ES2969775T3

ES2969775T3 - Aletas modificadas de serpentines de hornos

Info

Publication number: ES2969775T3
Application number: ES17726704T
Authority: ES
Inventors: Grazyna Petela; Leslie Benum; Evan Mah; Jeffrey Kluthe; Jeffrey Crowe
Original assignee: Nova Chemicals International SA
Current assignee: Nova Chemicals International SA
Priority date: 2016-05-25
Filing date: 2017-05-12
Publication date: 2024-05-22
Anticipated expiration: 2037-05-12
Also published as: WO2017203388A3; EP3465054C0; TW201743027A; US20170343301A1; CA2930827A1; EP3465054A2; JP2019516942A; KR20190010580A; EP3465054B1; WO2017203388A2; BR112018074206A2; MX2018013866A

Abstract

La presente invención proporciona aletas gruesas en la superficie de bobinas o tubos en un horno de craqueo al vapor. Las aletas tienen un espesor en su base de 1/4 a 3/4 del radio del tubo del horno. Las aletas tienen ranuras o protuberancias en no menos de aproximadamente el 10% de una superficie principal. Las aletas ayudan a aumentar el calor radiante absorbido por el tubo de las paredes y los gases de combustión en el horno. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

DESCRIPCIÓN

Aletas modificadas de serpentines de hornos

Campo técnico

La presente invención se refiere al campo del craqueo de parafinas en olefinas y, más en concreto, a aletas sustanciales en la superficie externa de los serpentines de proceso en la sección radiante de un horno de craqueo. Las aletas son longitudinales. Las aletas tienen un conjunto seleccionado del grupo que consiste en ranuras abiertas hacia arriba o hacia afuera que tienen una profundidad menor que un cuarto del espesor máximo de la aleta; o protuberancias que tienen una base que no excede el 10 % del espesor máximo de la aleta y una altura que no excede el 15 % del espesor máximo de la aleta, o ambas, en un patrón regular o semirregular que cubre al menos el 10 % de la superficie de al menos una superficie principal de la aleta.

Antecedentes de la técnica

El campo de los diseños de intercambiadores de calor está repleto de aplicaciones de aletas para mejorar la transferencia de calor. Normalmente se trata de la transferencia de calor mediante un mecanismo de convección forzada. La transferencia de calor por convección forzada tiene lugar entre una superficie sólida y un fluido en movimiento, que puede ser gaseoso o líquido, y comprende los efectos combinados de conducción y convección. Este tipo de transferencia de calor se produce en la mayoría de los sistemas de calefacción convencionales, ya sea de agua caliente o eléctrica, e intercambiadores de calor industriales.

En el craqueo de una alimentación que comprende parafinas, normalmente parafinas C2-4, tales como etano o nafta, o mezclas de los mismos, la alimentación, normalmente junto con vapor de diluyente, se introduce en un horno de craqueo que comprende una serie de tuberías o tubos que pasan a través de varias secciones de un horno. En primer lugar, la alimentación pasa a través de los tubos en la sección de convección del horno, donde los gases de escape que fluyen desde la sección radiante aguas abajo del horno calientan las superficies externas de los tubos. Allí, la alimentación se calienta hasta una temperatura igual o cercana al nivel en el que puede comenzar el craqueo. A continuación, la alimentación fluye hacia los tubos en la sección radiante del horno, donde los tubos se calientan principalmente por radiación de las paredes refractarias del horno y de los gases de combustión generados por quemadores que suelen estar montados en el suelo o las paredes de la sección radiante. Los gases de combustión también proporcionan cierto calentamiento por convección forzada de los tubos. La alimentación se calienta en la sección radiante del horno hasta una temperatura de aproximadamente 800 °C-950 °C. A estas temperaturas, la alimentación sufre una serie de reacciones, incluidas una descomposición por radicales libres (craqueo), la reformación de un nuevo producto insaturado y la coproducción de hidrógeno. Estas reacciones se producen en un período de tiempo muy corto que corresponde al tiempo de residencia de la alimentación en un serpentín. El tiempo de residencia suele ser de aproximadamente 0,01 a aproximadamente 10 segundos, en algunos casos de 0,01 a 2 segundos y en algunos casos de 0,01 a 1 segundo. Los reactantes se pueden calentar a temperaturas de 750 °C a 950 °C, en algunos casos de 800 °C a 900 °C a una presión de 200 a 500 kPa y en algunos casos de 250 kPa a 550 kPa.

El interior de la sección radiante del horno está revestido con un producto refractario radiante/absorbente de calor y normalmente se calienta mediante quemadores de gas.

El gas craqueado sale de la sección radiante de un horno y a continuación pasa a través de un intercambiador de línea de transferencia hasta un extintor para enfriar rápidamente la corriente de producto a una temperatura en la que se detiene la reacción. A continuación, la corriente de producto resultante se separa en diferentes componentes, tales como etileno, propileno, etc.

Existe una intención para mejorar la eficiencia de los hornos de craqueo, ya que esto reduce los costes del proceso y las emisiones de gases de efecto invernadero. Ha habido dos enfoques principales para mejorar la eficiencia: el primero, mediante la mejora de la transferencia de calor a los serpentines del horno, es decir, desde la llama, los gases de combustión y las paredes refractarias hacia la superficie externa de un serpentín de proceso; y el segundo, mediante la mejora de la transferencia de calor dentro del serpentín, es decir, desde las paredes internas del serpentín hacia la alimentación que fluye dentro del serpentín.

Uno de los métodos que representa el segundo enfoque es la adición de aletas internas a las paredes internas del serpentín del horno, para favorecer el "remolino" o mezcla mejorada de la alimentación dentro del serpentín. Esto mejora la transferencia de calor por convección desde las paredes del serpentín a la alimentación a medida que aumenta la turbulencia del flujo de la alimentación y también aumenta la superficie de transferencia de calor de la pared interior caliente del serpentín.

La patente de Estados Unidos 5950718, concedida el 14 de septiembre de 1999 a Sugitaniet al.cedida a Kubota Corporation proporciona un ejemplo de este tipo de tecnología.

Los artículos "Three dimensional coupled simulation of furnaces and reactor tubes for the thermal cracking of hydrocarbons" ("Simulación tridimensional acoplada de hornos y tubos de reactores para el craqueo térmico de hidrocarburos"), de T. Detemmerman, G.F. Froment (Universidad de Gante, Krijgslaan 281, b9000 Gante - Bélgica, marzo-abril, 1998); y "Three dimensional simulation of high internally finned cracking coils for olefins production severity" ("Simulación tridimensional de serpentines de craqueo con gran cantidad de aletas internas para la producción de olefinas en condiciones rigurosas", de Jjo de Saegher, T. Detemmerman, G.F. Froment (Universidad de Gante1, Laboratorio de Ingeniería Petroquímica, Krijgslaan 281, b-9000 Gante, Bélgica, 1998, proporcionan una simulación teórica de un proceso de craqueo en un serpentín que tiene internamente aletas helicoidales y longitudinales (o más bien crestas o protuberancias). Los resultados de la simulación se verifican mediante experimentos a escala de laboratorio, en donde el aire caliente fluye a través de dichos tubos con aletas internas. Los artículos concluyen que el tubo con aletas helicoidales internas funciona mejor que con aletas longitudinales internas y que los resultados para "un tubo con aletas helicoidales internas concuerdan muy bien con las observaciones industriales". Sin embargo, no se proporcionan datos experimentales que respalden estas conclusiones. Tampoco se hace una comparación con el rendimiento de un tubo desnudo, sin nervaduras ni aletas internas. Los autores coinciden en que una posible desventaja de este tipo de serpentines con aletas internas es que se pueden acumular depósitos de carbono en las aletas, aumentando la caída de presión a través del tubo.

La solicitud de patente de Estados Unidos 20030015316, publicada el 23 de enero de 2003 a nombre de Burkay, describe un tubo intercambiador de calor que tiene aletas internas y aletas externas. No hay descripciones ni sugerencias en Burkay de que las aletas externas deban tener ranuras adicionales en su superficie externa. La solicitud de patente se aleja del objeto de la presente solicitud.

La patente de Estados Unidos 7128139 de NOVA Chemicals, concedida el 31 de octubre de 2006, describe aletas anulares externas sobre el serpentín del horno de craqueo para aumentar el intercambio de calor por convección al serpentín. La patente no describe ni sugiere que las aletas tengan más ranuras en la superficie externa principal de las aletas.

La patente de Estados Unidos 7096931, concedida el 29 de agosto de 2006 a Changet al.cedida a ExxonMobil Research and Engineering Company describe un tubo intercambiador de calor con aletas externas en una reacción de suspensión (síntesis de Fischer Tropsch). En la reacción, una suspensión de CO e hidrógeno en un catalizador que contiene un diluyente de hidrocarbilo fluye sobre la superficie externa de los tubos del intercambiador de calor que contienen agua de refrigeración. Los tubos del intercambiador de calor tienen nervaduras que tienen una proporción de aspecto inferior a 5. No hay descripciones ni sugerencias en la patente de que las aletas tengan otras ranuras en su superficie externa principal.

La solicitud de patente de Estados Unidos 2012/0251407, publicada a nombre de Petelaet al.,cedida a NOVA Chemicals (International) S.A. describe aletas longitudinales sobre tubos de horno en la sección radiante de un horno de craqueo. Las aletas no tienen ranuras en su superficie. El párrafo 54 describe el espesor de la aleta en su base. Normalmente la aleta tiene un espesor en su base del 6 % al 25 % del diámetro del tubo, preferentemente del 7,5 % al 15 % del diámetro del tubo de horno.

La patente de Estados Unidos 8790602, concedida el 29 de julio de 2014 a Petelaet al.,cedida a NOVA Chemicals (International) S.A. describe tubos o serpentines de horno utilizados en la sección radiante de un horno de craqueo que tienen protuberancias en su superficie. La patente no describe ni sugiere aletas que tengan protuberancias en la superficie de los serpentines utilizados en la sección radiante del horno.

La patente de Estados Unidos 7743821, concedida el 29 de junio de 2010 a Bunkeret al.,cedida a General Electric Company muestra un tubo intercambiador de calor que tiene una aleta anular que tiene hoyuelos, formados de modo mecánico o por moldeado, en al menos una parte de su superficie principal. El intercambiador de calor se utiliza para enfriar gas o aire (es decir, aires acondicionados). El intercambiador de calor se ocupa principalmente del intercambio de calor por convección más que del intercambio de calor radiante. El intercambiador de calor no es comparable a los tubos de un horno de craqueo. No existe ninguna información escrita sobre el espesor de la pared del tubo del intercambiador de calor ni del espesor de la aleta. A partir de las figuras, los hoyuelos parecen tener aproximadamente entre la mitad y un tercio del espesor de la aleta, que es significativamente mayor que el máximo de un cuarto del espesor de la aleta requerido en la presente invención.

La patente de Estados Unidos 8376033, concedida el 19 de febrero de 2013 a Robidouet al.,cedida a GEA Batignolles Technologies Thermiques describe una aleta comparable en un intercambiador de calor por convección, excepto que las ranuras tienen una profundidad decreciente desde la base de la aleta hasta el borde externo. La patente indica que la aleta puede tener un

espesor en su borde interior (base) de aproximadamente 0,4 a 1 mm y un espesor en su borde exterior de 0,15 a 0,4 mm (columna 5, líneas 25-30). La patente también indica que las ranuras pueden tener una profundidad (grosor) de entre 0,4 y 1,5 mm. Las ranuras parecen tener un espesor de aproximadamente la mitad del espesor de la aleta. Nuevamente, estas aletas son para el calentamiento por convección y no para el calentamiento radiante como en un horno de craqueo. También son pertinentes para la presente invención los documentos US2010/034690 A1, FR1505482A y EP1978267.

La presente invención busca proporcionar aletas gruesas o sustanciales para tubos de hornos que tengan, al menos sobre una superficie principal, un conjunto seleccionado del grupo que consiste en: ranuras abiertas hacia arriba o hacia afuera que tienen una profundidad inferior a un cuarto del espesor de la aleta; o protuberancias que tienen una base cuya dimensión principal no excede el 10 % del espesor máximo de la aleta, y una altura que no excede el 15 % del espesor máximo de la aleta; o ambas, en un patrón regular o semirregular que cubre al menos el 10 % de la superficie de al menos una superficie principal de dicha aleta.

Divulgación de la invención

En una realización, se proporciona un tubo de horno que tiene en su superficie externa una o más aletas longitudinales gruesas que tienen un espesor en su base de 1/3 a 1/2 del radio de dicho tubo de horno y que tienen lados paralelos o lados con una inclinación hacia arriba y hacia adentro de menos de 15° con respecto al eje mayor de dicha aleta, teniendo dicha aleta, en al menos una superficie principal, un conjunto seleccionado del grupo que consiste en ranuras abiertas hacia afuera en una forma seleccionada de una V abierta hacia afuera, una V truncada abierta hacia afuera, una U abierta hacia afuera y un canal de lados paralelos abierto hacia afuera en un patrón regular o semirregular que cubre al menos el 10 % de la superficie de dichas ranuras que tienen una profundidad de menos de un cuarto del espesor máximo de la aleta; y protuberancias que tienen una base que no excede el 10 % del espesor máximo de la aleta y una altura que no excede el 15 % del espesor máximo de la aleta; o ambas, en un patrón regular o semirregular que cubre al menos el 10 % de la superficie de al menos una superficie principal de dicha aleta; en donde el tubo de horno comprende:

(a) del 55 al 65 % en peso de Ni; del 20 al 10 % en peso de Cr; del 20 al 10 % en peso de Co; y del 5 al 9% en peso de Fe y el resto uno o más elementos traza; o

(b) del 40 al 65 % en peso de Co; del 15 al 20 % en peso de Cr; del 20 al 13 % en peso de Ni; menos del 4 % en peso de Fe y el resto de uno o más elementos traza y hasta el 20 % en peso de W, siendo la suma de los componentes el 100 % en peso; o

(c) del 20 al 38 % en peso de cromo, del 25 al 48 % en peso de Ni, comprendiendo además del 0,2 al 3 % en peso de Mn, del 0,3 al 2 % en peso de Si; menos del 5 % en peso de titanio, niobio y todos los demás metales traza; y carbono en una cantidad inferior al 0,75 % en peso y el resto sustancialmente hierro, siendo la suma de los componentes el 100 % en peso.

En otra realización, se proporciona un tubo de horno en donde las ranuras tienen una profundidad de un octavo a un décimo del espesor máximo de la aleta.

En otra realización, se proporciona un tubo de horno en donde el conjunto de ranuras cubre no menos de una cuarta parte de al menos una superficie principal de la aleta.

En otra realización, se proporciona un tubo de horno en donde la aleta forma una placa transversal en forma de círculo, elipse o un polígono de N lados.

En otra realización, se proporciona un tubo de horno en donde la aleta es una aleta longitudinal que tiene una sección transversal en forma de parábola que se extiende hacia afuera, paralelogramo o forma de "E" (monolito con canales longitudinales paralelos) o una "V" roma.

En otra realización, se proporciona un tubo de horno en donde el conjunto comprende protuberancias que tienen:

i) una altura máxima del 3 al 15 % de la base de la aleta;

ii) una superficie de contacto con una aleta, o una base, cuya dimensión principal es del 0,1 % al 10 % del espesor de la aleta; y

iii) una forma geométrica que tiene una superficie externa relativamente grande que contiene un volumen relativamente pequeño.

En otra realización, se proporciona un tubo de horno en donde la protuberancia tiene una forma seleccionada del grupo que consiste en:

un tetraedro;

una pirámide cuadrada de Johnson;

una pirámide con 4 lados de triángulos isósceles;

una pirámide con lados de triángulos isósceles;

una sección de una esfera; una sección de un elipsoide;

una sección de una lágrima; y

una sección de una parábola.

En otra realización, se proporciona un tubo de horno, en donde el tubo de horno y la aleta comprenden la misma composición metálica.

En otra realización, se proporciona un tubo de horno y aletas que comprenden de aproximadamente el 55 al 65 % en peso de Ni; de aproximadamente el 20 al 10 % en peso de Cr; de aproximadamente el 20 al 10 % en peso de Co; y de aproximadamente el 5 al 9% en peso de Fe y el resto uno o más elementos traza.

En otra realización, se proporciona un tubo de horno y aletas que comprenden además del 0,2 al 3 % en peso de Mn; del 0,3 al 2 % en peso de Si; menos del 5 % en peso de titanio, niobio y todos los demás metales traza; y carbono en una cantidad inferior al 0,75 % en peso, siendo la suma de los componentes el 100 % en peso.

En otra realización, se proporciona un tubo de horno y aletas que comprenden del 40 al 65 % en peso de Co; del 15 al 20 % en peso de Cr; del 20 al 13 % en peso de Ni; menos del 4 % en peso de Fe y el resto de uno o más elementos traza y hasta el 20 % en peso de W, siendo la suma de los componentes el 100 % en peso.

En otra realización, se proporciona un tubo de horno y aletas que comprenden además del 0,2 al 3 % en peso de Mn; del 0,3 al 2 % en peso de Si; menos del 5 % en peso de titanio, niobio y todos los demás metales traza; y carbono en una cantidad inferior al 0,75 % en peso.

En otra realización, se proporciona un tubo de horno y aletas que comprenden del 20 al 38 % en peso de cromo, y del 25 al 48 % en peso de Ni.

En otra realización, se proporciona un tubo de horno y aletas que comprenden además del 0,2 al 3 % en peso de Mn, del 0,3 al 2 % en peso de Si; menos del 5 % en peso de titanio, niobio y todos los demás metales traza; y carbono en una cantidad inferior al 0,75 % en peso y el resto sustancialmente hierro.

En otra realización, se proporciona un horno de craqueo que comprende una sección radiante que tiene tubos de horno, como se indicó anteriormente.

En otra realización, se proporciona un método para craquear una parafina, que comprende pasar la parafina en estado gaseoso a través de la sección radiante de un horno de craqueo, como se indicó anteriormente, a una temperatura de 600 °C a 950 °C durante un tiempo de 0,001 a 0,01 segundos, y separar las olefinas resultantes de la alimentación y los coproductos.

La presente invención también proporciona cualquiera y todas las combinaciones de las realizaciones anteriores.

Breve descripción de los dibujos

La figura 1 muestra un tubo de horno con aletas longitudinales de la presente invención modificadas con ranuras en la superficie.

La figura 2 muestra una aleta de la presente invención modificada con protuberancias de la presente invención. La figura 3 es un gráfico que muestra el porcentaje de aumento en la superficie de la aleta modificada con diferentes protuberancias de la presente invención.

Mejor modo de llevar a cabo la invención

Intervalos numéricos

Excepto en los ejemplos de funcionamiento, o cuando se indique de otro modo, se entiende que todos los números y las expresiones que hagan referencia a cantidades de ingredientes, condiciones de reacción, etc., usados en la memoria descriptiva y las reivindicaciones están modificados en todos los casos por el término "aproximadamente". En consecuencia, salvo que se indique lo contrario, los parámetros numéricos establecidos en la siguiente memoria descriptiva y en las reivindicaciones adjuntas son aproximaciones que pueden variar en función de las propiedades que desea obtener la presente invención. Como mínimo y sin la intención de limitar la aplicación de la doctrina de los equivalentes al alcance de las reivindicaciones, cada parámetro numérico debe interpretarse al menos a la luz del número de dígitos significativos indicados y mediante la aplicación de las técnicas de redondeo habituales.

A pesar de que los intervalos numéricos y los parámetros que establecen el amplio alcance de la invención sean aproximaciones, los valores numéricos expuestos en los ejemplos específicos se indican de la manera más precisa posible. Cualquier valor numérico, sin embargo, contiene de forma inherente determinados errores que surgen inevitablemente de la desviación típica que aparece en sus mediciones de ensayo respectivas.

Además, debe entenderse que cualquier intervalo numérico mencionado en el presente documento tiene la intención de incluir todos los subintervalos incluidos en el mismo. Por ejemplo, un intervalo de "1 a 10" pretende incluir todos los subintervalos entre el valor mínimo mencionado de 1 y el valor máximo mencionado de 10, ambos inclusive; es decir, que tiene un valor mínimo igual o mayor que 1 y un valor máximo igual o menor que 10. Como los intervalos numéricos divulgados son continuos, incluyen cualquier valor entre los valores mínimo y máximo. Salvo que se indique expresamente lo contrario, los diversos intervalos numéricos especificados en esta solicitud son aproximaciones.

Todos los intervalos de composición expresados en este documento están limitados en total al 100 % y no lo superan (porcentaje en volumen o porcentaje en peso) en la práctica. Cuando pueden estar presentes en una composición múltiples componentes, la suma de las cantidades máximas de cada componente puede superar el 100 por ciento, entendiendo que, como los expertos en la materia comprenderán con facilidad, las cantidades de los componentes realmente usadas se ajustarán al máximo del 100 por ciento.

Tal como se utiliza en esta memoria descriptiva, la expresión hacia afuera, cuando remite a las ranuras, es hacia afuera con respecto al plano principal de la aleta en la que se encuentran.

Tal como se utiliza en esta memoria descriptiva, la altura de la aleta se refiere a la distancia que la aleta se extiende desde la superficie externa del tubo de horno.

De acuerdo con la presente invención, los tubos del horno tienen aletas que tienen una alta integridad, una buena resistencia al estrés y son bastante gruesos. Normalmente, las aletas tendrán un espesor en su base no inferior a aproximadamente el 33 % del radio del tubo de horno, normalmente de aproximadamente el 40 %, deseablemente no menos de aproximadamente el 45 %, en algunas realizaciones hasta el 50 % del radio del tubo. Las aletas son gruesas o rechonchas. Tienen una proporción de altura a anchura máxima de aproximadamente 0,5 a 5, normalmente de 1 a 3. Los lados (bordes) de la aleta pueden ser paralelos o estar ligeramente inclinados hacia dentro, en la dirección del borde externo de la aleta. El ángulo de inclinación no debe ser superior a aproximadamente 15°, normalmente de aproximadamente 10° o menos hacia adentro en relación con la línea central de la aleta. El borde de la aleta puede ser plano, puntiagudo (en un ángulo de 30° a 45° desde cada superficie) o tienen una punta roma y redondeada. Las aletas pueden tener una forma de sección transversal en forma de parábola que se extiende hacia afuera, de paralelogramo, con forma de "V" roma. En algunos casos, preferentemente para las aletas longitudinales, la sección transversal de la aleta puede tener forma de "E" (monolito con extensiones longitudinales paralelas (que tiene ranuras paralelas).

En una realización, al menos una superficie principal de la aleta tiene un conjunto de ranuras abiertas hacia afuera en un patrón regular o semirregular que cubre al menos el 10 % de la superficie de al menos una superficie principal de la aleta (por ejemplo, los laterales para aletas longitudinales), teniendo dichas ranuras una profundidad de menos de un cuarto, en algunos casos, de un octavo a un décimo, del espesor máximo de la aleta. El conjunto puede cubrir no menos del 25 %, en algunos casos, no menos del 50 %, preferentemente más del 75 %, lo más preferentemente más del 85 % hasta el 100 % de la superficie de una o más superficies principales de la aleta. El conjunto puede tener la forma de líneas paralelas, rectas u onduladas, paralelas o en un ángulo desde el eje mayor de la aleta, líneas cruzadas, líneas onduladas, cuadrados o rectángulos. Las ranuras pueden tener la forma de una V abierta hacia afuera, una V truncada abierta hacia afuera, una U abierta hacia afuera y un canal de lados paralelos abierto hacia afuera.

Las aletas son paralelas (por ejemplo, longitudinales) al eje principal del tubo de horno.

Las aletas longitudinales pueden tener forma de paralelogramo, una parte de una elipse o círculo y una longitud de aproximadamente el 50 % de la longitud del tubo de horno (a veces denominado paso) en la sección radiante hasta el 100 % de la longitud del tubo de horno en la sección radiante y todos los intervalos intermedios.

La base de la aleta longitudinal es de 1/3 a 1/2 del radio del tubo de horno. Las aletas son gruesas o rechonchas. Tienen una proporción de altura a anchura máxima de aproximadamente 0,5 a 5, normalmente de 1 a 3. Los lados (bordes) de la aleta pueden ser paralelos o estar ligeramente inclinados hacia dentro, en la dirección de la punta de la aleta. El ángulo de inclinación no debe ser superior a aproximadamente 15°, normalmente de aproximadamente 10° o menos hacia adentro en relación con la línea central de la aleta. La punta o borde delantero de la aleta puede ser plano, estar inclinado (en un ángulo de 30° a 45° desde las superficies superior e inferior de la aleta), o tener una punta redondeada y roma. El borde delantero de la aleta longitudinal normalmente será paralelo al eje central del tubo de horno. En los casos en que la aleta se extiende menos del 100 % de la longitud del tubo de horno, el borde delantero de la aleta será en su mayor parte paralelo al eje central del tubo de horno y luego formará un ángulo con la pared del tubo de horno entre aproximadamente 60° y 30°, normalmente 45°. En algún caso, la aleta puede terminar en una superficie plana perpendicular a la superficie del tubo.

Un tubo o paso de horno que tiene aletas ranuradas se describirá de acuerdo con la figura 1. El tubo de horno 1 comprende un canal central 2 y una pared anular 3. Las aletas 4 y 5 en esta realización tienen lados rectos y no forman ángulo ni se inclinan hacia adentro en dirección a las puntas 6 y 7. Las aletas llevan en su superficie una serie de ranuras-canales 10 paralelos.

En otra realización de la invención, las aletas pueden comprender un conjunto de protuberancias.

La figura 2 muestra una aleta 20 de la presente invención que tiene su superficie 21 cubierta con una o más protuberancias. Las protuberancias pueden tener forma de pirámide cuadrada 23, un cono equilátero 24 o un hemisferio 25.

Las protuberancias se pueden aplicar moldeando o mecanizando la aleta, o usando un rodillo moleteado de modo que la superficie 21 de la aleta tenga una superficie texturizada.

El conjunto de protuberancias puede cubrir del 10 % al 100 % (y todos los intervalos intermedios) de la superficie externa de la aleta. En algunas realizaciones de la invención, las protuberancias pueden cubrir del 40 al 100%, normalmente del 50 % al 100 %, generalmente del 70 % al 100 % de la superficie externa del serpentín radiante de la aleta. Si las protuberancias no cubren toda la superficie de la aleta, se pueden ubicar en la parte inferior, intermedia o superior de la aleta.

Una base de protuberancia está en contacto con la superficie externa del serpentín. La base de una protuberancia tiene una superficie no mayor que entre el 0,1 % y el 10 % del espesor máximo de la aleta. Preferentemente, la protuberancia tiene formas geométricas que tienen una superficie externa relativamente grande que contiene un volumen relativamente pequeño, tal como, por ejemplo, tetraedros, pirámides, cubos, conos, una sección a través de una esfera (por ejemplo, hemisférica o menos), una sección a través de un elipsoide, una sección a través de un elipsoide deformado (por ejemplo, una lágrima), etc. Algunas formas útiles para una protuberancia incluyen:

un tetraedro (pirámide de base triangular y 3 caras que son triángulos equiláteros);

una pirámide cuadrada de Johnson (pirámide de base cuadrada y lados que son triángulos equiláteros); una pirámide con 4 lados de triángulos isósceles;

una pirámide con lados de triángulos isósceles (por ejemplo, si es una pirámide de cuatro caras, la base puede no ser un cuadrado, sino que podría ser un rectángulo o un paralelogramo);

una sección de una esfera (por ejemplo, un hemisferio o menos);

una sección de un elipsoide (por ejemplo, una sección a través de la forma o el volumen formado cuando una elipse se gira alrededor de su eje mayor o menor);

una sección de una lágrima (por ejemplo, una sección a través de la forma o el volumen formado cuando un elipsoide deformado no uniformemente se gira a lo largo del eje de deformación); y

una sección de una parábola (por ejemplo, una sección a través de la forma o el volumen formado cuando una parábola se gira alrededor de su eje mayor, un hemisferio deformado (o menos), tal como, por ejemplo, diferentes tipos de alas delta.

La selección de la forma de la protuberancia se basa en gran medida en la facilidad de fabricación de la aleta. Un método para formar protuberancias sobre la superficie de la aleta es colando en un molde que tenga la forma de la protuberancia en la pared del molde. Esto es eficaz para formas relativamente simples. Las protuberancias también se pueden producir mecanizando la superficie externa de una aleta moldeada, tal como mediante el uso de un dispositivo de moleteado, por ejemplo, un rodillo moleteado.

Las protuberancias anteriores son sólidos cerrados.

Una protuberancia puede tener una altura (Lz) por encima de la superficie de la aleta, del 3 % al 15 % del espesor máximo de la aleta, y todos los intervalos intermedios, preferentemente del 3 % al 10 % del espesor máximo de la aleta.

En algunas realizaciones, la concentración de las protuberancias es uniforme y cubre prácticamente toda la superficie externa de la aleta. Sin embargo, la concentración también se puede seleccionar en función del flujo de calor de radiación en la ubicación del paso del serpentín (por ejemplo, algunas ubicaciones pueden tener un flujo de calor mayor que otras: las esquinas).

Al diseñar las protuberancias, se debe tener cuidado para que absorban más energía radiante de la que pueden irradiar. Esto también se puede explicar como que la transferencia de calor a través de la base de la protuberancia hacia la superficie de la aleta debe exceder la transferencia de calor a la superficie equivalente en una aleta desnuda y lisa en las mismas condiciones de funcionamiento. Si las concentraciones de las protuberancias son excesivas y si su geometría no se selecciona adecuadamente, pueden comenzar a reducir la transferencia de calor debido a los efectos térmicos de una resistencia conductora excesiva, lo que anula el propósito de la invención. Las protuberancias adecuadamente diseñadas y fabricadas aumentarán el calor neto de radiación y convección transferido a una aleta y, posteriormente, a un serpentín desde los gases de combustión que fluyen alrededor, la llama y el producto refractario del horno. El impacto positivo de las protuberancias sobre la transferencia de calor por radiación no solo se debe a que se puede absorber más calor a través de la mayor superficie externa de la aleta, por lo que aumenta la superficie de contacto entre los gases de combustión y la aleta, sino también porque se reduce la pérdida de calor relativa a través de la superficie radiante de la aleta, ya que la superficie de la aleta ya no es lisa. En consecuencia, puesto que una protuberancia irradia energía a su entorno, parte de esta energía es suministrada y capturada por otras protuberancias, por lo tanto, se redirige de nuevo a la superficie de la aleta. Las protuberancias también aumentarán la transferencia de calor por convección a una aleta, debido al aumento de la superficie externa de la aleta que está en contacto con el gas de combustión que fluye, y también al aumento de la turbulencia a lo largo de la superficie de la aleta, reduciendo así el espesor de una capa límite gaseosa adyacente a la superficie de la aleta.

La figura 3 es un gráfico del aumento porcentual en la superficie de la superficie 21 de la aleta 20 cuando las protuberancias son una pirámide equilátera 26, una pirámide cuadrada 23, un cono equilátero 24 y un hemisferio 25, que tiene una dimensión principal "a" (longitud lateral de una pirámide o diámetro de un cono o hemisferio) en mm.

El tamaño de la protuberancia debe seleccionarse cuidadosamente. Por lo general, cuanto menor sea el tamaño, mayor será la proporción entre superficie y volumen de una protuberancia, pero puede ser más difícil moldear o mecanizar dicha textura. Además, en el caso de protuberancias excesivamente pequeñas, el beneficio de su presencia puede reducirse gradualmente con el tiempo debido al asentamiento de diferentes impurezas en la superficie de la aleta. Sin embargo, las protuberancias no necesitan ser idealmente simétricas. Por ejemplo, una base elíptica puede deformarse hasta darle forma de lágrima y, si se le da esa forma, preferentemente la "cola" puede apuntar hacia abajo, alineada con la dirección general del flujo de gases de combustión, cuando el serpentín se sitúa en el horno.

Otra ventaja importante de las aletas con ranuras o protuberancias es que, aunque la aleta tenga una mayor superficie de contacto, su peso podría reducirse.

Las aletas y el tubo de horno pueden comprender el mismo material. En algunas realizaciones, las aletas son más fáciles de moldear como parte del tubo de horno. En otras realizaciones, las aletas pueden moldearse por separado y soldarse en su posición.

El tubo y la aleta o aletas pueden comprender de aproximadamente el 55 al 65 % en peso de Ni; de aproximadamente el 20 al 10 % en peso de Cr; de aproximadamente el 20 al 10 % en peso de Co; y de aproximadamente el 5 al 9% en peso de Fe y el resto uno o más elementos traza. La aleación a partir de la cual se fabrican el tubo y las aletas puede comprender además del 0,2 al 3 % en peso de Mn; del 0,3 al 2 % en peso de Si; menos del 5 % en peso de titanio, niobio y todos los demás metales traza; y carbono en una cantidad inferior al 0,75 % en peso, siendo la suma de los componentes el 100 % en peso.

El tubo de horno y las aletas pueden comprender del 40 al 65 % en peso de Co; del 15 al 20 % en peso de Cr; del 20 al 13 % en peso de Ni; menos del 4 % en peso de Fe y el resto de uno o más elementos traza y hasta el 20 % en peso de W, siendo la suma de los componentes el 100 % en peso. La aleación a partir de la cual se fabrican el tubo de horno y las aletas puede comprender además del 0,2 al 3 % en peso de Mn; del 0,3 al 2 % en peso de Si; menos del 5 % en peso de titanio, niobio y todos los demás metales traza; y carbono en una cantidad inferior al 0,75 % en peso, siendo la suma de los componentes el 100 % en peso.

El tubo de horno y las aletas pueden comprender del 20 al 38 % en peso de cromo y del 25 al 48 % en peso de Ni. La aleación a partir de la cual se pueden fabricar el tubo de horno y las aletas puede comprender además del 0,2 al 3 % en peso de Mn, del 0,3 al 2 % en peso de Si; menos del 5 % en peso de titanio, niobio y todos los demás metales traza; y carbono en una cantidad inferior al 0,75 % en peso y el resto sustancialmente hierro, siendo la suma de los componentes el 100 % en peso.

Las ranuras o protuberancias podrían mecanizarse sobre la superficie de la aleta moldeada. En algunas realizaciones, se prefiere laminar en frío (a una temperatura por debajo de la temperatura de recristalización del acero) la aleta para producir las ranuras/protuberancias sin eliminar ningún material. Esto puede resultar especialmente útil cuando las aletas son sustancialmente planas.

Las ranuras o protuberancias pueden tener un patrón geométrico, tal como líneas paralelas longitudinales o transversales, líneas diagonales, un patrón de trama cruzada, cuadrados, rectángulos, círculos, elipses, etc. El patrón puede ser regular o semirregular.

Aplicabilidad industrial

La invención proporciona tubos de horno para el craqueo de parafinas en olefinas que tienen una eficiencia mejorada.

Claims

REIVINDICACIONES

1. Un tubo de horno que tiene en su superficie externa una o más aletas longitudinales gruesas que tienen un espesor en su base de 1/3 a 1/2 del radio de dicho tubo de horno y que tienen lados paralelos o lados con una inclinación hacia arriba y hacia adentro de menos de 15° con respecto al eje mayor de dicha aleta, teniendo dicha aleta, al menos sobre una superficie principal, un conjunto seleccionado del grupo que consiste en: ranuras abiertas hacia afuera en una forma seleccionada de una V abierta hacia afuera, una V truncada abierta hacia afuera, una U abierta hacia afuera y un canal de lados paralelos abierto hacia afuera en un patrón regular o semirregular que cubre al menos el 10 % de la superficie, teniendo dichas ranuras una profundidad inferior a un cuarto del espesor máximo de la aleta; teniendo las protuberancias una dimensión de base que no excede el 10 % del espesor máximo de la aleta y una altura que no excede el 15 % del espesor máximo de la aleta; o ambas, en un patrón regular o semirregular que cubre al menos el 10 % de la superficie de al menos una superficie principal de dicha aleta;

en donde el tubo de horno comprende:

2. El tubo de horno de acuerdo con la reivindicación 1, en donde el conjunto cubre no menos de una cuarta parte de al menos una superficie principal de la aleta.

3. El tubo de horno de acuerdo con la reivindicación 1, en donde la aleta tiene una sección transversal en forma de parábola que se extiende hacia afuera, de paralelogramo, con forma de "E" o una "V" roma.

4. El tubo de horno de acuerdo con la reivindicación 3, en donde el conjunto comprende ranuras que tienen una profundidad de un octavo a un décimo del espesor máximo de la aleta.

5. El horno de acuerdo con la reivindicación 1, en donde el conjunto comprende protuberancias que tienen:

i) una altura máxima del 3 al 15 % de la base de la aleta;

6. El tubo de horno de acuerdo con la reivindicación 5, en donde la protuberancia tiene una forma seleccionada del grupo que consiste en:

un tetraedro;

una pirámide cuadrada de Johnson;

una pirámide con 4 lados de triángulos isósceles;

una pirámide con lados de triángulos isósceles;

una sección de una esfera;

una sección de un elipsoide;

una sección de una lágrima; y

una sección de una parábola.

7. Un tubo de horno de acuerdo con la reivindicación 4 o 5, en donde la aleta forma una placa transversal en forma de círculo, elipse o un polígono de N lados.

8. Un tubo de horno de acuerdo con la reivindicación 4 o 5, en donde la aleta es una aleta longitudinal que tiene una sección transversal en forma de parábola que se extiende hacia afuera, un paralelogramo o una forma de "E".

9. El tubo de horno de acuerdo con la reivindicación 1, en donde el tubo de horno y la aleta comprenden la misma composición metálica.

10. El tubo de horno de acuerdo con la reivindicación 1, que comprende además desde el 0,2 hasta el 3 % en peso de Mn; del 0,3 al 2 % en peso de Si; menos del 5 % en peso de titanio, niobio y todos los demás metales traza; y carbono en una cantidad inferior al 0,75 % en peso, siendo la suma de los componentes el 100 % en peso.

11. El tubo de horno de acuerdo con la reivindicación 1, que comprende además desde el 0,2 hasta el 3%en peso de Mn; del 0,3 al 2 % en peso de Si; menos del 5 % en peso de titanio, niobio y todos los demás metales traza; y carbono en una cantidad inferior al 0,75 % en peso.

12. Un horno de craqueo que comprende una sección radiante que tiene tubos de horno de acuerdo con la reivindicación 1.

13. Un método para craquear una parafina que comprende hacer pasar la parafina en estado gaseoso a través de la sección radiante de un horno de craqueo de acuerdo con la reivindicación 12, a una temperatura de 600 °C a 1000 °C durante un tiempo de 0,001 a 0,01 segundos.