser
aceite térmico, agua y todos los medios refrigerantes y
calefactores. Si solamente es necesaria una calefacción, entonces
es posible una sola calefacción eléctrica. La conexión eléctrica se
conduce a través de las barras de guía. Las barras de guía están
provistas de juntas adecuadas en la tapa del recipiente acumulador,
que crean una estanqueización del espacio del gas hacia afuera y a
la vez poseen una propiedad de guía. Además se utiliza la barra de
guía como registrador electrónico del nivel de relleno del
recipiente de almacenamiento 10. A través de la altura de relleno se
efectúa la regulación de las revoluciones de la bomba de engranajes
F.
La placa del émbolo recibe la presión mediante
un colchón de gas. Aquí, al tratarse de fluidos sensibles a la
temperatura y perecederos, se utiliza preferentemente gas inerte. El
gas se encuentra en el volumen libre por encima de la placa del
émbolo. La ventaja de esta construcción reside en que existe un
espacio de gas relativamente grande que reduce la inercia del
sistema en relación a la amortiguación de puntas de presión y a la
vez crea una inertización del espacio por encima de la placa del
émbolo. La presión del gas se ajusta de acuerdo a la presión
inicial necesaria para la bomba de engranajes. El recipiente está
cerrado con una tapa adecuada extraíble, estanqueizada contra gas.
Para que la presión de gas por encima de la placa del émbolo no se
modifique al rellenar o vaciar el recipiente acumulador durante el
funcionamiento, en el caso de recipientes de almacenamiento con el
mismo volumen, los espacios de gas se unen con una tubería 110
adecuada. Así se garantiza en ambos recipientes acumuladores una
presión constante predeterminada. Pérdidas de gas, como las que
suceden por difusión a través de las juntas, se compensan por un
suministro de gas conectado con el espacio de gas, por medio de una
válvula de seguridad ajustable. Si la presión en los recipientes de
almacenamiento baja, la válvula se abre y el gas faltante se
rellena hasta la presión teórica ajustada en la válvula. Como medida
de seguridad contra una presión por encima de la presión de diseño,
en el espacio de gas se puede instalar una válvula de
seguridad.
Del lado de proceso que suministra el fluido
110, se envía una corriente de masa de 100 kg/h.
El fluido presenta una viscosidad de 50000 Pas y
una densidad de 950 kg/m^{3} a la temperatura de elaboración.
La bomba 600 suministra constantemente 100 kg/h
al lado de proceso 120 que elabora fluido, que consume
constantemente 100 kg/h.
El volumen por cada recipiente acumulador es de
105 litros.
Punto de partida es que l recipiente acumulador
100 está totalmente rellenado y el recipiente acumulador 200 está
totalmente vacío.
Por razones de simplificación, en el siguiente
ejemplo se describirá una abrupta modificación de las revoluciones
de la bomba de engranajes 500. Al modificarse las revoluciones, se
hacen funcionar rampas. Estas rampas están temporalmente ubicadas
en la zona de segundos y alargan los tiempos de permanencia de una
forma tan pequeña, que se puede despreciar.
1er
Paso
En este momento se incrementan las revoluciones
de la bomba de engranajes 500 a 150 kg/h.
El recipiente acumulador 100 se vacía así con
150 kg/h y al mismo tiempo se rellena con 100 kg/h por parte del
lado del proceso que suministra fluido 110. La diferencia resulta en
un vaciado con 50 kg/h. El recipiente acumulador 200 se rellena con
150 kg/h y al mismo tiempo se vacía con 100 kg/h por la bomba de
engranajes 600 que transporta constantemente. La diferencia resulta
en un rellenado con 50 kg/h. El tiempo necesario para el vaciado
del recipiente acumulador 100 y el rellenado del recipiente de
almacenamiento 200 es de un total de 2 horas.
2º
Paso
Después que el recipiente acumulador 200 está
totalmente rellenado, la bomba 500 cambia a una tasa de
transferencia de 50 kg/h y el recipiente acumulador 100 se rellena
con la diferencia del lado de proceso que suministra fluido 110 de
100 kg/h con 50 kg/h. El recipiente acumulador 200 se vacía con 100
kg/h y se rellena con la bomba 500 con 50 kg/h, en total se vacía
con 50 kg/h. El tiempo necesario para el vaciado del recipiente
acumulador 100 es de un total de 2 horas.
En la suma el fluido tiene un tiempo de
permanencia total de 4 horas en los recipientes acumuladores.
El volumen total de almacenamiento de cara a
casos de fallos por avería de la parte del proceso que elabora
fluido 120 y la parte del proceso que suministra fluido 110 es de
100 kg/h. Gracias a ello se pueden salvar tiempos de avería de una
hora.
Un recipiente acumulador convencional que
trabaja según el principio de
First-In-First-Out,
y que presenta el mismo volumen de almacenamiento de 105 litros
(100 kg) en dirección a la parte que elabora fluido y la que
suministra fluido, tiene un volumen de 210 litros.
Calculando el tiempo de permanencia medio del
fluido en el depósito acumulador, con 100 kg de contenido y 100
kg/h se obtiene una hora. Después de este tiempo, el 75,7% del
fluido ha abandonado el recipiente. Para la casi total evacuación
de de hasta 99,8%, en un fluido de estructura viscosa con un
coeficiente Ostwald/de-Waele de 0,5, se ha de
contar con un tiempo de permanencia medio de 10,2 veces el tiempo de
permanencia medio – esto corresponde a 10,2 horas, aproximadamente
2,5 veces más que el sistema inventado aquí descrito.
Dependiendo de las exigencias, la forma de
funcionamiento del sistema podría también ser la siguiente:
La forma de operación con recipientes totalmente
llenos puede hacerse cuando por ejemplo está asegurado que en la
parte del proceso que consume fluido, no se presentan averías o
modificaciones de la tasa de transferencia y/o cuando en la parte
del proceso que suministra fluido está previsto que haya una
interrupción pasajera.
La forma de operación de recipientes totalmente
vacíos puede hacerse cuando por ejemplo está asegurado que en la
parte del proceso que suministra fluido, no se presentan averías y/o
cuando en la parte del proceso que suministra fluido está previsto
que haya una interrupción.
Las siguientes ventajas se pueden realizar
mediante el procedimiento según el invento:
- \bullet
- limpieza continuada de las paredes del recipiente,
- \bullet
- gran volumen de almacenamiento gracias a dos recipientes
- \bullet
- control de todo el sistema únicamente mediante una bomba de engranajes 500
- \bullet
- en el sistema no son necesarias conducciones flexibles calefactadas
- \bullet
- tuberías solamente con conducciones de acero apropiadas
- \bullet
- creación de presión sobre placa de émbolo por espacio de gas 800
- \bullet
- cantidad de gas correspondiente y conducción 150 entre los recipientes
- \bullet
- inertización del espacio de gas 800
- \bullet
- barras de guía para el suministro de energía de la placa del émbolo y medición del nivel de relleno para controlar la bomba 500
- \bullet
- válvula de seguridad ajustable para compensar pérdidas de gas
- \bullet
- utilización de la bomba de engranajes de boca grande Vacorex debajo del recipiente
- \bullet
- posibilidad de limpiar los recipientes gracias a recipientes desmontables
- \bullet
- alimentación de fluidos son espacios muertos mediante una brida de fondo especial 7
- \bullet
- unión de ambos recipientes acumuladores con conducciones de tubería
Como fluidos se pueden elaborar fluidos
sensibles a la temperatura y/o perecederos hasta 50000 Pas, como por
ejemplo polímeros fundidos como pegamentos adhesivos fundibles por
calor SIS o soluciones polímeras con base de acrilato o base de
caucho natural.
Claims (17)
1. Aparato para regular la tasa de
transferencia de, en especial fluidos altamente viscosos en sistemas
de conducciones cerrados, constando de una tubería de alimentación
(82), un recipiente (10), una placa desplazable (40) dentro del
recipiente (10) y un grupo de evacuación (32), los fluidos se
alimentan hacia el recipiente (10) por la tubería de admisión (82),
que se caracteriza en que el recipiente (10) está cerrado en
la abertura de entrada por una placa portante movible (40) que está
estanqueizada contra las paredes interiores del recipiente y
soporta la tubería de admisión (82), y en la abertura de salida (31)
por una base (21) y el grupo de evacuación (32) fijado a ésta,
cerrado de tal manera, que el volumen del recipiente (10) cambia
automáticamente como resultado de la diferencia en las tasas de
transferencia en la entrada y salida y el resultante desplazamiento
de la placa (40).
2. Aparato según la reivindicación 1, que se
caracteriza en que el recipiente (10) es de forma tubular, en
particular con una sección circular, y/o perfilado
longitudinalmente y/o con doble pared.
3. Aparato según las reivindicaciones 1 y 2,
que se caracteriza en que el recipiente (10) está revestido
en su interior con una capa antiadhesiva y/o anticorrosiva.
4. Aparato según las reivindicaciones 1 a 3,
que se caracteriza en que las caras interiores de la placa
(40) y el extremo del fondo (21) tienen un perfil complementario,
en particular, cónico.
5. Aparato según las reivindicaciones 1 a 4,
que se caracteriza en que la placa (40) está diseñada de
manera que el fluido se distribuye uniformemente sobre toda la
sección del recipiente (10).
6. Aparato según las reivindicaciones 1 a 5,
que se caracteriza en que el fluido se distribuye dentro de
la placa (40) por un canal de distribución en forma de estrella
hacia el borde exterior de la placa (40) de manera que sale
uniformemente en toda la periferia de la placa (40) hacia dentro del
aparato.
7. Aparato según al menos una de las
reivindicaciones anteriores, que se caracteriza en que todas
las partes del recipiente (10) con las cuales entra en contacto el
fluido, están termostaticamente controladas a la temperatura de
entrada del fluido.
8. Aparato según al menos una de las
reivindicaciones anteriores, que se caracteriza en que el
control termostático se efectúa eléctricamente, preferentemente por
conductores calefactores o inductivamente, por líquidos térmicos
tales como agua, o aceite térmico y/o vapor.
9. Aparato según al menos alguna de las
reivindicaciones anteriores, que se caracteriza en que la
placa (40) se presiona contra la superficie del fluido por una
fuerza preferentemente constante, que es independiente de la
posición de la placa (40).
10. Aparato según la reivindicación 9, que se
caracteriza en que la fuerza se genera por cilindros
neumáticos (51), por cilindros hidráulicos y/o por un peso.
11. Aparato según al menos alguna de las
reivindicaciones anteriores, que se caracteriza en que el
volumen del recipiente está completamente lleno por el fluido.
12. Aparato según al menos una de las
reivindicaciones anteriores, que se caracteriza en que la
presión interior del aparato en el punto de entrada está
determinado únicamente por el peso propio de la placa (40), de las
partes de la instalación (61, 71) que reposan sobre la placa y la
fuerza de la placa (40).
13. Aparato según al menos una de las
reivindicaciones anteriores, que se caracteriza en que el
grado de relleno de del recipiente (10), y consecuentemente la
posición de la placa (40) es independiente de la presión interior
del aparato (10) en el punto de entrada.
14. Aparato según al menos una de las
reivindicaciones anteriores, que se caracteriza en que el
grupo de evacuación (32) es una bomba extrusora, una bomba, una
bomba de engranajes, en particular una bomba de evacuación de
polímeros o un órgano de cierre.
15. Procedimiento para el almacenamiento
intermedio cuidadoso de, en particular fluidos altamente viscosos y
sensibles a la temperatura en sistemas de conducciones cerrados con
al menos dos recipientes (100, 200) conectados en serie según al
menos una de las reivindicaciones precedentes, en tanto que los
fluidos se alimentan al primer recipiente (100), los fluidos son
alimentados mediante una instalación de transporte (500) al segundo
recipiente (200), los fluidos dado caso son alimentados mediante
instalaciones de transporte (500) a los demás recipientes, donde la
evacuación de los fluidos desde el último recipiente se efectúa
mediante un dispositivo de evacuación (600).
16. Procedimiento según la reivindicación 15,
que se caracteriza en que el dispositivo de transporte (500)
es una bomba de engranajes.
17. Procedimiento según las reivindicaciones 15
y 16, que se caracteriza en que el dispositivo de evacuación
(600) está funcionando contínuamente.
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