MX2009002636A - Reactor isometrico. - Google Patents

Reactor isometrico.

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Ermanno Filippi
Enrico Rizzi
Mirco Tarozzo
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Methanol Casale Sa
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Abstract

La presente invención se refiere a un reactor isotérmico (1) para llevar a cabo reacciones heterogéneas exotérmicas o endotérmicas, que comprende: - una carcasa externa sustancialmente cilíndrica (2) con eje longitudinal (X), - al menos un lecho catalítico (6) que se extiende en la carcasa (2) y que comprende paredes laterales opuestas perforadas (7, 8) respectivamente para la entrada de un flujo gaseoso de reactivos y para la salida de un flujo gaseoso que comprende productos de reacción, y - una unidad de intercambio de calor (12) inmersa en dicho al menos un lecho catalítico (6) y atravesada por un fluido de intercambio de calor, caracterizado porque dicha unidad de intercambio de calor (12) comprende al menos una sucesión de intercambiadores de calor (13) dispuestos sustancialmente paralelos entre sí y sustancialmente paralelos a la dirección en la que dicho al menos un lecho catalítico (6) es atravesado por dicho flujo gaseoso de reactivos.

Description

REACTOR ISOTÉRMICO CAMPO TÉCNICO DE LA INVENCIÓN En su aspecto más general, la presente invención se refiere a un reactor isotérmico para llevar a cabo reacciones heterogéneas exotérmicas o endotérmicas, que comprende: una carcasa externa sustancialmente cilindrica con eje longitudinal, - al menos un lecho catalítico que se extiende en la carcasa y que comprende paredes laterales opuestas respectivamente perforadas para la entrada de un flujo gaseoso de reactivos y para la salida de un flujo gaseoso que comprende los productos de reacción, una unidad de intercambio de calor inmersa en dicho lecho catalítico y atravesada por un fluido de intercambio de calor.
Un reactor tal es particularmente útil para llevar a cabo reacciones exotérmicas o endotérmicas efectuadas en condiciones sustancialmente isotérmicas, en otras palabras, condiciones en las cuales la temperatura de reacción es controlada en un rango angosto de valores alrededor de un valor predeterminado.
En lo que sigue de la descripción y en las reivindicaciones subsiguientes, un reactor del tipo antes mencionado es identificado con los términos: reactor pseudo-isotérmico o, para abreviar, reactor isotérmico.
Como es conocido, en el campo de las síntesis heterogéneas exotérmicas o endotérmicas, existe una creciente necesidad de reactores isotérmicos, con elevada capacidad que, por un lado sean simples para fabricar, confiables y requieran bajos costos de inversión y mantenimiento, y por otro lado, permitan la operación con bajas pérdidas de carga, bajo consumo de energía y con elevada eficiencia de intercambio de calor entre los reactivos y el fluido de intercambio de calor.
ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN A fin de satisfacer el requerimiento antes mencionado, los reactores isotérmicos con un lecho catalítico radial han sido propuestos en el área, que comprenden, como unidad de intercambio de calor para alimentar o remover el calor, una pluralidad de intercambiadores de calor con estructura en forma de placa o tubular configurada radialmente, con referencia al eje de la carcasa del reactor, en una o más filas coaxiales.
A pesar de las ventajas desde algunos puntos de vista, los reactores isotérmicos anteriormente mencionados con configuración radial tienen una serie de inconvenientes que incluyen que los mismos tienen un área catalítica no homogénea entre los intercambiadores de calor, debido a su configuración radial.
Como resultado, el intercambio de calor entre los flujos gaseosos que atraviesan el lecho catalítico y el fluido de intercambio de calor en los intercambiadores de calor no es siempre óptimo, en particular, en el área del lecho catalítico en el cual la distancia entre intercambiadores adyacentes es superior, así como también una velocidad no uniforme de cruzamiento del lecho catalítico por dicho flujo gaseoso, dado que este último está sometido a variaciones de velocidad, de acuerdo con la sección más chica o más grande respectivamente, para atravesar el lecho catalítico.
Más aún, en reactores isotérmicos conocidos, la configuración radial de los intercambiadores de calor es complicada en términos de construcción y ensamblaje.
SUMARIO DE LA INVENCIÓN El problema técnico que forma la base de la presente invención, es por lo tanto, aquél de proveer un reactor isotérmico para llevar a cabo reacciones heterogéneas exotérmicas o endotérmicas, que supere los inconvenientes antes mencionados con referencia a reactores isotérmicos conocidos que tienen configuración radial.
Un problema tal se resuelve mediante un reactor isotérmico para llevar a cabo reacciones heterogéneas exotérmicas o endotérmicas, que comprende: una carcasa externa sustancialmente cilindrica con eje longitudinal, - al menos un lecho catalítico que se extiende en la carcasa y que comprende paredes laterales opuestas respectivamente perforadas para la entrada de un flujo gaseoso de reactivos y para la salida de un flujo gaseoso que comprende los productos de reacción, y una unidad de intercambio de calor inmersa en dicho al menos un lecho catalítico y atravesada por un fluido de intercambio de calor, caracterizado porque dicha unidad de intercambio de calor comprende al menos una sucesión de intercambiadores de calor dispuestos sustancialmente paralelos entre sí y sustancialmente paralelos a la dirección en la cual dicho al menos un lecho catalítico es atravesado por dicho flujo gaseoso de reactivos.
Preferiblemente, cada intercambiador de dicha al menos una sucesión de intercambiadores de calor se extiende en dicho al menos un lecho catalítico a lo largo de una dirección sustancialmente paralela al eje de dicha carcasa.
De acuerdo con un aspecto de la presente invención, dichos intercambiadores de calor tienen una estructura sustancialmente con forma de caja, con configuración esencialmente alargada y rectangular achatada, con lados largos opuestos paralelos al eje de la carcasa, y lados cortos opuestos dispuestos perpendiculares a dicho eje, comprendiendo también dichos intercambiadores una cámara interna destinada a ser atravesada por dicho fluido operativo de intercambio de calor.
De acuerdo con otro aspecto de la presente invención, dichos intercambiadores de calor tienen, cada uno, una estructura sustancialmente tubular con cada tubo extendiéndose en una dirección sustancialmente perpendicular al eje de la carcasa.
Gracias a la presente invención, es ventajosamente posible fabricar simple y efectivamente un reactor isotérmico con un elevado coeficiente de intercambio de calor, con la gran ventaja del rendimiento de conversión y consumo de energía.
De hecho, a diferencia de los reactores isotérmicos de configuración radial del arte previo, en la presente invención los intercambiadores de calor están dispuestos sustancialmente paralelos entre sí y esto significa que es posible obtener áreas catalíticas homogéneas (es decir, secciones sustancialmente constantes) entre intercambiadores adyacentes a ser atravesados por el flujo gaseoso que comprende los reactivos y productos de reacción, en una dirección perpendicular al eje de la carcasa y en porciones sustancialmente paralelas entre sí.
Esto implica que cada porción de flujo gaseoso que comprende reactivos y productos de reacción es capaz de intercambiar calor eficientemente con los intercambiadores de calor relevantes a lo largo de la sección catalítica entera respectiva, para atravesar el lecho catalítico, obteniendo así una distribución de temperatura óptima dentro del lecho catalítico, aún para reacciones altamente exotérmicas o endotérmicas, con la gran ventaja del rendimiento de conversión dentro del mismo y el consumo de energía relativo.
Deberá observarse que, la disposición paralela en lugar de radial de los intercambiadores de calor ventajosamente permite que las porciones del flujo gaseoso anteriormente mencionadas atraviesen el lecho catalítico con una velocidad prácticamente uniforme.
Más aún, las secciones para atravesar el lecho catalítico por dicho flujo gaseoso que comprende reactivos y productos de reacción, pueden fabricarse más pequeñas que aquellas de una configuración radial análoga. Como resultado, por lo tanto, dicho flujo gaseoso atraviesa el lecho catalítico a una velocidad superior y hay menor pérdida de carga, lo cual permite que el número y/o tamaño de los lechos catalíticos sea reducido, con la gran ventaja de la mayor simplicidad de construcción y ensamblaje de los reactores isotérmicos de la invención, comparado con los reactores isotérmicos radiales conocidos, así como también con costos de mantenimientos inferiores.
Por lo tanto, por ejemplo, para producir amoníaco, es posible, gracias a la presente invención, utilizar sólo un lecho catalítico que no tenga problemas de los gases reactivos que atraviesan el lecho catalítico a una velocidad demasiado baja, mientras que, en reactores isotérmicos conocidos con configuración radial, es necesario tener muchos lechos catalíticos superpuestos para evitar que el gas reactivo atraviese los lechos catalíticos a velocidad demasiado baja, con un consecuente bajo coeficiente de intercambio de calor entre los gases reactivos y los intercambiadores de calor. Por lo tanto, un reactor isotérmico para producir amoníaco de acuerdo con la invención tiene una simplificación sustancial de su estructura con respecto a un reactor isotérmico análogo del arte previo, dado que es posible reducir considerablemente el número de conexiones (por ejemplo, conductos recolectores, conductos distribuidores, etc.) necesarias para ubicar los varios lechos catalíticos en comunicación, así como para distribuir el fluido de intercambio de calor en los varios intercambiadores de calor inmersos en dichos lechos catalíticos.
Características adicionales y ventajas de la presente invención devendrán más claras a partir de la siguiente descripción de algunas realizaciones del reactor de acuerdo con la invención, provistas con objetivos indicativos y no limitativos, con referencia a las figuras adjuntas.
BREVE DESCRIPCIÓN DE LAS FIGURAS - La Figura 1 muestra esquemáticamente una vista en sección longitudinal de un reactor isotérmico para llevar a cabo reacciones heterogéneas exotérmicas o endotérmicas de acuerdo con una realización de la presente invención, - La Figura 2 muestra esquemáticamente una vista en sección longitudinal del reactor isotérmico de la Figura 1 de acuerdo con las líneas ll-ll, y - La Figura 3 muestra esquemáticamente una vista transversal del reactor isotérmico de la Figura 1 de acuerdo con las líneas lll-lll.
DESCRIPCION DETALLADA DE LA INVENCIÓN Con referencia a las figuras anteriormente mencionadas, la referencia numérica 1 indica globalmente un reactor químico pseudo-isotérmico de acuerdo con la presente invención, para la síntesis de sustancias químicas, en particular, amoníaco.
Dicho reactor 1 comprende una carcasa cilindrica 2, con eje longitudinal X, definido en los extremos opuestos mediante los fondos inferior y superior 3, 4. En el ejemplo de las figuras, el eje longitudinal X es vertical.
Dentro de la carcasa cilindrica 2, un lecho catalítico, genéricamente indicado con 6, está alojado y soportado de un modo convencional per se, estando el lecho catalítico 6 delimitado lateralmente mediante paredes laterales opuestas perforadas 7 y 8, para la entrada de un flujo gaseoso de reactivos y para la salida de un flujo gaseoso que comprende reactivos y productos de reacción. El lecho catalítico 6 está también abierto en su parte superior, es decir, equipado con redes para contener el catalizador que es permeable al gas, no representadas ya que son convencionales. El nivel de llenado del lecho catalítico 6 por el catalizador (no representado) está indicado genéricamente con 32.
También se prevén en el reactor 1 , un primer ínter espacio 9 entre la carcasa externa 2 y la pared lateral perforada 7, para la distribución de los reactivos dentro del lecho catalítico 6, y un segundo ínter espacio 10 entre la carcasa cilindrica 2 y la pared lateral perforada 8, que actúa como un recolector de la mezcla reactivo/producto de reacción que sale del lecho catalítico 6. El segundo ínter espacio 10 también está en comunicación de fluido con un conducto de salida 25 y un pasaje apropiado (boca 26) previsto sobre una placa base superior 4 para la salida de dicha mezcla reactivo/producto de reacción, desde el reactor 1 .
De acuerdo con la presente realización de la invención, dentro del lecho catalítico 6, se prevé una unidad de intercambio de calor, genéricamente indicada con 12, que comprende una pluralidad de intercambiadores de calor 13 distribuidos sobre tres sucesiones consecutivas, estando los intercambiadores de cada sucesión sustancialmente paralelos entre sí y dispuestos sustancialmente paralelos a la dirección en la cual dicho lecho catalítico 6 es atravesado por dicho flujo gaseoso de reactivos.
Más específicamente, de acuerdo con la presente realización de la invención, los intercambiadores de calor 13 tienen una estructura sustancialmente con forma de caja, con configuración esencialmente alargada y rectangular achatada (forma de placa) con lados largos opuestos 13a paralelos al eje X de la carcasa, y lados cortos opuestos 13b y 13c, respectivamente superior e inferior, dispuestos perpendiculares a dicho eje X.
Obviamente, aún cuando no se muestra, los intercambiadores de calor 13 pueden tener una estructura tubular en lugar de una estructura con forma de placa, tal como se describe anteriormente, para satisfacer requerimientos contingentes y específicos.
En este caso, cada tubo que constituye un intercambiador de calor 13 preferiblemente se extiende en una dirección sustancialmente perpendicular al eje X de la carcasa 2.
Más aún, el número de sucesiones de intercambiadores de calor 13 puede ser variado tal como se desee, nuevamente para requerimientos contingentes y específicos.
Volviendo a los intercambiadores de calor 13 con estructura de forma de placa descriptos anteriormente, deberá indicarse que cada uno de los mismos comprende una cámara interna destinada a ser atravesada por un fluido operativo de intercambio de calor, así como un accesorio de entrada 15 y un accesorio de salida 16 de dicho fluido operativo de intercambio de calor, estando dichos accesorios ubicados, en el ejemplo de las figuras, sobre el mismo lado corto (lado corto superior 13b) como dichos intercambiadores 13.
Los ¡ntercambiadores de calor 13 de la sucesión más cercana a la pared perforada 7 para la entrada dentro del lecho catalítico 6, están en comunicación de fluido, a través de dichos accesorios de entrada 15, con un conducto distribuidor 19 del fluido de intercambio de calor, y a través de dichos conductos de salida 16, con un conducto recolector-distribuidor 20 del fluido de intercambio de calor. Los ¡ntercambiadores de calor 13 de la sucesión más cercana a la pared perforada 8 para la salida desde el lecho catalítico 6 están en comunicación de fluido, a través de dichos accesorios de entrada 15, con un conducto recolector-distribuidor 20 del fluido de intercambio de calor, y a través de dichos conductos de salida 16, con un conducto recolector 21 del fluido de intercambio de calor. Los intercambiadores de calor 13 en la sucesión intermedia están a su vez en comunicación de fluido, a través de dichos accesorios de entrada y salida 15 y 16, respectivamente, con dichos conductos recolectores-distribuidores 20.
Más específicamente, cada conducto recolector-distribuidor 20, a través de los accesorios respectivos 16, recolecta el fluido de intercambio de calor desde los intercambiadores de calor 13 de una sucesión, para luego inyectarlo, a través de los accesorios respectivos 15, dentro de los intercambiadores de calor 13 de una sucesión consecutiva.
El conducto distribuidor 19, los conductos recolectores-distribuidores 20 y el conducto recolector 21 están a su vez cada uno en comunicación de fluido con los respectivos conductos 22, 23 y 24, para alimentar dentro de ellos un flujo de gases reactivos introducidos dentro del reactor 1 , mediante pasajes apropiados (bocas 27, 28 y 29, respectivamente) previstos en el fondo superior 4. Más aún, el conducto recolector 21 está en comunicación de fluido con el lecho catalítico 6 a través de un conducto de salida 30.
En la presente realización, tales flujos de gases reactivos tienen la función de fluido operativo de intercambio de calor dentro de los intercambiadores de calor 13.
De acuerdo con realizaciones alternativas de la presente invención, no representadas, los accesorios 15, 16 y los respectivos conductos 19, 20 y 21 , pueden estar dispuestos alternativamente en diversos lados de los intercambiadores de calor 13, de modo de que sean atravesados por el fluido operativo de intercambio de calor en contracorriente con respecto al flujo de gases reactivos dentro del lecho catalítico 6, o de otro modo, para algunos intercambiadores de calor 13 en co-corriente (como se muestra en las figuras) y en otros en contracorriente. Más aún, es posible prever muchas alimentaciones independientes de fluido operativo de intercambio de calor a los intercambiadores de calor 13, los cuales son por lo tanto alimentados en paralelo entre sí.
Deberá también observarse que, en la presente realización, es posible distinguir un área 26 sin intercambiadores de calor 13, en el lecho catalítico 6, estando dicha área 26 cercana a la pared perforada 7 para la entrada de los gases reactivos. La presencia de un área adiabática 26, sin intercambio de calor, cercana a la pared perforada 7, en la cual la reacción entre los gases reactivos es sustancialmente disparada tan pronto como los mismos hayan entrado dentro del lecho catalítico 6, puede ser importante en algunas situaciones, por ejemplo, cuando el intercambio de calor entre los gases reactivos, que comienzan a reaccionar en el lecho catalítico, y el fluido de intercambio de calor, en los intercambiadores, podría comprometer la buena evolución de la reacción que recién ha comenzado.
Los flujos de los flujos gaseosos que fluyen dentro del reactor 1 se indican genéricamente en las figuras 1 -3 mediante las flechas fg.
En cuanto a lo que concierne a la operación del reactor isotérmico 1 , un fluyo de gases reactivos es alimentado continuamente al reactor 1 a través de la boca 27, sobre el fondo superior 4 y desde aquí es alimentado a los intercambiadores 13 de la sucesión más cercana a la pared perforada de entrada 7 del lecho catalítico 6, a través del conducto de alimentación 22, el conducto distribuidor 19 y los accesorios 15 de dichos intercambiadores de calor 13.
Dicho flujo de gases reactivos continúa por lo tanto en su trayectoria atravesando dichos intercambiadores de calor 13 de la sucesión más cercana a la pared perforada de entrada 7 del lecho catalítico 6, donde éste opera como fluido de intercambio de calor para un flujo de gases reactivos que entra dentro del lecho catalítico 6, para ser luego recolectado, a través de los accesorios 16 de dichos intercambiadores 13, en un conducto recolector-distribuidor 20.
En el conducto recolector-distribuidor 20 antes mencionado, el flujo de gases reactivos recolectados por los intercambiadores de calor 13 de la sucesión más cercana a la pared perforada de entrada 7, se mezcla con un nuevo flujo "fresco" de gases reactivos que vienen desde el conducto de alimentación 23, siendo dicho flujo "fresco" de reactivos continuamente introducido dentro del reactor 1 , a través de la boca 28 sobre el fondo superior 4.
La mezcla resultante de gases reactivos es luego alimentada a los intercambiadores de calor 13 de la sucesión consecutiva (sucesión intermedia), para la función de intercambio de calor, a través de los accesorios respectivos 15, y desde aquí, del mismo modo indicado anteriormente, hasta la última sucesión de intercambiadores de calor 3, en otras palabras, el más cercano a la pared perforada de salida 8 del lecho catalítico 6.
Como puede verse en el ejemplo de la figura 1 , en cada pasaje desde una sucesión de intercambiadores de calor 13 a la siguiente sucesión, el flujo de gases reactivos que viene desde una sucesión de intercambiadores de calor 13, es preferiblemente mezclado (enfriado en el caso de una reacción exotérmica o calentado en el caso de una reacción endotérmica) en el respectivo conducto recolector-distribuidor 20 con un flujo "fresco" de gases reactivos alimentados a dicho conducto 20 a través de un conducto de alimentación 23.
El flujo de gases reactivos que salen desde la última sucesión de intercambiadores 13, a través de los accesorios respectivos 16, es recolectado en un conducto recolector 21 , donde es preferiblemente mezclado con un flujo "fresco" adicional de gases reactivos que vienen desde el conducto de alimentación 24, siendo dicho flujo de reactivos "fresco" adicional introducido dentro del reactor 1 a través de la boca 29 prevista sobre el fondo superior 4.
La mezcla así obtenida sale del conducto recolector 21 por medio de un conducto de salida 30 (flechas fg) y es inyectado dentro de un espacio 31 dentro del reactor 1 , que yace sobre el lecho catalítico 6, y desde aquí difunde (para una porción minoritaria) directamente dentro del lecho catalítico 6, o de otro modo desciende (para una porción mayoritaria) a lo largo del interespacio 9, y pasando a través de la pared perforada 7, difunde dentro del lecho catalítico 6. Respecto de esto, de acuerdo con el ejemplo de las figuras, el lecho catalítico 6 está abierto en su parte superior y las paredes laterales perforadas 7 y 8 tienen una porción superior impermeable a gas, de modo de hacer que los gases reactivos atraviesen el lecho catalítico 6 con un movimiento sustancialmente axial-radial.
De acuerdo con la presente invención, gracias a la disposición sustancialmente paralela de los intercambiadores de calor 13 de las respectivas sucesiones, el flujo gaseoso de gases reactivos atraviesa el lecho catalítico 6 en una dirección perpendicular al eje longitudinal X de la carcasa 2 y en porciones sustancialmente paralelas entre sí. Respecto de esto, ver la trayectoria del flujo gaseoso de gases reactivos dentro del lecho catalítico 6, indicado en las figuras 1 y 3.
Más específicamente, cada porción paralela del flujo gaseoso de gases reactivos, luego de haber atravesado el área 26 disparadora de la reacción, en condiciones sustancialmente adiabáticas, continúa su trayectoria en el lecho catalítico 6 a lo largo de un área o sección catalítica homogénea entre intercambiadores adyacentes de las respectivas sucesiones, obteniendo así una elevada eficiencia de intercambio de calor con el fluido de intercambio de calor (flujo de gases reactivos) dentro de los intercambiadores de calor 13, sin pérdidas de carga excesivas, con la gran ventaja de un mejor rendimiento de conversión de dichos reactivos en los productos de reacción y de una reducción en el consumo relativo de energía.
Por lo tanto, se obtiene una mezcla gaseosa que comprende reactivos y productos de reacción que, saliendo del lecho catalítico 6 a través de la pared perforada 8, es recolectada en el ínter espacio 10 que tiene la función de un recolector y desde aquí es transportada hacia afuera del reactor 1 , a través del conducto de salida 25 y la boca relativa 26 sobre el fondo superior 4.
La invención así concebida puede sufrir modificaciones y variantes adicionales, todas las cuales están dentro del alcance del hombre experto en el arte, y como tales, están cubiertas por el alcance de protección de la invención en sí misma, tal como definida por las siguientes reivindicaciones.

Claims (1)

  1. REIVINDICACIONES Reactor isotérmico (1 ) para llevar a cabo reacciones heterogéneas exotérmicas o endotérmicas, que comprende: una carcasa externa sustancialmente cilindrica (2) con eje longitudinal (X), al menos un lecho catalítico (6) que se extiende en la carcasa (2) y que comprende paredes laterales opuestas perforadas (7, 8) respectivamente para la entrada de un flujo gaseoso de reactivos y para la salida de un flujo gaseoso que comprende productos de reacción, y una unidad de intercambio de calor (12) inmersa en dicho al menos un lecho catalítico (6) y atravesada por un fluido de intercambio de calor, caracterizado en que dicho al menos un lecho catalítico (6) esta delimitado lateralmente por dichas paredes laterales opuestas perforadas (7, 8), en donde un primer y un segundo ínter espacio (9, 10) esta definido entre dicha carcasa (2) y dichas paredes laterales perforadas (7, 8), y en que dicha unidad de intercambio de calor (12) comprende al menos una sucesión de intercambiadores de calor (13) dispuestos sustancialmente paralelos entre sí y sustancialmente paralelos a la dirección en la que dicho al menos un lecho catalítico (6) es atravesado por dicho flujo gaseoso de reactivos. Reactor isotérmico (1 ) de acuerdo con la reivindicación 1 , caracterizado porque cada intercambiador (13) de dicha al menos una sucesión de intercambíadores de calor (13) se extiende en dicho al menos un lecho catalítico (6) a lo largo de una dirección sustancialmente paralela al eje (X) de dicha carcasa. Reactor isotérmico de acuerdo con la reivindicación 1 o 2, caracterizado porque dichos intercambiadores de calor (13) tienen una estructura sustancialmente con forma de caja, con configuración esencialmente alargada y rectangular achatada con lados largos opuestos (13a) paralelos al eje (X) de la carcasa y lados cortos opuestos (13b, 13c) dispuestos perpendiculares a dicho eje, comprendiendo también dichos intercambiadores (13) una cámara interna destinada a ser atravesada por dicho fluido operativo de intercambio de calor. Reactor isotérmico de acuerdo con la reivindicación 1 o 2, caracterizado porque dichos intercambiadores de calor (13) tienen, cada uno, una estructura sustancialmente tubular con cada tubo extendiéndose en una dirección sustancialmente perpendicular al eje (X) de la carcasa.
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