ES2973733T3 - Elemento constructivo de transición con aislamiento - Google Patents
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Abstract
La invención se refiere a un componente de transición (1a, 1b) para conectar componentes de una planta de ingeniería química o de procesos, presentando el componente de transición (1a, 1b) una primera pieza de material (10) hecha de un primer material y una segunda pieza de material (20) de un segundo material, en el que el primer material y el segundo material no se pueden unir entre sí mediante soldadura por fusión, formando la primera pieza de material (10) y la segunda pieza de material (20) un cuerpo hueco, el componente de transición (1a, 1b) con un lado interior (2) radialmente interior y un lado exterior (3) radialmente exterior, estando unida la primera pieza de material (10) con la segunda pieza de material (20) mediante al menos una capa intermedia de material (30). y el componente de transición (1a, 1b) que tiene al menos una capa aislante (100, 200), en donde la capa aislante (100, 200) se extiende al menos en parte sobre el lado interior (2) y/o el lado exterior (3).) del componente de transición (1a, 1b), y un intercambiador de calor de núcleo en carcasa (1000) y una caja fría (2000) que tiene el componente de transición (1a, 1b). (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)
Description
DESCRIPCIÓN
Elemento constructivo de transición con aislamiento
La invención se refiere a un elemento constructivo de transición para unir elementos constructivos de un aparato químico o de tecnología de procesos, en donde el elemento constructivo de transición presenta una primera pieza de material de un primer material y una segunda pieza de material de un segundo material, en donde el primer material y el segundo material no pueden unirse entre sí mediante soldadura por fusión, en donde la primera pieza de material y la segunda pieza de material forman un cuerpo hueco, en donde el elemento constructivo de transición presenta un lado interior radialmente interno y un lado exterior radialmente externo, y en donde la primera pieza de material está unida a la segunda pieza de material a través de al menos una capa de material intermedia. La invención se refiere asimismo a un intercambiador de calor de núcleo en carcasa con el elemento constructivo de transición, así como a una caja fría con una tubería con el elemento constructivo de transición.
Estado de la técnica
En numerosas aplicaciones, en particular, en instalaciones criogénicas, por ejemplo intercambiadores de calor criogénicos para la licuefacción de gases o una caja fría para proporcionar, por ejemplo, un gas criogénico licuado, o en intercambiadores de calor de núcleo en carcasa o contenedores criogénicos o bombas criogénicas, es necesario, por ejemplo, para proporcionar la estanqueidad a los fluidos, unir entre sí, en particular soldar, elementos constructivos, tales como por ejemplo tubos, en particular, de diferentes materiales. Las instalaciones o los dispositivos mencionados son ejemplos o constituyentes de los aparatos de químicos o de tecnología de procesos mencionados anteriormente.
Por ejemplo, para unir un tubo de aluminio a un tubo de acero, se usa un elemento constructivo de transición (del inglés:Transition Joint),que puede presentar una sección de aluminio a la que se fija el tubo de aluminio, en particular se suelda, y una sección de acero a la que se fija el tubo de acero, en particular, se suelda. Para unir de manera estanca a los fluidos la sección de aluminio del elemento constructivo de transición con la sección de acero del elemento constructivo de transición, se disponen, por ejemplo, distintas capas de material intermedio de metal, por ejemplo, de titanio o de una aleación de titanio, de cobre o de una aleación de cobre-níquel en varias etapas por medio de chapeado con explosivos entre la sección de aluminio y la sección de acero. Por un lado, este procedimiento de producción es muy costoso. Por otro lado, el chapeado con explosivos ejerce una gran tensión física sobre las capas de material intermedias de metal, lo que puede hacer que las capas de material intermedias se vuelvan quebradizas o frágiles.
Del estado de la técnica también se conocen otros tipos de piezas o construcciones de unión:
el documento US 3.899.007 A y el documento US 3.747.961 A describen en cada caso una disposición de tubo con un tubo central interno resistente a altas temperaturas, que se sujeta en un tubo de carcasa coaxial mediante un anclaje o una placa de anclaje para protegerlo de movimientos axiales o longitudinales. El anclaje sale de esta carcasa y se encuentra en el lado exterior en una capa aislante, por ejemplo, de hormigón. El tubo central está a su vez rodeado por una capa anular aislante. El documento FR 2947032 A1 propone unir dos conducciones a través de una estructura de brida o de unión. Cada una de las dos conducciones tiene una pared interior y una pared envolvente, en donde la pared interior se dirige hacia el exterior en el extremo de conducción. La estructura de unión presenta también un lado interior y un lado exterior, en donde cuando las dos conducciones están unidas, las secciones de pared internas en los extremos de conducción se apoyan en el lado interior de la estructura de unión.
El objetivo de la presente invención es proporcionar un elemento constructivo de transición que sea más fácil de producir y que presente propiedades ventajosas en comparación con elementos constructivos de transición conocidos.
Descripción de la invención
Según la invención, se proponen un elemento constructivo de transición y un intercambiador de calor de núcleo en carcasa, así como una caja fría con las características de las reivindicaciones independientes. Las reivindicaciones dependientes, así como la descripción que sigue, tienen por objeto realizaciones ventajosas.
El elemento constructivo de transición según la invención, para unir elementos constructivos de un aparato químico o de tecnología de procesos, en particular, en una instalación criogénica, presenta una primera pieza de material de un primer material y una segunda pieza de material de un segundo material, en donde el primer material y el segundo material no se pueden unir entre sí mediante soldadura por fusión.
El elemento constructivo de transición o la primera pieza de material y la segunda pieza de material presentan una forma de un cuerpo hueco, en particular, una forma tórica, forma anular o forma cilíndrica circular, con un lado interior radialmente interno y un lado exterior radialmente externo. El elemento constructivo de transición es adecuado para unirse a tubos del aparato químico o de tecnología de procesos, en donde la forma del elemento constructivo de transición está adaptada preferiblemente a la forma de los tubos.
La primera pieza de material está unida a la segunda pieza de material a través de al menos una capa intermedia de material, en particular, de metal. La al menos una capa de material intermedia se dispone entre la primera pieza de material y la segunda pieza de material o se aplica sobre la primera y/o segunda pieza de material, en particular, por medio de chapeado con explosivos.
El elemento constructivo de transición del estado de la técnica está expuesto a cargas térmicas elevadas. Por ejemplo, si fluye fluido criogénico a través del elemento constructivo de transición, el lado interior del elemento constructivo de transición se enfría rápida y significativamente, por lo que la temperatura del lado interior cambia en comparación con la temperatura del lado exterior del elemento constructivo de transición. Debido a esta diferencia de temperatura y a los diferentes coeficientes de dilatación térmica de cada uno de los materiales, se generan tensiones en el elemento constructivo de transición entre el lado interior y el lado exterior y/o entre cada uno de los materiales, que pueden producir, por ejemplo, grietas o roturas.
Esta diferencia de temperatura entre el lado interior y el lado exterior repercute, por ejemplo, en la al menos una capa de material intermedia, de tal manera que la al menos una capa de material intermedia tiende a contraerse más en el lado interior que en el lado exterior. Por lo tanto, también se generan tensiones en la al menos una capa de material intermedia.
Estas tensiones llevan, por ejemplo, a que la al menos una capa de material intermedia sometida al chapeado con explosivos se exponga a otras cargas adicionales, con lo que pueden formarse grietas o roturas en la capa de material intermedia. Además, estas grietas o roturas pueden provocar, por ejemplo, que el elemento constructivo de transición no sea estanco y, por tanto, que pueda escaparse fluido criogénico. Esta desventaja no se presenta en el caso del elemento constructivo de transición propuesto según la invención.
El elemento constructivo de transición según la invención presenta al menos una capa aislante. La capa aislante se extiende al menos en parte sobre el lado interior y/o el lado exterior del elemento constructivo de transición.
“ En parte” significa en este caso, por ejemplo, que la capa aislante está dispuesta solamente sobre la al menos una capa de material intermedia. Además, la capa aislante también puede estar dispuesta sobre la al menos una capa de material intermedia y sobre al menos una parte de la primera pieza de material y/o sobre al menos una parte de la segunda pieza de material.
Si la al menos una capa aislante está dispuesta en el lado interior del elemento constructivo de transición, aísla al menos en parte el elemento constructivo de transición frente al fluido criogénico. De este modo, se reduce la diferencia de temperatura entre el lado interior y el lado exterior del elemento constructivo de transición. Esto lleva a que se produzcan menos tensiones en el elemento constructivo de transición. Si la al menos una capa aislante está dispuesta en el lado exterior del elemento constructivo de transición, aísla al menos en parte el elemento constructivo de transición frente a la temperatura del entorno, por ejemplo, la temperatura del aire, con lo que se reduce la diferencia de temperatura entre el lado interior y el lado exterior del elemento constructivo de transición.
En general, la al menos una capa aislante aumenta de este modo la vida útil del elemento constructivo de transición.
Por ejemplo, si en cada caso está dispuesta una capa aislante en el lado interior y en el lado exterior del elemento constructivo de transición, puede reducirse adicionalmente la diferencia de temperatura y puede prolongarse la vida útil del elemento constructivo de transición.
Preferiblemente, la al menos una capa aislante está dispuesta de tal manera que cubre la primera pieza de material, la al menos una capa de material intermedia y la segunda pieza de material. Gracias a una disposición de este tipo, la primera pieza de material, la al menos una capa de material intermedia y la segunda pieza de material presentan aproximadamente la misma temperatura. De esta manera, se impide que, por ejemplo, debido a una diferencia de temperatura significativa entre la primera pieza de material y la al menos una capa de material intermedia, puedan aparecer tensiones entre los dos elementos constructivos, que pueden, por ejemplo, dañar o destruir la primera pieza de material y/o la al menos una capa de material intermedia.
Preferiblemente, la capa aislante que está dispuesta en el lado exterior del elemento constructivo de transición es una camisa. La camisa está realizada como cuerpo hueco y tiene forma toroidal, anular o cilíndrica circular. La capa aislante en forma de una camisa está colocada en el elemento constructivo de transición y lo envuelve o lo encierra. La camisa puede adaptarse y seleccionarse correspondientemente dependiendo de la ubicación y del uso respectivo del elemento constructivo de transición.
Si la primera pieza de material está unida a una primera tubería del primer material y la segunda pieza de material está unida a una segunda tubería del segundo material, la camisa cubre preferiblemente una sección de la primera tubería y/o una sección de la segunda tubería. Una “tubería” en el sentido entendido en este caso puede representar, en particular, una sección de una conducción hacia o desde un intercambiador de calor.
Por ejemplo, la primera pieza de material está unida, en particular, soldada con la primera tubería. Si la camisa cubre solamente el elemento constructivo de transición, tal como, por ejemplo, en el caso de una pieza de transición del estado de la técnica, una diferencia de temperatura entre la primera pieza de material y la primera tubería podría dar lugar a que se produzcan tensiones entre la primera pieza de material y la primera tubería. Esto podría llevar, por ejemplo, a daños en el cordón de soldadura, lo que podría provocar una fuga de fluido criogénico.
Por ejemplo, si la camisa se extiende sobre la zona en la que la primera pieza de material está unida a la primera tubería, las tensiones entre la primera pieza de material y la primera tubería se reducen en comparación con el estado de la técnica, de manera que se protege la unión.
Preferiblemente, la camisa presenta metal y/o plástico y/o cerámica y/u hormigón. La camisa puede estar realizada en distintas formas de realización. En una forma de realización, la camisa podría proporcionarse en forma de un tubo, en particular, en forma de un tubo de protección térmica. El tubo rodea el elemento constructivo de transición y/o la tubería unida al mismo, en donde el tubo puede estar fijado al elemento constructivo de transición y/o a la tubería unida al mismo con arrastre de materia (por ejemplo por medio de soldadura) o con arrastre de forma (por medio de tornillos).
En una forma de realización alternativa, la camisa puede estar diseñada en forma de esteras de plástico, en donde las esteras de plástico se colocan alrededor del elemento constructivo de transición y/o de la tubería unida al mismo. Como fijación sirven en este caso, por ejemplo, manguitos.
En otra alternativa, la camisa puede estar configurada en forma de una estructura con cavidades de plástico, en donde la estructura presenta, por ejemplo, cavidades hexagonales, rectangulares o redondas, que están llenas de gases o presentan vacío.
Como camisa también puede usarse espuma aislante y/o poliestireno expandido.
Preferiblemente, la capa aislante que está dispuesta en el lado interior del elemento constructivo de transición es una mampostería refractaria. La mampostería refractaria está realizada como cuerpo hueco y tiene forma toroidal, anular o cilíndrica circular. Asimismo, la mampostería refractaria está unida al elemento constructivo de transición con arrastre de forma, por ejemplo, mediante tornillos, y/o con arrastre de materia, por ejemplo, mediante pegado, de modo que mediante el fluido criogénico que fluye a través del elemento constructivo de transición no se puede para desplazar o retirar la mampostería refractaria. Asimismo, la mampostería refractaria está unida al elemento constructivo de transición de tal manera que no pueda penetrar nada de fluido criogénico entre la mampostería refractaria y el elemento constructivo de transición. Esto podría, por ejemplo, aflojar o soltar la unión entre la mampostería refractaria y el elemento constructivo de transición. Asimismo, un fluido criogénico entre el elemento constructivo de transición y la mampostería refractaria contrarrestaría el aislamiento del elemento constructivo de transición.
La mampostería refractaria presenta preferiblemente una cerámica de óxido de aluminio, hormigón, una estructura con cavidades de plástico, espuma aislante y/o poliestireno expandido o una mezcla de los mismos. Por ejemplo, hormigón o espuma aislante pueden conformarse o colarse en forma de mampostería refractaria. Por ejemplo, una cerámica de óxido de aluminio puede producirse de tal manera que presente la forma de la mampostería refractaria. Se entiende que, dependiendo de la aplicación, el experto en la materia puede preferir un material para la mampostería refractaria.
Además, en el caso del elemento constructivo de transición según la invención, el primer material es acero o acero inoxidable y el segundo material es aluminio o una aleación de aluminio. En particular, en instalaciones criogénicas se usan a menudo tubos de acero y tubos de aluminio, por ejemplo, intercambiadores de calor criogénicos para la licuefacción de gases o contenedores criogénicos o bombas criogénicas. El aluminio y el acero (o sus aleaciones) no pueden soldarse. Por lo tanto, el elemento constructivo de transición es adecuado para crear una transición entre un tubo de acero y un tubo de aluminio, en donde la unión está diseñada de manera estanca a los fluidos.
Preferiblemente, la al menos una capa de material intermedia es una capa de plata, una capa de níquel o una capa de níquel-titanio. Estos materiales pueden unirse con la primera pieza de material y/o a la segunda pieza de material por medio de chapeado con explosivos, lo que permite unir la primera pieza de material con la segunda pieza de material. Una unión así creada es estanca a los fluidos, de modo que, por ejemplo, no pueda escapar ningún fluido criogénico. Asimismo, la unión entre la primera pieza de material y la segunda pieza de material es inseparable. Se entiende que el número, así como el material usado pueden seleccionarse y variarse correspondientemente a la aplicación del elemento constructivo de transición. Si se seleccionan varias capas de material intermedio, como capas de material intermedio pueden usarse, por ejemplo, una o varias capas de plata, capas de níquel y/o capas de níquel-titanio.
El intercambiador de calor de núcleo en carcasa según la invención presenta un intercambiador de calor de placas dispuesto en un recipiente exterior del intercambiador de calor de núcleo en carcasa. El intercambiador de calor de placas está provisto de una conducción de alimentación a través de la cual puede introducirse el fluido en el intercambiador de calor de placas y de una conducción de descarga a través de la cual puede extraerse el fluido del intercambiador de calor de placas. Asimismo, en la conducción de alimentación y/o en la conducción de descarga del intercambiador de calor de placas está dispuesto al menos un elemento constructivo de transición según la invención.
En un intercambiador de calor de núcleo en carcasa (también denominado intercambiador de calor de bloque en carcasa, bloque en caldera o de placas y carcasa; los términos son sinónimos), está dispuesto al menos un intercambiador de calor de placas, el denominado “ núcleo” en un recipiente exterior, también denominado “ carcasa” .
El intercambiador de calor de núcleo en carcasa sirve para realizar una transferencia de calor indirecta desde, por ejemplo, un fluido gaseoso a un fluido líquido. El fluido gaseoso se introduce a este respecto por ejemplo desde fuera en el intercambiador de calor de placas a través de la primera conducción de alimentación, mientras que el fluido líquido se proporciona en el recipiente exterior de tal manera que el fluido líquido rodee el intercambiador de calor de placas. En las placas del intercambiador de calor de placas tiene lugar un contacto térmico indirecto, en donde el fluido gaseoso se enfría y se licua, y el fluido líquido se convierte al menos parcialmente al estado de agregación gaseoso. Sin embargo, los intercambiadores de calor de núcleo en carcasa también son adecuados para otros tipos de transferencia de calor.
El uso de un intercambiador de calor de núcleo en carcasa es ventajoso con respecto a los intercambiadores de calor de haces de tubos, por ejemplo, debido a las curvas más aproximadas en el diagrama Q-T, el menor tamaño y el menor peso, así como los menores costes de construcción y funcionamiento. Un intercambiador de calor de núcleo en carcasa se describe, por ejemplo, en K. Thulukkanam, Heat Exchanger Design Handbook, segunda edición, CRC Press 2013 en la página 127 y se muestra en la figura 4.25. Intercambiadores de calor de núcleo en carcasa se encuentran, por ejemplo, en los documentos EP 3 237 825 A1, WO 2016/102046 A1, WO 2016/102045 A1, WO 2016/000812 A1, EP 3143352 A1, EP 3077750 A1, DE. 102012011328 A1 y DE 102011 013340 A1.
El intercambiador de calor de placas está formado al menos parcialmente a partir del segundo material mencionado, que no puede soldarse con un primer material utilizado normalmente para la mayor parte de la tubería. Por lo tanto, la conducción de alimentación y/o la conducción de descarga presenta ventajosamente una primera tubería del primer material y una segunda tubería del segundo material, en donde el primer material y el segundo material no pueden unirse mediante soldadura por fusión. La segunda tubería está unida, por un lado, con el intercambiador de calor de placas y, por otro lado, con el elemento constructivo de transición según la invención, en donde el elemento constructivo de transición sirve para unir la primera tubería con la segunda tubería.
Dado que la segunda tubería y el intercambiador de calor de placas están formados del mismo material, pueden unirse entre sí, por ejemplo, mediante soldadura. Esta unión es estanca a los fluidos y garantiza que el fluido que vaya a alimentar al intercambiador de calor de placas llegue al intercambiador de calor de placas y no fluya primero al recipiente exterior del intercambiador de calor de núcleo en carcasa. Además, el elemento constructivo de transición también garantiza que la unión entre la primera tubería y la segunda tubería sea estanca a los fluidos.
También en este caso, el primer material es acero o acero inoxidable y el segundo material es aluminio o una aleación de aluminio. Por tanto, el intercambiador de calor de placas está formado especialmente de aluminio. Esto es ventajoso dado que el aluminio presenta una alta conductividad térmica y, por tanto, puede conducir adecuadamente el calor entre los dos fluidos. Asimismo, el intercambiador de calor de placas puede producirse fácilmente, por ejemplo, mediante soldadura fuerte.
La caja fría según la invención presenta una tubería que contiene al menos un elemento constructivo de transición según la invención.
Las cajas frías son recintos aislantes de la temperatura, en los que están instalados aparatos de tecnología de procesos que funcionan a temperaturas bajas, en particular, criogénicas. Una instalación de tecnología de procesos puede comprender una o varias cajas frías correspondientes y, en particular, puede crearse de manera modular a partir de cajas frías correspondientes. Las instalaciones de tecnología de procesos que están equipadas con cajas frías son, por ejemplo, instalaciones para la descomposición del aire o instalaciones para la descomposición del gas de síntesis en sus constituyentes hidrógeno, nitrógeno y monóxido de carbono. En tales procesos se alcanzan temperaturas de -180 °C e inferiores. La invención es adecuada para todos los campos de aplicación de cajas frías y no se limita a estos ejemplos. En una caja fría pueden fijarse también varias partes de instalación, por ejemplo aparatos de separación, tales como columnas e intercambiadores de calor asociados, junto con las tuberías, a un marco de acero de soporte, que está revestido por fuera con placas de chapa. El interior del recinto formado de esta manera se carga con material aislante, tal como perlita, para impedir la entrada de calor procedente del entorno. También es posible prefabricar parcial o totalmente las cajas frías con los aparatos correspondientes en fábrica, de modo que en caso necesario puedan terminarse en la obra o simplemente unirse entre sí. Para la unión pueden usarse módulos de conducción aislados térmicamente y, dado el caso, alojados en cajas frías. En las cajas frías típicas, las partes de instalación se instalan generalmente a una distancia mínima de la pared para garantizar un aislamiento suficiente.
La tubería en una caja fría según la invención se realiza preferiblemente sin uniones bridadas, es decir, completamente soldadas o a través de al menos un elemento constructivo de transición según la invención, para impedir la generación de fugas. Debido a las diferencias de temperatura que se producen, pueden estar presentes curvaturas de dilatación en las tuberías. Los elementos constructivos que requieren mantenimiento normalmente no están dispuestos en la caja fría, de modo que el interior de la caja fría está ventajosamente libre de mantenimiento. Las válvulas pueden estar realizadas, por ejemplo, como las denominadas válvulas angulares para permitir reparaciones desde el exterior. A este respecto, la válvula está situada en la pared de la caja fría; la conducción de tubo se conduce a la válvula y viceversa. Las conducciones de tubo y aparatos se realizan normalmente de aluminio; el acero fino también se utiliza para presiones de funcionamiento muy altas. El elemento constructivo de transición según la invención permite una unión de estos materiales. La pintura de la caja fría es muy frecuentemente blanca, pero también de otros colores claros. La penetración de humedad del aire ambiente, que se congelaría en las partes de instalación frías, puede impedirse, por ejemplo, mediante un lavado continuo de la caja fría, por ejemplo, con nitrógeno.
Otras ventajas y configuraciones de la invención resultan de la descripción y los dibujos adjuntos.
Se entiende que las características mencionadas anteriormente y las que se van a explicar a continuación de la invención pueden usarse no solo en la combinación indicada en cada caso, sino también en otras combinaciones o en solitario sin abandonar el marco de la presente invención.
La invención se ha representado por medio de ejemplos de realización en las figuras de manera esquemática y se describe a continuación con referencia a las figuras.
Descripción de las figuras
La figura 1 muestra esquemáticamente una forma de realización preferida de un elemento constructivo de transición según la invención con una camisa en una vista en sección longitudinal.
La figura 2 muestra esquemáticamente una forma de realización preferida de un elemento constructivo de transición según la invención con una mampostería refractaria en una vista en sección longitudinal.
La figura 3 muestra esquemáticamente una forma de realización preferida de un intercambiador de calor de núcleo en carcasa.
La figura 4 muestra esquemáticamente una forma de realización preferida de una caja fría.
Los símbolos de referencia idénticos en las figuras indican elementos iguales o estructuralmente iguales y no se explican por separado cada vez.
En la figura 1 se muestra una forma de realización preferida de un elemento constructivo de transición según la invención con una camisa en una vista en sección longitudinal y se designa con 1a.
El elemento constructivo 1a de transición presenta una primera pieza 10 de material, una segunda pieza 20 de material y una capa 30 de material intermedia. El elemento constructivo 1a de transición o la primera pieza 10 de material, la capa 30 de material intermedia y la segunda pieza 20 de material presentan una forma cilíndrica hueca con un lado 2 interior radialmente interno y un lado 3 exterior radialmente externo. La primera pieza 10 de material se compone de acero, la capa 30 de material intermedia de níquel y la segunda pieza 20 de material de aluminio, en donde la primera pieza 10 de material no puede unirse con la segunda pieza 20 de material por medio de soldadura por fusión. La primera pieza 10 de material está unida, en particular, soldada, con un tubo 4 de acero y la segunda pieza 20 de material con un tubo 5 de aluminio.
La primera pieza 10 de material y la segunda pieza 20 de material presentan en cada caso una sección delgada 41, 42 y una sección 51, 52 gruesa, en donde la sección 51, 52 gruesa presenta un espesor que es aproximadamente de dos a cinco veces más grueso que un espesor de la sección 41, 42 delgada.
La capa 30 de material intermedia está dispuesta entre la sección 51 gruesa de la primera pieza 10 de material y la sección 52 gruesa de la segunda pieza 20 de material. La capa 30 de material intermedia se unió con la segunda pieza 20 de material por medio de chapeado con explosivos. A continuación, se unió la capa 30 de material intermedia con la primera pieza 10 de material. Esta unión se formó en este caso por medio de chapeado con explosivos. Las secciones 51, 52 gruesas sirven en este caso en particular para ofrecer una superficie suficiente sobre la que puede aplicarse la capa 30 de material intermedia. La capa 30 de material intermedia sirve en este caso para unir la primera pieza 10 de material con la segunda pieza 20 de material. Una unión así creada es estanca a los fluidos, de modo que, por ejemplo, no pueda escapar ningún fluido criogénico. Asimismo, la unión entre la primera pieza 10 de material y la segunda pieza 20 de material es inseparable.
Sin embargo, el chapeado con explosivos ejerce una gran tensión física sobre la capa 30 de material intermedia, lo que puede hacer que la capa 30 de material intermedia se vuelva quebradiza o frágil.
En particular, en instalaciones criogénicas en las que el fluido criogénico fluye a través del elemento constructivo 1a de transición, el fluido criogénico enfría el elemento constructivo 1a de transición cargado desde el lado 2 interior hacia el lado 3 exterior. De este modo, se enfría asimismo la capa 30 de material intermedia y se contrae mediante el enfriamiento. Estas fuerzas adicionales pueden llevar a que la capa de material intermedia frágil se dañe o destruya, lo que hace que el elemento constructivo 1a de transición no sea estanco. Cuanto mayor sea la diferencia de temperatura entre el lado 2 interior y el lado 3 exterior del elemento constructivo 1a de transición, mayores serán las fuerzas que actúan sobre la capa de material intermedia.
Para reducir la diferencia de temperatura entre el lado 2 interior y el lado 3 exterior del elemento constructivo 1a de transición, el elemento constructivo 1a de transición presenta asimismo un aislamiento en forma de una camisa 100, en particular, un tubo de protección térmica. La camisa 100 está realizada como cuerpo hueco y tiene forma toroidal, anular o cilíndrica circular. La camisa 100 está dispuesta en el lado 3 exterior radialmente externo de tal manera que encierra el elemento constructivo 1a de transición. Gracias a una disposición de este tipo, la primera pieza 10 de material, la capa 30 de material intermedia y la segunda pieza 20 de material presentan aproximadamente la misma temperatura. De este modo se reduce la diferencia de temperatura entre el lado 2 interior y el lado 3 exterior de la capa 30 de material intermedia, con lo que se reducen las tensiones que se producen en la capa 30 de material intermedia.
Asimismo, se reducen, por ejemplo, las tensiones que se producen entre la primera pieza 10 de material y la capa 30 de material intermedia, que pueden dañar o destruir, por ejemplo, la primera pieza 10 de material y/o la capa 30 de material intermedia. Con ello, la camisa 100 aumenta la vida útil del elemento constructivo 1a de transición.
Asimismo, la camisa 100 se extiende al menos en parte sobre el tubo 4 de acero y el tubo 5 de aluminio. Esto es ventajoso dado que una diferencia de temperatura entre la primera pieza 10 de material y el tubo 4 de acero podría llevar a la aparición de tensiones entre la primera pieza 10 de material y el tubo 4 de acero. Esto podría llevar, por ejemplo, a que se dañara el cordón de soldadura entre la primera pieza 10 de material y el tubo 4 de acero.
En la figura 2 se muestra otra forma de realización preferida de un elemento constructivo 1b de transición según la invención con una mampostería refractaria en una vista en sección longitudinal.
El elemento constructivo 1b de transición se diferencia del elemento constructivo 1a de transición de la figura 1 por que el elemento constructivo 1b de transición presenta un aislamiento en forma de una mampostería refractaria 200. La mampostería refractaria 200 está realizada como cuerpo hueco y tiene forma toroidal, anular o cilíndrica circular y es, por ejemplo, una cerámica de óxido de aluminio.
La mampostería refractaria 200 está dispuesta en el lado 3 interior radialmente interno de tal manera que cubre el elemento constructivo 1b de transición. Gracias a una disposición de este tipo, la primera pieza 10 de material, la capa 30 de material intermedia y la segunda pieza 20 de material presentan aproximadamente la misma temperatura. De este modo se reduce la diferencia de temperatura entre el lado 2 interior y el lado 3 exterior de la capa 30 de material intermedia, con lo que se reducen las tensiones que se producen en la capa 30 de material intermedia.
Asimismo, se reducen, por ejemplo, las tensiones que se producen entre la primera pieza 10 de material y la capa 30 de material intermedia, que pueden dañar o destruir, por ejemplo, la primera pieza 10 de material y/o la capa 30 de material intermedia. La mampostería refractaria 200 aumenta así la vida útil del elemento constructivo 1 b de transición.
Asimismo, la mampostería refractaria 200 se extiende al menos en parte sobre el tubo 4 de acero y el tubo 5 de aluminio. Esto es ventajoso dado que una diferencia de temperatura entre la primera pieza 10 de material y el tubo 4 de acero podría llevar a la aparición de tensiones entre la primera pieza 10 de material y el tubo 4 de acero. Esto podría llevar, por ejemplo, a que se dañara el cordón de soldadura entre la primera pieza 10 de material y el tubo 4 de acero.
La mampostería refractaria 200 presenta una sección transversal trapezoidal, en donde los bordes 210 de la mampostería refractaria 200 que discurren radialmente desde el interior hacia el exterior están diseñados inclinados o aplanados. Esto permite que el fluido criogénico fluya a través del elemento constructivo 1 b de transición sin que la mampostería refractaria 200 aumente claramente la resistencia al flujo, como sería el caso, por ejemplo, de cantos verticales.
En este caso, la mampostería refractaria 200 está unida con arrastre de forma al elemento constructivo de transición, en particular, atornillada a este, de modo que mediante el fluido criogénico que fluye a través del elemento constructivo 1b de transición no puede desplazarse ni retirarse la mampostería refractaria 200. Asimismo, la mampostería refractaria 200 está unida al elemento constructivo 1b de transición de tal manera que no puede penetrar nada de fluido criogénico entre la mampostería refractaria 200 y el elemento constructivo 1b de transición. Esto podría, por ejemplo, aflojar o soltar la unión entre la mampostería refractaria 200 y el elemento constructivo 1b de transición. Asimismo, un fluido criogénico entre el elemento constructivo 1b de transición y la mampostería refractaria 200 contrarrestaría el aislamiento del elemento constructivo 1b de transición.
En la figura 3 se muestra esquemáticamente una forma de realización preferida de un intercambiador 1000 de calor de núcleo en carcasa. El intercambiador 1000 de calor de núcleo en carcasa presenta un recipiente 1100 exterior (carcasa) y un intercambiador 1200 de calor de placas dispuesto en el recipiente 1100 exterior.
El intercambiador 1200 de calor de placas presenta una pluralidad de placas 1300. El intercambiador 1200 de calor de placas y las placas 1300 están soldados por soldadura fuerte, por ejemplo, de aluminio.
Las placas 1300 están configuradas para transferir un calor desde un fluido A, por ejemplo, gas natural, hasta un fluido B, por ejemplo, un refrigerante (por ejemplo una mezcla de etileno y propileno). Para ello, el fluido A, que se encuentra en estado gaseoso, puede alimentarse desde el exterior al intercambiador 1000 de calor de núcleo en carcasa o al intercambiador 1200 de calor de placas a través de una primera conducción 1400 de alimentación, es decir, el fluido A fluye a través de las placas 1300 del intercambiador de calor de placas. El fluido A se enfría en este y puede extraerse o retirarse como líquido a través de una primera conducción 1500 de descarga, que presenta aluminio, desde el intercambiador 1200 de calor de placas, así como desde el intercambiador 1000 de calor de núcleo en carcasa.
A este respecto, el calor del fluido A se transfiere en las placas 1300 al fluido B, que se conduce como líquido y/o como gas (en este caso, una mezcla de dos fases), a través de una segunda conducción 1600 de alimentación al recipiente 1100 exterior del intercambiador 1000 de calor de núcleo en carcasa. El fluido B fluye entre las placas 1300 del intercambiador 1200 de calor de placas y los constituyentes líquidos del fluido B se convierten al estado gaseoso. Los constituyentes gaseosos del fluido B se llevan a una temperatura más alta. A continuación, el fluido gaseoso B puede extraerse del intercambiador 1000 de calor de núcleo en carcasa a través de una segunda conducción 1700 de descarga. La segunda conducción 1600 de alimentación así como la segunda conducción 1700 de descarga presentan, por ejemplo, acero.
La primera conducción 1400 de alimentación presenta en este caso un tubo 4 de acero y un tubo 5 de aluminio, en donde el tubo 5 de aluminio está dispuesto completamente y el tubo 4 de acero en parte dentro del recipiente 1100 exterior. El tubo 5 de aluminio está soldado con el intercambiador 1200 de calor de placas. El tubo 4 de acero sirve, por ejemplo, para unirse, en particular, soldarse con un tubo de acero de un tanque en el que está presente el fluido A.
Asimismo, el elemento constructivo 1a de transición (de la figura 1) está dispuesto entre el tubo 4 de acero y el tubo 5 de aluminio. El elemento constructivo 1a de transición sirve para unir de manera estanca a los fluidos el tubo de acero 4 con el tubo de aluminio 5. Para ello, el elemento constructivo 1a de transición presenta una primera pieza 10 de material que presenta acero, una segunda pieza 20 de material que presenta aluminio y una capa 30 de material intermedia que presenta níquel y que está dispuesta entre la primera pieza 10 de material y la segunda pieza 20 de material por medio de chapeado con explosivos. La primera pieza 10 de material está soldada con el tubo 4 de acero y la segunda pieza 20 de material con el tubo 5 de aluminio.
En el interior de la primera conducción 1400 de alimentación, a través de la que se conduce el fluido A gaseoso al intercambiador 1200 de calor de placas, la temperatura es mayor que la temperatura fuera de la primera conducción 1400 de alimentación. Debido a esta diferencia de temperatura así como a los diferentes coeficientes de dilatación térmica de cada uno de los materiales se pueden producir tensiones en el elemento constructivo 1a de transición y/o en la primera conducción 1400 de alimentación, entre el lado interior y el lado exterior y/o entre los materiales individuales, por ejemplo, en los cordones de soldadura. Esto podría provocar, por ejemplo, grietas o roturas en la primera conducción 1400 de alimentación o en cada uno de los materiales.
En esta forma de realización, la camisa 100 del elemento constructivo 1a de transición se extiende sobre la parte de la primera conducción 1400 de alimentación dispuesta en el interior del recipiente exterior 1100 y así garantiza que se reduzca la aparición de tensiones. Asimismo, esto impide que el fluido gaseoso A pueda escapar a través de grietas y roturas, por ejemplo, en un cordón de soldadura.
En este caso, se entiende que el uso del elemento constructivo 1a de transición en la primera conducción 1400 de alimentación es solamente un ejemplo. Asimismo, es posible instalar elementos constructivos de transición adicionales dentro de o en el intercambiador 1000 de calor de núcleo en carcasa. Siempre que, por ejemplo, la segunda conducción 1700 de descarga, que presenta acero se vaya a unir fuera del intercambiador 1000 de calor de núcleo en carcasa con un tubo que no presenta acero y, por lo tanto, no puede soldarse directamente con la segunda conducción 1700 de descarga, podría usarse en este caso un elemento constructivo de transición correspondiente.
Asimismo, en un caso podría ser necesario que la primera conducción 1500 de descarga tuviera que presentar acero, por lo que no podría realizarse una unión directa de la primera conducción 1500 de descarga con el intercambiador 1200 de calor de placas. Por tanto, en este caso sería concebible el uso de un elemento constructivo de transición adicional.
El intercambiador 1000 de calor de núcleo en carcasa también es solamente un ejemplo de la aplicación del elemento constructivo de transición. Asimismo, es conveniente usar elementos constructivos de transición en instalaciones de caja fría o, abreviado, cajas frías. Las instalaciones de caja fría se usan para la descomposición del aire o para la descomposición de gas de síntesis y presentan como aparatos de tecnología de procesos una pluralidad de intercambiadores de calor y/o cámaras frías, a través de los que fluye el aire o el gas de síntesis. Los elementos constructivos de transición pueden montarse, por ejemplo, en tuberías que sirven para extraer un constituyente determinado del aire o del gas de síntesis de la instalación de caja fría después de la descomposición. Dado que cada uno de los elementos constructivos se cargan y almacenan, por ejemplo, en recipientes de acero o de acero fino, pero los intercambiadores de calor, por ejemplo, presentan aluminio, en este caso, se prefiere el uso de elementos constructivos de transición, dado que, de este modo, puede crearse una unión sencilla de la tubería de aluminio del intercambiador de calor con la tubería del recipiente de acero fino.
La figura 4 muestra a modo de ejemplo una instalación 2100 de descomposición de aire de manera conocida, cuyos componentes están dispuestos al menos parcialmente en una caja fría 2000.
Las instalaciones de descomposición de aire del tipo mostrado se describen a menudo en otros lugares, por ejemplo en H.-W. Haring (ed.), Industrial Gases Processing, Wiley-VCH, 2006, en particular, Sección 2.2.5, “ Cryogenic Rectification” . Para obtener explicaciones detalladas sobre la estructura y el modo de funcionamiento, consulte la bibliografía técnica correspondiente. Una instalación de descomposición de aire para el uso de la presente invención puede diseñarse de las más diversas maneras.
La instalación 2100 de descomposición de aire mostrada a modo de ejemplo en la figura 4 puede presentar, entre otras cosas, un compresor de aire principal, un dispositivo de preenfriamiento, un sistema de limpieza y una disposición de compresor secundario en una denominada parte 2200 caliente, que está indicada esquemáticamente a la izquierda de la caja fría 2000 y no se ilustra en detalle. Un intercambiador 2110 de calor principal y un sistema 2120 de columna de destilación están dispuestos como aparato de tecnología de procesos dentro de la caja fría 2000. En el ejemplo representado, el sistema 2120 de columna de destilación comprende una disposición clásica de doble columna que se compone de una columna 2122 de alta presión y una columna 2124 de baja presión que están unidas entre sí con intercambio de calor a través de un condensador 2126 principal.
Se suministran corrientes de aire de alimentación a presión a la caja fría 2000 en la dirección de la flecha y a través de conducciones 2002, 2004 que están conectadas a la caja fría 2000 por medio de piezas 1a de transición. Una de las corrientes de aire de alimentación puede retirarse después del enfriamiento parcial en el intercambiador 2110 de calor principal a través de una conducción 2006, que está conectada a la caja fría 2000 a través de una pieza 1a de transición, por ejemplo, relajarse fuera de la caja fría 2000 y a través de una conducción 2008, que está conectada a la caja fría 2000 a través de una pieza 1a de transición, alimentarse de nuevo a la caja fría 2000.
Los elementos constructivos 1a de transición unen la tubería exterior de la caja fría 2000 con una tubería de aluminio dentro de la caja fría 2000.
En la columna 2122 de alta presión se forman una fracción de fondo líquida enriquecida en oxígeno, así como una fracción de cabeza gaseosa enriquecida en nitrógeno. La fracción de fondo líquida enriquecida en oxígeno se extrae de la columna 2122 de alta presión y se transfiere a la columna 2124 de baja presión. Un producto de cabeza gaseoso rico en nitrógeno se retira de la cabeza de la columna 2122 de alta presión, se licua en el condensador 2126 principal y se alimenta en fracciones como flujo de retorno a la columna 2122 de alta presión, se expande a la columna 2124 de baja presión y se descarga desde la instalación 2100 de descomposición de aire como un producto líquido LIN.
En la columna 2124 de baja presión se forman una fracción de fondo líquida rica en oxígeno y una fracción de cabeza gaseosa rica en nitrógeno. La primera se presuriza parcialmente en forma líquida en una bomba acoplada a un motor M, se calienta en el intercambiador 2110 de calor principal y se proporciona como un producto de presión gaseoso GOX. Una fracción que no está presurizada como líquido en la bomba puede descargarse desde la instalación 2100 de descomposición de aire como producto de oxígeno líquido LOX. Una corriente gaseosa rica en nitrógeno extraída de la cabeza de la columna 2124 de baja presión se conduce a través del intercambiador 2110 de calor principal y se proporciona como producto de nitrógeno GAN.
Se entiende que las formas de realización preferidas según las figuras 1 y 2 también pueden combinarse. Por ejemplo, el elemento constructivo de transición puede presentar una camisa 100, así como una mampostería refractaria 200. Como resultado, la diferencia de temperatura entre el lado 2 interior y el lado 3 exterior del elemento constructivo de transición puede reducirse adicionalmente y puede ampliarse la vida útil del elemento constructivo de transición. En la instalación según la figura 3 o la figura 4 también podría usarse un elemento constructivo 1b de transición o ambos elementos constructivos de transición o elementos constructivos de transición diferentes de estos, tal como se acaba de explicar.
Claims (11)
- REIVINDICACIONESi.Elemento constructivo (1a, 1b) de transición para unir elementos constructivos de un aparato químico o de tecnología de procesos, en donde el elemento constructivo (1a, 1b) de transición presenta una primera pieza (10) de material de un primer material y una segunda pieza (20) de material de un segundo material, en donde el primer material y el segundo material no pueden unirse entre sí mediante soldadura por fusión, en donde la primera pieza (10) de material y la segunda pieza (20) de material forman un cuerpo hueco, en donde el elemento constructivo (1a, 1b) de transición presenta un lado (2) interior radialmente interno y un lado (3) exterior radialmente externo, en donde la primera pieza (10) de material está unida a la segunda pieza (20) de material a través de al menos una capa (30) de material intermedia, en dondeel elemento constructivo (1a, 1b) de transición presenta al menos una capa (100, 200) aislante, en donde la capa (100, 200) aislante se extiende al menos en parte por el lado (2) interior y/o el lado (3) exterior del elemento (1a, 1b) constructivo de transición,caracterizado por queel primer material es acero o acero inoxidable y el segundo material es aluminio o una aleación de aluminio.
- 2. Elemento constructivo (1a, 1b) de transición según la reivindicación 1,caracterizado por quela al menos una capa (100, 200) aislante está dispuesta de tal manera que cubre la primera pieza (10) de material, la al menos una capa (30) de material intermedia y la segunda pieza (20) de material.
- 3. Elemento constructivo (1a, 1b) de transición según una de las reivindicaciones anteriores,caracterizado por quela capa (100, 200) aislante que está dispuesta en el lado (3) exterior del elemento constructivo (1a, 1b) de transición es una camisa (100).
- 4. Elemento constructivo (1a, 1b) de transición según la reivindicación 3, en el que la primera pieza (10) de material está unida a una primera tubería (4) del primer material y la segunda pieza (20) de material está unida a una segunda tubería (5) del segundo material,caracterizado por quela camisa (100) cubre además una sección de la primera tubería (4) y/o una sección de la segunda tubería (5).
- 5. Elemento constructivo (1a, 1b) de transición según una de las reivindicaciones 3 o 4,caracterizado por quela camisa (100) presenta metal y/o plástico y/o cerámica y/u hormigón.
- 6. Elemento constructivo (1a, 1b) de transición según una de las reivindicaciones 1 o 2,caracterizado por quela capa (100, 200) aislante que está dispuesta en el lado (2) interior del elemento constructivo (1a, 1b) de transición es una mampostería refractaria (200).
- 7. Elemento constructivo (1a, 1b) de transición según la reivindicación 6,caracterizado por quela mampostería refractaria (200) presenta una cerámica de óxido de aluminio, hormigón, una estructura alveolar de plástico, espuma aislante y/o poliestireno expandido o una mezcla de los mismos.
- 8. Elemento constructivo (1a, 1b) de transición según una de las reivindicaciones anteriores,caracterizado por quela al menos una capa (30) de material intermedia es una capa metálica, en particular, una capa de plata, una capa de níquel o una capa de níquel-titanio.
- 9. Intercambiador (1000) de calor de núcleo en carcasa con un intercambiador (1200) de calor de placas que está dispuesto en un recipiente (1100) exterior, con una conducción (1400) de alimentación, a través de la cual puede introducirse fluido en el intercambiador (1200) de calor de placas, y con una conducción (1500) de descarga, a través de la cual puede extraerse fluido del intercambiador (1200) de calor de placas,caracterizado por queen la conducción (1400) de alimentación y/o en la conducción (1500) de descarga está dispuesto al menos un elemento constructivo (1a, 1b) de transición según una de las reivindicaciones anteriores.
- 10. Intercambiador (1000) de calor de núcleo en carcasa según la reivindicación 9, en donde el intercambiador (1200) de calor de placas está formado por el segundo material, en donde la conducción (1400) de alimentación y/o la conducción (1500) de descarga presenta una primera tubería (4) del primer material y una segunda tubería (5) del segundo material, en donde la segunda tubería (5) está unida al intercambiador (1200) de calor de placas,caracterizado por quela primera tubería (4) está unida a la segunda tubería (5) a través del al menos un elemento constructivo (1a, 1b) de transición.
- 11. Caja fría (2000), en donde la caja fría (2000) presenta al menos un aparato (2110, 2120) de tecnología de procesos,caracterizado por quela tubería dentro del al menos un aparato (2110, 2120) de tecnología de procesos y/o, en el caso de varios aparatos de ingeniería de procesos, entre al menos dos aparatos (2110, 2120) de ingeniería de procesos y/o la conducción (2002, 2004) de alimentación hacia y/o la conducción (2006, 2008) de descarga desde la caja fría (2000) presenta al menos un elemento constructivo (1a, 1b) de transición según una de las reivindicaciones 1 a 8.
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