ES2951316T3 - Dispositivo antiincrustante para intercambiadores de calor y su uso - Google Patents
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Abstract
La presente divulgación se refiere a un dispositivo para reducir la incrustación en tubos de un intercambiador de calor y a intercambiadores de calor que comprenden dicho(s) dispositivo(s) antiincrustación. El dispositivo antiincrustante comprende un cuerpo de desplazamiento alargado insertable en el tubo intercambiador de calor para reducir el área de la sección transversal del flujo en una porción del tubo. Comprende además un soporte conectado al cuerpo de desplazamiento alargado para fijar el dispositivo a un extremo del tubo de intercambio de calor. El soporte está configurado para sujetar el cuerpo de desplazamiento, cuando se inserta en el tubo, en una relación espaciada con respecto a la superficie interior del tubo. Los dispositivos antiincrustantes descritos reducen eficazmente la incrustación en los intercambiadores de calor de manera confiable durante un período de tiempo prolongado sin requerir mantenimiento ni controles externos, pueden proporcionarse a un costo relativamente bajo, son fácilmente instalables y también pueden adaptarse a intercambiadores de calor existentes. Es particularmente útil para mitigar problemas relacionados con la contaminación en intercambiadores de calor sujetos a combustión caliente o gases de proceso como los que se encuentran en la producción de negro de humo, sílice pirógena u otras partículas sin contaminar el producto recuperable del gas de proceso ni tener una influencia adversa. sobre las propiedades de los mismos. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)
Description
DESCRIPCIÓN
Dispositivo antiincrustante para intercambiadores de calor y su uso
La presente invención se refiere a un dispositivo antiincrustante y a su uso para reducir o evitar la incrustación en intercambiadores de calor. También se dirige a intercambiadores de calor que incorporan este dispositivo y su uso en procesos industriales, particularmente en la producción de negro de carbón.
Los intercambiadores de calor encuentran un uso generalizado en varios procesos industriales para recuperar energía de procesos calientes o gases de combustión y transferirla a un fluido de intercambio de calor para mejorar la eficiencia general del proceso. La energía recuperada se puede utilizar, por ejemplo, para calentar uno o más reactivos, que, en este caso, puede emplearse directamente como fluido de intercambio de calor, o contribuir a mantener una temperatura de operación o reacción requerida en el proceso, o usarse para otros fines, incluyendo los que no están directamente asociados con el proceso en sí, tal como para generar electricidad o calefacción de distrito. En algunos de estos procesos, los intercambiadores de calor pueden estar sujetos a temperaturas sustancialmente altas, tal como 1000 °C o más, lo que impone requisitos estrictos en la selección de materiales. Ejemplos ilustrativos de dichos procesos a alta temperatura incluyen la producción de negro de carbón o sílice pirógena.
El negro de carbón generalmente se produce por pirólisis de una materia prima hidrocarbonada en condiciones controladas. En general, se conocen una variedad de métodos y reactores diferentes para la fabricación de negro de carbón (véase, por ejemplo, Jean-Baptiste Donnet, Roop Chand Bansal, Meng-Jiao Wang, Carbon Black, 2a edición, CRC Press, 1993). Según el tipo de proceso de producción más común, una materia prima hidrocarbonada se inyecta en una o más posiciones en un reactor de horno en una corriente de gases de combustión calientes que se ha generado previamente aguas arriba al hacer reaccionar un combustible, generalmente un combustible hidrocarbonado, con un oxidante, preferentemente aire. Debido a las altas temperaturas en los gases de combustión, la materia prima hidrocarbonada inyectada se descompone térmicamente y se produce una formación de negro de carbón cuando la mezcla de materia prima y gases de combustión calientes pasa a través de la zona de reacción del reactor. Después de que se ha formado un negro de carbón que tiene las propiedades deseadas, la pirólisis se detiene apagando la mezcla del proceso, normalmente mediante la inyección de agua. El gas cargado de negro de carbón obtenido generalmente se pasa a través de un intercambiador de calor, también conocido como precalentador de aire, para enfriar aún más el gas cargado de negro de carbón y simultáneamente precalentar el aire, que luego se suministra a la cámara de combustión del reactor para reaccionar con el combustible para formar los gases de combustión calientes. El gas cargado de negro de carbón enfriado se pasa posteriormente a una unidad de filtro, tal como un filtro de bolsa, donde el producto de negro de carbón se separa y se recoge de la corriente de gas.
Un intercambiador de calor convencional utilizado en la producción de negro de carbón normalmente comprende una pluralidad de tubos paralelos que se extienden a través de una cámara cilíndrica dispuesta verticalmente encerrada por una carcasa de forma cilíndrica, una placa inferior y una placa superior. Se proporciona una entrada y una salida para el aire a precalentar a la cámara, típicamente en una sección inferior y superior de la carcasa. Cuando el gas caliente cargado de negro de carbón pasa a través de los tubos, el calor se transfiere a través de las paredes del tubo a la corriente de aire que fluye en la superficie exterior de los tubos dentro de la cámara. De este modo, la temperatura del aire puede aumentar hasta una temperatura tan alta como aproximadamente 950 °C y más en la salida. Además de otros, la mayoría de las veces, el intercambiador de calor funciona en modo de contracorriente, típicamente con el gas caliente cargado de negro de carbón pasando a través de los tubos desde abajo hacia arriba. El intercambiador de calor comprende frecuentemente medios adicionales tales como placas deflectoras para controlar el flujo de aire en la cámara.
El documento EP 1065467 A1 se refiere a la mejora de la vida útil de los intercambiadores de calor utilizados en la producción de cianuro de hidrógeno mediante el uso de férulas hechas de nitruro de silicio o una aleación de níquelcromo, y/o mediante el uso de una soldadura de fondo de pozo para unir los tubos de intercambio de calor a la placa de tubos.
El documento US 4.735.263 divulga un dispositivo de control de flujo para un tubo intercambiador de calor de circulación de vapor que comprende un inserto tubular fijado en el tubo por expansión en una zona cerca del extremo del tubo intercambiador.
El documento WO 2010/139852 A1 divulga un manguito de conducción de aire para una tubería de aire en un precalentador de aire de gases de combustión para combustión en una caldera de una central eléctrica, en el que el manguito de guía de aire está hecho de un material poco conductor del calor y se puede instalar dentro de una tubería de aire para disminuir la turbulencia en el flujo de aire y para guiar el aire de combustión que se va a calentar en la tubería de aire a una distancia de la pared del conducto de gas de combustión.
El documento EP 2881 691 A1 se refiere a un intercambiador de calor tubular, en el que se integra un manguito en el interior de al menos un tubo del intercambiador de calor para minimizar una transferencia de calor en la zona de una placa de montaje para los tubos.
El documento EP 3499 171 A1 divulga un dispositivo antierosión para un equipo de carcasa y tubos, en el que el dispositivo antierosión comprende un primer elemento tubular exterior y un segundo elemento tubular interior, que se inserta en el elemento tubular exterior y en al menos una porción del tubo a proteger.
Un problema común que se encuentra con los intercambiadores de calor convencionales usados para recuperar energía de procesos calientes o gases de combustión como los obtenidos de un reactor para la producción de negro de carbón es que son propensos a ensuciarse en condiciones operativas típicas. Por lo tanto, los gases de proceso o de combustión normalmente contienen materia en fase condensada o precursores de la misma. La incrustación ocurre a través de una deposición de material de fase condensada, por ejemplo, material particulado tal como negro de carbón, en las superficies de intercambio de calor, que entran en contacto con la combustión caliente o gases de proceso que contienen material de fase condensada, tal como, en particular, la superficie interior de los tubos intercambiadores de calor. La incrustación es comúnmente un proceso autocatalítico, ya que los depósitos ya formados pueden servir como núcleos y facilitar la deposición de material de fase condensada adicional en las superficies de intercambio de calor.
La incrustación puede tener varios efectos negativos. Por lo tanto, afecta adversamente la eficiencia de la transferencia de calor, por ejemplo, reduciendo el coeficiente de transmisión de calor de las superficies de intercambio de calor del intercambiador de calor. En consecuencia, la temperatura de salida alcanzable del fluido de intercambio de calor como aire puede ser menor, que puede reducir la eficiencia de un proceso de producción acoplado, por ejemplo, conduciendo a menores rendimientos o tasas de producción en la producción de negro de carbón. Hasta cierto punto, esta transferencia de calor menos eficiente podría compensarse utilizando una temperatura de entrada más alta del gas de proceso o de combustión para lograr la temperatura de salida deseada del fluido de intercambio de calor, sin embargo, esto aumenta, por otra parte, las tensiones térmicas impuestas al intercambiador de calor. Dado que la incrustación es un proceso gradual, las variaciones en la temperatura de salida del fluido de intercambio de calor también pueden dar lugar a variaciones indeseables a largo plazo de las características de un producto que se puede obtener a partir de un proceso de producción acoplado que utiliza el fluido de intercambio de calor, tal como, por ejemplo, las propiedades físicas de un producto de negro de carbón. Además, los depósitos en las superficies de intercambio de calor pueden influir en las características del flujo de gas en el intercambiador de calor, por ejemplo, pueden aumentar la caída de presión entre los extremos opuestos de un tubo del intercambiador de calor, lo que también puede afectar negativamente la eficiencia del proceso y crear tensiones adicionales en los materiales del intercambiador de calor. Por último, existe el riesgo de que la incrustación provoque una obstrucción total del tubo del intercambiador de calor y/o provoque daños irreversibles en el intercambiador de calor, por ejemplo, mediante el agrietamiento o la ruptura de un tubo del intercambiador de calor. Además, los depósitos tienden a endurecerse y a fragilizarse con el tiempo, de modo que existe el riesgo de que los depósitos endurecidos se desprendan de la superficie del intercambiador de calor y vuelvan a entrar en la corriente de procesos o gases de combustión, lo que conduce a una contaminación de los productos que se pueden obtener a partir de ellos.
Con el fin de evitar estos problemas y desventajas y restablecer la funcionalidad adecuada, los intercambiadores de calor se han apagado convencionalmente de vez en cuando para un mantenimiento regular para eliminar los depósitos de las superficies de intercambio de calor. La limpieza de los tubos del intercambiador de calor, por ejemplo, mecánicamente, tal como por medio de un cepillo de alambre largo o por chorro de arena, sin embargo, requiere mucho trabajo y tiempo e impone tensiones sobre los materiales del intercambiador de calor. Además, dicho enfoque es costoso, ya que el tiempo requerido para las operaciones de apagado y limpieza significa una pérdida de tiempo de producción.
En consecuencia, se han desarrollado diferentes soluciones técnicas en la técnica para contrarrestar la incrustación de las superficies de los intercambiadores de calor.
Una opción prevé el calentamiento recurrente de los tubos del intercambiador de calor en una atmósfera que tenga un nivel de oxígeno por debajo del límite inferior de explosión para eliminar térmicamente los depósitos de las superficies internas de los tubos del intercambiador de calor. Sin embargo, dicha limpieza térmica puede imponer tensiones térmicas significativas en el intercambiador de calor, incluyendo el riesgo de sobrecalentamiento local, dando lugar a una degradación del intercambiador de calor, reduciendo su vida útil.
Asimismo, se ha considerado el uso de varios aditivos químicos como antiincrustantes. Por ejemplo, se ha sugerido una adición de ciertos materiales poliméricos a un proceso caliente o medio de combustión que potencialmente puede causar incrustación y/o materiales precursores usados para formar tal medio para evitar la incrustación en las superficies del intercambiador de calor. Por ejemplo, el documento US 2014/0338254 A1 propone el uso de ciertos poliésteres hidroxifuncionales como antiincrustantes en el tratamiento térmico de medios de hidrocarburos líquidos en el intervalo de temperatura de 100 a 550 °C. Dichos antiincrustantes pueden ayudar a retardar o evitar el progreso de la incrustación, sin embargo, por lo general, no pueden eliminar los depósitos ya formados en las superficies de intercambio de calor. Como alternativa, se ha previsto la utilización de composiciones de limpieza que contienen azúcar y se puede conseguir una eliminación de depósitos de los tubos intercambiadores de calor sucios atribuida de ese modo a una limpieza abrasiva de las superficies. Sin embargo, el uso de aditivos químicos generalmente significa la adición de materias extrañas al medio de proceso, que pueden contaminar o influir negativamente en las propiedades de un producto que se va a obtener del medio de proceso.
Por lo tanto, otros enfoques buscan minimizar la incrustación mediante diseños constructivos específicos del intercambiador de calor. En el presente documento, se ha descubierto que un gran gradiente de temperatura entre el medio del proceso y la superficie del intercambiador de calor en contacto con el mismo promueve típicamente la incrustación y, en consecuencia, se idearon diseños constructivos para mantener pequeño ese gradiente de temperatura.
Por ejemplo, la patente US 6.585.949 B1 sugiere mantener la diferencia de temperatura entre un gas de combustión que contiene negro de carbón y las superficies de intercambio de calor en contacto con el mismo para que no supere los 500 °F (260 °C), lo más preferiblemente no superior a 100 °F (37 °C) para inhibir la incrustación de las superficies del intercambiador de calor. La diferencia de temperatura se controla en el presente documento mediante el control de la velocidad de la corriente del fluido de intercambio de calor, que es preferentemente aire. Para este fin, se sugiere una construcción de intercambiador de calor con una carcasa exterior e interior, en la que la corriente de aire se divide y distribuye en diferentes pasos deflectores proporcionando orificios que varían en número y diámetro de tal manera que se minimiza la refrigeración local de cualquier parte de la superficie de intercambio de calor.
El documento EP 0777098 A2 propone un diseño de intercambiador de calor específico alternativo que incluye una placa de tubos de doble fondo y medios para proteger uno o más tubos de gas de proceso en áreas donde, de otro modo, incidiría directamente sobre ellas un medio de refrigeración relativamente frío. Los medios de protección pueden comprender una cámara de tubo de gas adyacente a un puerto de entrada de medio de refrigeración y/o una férula dispuesta circunferencialmente adyacente a la porción inferior del tubo de gas de proceso dentro de la placa de tubo de doble fondo que proporciona, junto con un relleno de férula, una barrera térmica entre el gas de proceso caliente y la sección inferior del tubo de gas de proceso. Este diseño evitará cambios bruscos de temperatura localizados y logrará un gradiente de temperatura interna más uniforme, reduciendo así la tendencia a la incrustación dentro de los tubos de gas de proceso.
Asimismo, el documento EP 2 820 366 B1 se refiere a un intercambiador de calor adaptado para la producción de negro de carbón, que tiene un diseño de dos etapas, en el que el medio de proceso caliente que contiene negro de carbón, antes de entrar en una parte de intercambio de calor tubular, se hace pasar a través de una cámara dispuesta verticalmente que está rodeada por una carcasa de forma cilíndrica adaptada para permitir la transferencia de calor a un gas a precalentar que fluye en el exterior de esa carcasa, y el gas precalentado luego se alimenta por un conducto a la entrada del intercambiador de calor tubular. Este precalentamiento se mantiene para reducir la diferencia de temperatura entre la superficie de los tubos en la parte tubular de intercambio de calor y el medio de proceso caliente que contiene negro de carbón que fluye dentro de los tubos, reduciendo o incluso eliminando la incrustación de los tubos.
Tales construcciones específicas del intercambiador de calor han llevado a algunas mejoras en la reducción de incrustaciones, sin embargo, a expensas de una mayor complejidad y sensibilidad del sistema de intercambiador de calor. Además, los intercambiadores de calor existentes no se pueden adaptar a tales conceptos, ya que serían necesarios cambios importantes en la construcción de los intercambiadores de calor para adaptarlos en consecuencia.
Además, se han sugerido cambios constructivos en el diseño de los principales aparatos auxiliares del intercambiador de calor diseñados específicamente para mitigar la incrustación en los intercambiadores de calor que se basan en diferentes principios físicos.
Por lo tanto, por ejemplo, se han sugerido dispositivos, que se basan en la limpieza de intercambiadores de calor sucios mediante el lavado periódico de los tubos durante el funcionamiento del intercambiador de calor con alta velocidad corta, por ejemplo, supersónica, pulsos de gas de un medio de limpieza tal como vapor sobrecalentado. Un ejemplo de dicho dispositivo se divulga en la patente US 4.366.003 y comprende una serie de boquillas de chorro tales como boquillas Laval dispuestas en un espacio centralmente sobre las aberturas de entrada de gas de los tubos de un intercambiador de calor y conectadas a un conducto provisto de elementos de cierre para la alimentación periódica de un gas de limpieza que tiene un exceso de presión con respecto al gas de proceso. Los pulsos de gas periódicos se describen para ejercer un efecto desintegrador sobre los depósitos en la superficie interna de los tubos del intercambiador de calor por un efecto de cavitación y permiten mantener baja la caída de presión a lo largo de los tubos del intercambiador de calor y mantener una alta eficiencia de intercambio de calor sin efectos adversos que afecten la calidad de un producto de negro de carbón.
De forma similar, el documento CN 101949545 (A) describe un dispositivo automático de eliminación de incrustaciones para intercambiadores de calor del tipo de carcasa y tubos. El dispositivo comprende un tubo de inyección de aire con múltiples puertos de inyección de aire montados cerca y en paralelo al plano de los extremos de los tubos del intercambiador de calor, una conexión a una fuente de aire comprimido con una válvula, un mecanismo de transmisión que incluye un motor para posicionar el tubo de inyección de aire con los puertos de inyección de aire en diferentes posiciones ajustados cada vez para hacer frente a un grupo de puertos del tubo del intercambiador de calor, y un controlador que controla el posicionamiento relativo del tubo de inyección sobre los tubos del intercambiador de calor y la inyección de pulsos de alta presión en los tubos del intercambiador de calor para eliminar los depósitos de sus superficies internas.
Además, la patente US 4.846.894 propone interrumpir el flujo de gas de transporte que transporta partículas de negro de carbón que pasa a través de los tubos de un intercambiador de calor de forma intermitente durante un breve período de tiempo del orden de un segundo para hacer que se eliminen los depósitos sólidos que se hayan depositado en la superficie interior de los tubos y barridos al reanudarse el flujo de gas. También describe un dispositivo para implementar tal método, que comprende un conjunto de obturador o interruptor de flujo con una placa de obturador colocada junto a un extremo de descarga de los tubos, de modo que la placa pueda deslizarse hasta una posición para bloquear el extremo de descarga de los tubos.
La patente US 4.825.940 divulga un dispositivo de limpieza automático para la limpieza regular de las superficies internas de los tubos de intercambiadores de calor dispuestos verticalmente que comprende elementos elásticos tales como resortes dispuestos permanentemente en los tubos y en las boquillas para la inyección de gas comprimido dispuestas a cierta distancia frente a las aberturas de los tubos. La inyección pulsada de gas comprimido desde estas boquillas se usa para hacer que los elementos elásticos vibren dentro de los tubos, entrando así en contacto con la superficie interna de los tubos raspando mecánicamente los depósitos que conducen a una limpieza de estas superficies.
Los tipos de aparatos auxiliares antes mencionados permiten al menos en parte una reducción satisfactoria de la incrustación; sin embargo, aumentan la complejidad mecánica y la sensibilidad de todo el sistema, requieren el uso de materiales específicos que resistan las exigentes condiciones operativas, particularmente cuando están sujetos a medios de proceso de alta temperatura y requieren controles y mantenimiento adicionales. Además, dichos dispositivos son costosos y no se pueden adaptar fácilmente a los intercambiadores de calor existentes.
En consecuencia, existe una necesidad persistente de medios novedosos para mitigar de manera efectiva o incluso prevenir la incrustación en los intercambiadores de calor, que no están sujetos a las limitaciones y deficiencias de las soluciones técnicas del estado de la técnica antes mencionadas.
En consecuencia, la presente invención tiene como objetivo proporcionar un dispositivo económico con una construcción simple que permita reducir eficazmente, o incluso evitar, la incrustación en los intercambiadores de calor de manera fiable durante un período de tiempo prolongado sin ejercer tensiones sustanciales sobre el intercambiador de calor. El dispositivo no requerirá mantenimiento ni controles adicionales y será fácil de instalar, incluyendo la opción de adaptar intercambiadores de calor existentes. Además, deberá ser compatible con aplicaciones a alta temperatura, tal como con un gas de proceso caliente obtenido como efluente de un reactor para la producción de negro de carbón, sin el riesgo de contaminación o una influencia adversa en las propiedades de un producto recuperable del gas de proceso, tal como, en particular, negro de carbón.
Los inventores de la presente invención descubrieron mediante investigaciones diligentes que este objeto se puede lograr por medio de un dispositivo antiincrustante como se define en la reivindicación 1.
Por lo tanto, la presente invención se refiere a un dispositivo para reducir la incrustación en un tubo de intercambiador de calor, comprendiendo el dispositivo un cuerpo de desplazamiento alargado configurado para insertarse en el tubo de intercambiador de calor para reducir el área de la sección transversal del flujo en una porción del tubo, en el que el cuerpo de desplazamiento es un cuerpo hueco que tiene una carcasa cerrada, que define los contornos exteriores y la forma del cuerpo de desplazamiento y encierra un espacio vacío interior. El dispositivo comprende además un soporte conectado al cuerpo de desplazamiento alargado para sujetar el dispositivo a un extremo del tubo de intercambiador de calor. El soporte está configurado para sujetar el cuerpo de desplazamiento, cuando se inserta en el tubo, en una relación separada con la superficie interior del tubo.
Sorprendentemente, se ha encontrado que dicho dispositivo permite reducir de manera efectiva o incluso evitar la incrustación en los intercambiadores de calor de manera fiable durante un período prolongado de tiempo sin necesidad de mantenimiento, controles externos, agentes químicos añadidos o que ejerzan tensiones sustanciales en el intercambiador de calor. En el presente documento, el dispositivo es totalmente compatible con aplicaciones de alta temperatura y puede exponerse a combustión caliente o gases de proceso como los que se encuentran en la producción de negro de carbón, sílice pirogénica u otro material particulado sin contaminar el producto recuperable del gas de proceso o tener una influencia adversa en las propiedades del mismo.
El dispositivo de acuerdo con la presente invención se puede proporcionar a un coste relativamente bajo, es fácil de instalar y también se puede adaptar a los intercambiadores de calor existentes, lo que representa un medio atractivo y versátil para abordar los problemas relacionados con las incrustaciones en los intercambiadores de calor.
Sin pretender estar vinculado por ninguna teoría, los inventores creen que el dispositivo de acuerdo con la presente invención permite controlar localmente las características térmicas y de flujo de gas en un tubo de intercambiador de calor de manera que la incrustación puede contrarrestarse de manera eficiente en una porción del tubo, donde de otro modo se esperaría que se produjeran preferentemente incrustaciones, tal como en la proximidad de un extremo del tubo de intercambiador de calor o en una región donde el gradiente térmico entre la superficie interior del tubo y el gas de proceso que fluye a través del tubo es relativamente grande. Por lo tanto, el cuerpo de desplazamiento puede
afectar las características de flujo de gas en el tubo de intercambiador de calor en el que está instalado, aumentando particularmente la velocidad del flujo de gas donde el cuerpo de desplazamiento reduce el área de la sección transversal del flujo del tubo. Se considera que una velocidad de flujo de gas aumentada impide la deposición de materia de fase condensada sobre la superficie interior del tubo de intercambiador de calor y promueve la erosión del material depositado presente. Además, el cuerpo de desplazamiento está en funcionamiento calentado por el gas de proceso que fluye a través del tubo de intercambiador de calor y puede actuar como emisor y/o reflector de la radiación térmica, provocando un aumento de la temperatura de las porciones enfrentadas de la superficie interna del tubo, disminuyendo así el gradiente de temperatura entre dichas porciones de la superficie interna del tubo y el gas de proceso que fluye a través del tubo. Se considera que un gradiente de temperatura reducido entre la superficie interna del tubo y el gas de proceso reduce las fuerzas impulsoras para una deposición de material de fase condensada del gas de proceso en las paredes internas del tubo, por ejemplo, impidiendo procesos de nucleación, condensación y/o termofóresis. Además, el cuerpo de desplazamiento insertado también puede aumentar la tasa de transferencia de calor, es decir, la velocidad con la que el calor se transfiere desde el medio del proceso a través del tubo del intercambiador de calor a un fluido de intercambio de calor, es decir, aumentar la eficiencia del intercambio de calor.
Por consiguiente, la presente invención también se refiere a intercambiadores de calor que comprenden el dispositivo antiincrustante de acuerdo con la presente invención, así como al uso del dispositivo antiincrustante de acuerdo con la presente invención para adaptar un intercambiador de calor tubular. Por lo tanto, se refiere a un intercambiador de calor que comprende al menos un tubo que tiene un primer extremo como entrada para un medio de proceso y un segundo extremo como salida para el medio de proceso. El intercambiador de calor comprende además una carcasa a través de la cual se extiende al menos un tubo. La carcasa forma una cámara para el flujo de un fluido de intercambio de calor desde una entrada proporcionada en la carcasa hasta una salida proporcionada en la carcasa que permite un intercambio de calor entre el medio de proceso y el fluido de intercambio de calor a través del al menos un tubo. Un dispositivo antiincrustante de acuerdo con la presente invención se une a través del soporte a uno o más de los extremos de al menos uno de uno o más tubos con el cuerpo de desplazamiento insertado en dicho tubo en una relación separada con la superficie interior del tubo para reducir el área de la sección transversal del flujo en una porción del tubo.
La presente invención también se refiere a un método para reducir la incrustación en una superficie interna de un tubo de intercambiador de calor a través del cual pasa un gas de proceso caliente que arrastra materia de fase condensada para intercambiar calor con un fluido intercambiador de calor en el exterior del tubo. El método comprende proporcionar al tubo de intercambiador de calor un dispositivo antiincrustante de acuerdo con la presente invención unido a través del soporte a un extremo del tubo, tal como el extremo de salida del tubo, con el cuerpo de desplazamiento insertado en dicho tubo en una relación separada con respecto a la superficie interior del tubo para reducir el área de la sección transversal del flujo en una porción del tubo.
Los intercambiadores de calor con un dispositivo antiincrustante de acuerdo con la presente invención son útiles en todo tipo de aplicaciones, donde los intercambiadores de calor son comúnmente utilizados. No obstante, son particularmente útiles en aplicaciones, donde convencionalmente se pueden encontrar problemas severos relacionados con la incrustación, por ejemplo, cuando el tubo del intercambiador de calor se somete a un gas de proceso cargado de partículas obtenido como efluente de un reactor para la producción de partículas tales como negro de carbón, sílice pirogénica u otros materiales particulados. En particular, se ha demostrado que los intercambiadores de calor de acuerdo con la presente invención son beneficiosos en la producción de negro de carbón. Por lo tanto, la presente invención también se refiere al uso de un intercambiador de calor que comprende un dispositivo antiincrustante como se describe en el presente documento en la producción de negro de carbón. Está además dirigido a un proceso para fabricar negro de carbón. Este proceso comprende hacer reaccionar un combustible con un oxidante para formar un gas de combustión caliente, inyectar una materia prima de hidrocarburo en el gas de combustión caliente para formar negro de carbón por pirólisis de la materia prima en un reactor, inactivación del medio de proceso que contiene negro de carbón resultante en el reactor, pasar el medio de proceso que contiene negro de carbón inactivado a través de uno o más tubos de un intercambiador de calor de acuerdo con la presente invención, transfiriendo así calor del medio de proceso a un medio de intercambio de calor, y separando y recogiendo el negro de carbón del medio de proceso enfriado que ha pasado el intercambiador de calor. Una planta de producción de negro de carbón que comprende un reactor de combustión y un intercambiador de calor de acuerdo con la presente invención, por ejemplo, para llevar a cabo este proceso, también está dentro del alcance de la presente invención.
Estos y otras características y ventajas de la presente invención se describirán a continuación con más detalle. En el presente documento se hace referencia a realizaciones de ejemplo y a los dibujos adjuntos, que se han incluido con fines ilustrativos para mejorar la comprensión de la presente invención, no para construirse como limitaciones en el alcance de la invención, a la que se le dará la amplitud completa de las reivindicaciones adjuntas y equivalentes de las mismas.
La figura 1 representa una vista en perspectiva de una realización de ejemplo de un dispositivo antiincrustante de acuerdo con la presente invención. El montaje del dispositivo antiincrustante en un tubo de intercambiador de calor se ilustra con líneas discontinuas.
La figura 2 es una vista en sección transversal del dispositivo antiincrustante que se muestra en la figura 1 unido
a través de su montura a un tubo de intercambiador de calor.
La figura 2a representa una vista en sección transversal del dispositivo antiincrustante montado tomada en el plano indicado por las líneas IIa-IIa en la figura 2. La vista de detalle ampliada ilustra el posicionamiento de las superficies de contacto de los espaciadores del dispositivo muy cerca de la superficie interior del tubo de intercambiador de calor o sin contacto con ella.
La figura 3 representa esquemáticamente un intercambiador de calor de acuerdo con la presente invención que comprende dispositivos antiincrustantes de la presente invención como se describe en el presente documento.
La figura 4 representa un diagrama de bloques esquemático de una planta de producción de negro de carbón que incluye un intercambiador de calor de acuerdo con la presente invención, tal como se muestra en la figura 3.
La figura 5A muestra un gráfico representativo del coeficiente de transmisión de calor térmico k multiplicado por la relación del área de transferencia de calor A/Ao frente al tiempo medido para una prueba de referencia de acuerdo con el Ejemplo presentado en esta divulgación a continuación para un intercambiador de calor sin un dispositivo antiincrustante de acuerdo con a la presente invención montado en el intercambiador de calor. La relación de área se elige de manera que k A/Ao sea 1 kW/m2K al comienzo de la prueba.
La figura 5B muestra un gráfico representativo del coeficiente de transmisión de calor térmico k multiplicado por la relación del área de transferencia de calor A/Ao frente al tiempo medido para una prueba de acuerdo con el Ejemplo presentado en esta divulgación a continuación para un intercambiador de calor con un dispositivo antiincrustante de acuerdo con la presente invención montado en el intercambiador de calor. La relación de área se elige de manera que k A/Ao sea 1 kW/m2K al comienzo de la prueba.
Como se ha expuesto anteriormente, la presente invención se refiere a un dispositivo para reducir la incrustación en un tubo de intercambiador de calor, también denominado en el presente documento "dispositivo antiincrustante". El dispositivo antiincrustante de acuerdo con la presente invención comprende un cuerpo de desplazamiento alargado configurado para insertarse en el tubo del intercambiador de calor para reducir el área de la sección transversal del flujo en una porción del tubo. El término "área de la sección transversal del flujo", como se usa en el presente documento, se refiere al área de una sección transversal del tubo, que está disponible para el flujo de un fluido tal como un gas a través del tubo. Por motivos de claridad, la sección transversal del tubo se refiere a la sección transversal en el plano perpendicular al eje principal del tubo. El eje principal del tubo significa el eje central a lo largo de la dirección de su canal hueco formado por las paredes del tubo envolvente como se ilustra en la figura 2 y designado allí como eje "A". El término "cuerpo de desplazamiento" como se usa en el presente documento se refiere a un cuerpo físico, que cuando se introduce en la trayectoria de flujo de un fluido, tal como un gas, mantiene su posición y hace que el flujo del fluido se adapte a su forma. En otras palabras, el volumen en la trayectoria de flujo que está ocupado por el cuerpo de desplazamiento está bloqueado para el flujo del fluido y el fluido es forzado a fluir a lo largo de los contornos del cuerpo de desplazamiento.
El cuerpo de desplazamiento utilizado en el dispositivo antiincrustante de acuerdo con la presente invención es alargado. El término "alargado" como se usa en el presente documento se refiere a una forma oblonga. En consecuencia, el cuerpo de desplazamiento exhibe una dirección preferencial, en la que sus dimensiones son mayores que en otras direcciones en el espacio. El eje a lo largo de la dirección preferencial también se denomina en el presente documento eje longitudinal del cuerpo de desplazamiento (ilustrado como eje "A" en las figuras 1 y 2) y la extensión del cuerpo de desplazamiento a lo largo del eje longitudinal también se denomina su longitud. El cuerpo de desplazamiento generalmente tiene dos extremos opuestos a lo largo del eje longitudinal, que se denominan en el presente documento también primer y segundo extremos del cuerpo de desplazamiento. El extremo del cuerpo de desplazamiento alargado que está más cerca de la montura, que está conectada al cuerpo de desplazamiento para unir el dispositivo a un extremo de un tubo de intercambiador de calor se denomina en el presente documento como el primer extremo del cuerpo de desplazamiento. La montura se comentará con mayor detalle más adelante. El segundo extremo opuesto al primero representa típicamente el borde delantero del cuerpo de desplazamiento que se insertará más lejos en el tubo de intercambiador de calor. Para lograr una transferencia de calor homogénea puede ser favorable una forma simétrica del cuerpo de desplazamiento. En particular, el cuerpo de desplazamiento puede tener una forma, que es rotacionalmente simétrica con respecto a su eje longitudinal. La sección transversal del cuerpo de desplazamiento puede ser constante a lo largo del eje longitudinal, por ejemplo, el cuerpo de desplazamiento puede tener una forma cilíndrica. Como alternativa, la sección transversal del cuerpo de desplazamiento puede variar gradualmente a lo largo del eje longitudinal, por ejemplo, de forma lineal, como en el caso de que el cuerpo de desplazamiento tenga una forma cónica o ahusada, o de forma no lineal, incluyendo formas irregulares y/o complejas, como una base cilíndrica o cónica con una o más protuberancias o depresiones. Asimismo, la sección transversal del cuerpo puede tener cualquier forma, tal como, por ejemplo, circular, elíptica, triangular, cuadrada, poligonal superior (por ejemplo, penta o hexagonal) o en forma de estrella. La forma precisa del cuerpo de desplazamiento se puede elegir de acuerdo con las necesidades particulares. Por ejemplo, una forma cónica puede proporcionar beneficios en términos de aerodinámica, mientras que una forma cilíndrica puede proporcionar ventajas, por ejemplo, en términos de facilidad de fabricación. Preferiblemente, el cuerpo de desplazamiento tiene una forma cilíndrica o una forma cónica. El primer y segundo extremos del cuerpo de desplazamiento pueden tener cualquier tipo de forma de acuerdo con las
necesidades y características de flujo deseadas en el caso particular. Por ejemplo, aunque sin limitarse a ello, el primer extremo y el segundo extremo pueden ser rectos individualmente, romos, en ángulo, cónicos, piramidales o redondeados. Un extremo recto, es decir, un extremo plano perpendicular al eje longitudinal, puede ser beneficioso, por ejemplo, en términos de simplicidad y facilidad de fabricación. Otras configuraciones de extremos tales como cónicos, piramidales o redondeados puede proporcionar características aerodinámicas mejoradas. Una forma redondeada podría ser particularmente beneficiosa para el segundo extremo, ya que evita esquinas y bordes afilados, que pueden actuar como sitios de nucleación para la deposición de materia en fase condensada.
La figura 1 muestra una realización de ejemplo de un dispositivo antiincrustante (1) de acuerdo con la presente invención. El montaje del dispositivo antiincrustante en un tubo de intercambiador de calor (7) se ilustra con líneas discontinuas e incluye una indicación de la guía del dispositivo por sus espaciadores (12) a lo largo de la superficie interna del tubo (7) al insertar el dispositivo en el tubo y una indicación de la posición final instalada con los elementos de retención (11) de los elementos de soporte estructural (10) acoplados al extremo (9) del tubo de intercambiador de calor (7). En la realización representada, el dispositivo antiincrustante (1) comprende un cuerpo de desplazamiento alargado (2) que tiene una forma cilíndrica con una sección transversal constante a lo largo del eje longitudinal (A) del cuerpo de desplazamiento (2). El cuerpo de desplazamiento (2) tiene un primer extremo (3) y un segundo extremo (4), que son ambos extremos rectos en la realización representada. Un montante (5) está conectado al cuerpo de desplazamiento alargado cerca del primer extremo (3) para permitir la unión del dispositivo (1) a un extremo (9) de un tubo de intercambiador de calor (7) y sujetar el cuerpo de desplazamiento (2) insertado en una relación separada con la superficie interna (8) del tubo (7), como se ilustra en la figura 2, que representa el dispositivo de ejemplo que se muestra en la figura 1 cuando se instala en un tubo de intercambiador de calor.
El cuerpo de desplazamiento del dispositivo antiincrustante generalmente está hecho de un material sólido. Como tal, normalmente es sustancialmente impermeable al medio del proceso al que está expuesto en un tubo de intercambiador de calor en condiciones operativas. El material del que está hecho el cuerpo del desplazamiento generalmente debe proporcionar propiedades adecuadas para la aplicación prevista, tal como resistencia a la corrosión y a la degradación, así como características térmicas y mecánicas adecuadas, incluyendo la resistencia suficiente al nivel de temperatura de funcionamiento previsto, que puede alcanzar los 1000 °C o incluso más en ciertos casos, tal como con medios de proceso efluentes de un reactor de negro de carbón, y se elegirá de acuerdo con los requisitos particulares. Por ejemplo, materiales metálicos, cerámicos, pueden usarse materiales compuestos inorgánicos como cermet u otros materiales refractarios para formar el cuerpo de desplazamiento. Materiales metálicos, que incluyen metales, aleaciones y combinaciones de los mismos, normalmente proporcionan ventajas en términos de costes y/o trabajabilidad y, por lo tanto, se utilizan preferentemente. Ejemplos no limitativos de materiales metálicos que se pueden usar para formar el cuerpo de desplazamiento incluyen superaleaciones a base de níquel tal como Inconel, Hastelloy, Incoloy, Monel, superaleaciones con base de cobalto o hierro o aceros inoxidables tal como, por ejemplo, 1.4828, 1.4876 y aleación 800h. Para muchas aplicaciones, incluyendo intercambiadores de calor útiles en la producción de acero inoxidable de negro de carbón, ya que están fácilmente disponibles, material de construcción mecanizable rentable con alta resistencia y estabilidad química se puede utilizar ventajosamente de acuerdo con la presente invención.
El cuerpo de desplazamiento del dispositivo antiincrustante de acuerdo con la presente invención está hecho como un cuerpo hueco. Por motivos de rentabilidad y ahorro de materiales, así como para evitar una carga de peso elevada impuesta por el cuerpo de desplazamiento sobre el intercambiador de calor y las estructuras de soporte, el cuerpo de desplazamiento es un cuerpo hueco. El cuerpo hueco tiene una carcasa cerrada, que define los contornos exteriores y la forma del cuerpo de desplazamiento y encierra un espacio vacío interior. El cuerpo hueco puede tener uno o más orificios pasantes para permitir una igualación de presión para el espacio vacío interior. Si está presente, tales uno o más orificios pasantes se proporcionan típicamente en el primer extremo del cuerpo de desplazamiento donde se dispone el soporte, de modo que no afecten el flujo del medio de proceso en el tubo de intercambiador de calor. El uno o más orificios pasantes opcionales, si están presentes, típicamente tienen un diámetro en el intervalo de 1 mm a 10 mm, tal como de 2 mm a 5 mm, que por lo general permite la compensación prevista de presión. En la realización de ejemplo del dispositivo antiincrustante (1) que se muestra en la figura 1, el cuerpo de desplazamiento (2) es un cuerpo hueco con un orificio pasante (6) formado en el primer extremo (3) del cuerpo de desplazamiento (2).
El cuerpo de desplazamiento alargado de los dispositivos antiincrustantes según la presente invención está configurado para insertarse en un tubo de intercambiador de calor. Esto significa que su forma y dimensiones se eligen de manera que permitan insertar el cuerpo de desplazamiento con su eje longitudinal orientado a lo largo del eje principal del tubo en el tubo de un intercambiador de calor con el que se va a utilizar el dispositivo en combinación. Como tal, la sección transversal del cuerpo de desplazamiento generalmente será más pequeña que la sección transversal de flujo del tubo, es decir, el diámetro interior del tubo. El cuerpo de desplazamiento se puede dimensionar preferiblemente de manera que el área de la sección transversal de flujo del tubo se reduzca por el cuerpo de desplazamiento entre un 10 % y un 90 %, tal como del 20 % al 80 % o del 25 % al 70 %, con respecto al área de la sección transversal de flujo del tubo sin cuerpo de desplazamiento insertado. Si el cuerpo de desplazamiento se dimensiona más pequeño de manera que el área de la sección transversal de flujo del tubo se reduce en más del 10 %, el efecto antiincrustante impartido por el dispositivo de acuerdo con la presente invención puede ser débil o incluso no perceptible. Si el cuerpo de desplazamiento se dimensiona más grande de manera que el área de la sección transversal de flujo del tubo se reduce en más del 90 %, se puede causar una caída de presión significativa en el tubo
y el rendimiento del medio del proceso y la eficiencia de la transferencia de calor pueden verse afectados negativamente. La longitud del cuerpo de desplazamiento generalmente se elige para que corresponda a la porción del tubo donde la sección transversal del flujo debe reducirse para contrarrestar la incrustación. En principio, el cuerpo de desplazamiento puede extenderse por todo el tubo del intercambiador de calor, es decir, el cuerpo de desplazamiento puede tener una longitud correspondiente a hasta el 100% de la longitud total del tubo de intercambiador de calor. Normalmente, sin embargo, el cuerpo de desplazamiento tendrá una longitud correspondiente a menos del 100 %, tal como hasta el 90 %, por ejemplo, hasta el 75 %, hasta el 50 %, hasta el 40 %, hasta el 30, hasta el 20 % o hasta el 10 % de la longitud total del tubo de intercambiador de calor. La longitud del cuerpo de desplazamiento puede ser del 1 % o más, 2 % o más, 5 % o más, 10 % o más, o 15 % o más de la longitud total del tubo de intercambiador de calor. La longitud del cuerpo de desplazamiento puede estar dentro de un intervalo entre cualquiera de los valores mencionados anteriormente, tal como en un intervalo del 1 al 70 %, o del 5 al 50 %, o del 10 al 40 % de la longitud total del tubo de intercambiador de calor. En vista de las dimensiones de los tubos de intercambiador de calor utilizados actualmente en la técnica, el cuerpo de desplazamiento del dispositivo antiincrustante de acuerdo con la presente invención puede tener, por ejemplo, típicamente una longitud en el intervalo de aproximadamente 30 cm, o 50 cm, o 1 m, o 2 m hasta aproximadamente 10 m, o 7 m, o 5 m y/o tener una sección transversal de hasta 20 cm, o hasta 15 cm, o hasta 10 cm, o hasta 7 cm, o hasta 5 cm, tal como en un intervalo de 1 cm a 20 cm, o de 2 cm a 15 cm o de 3 cm a 10 cm.
Como se mencionó e ilustró anteriormente en las figuras 1 y 2, el dispositivo antiincrustante (1) de acuerdo con la presente invención comprende además un montante (5) conectado al cuerpo de desplazamiento alargado (2) para sujetar el dispositivo (1) a un extremo (9) del tubo de intercambiador de calor (7). El montante (5) está configurado para sujetar el cuerpo de desplazamiento (2), cuando se inserta en el tubo (7), en una relación separada con la superficie interna (8) del tubo (7), como se ilustra en la figura 2. El término "en relación separada", como se usa en el presente documento, significa que en el estado montado, el cuerpo de desplazamiento insertado está posicionado a cierta distancia de la superficie interior del tubo. En otras palabras, el cuerpo de desplazamiento y la superficie interna del tubo no están en contacto directo entre sí, asegurando así un flujo del medio de proceso a través del tubo, así como evitando una transferencia de calor por contacto indeseable entre el tubo y el cuerpo de desplazamiento y las tensiones térmicas y/o mecánicas asociadas. El soporte está preferiblemente configurado para disponer el eje longitudinal del cuerpo de desplazamiento sustancialmente paralelo al eje principal del tubo. El término "sustancialmente paralelo" como se usa en el presente documento significa que pueden estar presentes pequeñas desviaciones de la disposición paralela ideal, tal como una desviación de hasta 10°, hasta 5° o hasta 3° o hasta 1°. En particular, el soporte puede configurarse para centrar el cuerpo de desplazamiento insertado a lo largo del eje principal del tubo, de modo que el eje longitudinal del cuerpo de desplazamiento y el eje principal del tubo puedan alinearse entre sí como se ilustra en la figura 2 (en la que el eje principal del tubo y el eje longitudinal del cuerpo de desplazamiento se corresponden entre sí y ambos están representados por el eje "A" representado. El cuerpo de desplazamiento puede crear un espacio circunferencial, tal como un espacio anular, entre la superficie exterior del cuerpo de desplazamiento y la superficie interior del tubo en estado montado (véase también la figura 2a). Una disposición relativa simétrica con distancias radiales iguales entre la superficie exterior del cuerpo de desplazamiento y la superficie interior del tubo en un plano transversal perpendicular al eje principal del tubo puede ser deseable en términos de una distribución uniforme del flujo del medio de proceso en la región del tubo donde el cuerpo de desplazamiento reduce el área de la sección transversal del flujo y promueve una transmisión de calor asociada homogénea eficiente en el caso de un cuerpo cilíndrico. Para cuerpos no cilíndricos, el espacio debe formarse para asegurar un flujo homogéneo alrededor del cuerpo. Esto se puede lograr, por ejemplo, si el eje del cuerpo se puede superponer con el eje del tubo de intercambiador de calor.
El montante (5) comprende típicamente uno o más elementos de soporte estructural (10) para sostener el peso del cuerpo de desplazamiento (2) y mantenerlo en una relación separada con respecto a la superficie interior (8) del tubo (7) como en cualquier configuración establecida anteriormente. Dado que el montaje no debe sellar el extremo del tubo de intercambiador de calor en el que está montado, se utilizan estructuras de soporte abiertas que permiten el paso del fluido. Por ejemplo, el uno o más elementos de soporte estructural (10) pueden comprender una rejilla, barra, anillo, varilla, viga, aleta o un conjunto o combinación de los mismos. Los uno o más elementos de soporte estructural (10) o un conjunto formado por los mismos normalmente están dimensionados de tal manera que se extienden sobre el tubo del intercambiador de calor (7) cuando se instala el dispositivo (1) para que la carga del dispositivo (1) pueda ser soportada por el tubo de intercambiador de calor (7). El montante (5) está conectado al cuerpo de desplazamiento (2). Esta conexión se puede lograr como se ilustra en las figuras 1 y 2 por uno o más de los elementos de soporte (10) conectados directamente al cuerpo de desplazamiento (2), típicamente en o cerca del primer extremo (3) del cuerpo de desplazamiento alargado. La conexión se puede hacer de varias maneras disponibles para el artesano experto, tal como, por ejemplo, sin estar limitado, soldadura, soldadura blanda, unión adhesiva, conexión de enchufe, sujetadores (tal como pernos, tornillos, remaches, etc.) o mecanizado en una sola pieza. Como alternativa a una conexión directa del cuerpo de desplazamiento a los uno o más elementos de soporte, el montante puede comprender opcionalmente uno o más elementos de extensión para acoplar el cuerpo de desplazamiento a los uno o más elementos de soporte. El elemento de extensión opcional (no mostrado en las figuras) puede ser cualquier tipo de elemento de sujeción dispuesto entre el(los) elemento(s) de soporte estructural y el primer extremo del cuerpo de desplazamiento, tal como, por ejemplo, un varilla, una barra, una cadena, o una combinación de los mismos. La elección de un elemento de extensión de la dimensión adecuada permite colocar el cuerpo de desplazamiento a cualquier distancia deseada del extremo del tubo, donde el dispositivo se instala a través del soporte y, por lo tanto, para contrarrestar la incrustación
también selectivamente en porciones del tubo alejadas de sus extremos, si fuera deseable.
El soporte permite acoplar el dispositivo antiincrustante de acuerdo con la presente invención a un extremo de un tubo de intercambiador de calor. Por ejemplo, como se ilustra en la figura 2, los uno o más elementos de soporte (10) pueden configurarse de manera que se mantengan en su lugar en el tubo del intercambiador de calor (7), por ejemplo, dotándolos de uno o más elementos de retención (11), que se acoplan con el extremo (9) del tubo de intercambiador de calor (7), tal como rebajes, ranuras o similares. Como alternativa, el soporte puede comprender, además de los uno o más elementos de soporte y el(los) elemento(s) de extensión opcionales, si están presentes, uno o más medios de fijación (no mostrados en las figuras) para la fijación del dispositivo al extremo del tubo de intercambiador de calor. Medios de fijación adecuados incluyen cualquier tipo conocido de medios de fijación, tal como, sin limitarse a ello, abrazaderas, elementos elásticos, sujetadores tales como tornillos, pernos, remaches, soldadura, soldadura blanda, unión adhesiva, o una conexión de enchufe.
En una realización preferida, el montante comprende una pluralidad de, tal como al menos tres, por ejemplo, tres, cuatro, cinco o seis, elementos de soporte tales como aletas que se extienden radialmente desde la superficie del cuerpo de desplazamiento. Preferiblemente, los elementos de soporte tienen todas las mismas dimensiones y están dispuestos simétricamente con respecto al eje longitudinal del cuerpo de desplazamiento. Cada uno de los elementos de soporte tiene opcionalmente un rebaje en el lado que está frente al tubo de intercambiador de calor, en el que los rebajes están configurados para acoplarse con la pared del tubo de intercambiador de calor. Por ejemplo, en la realización mostrada en las figuras 1 y 2, el montante (5) comprende tres elementos de soporte en forma de aletas (10) que se extienden radialmente desde la superficie del cuerpo de desplazamiento (2) cerca del primer extremo (3) del cuerpo de desplazamiento (2). Las aletas (10) están dispuestas simétricamente con respecto al eje longitudinal (A) del cuerpo de desplazamiento (2), de manera que el ángulo entre dos aletas adyacentes en el plano de la sección transversal es de 120° cada una. Cada una de las aletas tiene un rebaje (11) en su lado inferior, es decir, el lado que debe estar orientado hacia el tubo de intercambiador de calor (7). Los rebajes (11) están configurados para acoplarse con la pared (8) del tubo de intercambiador de calor. En la posición final instalada, los rebajes (11) de los elementos de soporte estructural (10) se acoplan al extremo (9) del tubo de intercambiador de calor (7) como se ilustra en líneas discontinuas en la figura 1. Por lo tanto, el cuerpo de desplazamiento (2) puede montarse a través de los elementos de soporte (10) con los rebajes (11) en un extremo (9) del tubo de intercambiador de calor (7) y mantenerse en una relación separada con la superficie interior (8) del tubo (7) de manera centrada solo por gravedad, como se ilustra en la figura 2.
De acuerdo con la presente invención, el dispositivo antiincrustante puede comprender además opcionalmente uno o más espaciadores (12) en la superficie del cuerpo de desplazamiento. Como se ilustra en líneas discontinuas en la figura 1, uno o más espaciadores pueden servir como elementos de guía que ayuden a la inserción del cuerpo de desplazamiento en un tubo de intercambiador de calor, con el dispositivo guiado a través de las superficies de contacto (12a) de los elementos de guía (12) a lo largo de la superficie interior (8) del tubo de intercambiador de calor (7), y puede ayudar a mantener el cuerpo de desplazamiento en la relación separada prevista con el interior superficie del tubo y para reducir o evitar los movimientos vibratorios del cuerpo de desplazamiento cuando se instala en el tubo. El uno o más espaciadores, si están presentes, preferiblemente pueden estar dispuestos en o junto al segundo extremo del cuerpo de desplazamiento, es decir, el extremo distal de la montura. Un espaciador incluye cualquier tipo de elemento estructural configurado para mantener el cuerpo de desplazamiento en una relación separada con respecto al tubo de intercambiador de calor, tal como aletas, palas, salientes o similares. Normalmente, el uno o más espaciadores, si están presentes, cada uno se extiende desde la superficie del cuerpo de desplazamiento en una dirección perpendicular al eje longitudinal del cuerpo de desplazamiento. Preferiblemente, uno o más espaciadores están dispuestos simétricamente con respecto al eje longitudinal del cuerpo de desplazamiento.
El dispositivo puede comprender, por ejemplo, una pluralidad de espaciadores, preferentemente al menos tres, tal como tres, cuatro, cinco o seis espaciadores, tales como aletas de guía que se extienden radialmente desde la superficie del cuerpo de desplazamiento. En el ejemplo de realización mostrado en las figuras 1 y 2, el dispositivo comprende tres espaciadores en forma de aletas (12) que se extienden radialmente desde la superficie del cuerpo de desplazamiento (2) cerca del segundo extremo (4) del cuerpo de desplazamiento (2). Como se muestra en la figura 2a, las aletas (12) están dispuestas simétricamente con respecto al eje longitudinal (A) del cuerpo de desplazamiento (2) de manera que el ángulo entre dos aletas adyacentes en el plano de la sección transversal es de 120° cada una.
Los espaciadores, tal como aletas, se pueden dimensionar para aumentar la circunferencia efectiva del cuerpo de desplazamiento mediante las aletas para casi corresponder a la sección transversal del tubo de intercambiador de calor (véase también la vista ampliada de la figura 2a). La "circunferencia efectiva del cuerpo de desplazamiento" significa el diámetro del círculo más pequeño en un plano transversal perpendicular al eje longitudinal que abarca el cuerpo de desplazamiento, incluyendo los espaciadores que sobresalen de su superficie. Por "casi corresponde" se entiende que la circunferencia efectiva del cuerpo de desplazamiento coincide sustancialmente con la sección transversal del tubo de intercambiador de calor, pero permanece ligeramente por debajo de este último para permitir una inserción sencilla del cuerpo de desplazamiento en el tubo sin riesgo de daño mecánico. En la práctica, puede ser preferible dimensionar los espaciadores de manera que la circunferencia efectiva del cuerpo de desplazamiento aumente mediante los espaciadores para estar dentro de un intervalo del 95,0 al 99,9 % de la sección transversal del tubo de intercambiador de calor. Las dimensiones precisas de los espaciadores se pueden elegir de modo que,
teniendo en cuenta los diferentes coeficientes de expansión térmica del tubo de intercambiador de calor y los diferentes componentes del dispositivo antiincrustante, los espaciadores entren en contacto flojo con la pared interna del tubo bajo las condiciones operativas del intercambiador de calor. Por "contacto flojo" se entiende un contacto superficial directo sin una fuerza de contacto sustancial.
La montura y su componente, así como uno o más espaciadores opcionales, si están presentes, pueden fabricarse con el mismo tipo de materiales que los expuestos anteriormente para el cuerpo de desplazamiento. Preferentemente, los diferentes componentes del dispositivo antiincrustante de acuerdo con la presente invención están hechos del mismo material, tal como, por ejemplo, acero inoxidable.
El dispositivo de acuerdo con la presente invención, como se ha descrito anteriormente, se puede utilizar con cualquier tipo de intercambiador de calor que comprenda uno o más tubos de intercambiador de calor para reducir o eliminar la incrustación en el(los) tubo(s). Se puede estructurar y dimensionar para que coincida con diferentes diseños y/o dimensiones de intercambiadores de calor y tubos y, por lo tanto, se puede usar con prácticamente todos los tipos de intercambiadores de calor tubulares disponibles. Ejemplos no limitativos de intercambiadores de calor tubulares se analizan, por ejemplo, en la patente US 6.585.949, Ep 0777098 A2, EP 2820366 B1 y VDI-Warmeatlas, 11' edición, Springer Verlag. Una ventaja particular del dispositivo antiincrustante de acuerdo con la presente invención es que se puede utilizar para adaptar intercambiadores de calor tubulares existentes y, por lo tanto, proporciona un medio de reparación eficaz contra la incrustación de los intercambiadores de calor en uso, que son significativamente menos costosos y complejos que una inversión en un nuevo intercambiador de calor con un diseño optimizado para reducir la incrustación o la actualización con un dispositivo antiincrustante convencional como del tipo de boquilla de inyección. La instalación del dispositivo antiincrustante de la presente invención en el intercambiador de calor es sencilla y la puede realizar el hombre en un tiempo mínimo.
En la figura 3 se ilustra esquemáticamente un intercambiador de calor que comprende un dispositivo antiincrustante de acuerdo con la presente invención. El intercambiador de calor (13) comprende al menos un tubo (7) que tiene un primer extremo que sirve como entrada para un medio de proceso y un segundo extremo que sirve como salida para el medio de proceso. Normalmente, el intercambiador de calor comprende una pluralidad de tubos, cada uno de los cuales tiene un primer extremo que sirve como entrada para un medio de proceso y un segundo extremo que sirve como salida para el medio de proceso. En la figura 3, por ejemplo, se muestran tres tubos (7), sin embargo, esto no pretende ser limitativo y, en principio, el intercambiador de calor puede tener cualquier número deseado de tubo(s). Por lo tanto, el intercambiador de calor puede incluir para ciertas aplicaciones hasta 300 tubos o incluso más, por ejemplo, de 1 a 300 tubos, de 2 a 200 tubos, de 10 a 150 tubos o de 20 a 100 tubos. Los tubos suelen tener una forma cilindrica alargada recta con un canal hueco que se extiende en toda su longitud, aunque otras formas tales como no circular, por ejemplo, un óvalo o poligonal tal como un cuadrado, en principio, también podría emplearse para la sección transversal. Las dimensiones del o de los tubos no están particularmente limitadas, de manera que se pueden emplear tubos de cualquier dimensión, tal como se usan comúnmente en la técnica. Normalmente, los tubos tienen cada uno una longitud en el intervalo de 1 m a 20 m, tal como de 3 m a 15 m, o de 5 m a 12 m. Los tubos suelen tener un diámetro interior (sección transversal de flujo) en el intervalo de 2 cm a 30 cm, tal como de 3 cm a 25 cm, de 4 cm a 20 cm, o de 5 cm a 15 cm, o de 5 cm a 10 cm. El espesor de las paredes de los tubos puede ser, por ejemplo, en un intervalo de 1 mm a 10 mm, tal como de 2 mm a 5 mm. El número y las dimensiones reales de los tubos se elegirán de acuerdo con la capacidad de intercambio de calor deseada y el caudal a través del intercambiador de calor. El material del (de los) tubo(s) puede ser cualquier material conocido de la técnica anterior que sea compatible con las condiciones operativas esperadas para la aplicación prevista. Materiales típicos son, por ejemplo, acero inoxidable 1.4828, 1.4876 y aleación 800h.
Como se ilustra en la figura 3, uno o más tubos (7) del intercambiador de calor (13) se extienden a través de una carcasa (14). La carcasa (14) del intercambiador de calor (13) es un recinto que forma una cámara impelente (15) para el flujo de un fluido de intercambio de calor dentro de los límites definidos por la superficie interior de la carcasa (14). La carcasa puede comprender una placa inferior (16) y una placa superior (17) colocadas paralelas y separadas entre sí para sujetar uno o más tubos en una disposición espacial fija, con uno o más tubos que se extienden a través del par de placas. La placa de entrada del gas cargado de negro de carbón podría enfriarse con una parte del fluido de intercambio de calor. Esta corriente se puede mezclar después con la corriente de fluido de intercambio de calor principal en cualquier punto antes, en o después del intercambiador de calor. La carcasa (14) comprende además paredes laterales (18), que conectan la placa inferior (16) y la placa superior (17), encerrando uno o más tubos (7) dispuestos entre ellas. Una entrada (19) para fluido de intercambio de calor y una salida (20) para fluido de intercambio de calor se proporcionan en la carcasa (14), normalmente como aberturas en las paredes laterales (18). La entrada (19) y la salida (19) se proporcionan preferiblemente en posiciones distantes en la carcasa, una de ellas generalmente se proporciona cerca de la placa inferior, tal como la salida (20) de la figura 3, y la otra cerca de la placa superior (17), tal como la entrada (19) en la figura 3. La disposición descrita permite el flujo de un fluido de intercambio de calor desde la entrada (19) prevista en la carcasa a través de la cámara impelente (15) que contiene uno o más tubos (7) hasta la salida (20) prevista en la carcasa. Por lo tanto, el calor puede intercambiarse a través de las paredes del (de los) tubo(s) entre un medio de proceso que fluye a través de uno o más tubos y el fluido de intercambio de calor que fluye en el exterior de los tubos a través de la cámara impelente (15). El intercambiador de calor de acuerdo con la presente invención puede comprender además opcionalmente medios para optimizar el flujo y la distribución del fluido de intercambio de calor a través de la cámara impelente (15). Por ejemplo, como se indica esquemáticamente en la
figura 3, se pueden proporcionar placas guía o deflectoras (21) dentro de la carcasa (14) para controlar la trayectoria del flujo del fluido de intercambio de calor a través de la cámara impelente (15). Asimismo, pueden implementarse estructuras de distribución de fluidos tales como diseños de doble capa como se conocen en la técnica.
Como un rasgo característico, el intercambiador de calor (13) comprende un dispositivo antiincrustante de acuerdo con la presente invención unido a través de su montante (5) a uno de los extremos de al menos uno de los uno o más tubos (7) con el cuerpo de desplazamiento (2) insertado en dicho tubo en una relación separada con la superficie interior del tubo (7) para reducir el área de la sección transversal del flujo en una porción del tubo (7). La figura 3 muestra un intercambiador de calor con un dispositivo antiincrustante de acuerdo con la presente invención instalado en un extremo de cada uno de sus tubos, mostrándose el dispositivo antiincrustante montado en el tubo central en una vista en sección con fines ilustrativos. Sin embargo, debe entenderse que esto es solo para fines ilustrativos y de ninguna manera pretende ser limitativo. La presente invención prevé más bien que un dispositivo antiincrustante de acuerdo con la presente invención se puede montar en cualquier número deseado de tubos presentes en el intercambiador de calor, tal como un solo tubo, una pluralidad de tubos correspondientes a una selección del número total de tubos del intercambiador de calor, o todos los tubos del intercambiador de calor. Dado que la incrustación se refiere típicamente a todos los tubos de un intercambiador de calor, preferiblemente todos y cada uno de los tubos del intercambiador de calor están provistos de un dispositivo antiincrustante de acuerdo con la presente invención. El dispositivo antiincrustante de acuerdo con la presente invención puede montarse en uno o más de los extremos del tubo del intercambiador de calor, de modo que el primer extremo sirva como entrada para un medio de proceso o el segundo extremo sirva como salida para un medio de proceso o para ambos extremos, si fuera deseable. Frecuentemente, la incrustación se produce predominantemente en una porción determinada del tubo, tal como en la proximidad de uno de sus extremos, de modo que el dispositivo antiincrustante puede usarse para contrarrestar selectivamente la incrustación en esta porción del tubo. En consecuencia, en muchos casos, es útil dotar al intercambiador de calor de un dispositivo antiincrustante de acuerdo con la presente invención montado en un determinado extremo de uno o más tubos, de modo que el primer extremo sirva como entrada para un medio de proceso o el segundo extremo sirva como salida para un medio de proceso. En una realización preferida, el intercambiador de calor comprende así una pluralidad de tubos, cada uno de los cuales tiene un primer extremo como entrada para un medio de proceso y un segundo extremo opuesto como salida para el medio de proceso y un dispositivo antiincrustante de la presente invención unido a uno de estos extremos. Preferiblemente, un dispositivo antiincrustante de la presente invención se proporciona en el mismo tipo de extremo (entrada o salida) entre los tubos provistos de un dispositivo antiincrustante como todos y cada uno de los tubos del intercambiador de calor. Por ejemplo, ya que se ha observado que en ciertas aplicaciones la incrustación tiende a ocurrir predominantemente en el lado de salida de los tubos, puede preferirse unir el o los dispositivos antiincrustantes de acuerdo con la presente invención al segundo extremo que sirve como salida para el medio de proceso.
El uno o más dispositivos antiincrustantes comprendidos por el intercambiador de calor pueden tener individualmente cualquier configuración, incluyendo la forma, las dimensiones y la disposición con respecto al tubo de intercambiador de calor como se describe en detalle anteriormente en el contexto del dispositivo antiincrustante. Por lo tanto, el dispositivo antiincrustante puede, por ejemplo, montarse en el tubo de manera que el eje longitudinal del cuerpo de desplazamiento sea sustancialmente paralelo o incluso esté alineado con el mismo, el eje principal del tubo como se muestra en la figura 2. El cuerpo de desplazamiento del dispositivo puede tener, en particular, una forma rotacionalmente simétrica con respecto a su eje longitudinal, tal como una forma cilíndrica o cónica. Las dimensiones de longitud y de sección transversal del cuerpo de desplazamiento pueden ser como se ha descrito anteriormente. En particular, el cuerpo de desplazamiento puede estar dimensionado de manera que el cuerpo de desplazamiento reduzca el área de la sección transversal de flujo del tubo entre un 10 % y un 90 %, tal como del 20 % al 80 % o del 25 % al 70 %, con respecto al área de la sección transversal de flujo del tubo sin cuerpo de desplazamiento insertado. Además, el cuerpo de desplazamiento del dispositivo antiincrustante normalmente puede extenderse sobre una longitud de hasta el 70 %, tal como hasta el 50 %, de la longitud total del tubo de intercambiador de calor. Por ejemplo, puede tener una longitud en el intervalo del 10 % al 50 % de la longitud total del tubo de intercambiador de calor. Se ha encontrado que una reducción de incrustaciones es particularmente efectiva en ciertas aplicaciones, si el cuerpo de desplazamiento está configurado de tal manera que la velocidad de flujo del medio de proceso en la parte del tubo con el área de sección transversal de flujo reducida es de al menos 50 m/s, tal como 60 m/s o más, u 80 m/s o más, o 100 m/s o más. En algunos casos, el cuerpo de desplazamiento está configurado de tal manera que la velocidad de flujo del medio de proceso en la porción del tubo con el área de sección transversal de flujo reducida está dentro de /-30 %, preferentemente, / -20 %, de la velocidad de flujo inicial del medio de proceso en la entrada del tubo.
El intercambiador de calor de acuerdo con la presente invención se puede disponer espacialmente de cualquier manera adecuada. Preferentemente, el uno o más de un tubo del intercambiador de calor están dispuestos sustancialmente de forma vertical como también se ilustra en la figura 3. Con una disposición vertical de este tipo, un dispositivo antiincrustante de la presente invención puede ser soportado por el extremo superior del tubo respectivo al que está unido a través del soporte y mantenido en posición por gravedad sin necesidad de medios adicionales, como se muestra, por ejemplo, en las figuras 2 y 3. No obstante, también son posibles otras disposiciones espaciales del intercambiador de calor y el intercambiador de calor de acuerdo con la presente invención puede ser, por ejemplo, de tipo horizontal con los tubos del intercambiador de calor dispuestos sustancialmente de forma horizontal con respecto al suelo de apoyo. El término "sustancialmente vertical" o "sustancialmente horizontal" como se usa en el presente documento significa que pequeñas desviaciones de la disposición respectiva ideal, es decir, orientación de 90° con
respecto al suelo en caso de orientación vertical o de 180° con respecto al suelo en caso de orientación horizontal, pueden estar presentes, tal como una desviación de hasta 5° o hasta 3° o hasta 1°.
El modo de funcionamiento del intercambiador de calor no está particularmente limitado. Por lo tanto, el intercambiador de calor, por ejemplo, puede funcionar con el medio de proceso y el fluido de intercambio de calor fluyendo en modo contracorriente, en modo de corriente paralela o en modo de flujo cruzado. Preferentemente, aunque el intercambiador de calor de acuerdo con la presente invención funciona en modo de contracorriente. Además, el tipo de medio de proceso y el tipo de fluido de intercambio de calor no están particularmente limitados de acuerdo con la presente invención y el dispositivo antiincrustante o un intercambiador de calor que comprende el mismo descrito en el presente documento puede usarse con cualquier tipo de medio de proceso y tipo de fluido de intercambio de calor que se usaría convencionalmente en la respectiva aplicación particular de interés.
Se ha descubierto que el dispositivo antiincrustante de acuerdo con la presente invención permite una reducción eficaz o incluso la eliminación de la incrustación en los tubos del intercambiador de calor y, además, puede mejorar la tasa de transferencia de calor.
Como se ha mencionado anteriormente, por lo tanto, la presente invención también se refiere a un método para reducir la incrustación en una superficie interna de un tubo intercambiador de calor a través del cual pasa un gas de proceso caliente que arrastra materia de fase condensada para intercambiar calor con un fluido intercambiador de calor en el exterior del tubo. La expresión "gas de proceso caliente", "medio de proceso caliente" o similar se refiere a un gas o medio fluido generado en el curso de un proceso tal como un proceso de producción industrial o un proceso de combustión que tiene una temperatura superior a la temperatura ambiente, generalmente sustancialmente mayor que la temperatura ambiente, tal como tener una temperatura de al menos 100 °C, o al menos 400 °C. El término "materia en fase condensada" se refiere a materia en forma sólida o líquida. La materia de la fase condensada puede estar particularmente presente en forma de partículas. El término "partículas" incluye partículas, gotas, aglomerados y otras entidades físicas discretas de materia en fase condensada. La materia de la fase condensada, por ejemplo, en forma de partículas normalmente se dispersa en el gas de proceso caliente y puede depositarse en la superficie interna del tubo del intercambiador de calor. Para evitar esta incrustación, el método de acuerdo con la presente invención prevé dotar al tubo intercambiador de calor de un dispositivo antiincrustante de acuerdo con la presente invención unido a través del soporte a un extremo del tubo, tal como el extremo de salida del tubo, con el cuerpo de desplazamiento insertado en dicho tubo en una relación separada con respecto a la superficie interior del tubo para reducir el área de la sección transversal del flujo en una porción del tubo.
El dispositivo antiincrustante utilizado de acuerdo con este método de la presente invención puede tener cualquier configuración, incluyendo la forma, las dimensiones y la disposición con respecto al tubo de intercambiador de calor como se describe en detalle anteriormente en el contexto del dispositivo antiincrustante e intercambiador de calor de acuerdo con la presente invención. Particularmente, el dispositivo antiincrustante puede, por ejemplo, montarse en el tubo de manera que el eje longitudinal del cuerpo de desplazamiento sea sustancialmente paralelo o incluso esté alineado con el mismo, el eje principal del tubo. Además, el cuerpo de desplazamiento del dispositivo puede tener, en particular, una forma rotacionalmente simétrica con respecto a su eje longitudinal, tal como una forma cilíndrica o cónica. Las dimensiones de longitud y de sección transversal del cuerpo de desplazamiento pueden ser como se ha descrito anteriormente. En determinadas aplicaciones, el método implica aumentar la velocidad de flujo del medio de proceso en la porción del tubo con el área de sección transversal de flujo reducida por el cuerpo de desplazamiento a al menos 50 m/s, tal como 60 m/s o más, u 80 m/s o más, o 100 m/s o más. En algunos casos, el cuerpo de desplazamiento está configurado de manera que la velocidad de flujo del medio de proceso en la porción del tubo con el área de sección transversal de flujo reducida se ajusta mediante el cuerpo de desplazamiento insertado del dispositivo antiincrustante para que esté dentro de /-30 %, preferentemente, / -20 %, de la velocidad de flujo inicial del medio de proceso en la entrada del tubo. El dispositivo antiincrustante de acuerdo con la presente es compatible con aplicaciones de alta temperatura. La materia de fase condensada que arrastra gas de proceso caliente de acuerdo con el método de la presente invención puede tener, por ejemplo, una temperatura inicial de 400 °C o más, como en el intervalo de 400 °C a 1200 °C. El método para reducir la incrustación de acuerdo con la presente invención es, por ejemplo, muy adecuado y efectivo para tubos intercambiadores de calor que se someten a un gas de proceso caliente cargado de partículas procedente de un proceso de combustión o un proceso para la producción de materiales en partículas tales como negro de carbón, sílice pirogénica u otros materiales particulados tales como óxidos metálicos. El gas de proceso caliente que arrastra la materia de la fase condensada puede ser, por ejemplo, un efluente de un reactor para la producción de negro de carbón.
Como se ha mencionado anteriormente, los intercambiadores de calor con un dispositivo antiincrustante de acuerdo con la presente invención son particularmente útiles en aplicaciones, donde convencionalmente se pueden encontrar problemas severos relacionados con la incrustación, por ejemplo, cuando el tubo del intercambiador de calor se somete a un gas de proceso cargado de partículas obtenido como efluente de un reactor para la producción de partículas tales como negro de carbón, sílice pirogénica u otros materiales en partículas, y en particular se ha demostrado que son útiles en la producción de negro de carbón. Por lo tanto, la presente invención también se refiere a un proceso para fabricar negro de carbón que utiliza un intercambiador de calor de la presente invención, así como a una planta de producción de negro de carbón que comprende dicho intercambiador de calor, en el que dicho proceso de fabricación puede llevarse a cabo, como se ha descrito anteriormente. Estos aspectos de la presente invención se
describen con referencia a la figura 4, que muestra un diagrama de bloques esquemático de una planta de producción de negro de carbón que incluye un intercambiador de calor de acuerdo con la presente invención.
El negro de carbón se forma por pirólisis de una materia prima hidrocarbonada bajo condiciones controladas en un reactor. El reactor puede ser de cualquier tipo utilizado convencionalmente para la fabricación de negro de carbón, particularmente un reactor para la producción de negros de horno. Tal y como se muestra en la figura 4, el reactor puede comprender diferentes zonas, tales como una zona de combustión, una zona de inyección, una zona de reacción y una zona de extinción o reducción de temperatura. Un combustible y un oxidante se alimentan al reactor, por ejemplo, a un quemador en la zona de combustión, para generar un gas de combustión caliente por reacción de estos componentes. El combustible es generalmente un combustible hidrocarbonado, tal como un aceite de hidrocarburo o un gas y el oxidante es típicamente aire, oxígeno o aire enriquecido con oxígeno, preferentemente aire. El oxidante introducido en el reactor normalmente se precalienta como se discutirá con más detalle a continuación. El gas de combustión caliente generado por la combustión del combustible alcanza altas temperaturas, como en el intervalo de 1200 a 2000 °C o incluso más. El reactor está generalmente revestido con un material refractario capaz de soportar temperaturas tan altas. A continuación, se inyecta una materia prima hidrocarbonada en la corriente de gases de combustión calientes. Esto puede lograrse por medio de boquillas de inyección en una o más posiciones en una zona de inyección aguas abajo de la zona de combustión del reactor. Se puede utilizar una variedad de materiales hidrocarbonados líquidos y gaseosos como materia prima. Las materias primas adecuadas incluyen, por ejemplo, gas natural, aceites minerales, aceites vegetales, aceites de hidrocarburo, por ejemplo, derivados del procesamiento de carbón o petróleo crudo, tal como nafta o gasóleo, destilados de alquitrán de hulla y aceites que se obtienen por craqueo de fracciones de petróleo. Debido a las altas temperaturas de los gases de combustión calientes, la materia prima hidrocarbonada inyectada se descompone térmicamente y se produce una formación de negro de carbón por pirólisis de la materia prima a medida que la mezcla de la materia prima y los gases de combustión calientes pasa a través de una zona de reacción aguas abajo de la zona de inyección del reactor. El medio de proceso resultante que contiene negro de carbón se inactiva luego en una zona de inactivación para detener las reacciones. La extinción se puede lograr inyectando un medio de extinción, tal como agua o vapor en el medio de proceso que contiene negro de carbón recibido de la zona de reacción del reactor o aplicando un sistema de caldera de extinción para este propósito. El medio de refrigeración rápido inyectado reduce la temperatura del medio del proceso a un nivel en el que la reacción de pirólisis ya no se lleva a cabo con una velocidad significativa, tal como a una temperatura inferior a 1200 °C, normalmente, inferior a 1.000 °C, por ejemplo en un intervalo de 400 °C a 1200 °C. Al ajustar la posición de la inyección del medio de extinción, es posible controlar el tiempo de reacción y, por lo tanto, las características del negro de carbón formado, tal como la distribución del tamaño de partícula. Normalmente, el tiempo de reacción está en un intervalo de unos pocos milisegundos a 2 segundos. Generalmente, es posible producir grados de negro de carbón con características muy diferentes ajustando el diseño del reactor y las condiciones de fabricación (véase, por ejemplo, Jean-Baptiste Donnet, Roop Chand Bansal, Meng-Jiao Wang, Carbon Black, 2a edición, CRC Press, 1993). El experto en la materia seleccionará un diseño de reactor y las condiciones de reacción adecuadas de acuerdo con las propiedades deseadas de un negro de carbón particular que se va a producir.
El medio de proceso que contiene negro de carbón inactivado obtenido como efluente del reactor se hace pasar a través de uno o más tubos de un intercambiador de calor de acuerdo con la presente invención transfiriendo así calor del medio de proceso a un medio de intercambio de calor. El intercambiador de calor de acuerdo con la presente invención puede tener cualquier configuración como se establece anteriormente, incluyendo, en particular, cualquier forma, dimensiones y disposición de uno o más dispositivos antiincrustantes incluidos según la presente invención con respecto al tubo o tubos intercambiadores de calor. Normalmente, el intercambiador de calor utilizado de acuerdo con la presente invención en la producción de negro de carbón comprende una pluralidad de tubos de intercambiador de calor paralelos que se extienden a través de una carcasa envolvente que define una cámara impelente para un flujo del fluido de intercambio de calor desde una entrada prevista en la carcasa hasta una salida prevista en la carcasa. El intercambiador de calor está preferiblemente dispuesto verticalmente, es decir, los tubos están orientados sustancialmente de forma vertical con respecto al suelo. Uno o más de uno o todos los tubos pueden tener un dispositivo antiincrustante de acuerdo con la presente invención montado en un extremo del tubo. Los uno o más dispositivos antiincrustantes se montan preferiblemente en el extremo superior del (de los) tubo(s). En tal caso, pueden mantenerse en su lugar con respecto al tubo o tubos mediante el montaje utilizando la gravedad, tal como se ilustró y analizó anteriormente en el contexto de las figuras 2 y 3. Cuando el medio de proceso caliente cargado de negro de carbón pasa a través de los tubos, el calor se transfiere a través de las paredes del tubo a la corriente de fluido de intercambio de calor que fluye sobre la superficie exterior de los tubos en la cámara impelente. El intercambiador de calor normalmente funciona en modo de contracorriente. El medio de proceso que contiene negro de carbón inactivado obtenido como efluente del reactor se suministra típicamente a los tubos en el extremo inferior y pasa a través de los tubos del intercambiador de calor para salir por su extremo superior con una temperatura reducida. El medio de intercambio de calor, tal como aire, generalmente se introduce en la cámara impelente por una entrada proporcionada en la parte superior de la carcasa y sale del intercambiador de calor por una salida proporcionada en la parte inferior de la carcasa (como se muestra, por ejemplo, en la figura 3). La temperatura del fluido de intercambio de calor se puede aumentar a través del intercambio de calor con el medio del proceso que se produce en la cámara impelente hasta una temperatura de hasta aproximadamente 1000 °C, tal como en el intervalo desde 500 a 800° C, en la salida.
Se pueden usar diferentes fluidos de intercambio de calor de acuerdo con la presente invención. Ejemplos no limitativos incluyen aire, oxígeno, aire enriquecido con oxígeno, aire enriquecido con nitrógeno, agua o vapor.
Normalmente, el medio de intercambio de calor utilizado en el proceso para la fabricación de negro de carbón de acuerdo con la presente invención corresponde a un oxidante como el utilizado para la generación del gas de combustión caliente en el reactor, tal como preferiblemente aire. Como se ilustra en la figura 4, el oxidante tal como aire después de ser precalentado en el intercambiador de calor puede alimentarse al reactor para formar el gas de combustión caliente. Por lo tanto, una parte del calor generado por la reacción de combustión puede recuperarse por medio del intercambiador de calor y utilizarse para precalentar materiales de partida utilizados para la producción de negro de carbón, aumentando así la eficiencia global del proceso.
El uso de un intercambiador de calor de acuerdo con la presente invención que incluye el dispositivo antiincrustante descrito en este documento permite reducir de manera eficiente la incrustación de la superficie interna de los tubos del intercambiador de calor y mantener una alta eficiencia de intercambio de calor durante períodos prolongados de operaciones sin la necesidad de mantenimiento u otros medios auxiliares de limpieza complejos y/o costosos.
El medio de proceso cargado con negro de carbón después de haber sido enfriado al pasar a través del intercambiador de calor pasa a un medio para separar y recoger el negro de carbón del medio de proceso enfriado. Los medios para separar y recoger el negro de carbón típicamente comprenden una unidad de filtro, tal como un filtro de bolsa.
Como se ilustra en la figura 4, el medio de proceso cargado de negro de carbón que sale del intercambiador de calor puede pasar opcionalmente a través de una o más unidades de refrigeración secundarias, tal como otros intercambiadores de calor, que pueden ser o no intercambiadores de calor de acuerdo con la presente invención, para enfriar aún más el medio de proceso antes de recoger y separar el negro de carbón del medio de proceso.
El uso de un intercambiador de calor de acuerdo con la presente invención permite contrarrestar eficazmente la incrustación y mejora la eficiencia del proceso sin el riesgo de contaminación o una influencia adversa sobre las propiedades del producto de negro de carbón.
Las características y ventajas de la presente invención se ilustrarán adicionalmente mediante el siguiente ejemplo no limitativo, que demuestra el uso de un dispositivo antiincrustante de acuerdo con la presente invención en un intercambiador de calor utilizado como precalentador de aire en un proceso de producción de negro de carbón y los beneficios que se pueden lograr de este modo.
Ejemplo
El negro de carbón se produjo utilizando un reactor de horno. El reactor incluye una cámara de combustión, una zona de inyección de petróleo, una zona de reacción y una zona deinactivación. La configuración utilizada comprendía además un intercambiador de calor (24 tubos, intercambiador de calor de un solo paso de tipo 900+ de Ekstrom & Son AB, Suecia) junto con el reactor. El intercambiador de calor estaba equipado con un dispositivo de limpieza a vapor similar al tipo descrito en la patente US 4.366.003. En la cámara de combustión, el gas natural se quemó con aire que se precalentó a una temperatura de aproximadamente 620 °C utilizando el intercambiador de calor al que se suministró el gas de humo (es decir, una mezcla de negro de carbón y gases de reacción obtenidos como medio de proceso que contiene negro de carbón del reactor) como se establece con más detalle a continuación, para producir una corriente de gases de combustión calientes. En la zona de inyección aguas abajo de la zona de combustión, luego se inyecta aceite en la corriente generada de gases de combustión calientes. El tipo de aceite usado es un destilado de alquitrán de hulla con las siguientes características analíticas:
Las fracciones de masa elemental dadas de carbono, hidrógeno, nitrógeno, azufre y oxígeno se refieren a una base seca y libre de cenizas. La cantidad de aceite se ajusta para alcanzar un STSA de unos 120 m2/g para el producto final de negro de carbón. El aceite se convierte junto con el gas de combustión caliente de la cámara de combustión en negro de carbón y gas de escape en la zona de reacción posterior. Luego, la reacción se detiene en la zona de refrigeración mediante un refrigeración rápido con agua y se enfría la corriente hasta 720 °C.
Aguas abajo de la zona de extinción, el gas de humo pasa por el intercambiador de calor mencionado anteriormente. Los tubos del intercambiador de calor se dispusieron verticalmente con respecto al suelo. El intercambiador de calor se hizo funcionar en modo de contracorriente suministrando el medio de proceso caliente que contiene negro de carbón obtenido como efluente del reactor al extremo inferior de los tubos del intercambiador de calor y pasándolo hacia arriba a través de los tubos hasta su extremo superior, mientras pasa una corriente de aire utilizada como fluido de intercambio de calor desde una entrada cercana al extremo superior de la carcasa a través del interior de la carcasa sobre la superficie exterior de los tubos encerrados en ella hasta una salida cercana al fondo de la carcasa. El intercambiador de calor está diseñado para funcionar de 2000 a 3500 Nm3/h de aire y tiene una caída de presión máxima en el lado del aire y del gas de humo de 110 mbar.
La temperatura del gas de humo y la temperatura del aire se midieron cada una en la entrada respectiva del intercambiador de calor, así como la descarga respectiva del intercambiador de calor mediante termopares. Estos valores de temperatura medidos se utilizaron luego para determinar el coeficiente de transmisión térmica k. Para este fin, el flujo de calor transferido al aire se calculó de acuerdo con
utilizando el caudal másico establecido, la capacidad calorífica isobárica específica (1107 J/kgK para los ajustes dados), la temperatura del aire medida en la descarga del intercambiador de calor y la temperatura del aire medida en la entrada del intercambiador de calor, que se indican por Om, Cp, Taire,saiida, Taire.entrada, respectivamente. La diferencia de temperatura promedio entre el gas de humo y el aire se determina además por
en donde la temperatura del gas de humo medida en la entrada del intercambiador de calor y la temperatura del gas de humo en la descarga del intercambiador de calor medida se indican mediante
Thumo,entrada, T humo, salida , respectivamente.
El coeficiente de transmisión térmica k multiplicado por el área de transferencia de calor A se puede determinar usando la ecuación
Por razones de comparación, kA está relacionado con un área de referencia Ao que se determina de acuerdo con
con el coeficiente de transmisión de calor térmico al inicio de la medición indicado por kmco-
El limpiador de vapor del intercambiador de calor se usó para crear una condición de inicio reproducible antes de cada prueba al eliminar los depósitos de una ejecución anterior de la superficie interna de los tubos mediante la inyección de pulsos de vapor en el interior de los tubos. Para fines de referencia, primero se realizaron pruebas con el intercambiador de calor sin dispositivo antiincrustante adicional instalado en los tubos. Para cada ensayo, el intercambiador de calor se operó continuamente durante una duración típica de 6 a 7 horas como se establece anteriormente con el gas de proceso que contenía negro de carbón obtenido como efluente del reactor y el aire para ser precalentado como fluido de intercambio de calor. Durante la operación, el coeficiente de transmisión de calor térmico se determinó como se describe anteriormente como un indicador de incrustación. En total, se realizaron secuencialmente 10 ensayos de referencia. Posteriormente, cada uno de los tubos del intercambiador de calor estaba provisto de un dispositivo antiincrustante de acuerdo con la presente invención montado en su extremo superior. El dispositivo antiincrustante utilizado tenía una estructura como la ilustrada en la figura 1 con un cuerpo de desplazamiento cilíndrico hueco que tenía una longitud de 4 m, un soporte que comprende tres aletas que se extienden radialmente desde la superficie exterior del cuerpo de desplazamiento cerca de un extremo del mismo y tres aletas de guía que se extienden radialmente desde la superficie exterior del cuerpo de desplazamiento cerca del extremo opuesto del cuerpo de desplazamiento. La extensión lateral de cada aleta de guía era de 22 mm y la altura de 54 mm. Cada una de las aletas de la montura tenía un rebaje que se acoplaba con la pared del tubo. Los tubos se montan en los tubos del intercambiador de calor mediante aletas de montaje, cada una de las cuales tiene una extensión lateral de 40 mm, 30 mm de altura y una ranura de 5 mm para acoplarse a los tubos de intercambiador de calor que tienen un diámetro interno de aproximadamente 82 mm y una longitud de unos 9 m. Uno de estos dispositivos antiincrustantes se instaló en cada tubo de intercambiador de calor insertando el cuerpo de desplazamiento en el tubo en el extremo superior del tubo hasta que se detuvo con los rebajes en las aletas del soporte acoplando las paredes del tubo en el extremo superior del tubo. El dispositivo antiincrustante así montado se mantuvo en posición por gravedad con el cuerpo de desplazamiento centrado en el tubo con su eje longitudinal alineado con el eje del tubo principal creando un espacio anular entre la superficie exterior del cuerpo de desplazamiento y las paredes del tubo interior. A continuación, se realizaron ensayos con el intercambiador de calor con los dispositivos antiincrustantes de acuerdo con la presente invención instalados en los tubos aplicando las mismas condiciones de funcionamiento y determinando el coeficiente de transmisión de calor térmico de la misma manera que se ha expuesto anteriormente para los ensayos de referencia. Se realizó una prueba durante más de 20 horas para evaluar el rendimiento en una escala de tiempo más larga. Las condiciones del proceso se resumen en la Tabla 1 a continuación:
Tabla 1
Las figuras 5A y 5B muestran un gráfico representativo del coeficiente de transferencia de calor térmico determinado, expresado como kA/Ao, en función del tiempo para los ensayos de referencia sin dispositivo antiincrustante (figura 5A) y los ensayos con el dispositivo antiincrustante de acuerdo con la presente invención (figura 5B), respectivamente. Como se ve en la figura 5A, en el caso de las pruebas de referencia, kA/Ao disminuyó significativamente durante las primeras 1-2 horas desde el valor inicial de 1 kW/m2K a alrededor de 0,88 kW/m2K y posteriormente hasta un valor de aproximadamente 0,85 kW/m2K después de aproximadamente 6 horas, es decir, la conductividad térmica en total disminuyó en aproximadamente un 15 % durante una duración de 6 horas. Se observó una disminución adicional del coeficiente de transmisión de calor térmico para ciclos más largos, como también lo indica la pendiente negativa continua en el gráfico de la figura 5 A. En contraste con esto, la figura 5B indica que el coeficiente de transmisión de calor térmico, expresado como kA/Ao, disminuyó solo ligeramente desde el valor inicial de 1 kW/m2K en aproximadamente un 5 % hasta un valor de 0,95 kW/m2K después de 6 horas de funcionamiento para las pruebas que emplean el dispositivo antiincrustante de acuerdo con la presente invención. No se observó una disminución adicional significativa en el ensayo con una duración prolongada de más de 20 horas. Estos hallazgos indican que una disminución del coeficiente de transmisión de calor térmico asociado con la incrustación en la superficie interna de los tubos del intercambiador de calor puede reducirse efectivamente y lograrse condiciones operativas estables mediante el uso del dispositivo antiincrustante según la presente invención. No se observó ningún impacto negativo del dispositivo sobre la integridad estructural del intercambiador de calor.
Con el fin de investigar los efectos potenciales del dispositivo antiincrustante en la calidad del producto de negro de carbón, se analizaron muestras del material de negro de carbón separado y recogido del medio de proceso que contenía negro de carbón después de haber pasado por el intercambiador de calor por medio de un filtro.
La Tabla 2 muestra los resultados de este análisis para el producto de negro de carbón obtenido en los ensayos de referencia frente al producto de negro de carbón obtenido en los ensayos con el dispositivo antiincrustante de acuerdo con la presente invención instalado en el intercambiador de calor. Los valores informados son valores promedio con desviación estándar sobre el número total de ensayos o ensayos de referencia realizados, respectivamente.
Tabla 2:
El número de absorción de yodo se midió de acuerdo con ASTM D-1510.
El área de superficie de espesor estadístico (STSA) se midió de acuerdo con ASTM D-6556.
El número de absorción de aceite (OAN) se determinó de acuerdo con ASTM D2414.
El área de superficie BET se determinó por absorción de nitrógeno como área de superficie total usando el método Brunauer Emmett Teller de acuerdo con ASTM D-6556.
Los valores de transmisión informados se midieron de acuerdo con ASTM D-1618.
La comparación de los datos de la Tabla 2 indica que las propiedades medidas para el negro de carbón producido en los ensayos con el dispositivo antiincrustante de acuerdo con la presente invención instalado en el intercambiador de calor y los ensayos de referencia sin dicho dispositivo son comparables y no difieren dentro de las tolerancias. Esto demuestra que el uso del dispositivo antiincrustante de la presente invención no afectó negativamente a las características del producto.
Lista de signos de referencia
1 Dispositivo antiincrustante
2 Cuerpo de desplazamiento
3 Primer extremo del cuerpo de desplazamiento
4 Segundo extremo del cuerpo de desplazamiento
5 Montura
6 Orificio pasante
7 Tubo de intercambiador de calor
8 Superficie interior del tubo de intercambiador de calor
9 Extremo del tubo de intercambiador de calor
10 Elemento de soporte estructural
11 Elemento de retención
12 Espaciador
12a Superficie de contacto del espaciador
13 Intercambiador de calor
14 Carcasa
15 Cámara impelente
16 Placa inferior
17 Placa superior
18 Pared lateral
19 Entrada para fluido de intercambiador de calor
20 Salida para fluido de intercambiador de calor
21 Placas de guía/deflectoras
A Eje principal del tubo del intercambiador de calor / eje longitudinal del cuerpo de desplazamiento
Claims (15)
1. Un dispositivo para reducir la incrustación en un tubo intercambiador de calor que comprende:
(a) un cuerpo de desplazamiento alargado configurado para insertarse en el tubo del intercambiador de calor para reducir el área de la sección transversal del flujo en una porción del tubo, en el que el cuerpo de desplazamiento es un cuerpo hueco que tiene una carcasa cerrada, que define los contornos exteriores y la forma del cuerpo de desplazamiento y encierra un espacio vacío interior, y
(b) un montante conectado al cuerpo de desplazamiento alargado para sujetar el dispositivo a un extremo del tubo del intercambiador de calor, estando configurado el soporte para sujetar el cuerpo de desplazamiento, cuando se inserta en el tubo, en una relación separada con la superficie interior del tubo.
2. El dispositivo antiincrustante de acuerdo con la reivindicación 1, en el que el montante está configurado para disponer el eje longitudinal del cuerpo de desplazamiento sustancialmente paralelo al eje principal del tubo, preferiblemente para centrar el cuerpo de desplazamiento insertado a lo largo del eje principal del tubo.
3. El dispositivo antiincrustante de acuerdo con las reivindicaciones 1 o 2, en el que el cuerpo de desplazamiento crea un espacio anular entre la superficie exterior del cuerpo de desplazamiento y la pared interior del tubo en el estado montado, y/o en el que el cuerpo de desplazamiento tiene una forma, que es rotacionalmente simétrica con respecto a su eje longitudinal, preferiblemente una forma cilindrica o una forma cónica, y/o en el que el cuerpo hueco tiene opcionalmente un orificio pasante para igualar la presión.
4. El dispositivo antiincrustante de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde la montura comprende una pluralidad de, preferentemente al menos tres, elementos de soporte tales como aletas que se extienden radialmente desde la superficie del cuerpo de desplazamiento, en donde cada uno de los elementos de soporte tiene opcionalmente un rebaje en el lado que está orientado hacia el tubo de intercambiador de calor, estando configurados los rebajes para acoplarse con la pared del tubo de intercambiador de calor.
5. El dispositivo antiincrustante de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que comprende además uno o más de un espaciador en la superficie del cuerpo de desplazamiento, estando dispuesto(s) el(los) espaciador(es) preferiblemente en o junto al extremo distal del cuerpo de desplazamiento con respecto al montante, en el que preferiblemente el espaciador comprende una pluralidad de, tal como al menos tres, aletas de guía que se extienden radialmente desde la superficie del cuerpo de desplazamiento, y las aletas están dimensionadas para aumentar la circunferencia efectiva del cuerpo de desplazamiento por las aletas para estar en un intervalo del 95 al 99,9 % de la sección transversal del tubo de intercambiador de calor.
6. El dispositivo antiincrustante de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que el cuerpo de desplazamiento, el soporte y/o el (los) espaciador(es) está(n) hecho(s) de acero inoxidable, y/o en el que el cuerpo de desplazamiento tiene una longitud en el intervalo de 0,5 a 5 m y/o una sección transversal de hasta 20 cm.
7. Un intercambiador de calor que comprende:
(a) al menos un tubo que tiene un primer extremo como entrada para un medio de proceso y un segundo extremo como salida para el medio de proceso,
(b) una carcasa a través de la cual se extiende el al menos un tubo, formando la carcasa una cámara para el flujo de un fluido de intercambio de calor desde una entrada proporcionada en la carcasa hasta una salida proporcionada en la carcasa que permite un intercambio de calor entre el medio de proceso y el fluido de intercambio de calor a través del al menos un tubo,
(c) un dispositivo antiincrustante como se define en una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 6 unido a través del soporte a uno o más de los extremos de al menos uno del uno o más tubos con el cuerpo de desplazamiento insertado en dicho tubo en una relación de separación con la superficie interna del tubo para reducir el área de la sección transversal del flujo en una porción del tubo.
8. El intercambiador de calor según la reivindicación 7, en el que el área de la sección transversal del flujo se reduce por el cuerpo de desplazamiento desde un 10 % hasta un 90 % con respecto al área de la sección transversal del flujo del tubo sin el cuerpo de desplazamiento insertado y/o en el que el cuerpo de desplazamiento se extiende sobre una longitud de hasta al 70 % de la longitud total del tubo.
9. El intercambiador de calor de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 7 u 8, en el que uno o más de un tubo están dispuestos sustancialmente de forma vertical, en el que preferiblemente el al menos un dispositivo antiincrustante está soportado por el extremo superior del tubo respectivo al que está unido a través del soporte y se mantiene en posición por gravedad.
10. Un método para reducir la incrustación en una superficie interna de un tubo de intercambiador de calor a través del cual pasa un gas de proceso caliente que arrastra materia de fase condensada para intercambiar calor con un fluido intercambiador de calor en el exterior del tubo, comprendiendo el método dotar al tubo de intercambiador de
calor de un dispositivo antiincrustante como se define en una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 6 unido a través del soporte a un extremo del tubo, tal como el extremo de salida del tubo, con el cuerpo de desplazamiento insertado en dicho tubo en una relación separada con respecto a la superficie interior del tubo para reducir el área de la sección transversal del flujo en una porción del tubo.
11. El método de la reivindicación 10, en el que la velocidad de flujo del medio de proceso en la porción del tubo con la sección transversal de flujo reducida aumenta por el cuerpo de desplazamiento del dispositivo antiincrustante hasta al menos 50 m/s.
12. El método de las reivindicaciones 10 u 11, en el que el material particulado que arrastra el gas de proceso caliente es un efluente obtenido de un reactor para la producción de negro de carbón y/o tiene una temperatura inicial en el intervalo de 400 °C a 1200 °C.
13. Un proceso para fabricar negro de carbón, que comprende:
hacer reaccionar un combustible con un oxidante para formar un gas de combustión caliente,
inyectar una materia prima de hidrocarburo en el gas de combustión caliente para formar negro de carbón por pirólisis de la materia prima en un reactor,
inactivación del medio de proceso que contiene negro de carbón resultante en el reactor,
pasar el medio de proceso que contiene negro de carbón inactivado a través de uno o más tubos de un intercambiador de calor de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 7 a 9, transfiriendo así calor desde el medio de proceso a un medio de intercambio de calor, y
separar y recoger el negro de carbón del medio de proceso enfriado que pasó por el intercambiador de calor.
14. Una planta de producción de negro de carbón que comprende un reactor de combustión y un intercambiador de calor de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 7 a 9.
15. Uso de un dispositivo como se define en una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 6 para el reequipamiento de un intercambiador de calor tubular.
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