PT1472500E

PT1472500E - Feixe de tubos

Info

Publication number: PT1472500E
Application number: PT03714725T
Authority: PT
Inventors: Dominicus Fredericus Mulder
Original assignee: Shell Int Research
Priority date: 2002-02-05
Filing date: 2003-02-03
Publication date: 2007-02-28
Also published as: AU2003218972B2; ES2274218T3; EA200401027A1; CA2474935A1; ATE344431T1; JP2005517150A; KR20040086336A; KR101205760B1; US7997329B2; US20030173066A1; WO2003067170A1; EA005543B1; EP1472500B1; DE60309431D1; EP1472500A1; CN100359280C; DE60309431T2; CN1628234A; AU2003218972A1; CA2474935C

Description

ΡΕ1472500 1 DESCRIÇÃO "FEIXE DE TUBOS" O presente invento diz respeito a um feixe de tubos compreendendo uma pluralidade de tubos paralelos e suportes transversais axialmente espaçados entre si para suportar os tubos num recipiente cilíndrico. O recipiente cilíndrico, o qual é internamente dotado com um feixe de tubos, pode ser um permutador de calor compreendendo uma carcaça cilíndrica e o feixe de tubos montado na carcaça cilíndrica. A maior área de aplicação do feixe de tubos é em permutadores de calor do tipo carcaça e tubos. Um permutador de calor do tipo carcaça e tubos compreende uma carcaça cilíndrica dotada internamente com um feixe de tubos compreendendo uma pluralidade de tubos paralelos que se estendem na direcção longitudinal do recipiente, em que o feixe de tubos compreende ainda suportes transversais axialmente espaçados entre si para suporte dos tubos no recipiente cilíndrico.

Tal como é bem sabido, o permutador de calor do tipo carcaça e tubos é um permutador de calor indirecto no qual o calor é transferido entre um fluido que passa através dos tubos de um feixe de tubos (lado dos tubos) e 2 ΡΕ1472500 um fluido que passa através do espaço do lado de fora dos tubos (lado da carcaça). Detalhes do permutador de calor do tipo carcaça e tubos podem, por exemplo, ser encontrados no Perry's Chemichal Engineers' Handbook, 5a edição, 1973, Mc Graw-Hill Inc., páginas 11-3 a 11-21. 0 feixe de tubos é a parte mais importante do permutador de calor. As extremidades dos tubos são fixadas a uma placa de tubos. 0 permutador de calor pode incluir duas placas de tubos, uma em cada extremidade do recipiente cilíndrico, ou uma só placa de tubos numa extremidade do recipiente cilíndrico, no caso de o permutador de calor ser um permutador em U.

Será bem compreendido que as partes intermédias dos tubos também têm que ser suportadas, por exemplo para evitar danos aos tubos devido a vibrações causados pelo escoamento do fluido. Para suportar as partes intermédias dos tubos, o feixe de tubos inclui suportes transversais axialmente espaçados entre si. Um suporte convencional é uma chicana, e há diversas espécies de chicanas discutidas no Perry's. As chicanas não servem apenas para suporte dos tubos mas, porque elas restringem a área de escoamento no lado da carcaça, as chicanas também controlam o escoamento do fluido através do lado da carcaça. Por isso, a concepção das chicanas é assim determinada por considerações relativas à transferência de calor. A descrição de patente US No. 2 018 037 revela um suporte de tubos que é concebido para reduzir a restrição da área de escoamento no lado da carcaça. Esta publicação 3 ΡΕ1472500 revela um feixe de tubos compreendendo uma pluralidade de tubos paralelos e suportes transversais axialmente espaçados entre si para suporte das partes intermédias dos tubos num recipiente cilíndrico, em que os suportes transversais consistem em hastes ou barras dispostas em faixas entre as filas de tubos. Um suporte transversal consiste num anel de suporte que tem um diâmetro exterior que é um pouco menor que o diâmetro interior do recipiente cilíndrico e hastes ou barras paralelas que são fixadas, através das suas extremidades, ao anel de suporte. Quando os tubos do feixe de tubos estão dispostos numa disposição triangular (em que os tubos estão dispostos de tal modo que os seus centros estão nos vértices de triângulos equiláteros), um conjunto de suportes transversais axialmente espaçados entre si dispostos com ângulos de 60° entre si, serão suficientes para suportar os tubos em todas os sentidos. E, quando os tubos estão dispostos num arranjo quadrangular (em que os tubos estão dispostos de tal modo que os seus centros estão nos vértices de quadrados), um conjunto de suportes transversais axialmente espaçados entre si dispostos com ângulos de 90° entre si, serão suficientes para suportar os tubos em todas os sentidos.

Devido ao facto de que os suportes transversais conhecidos consistem num anel de suporte e hastes ou barras paralelas a ele fixadas, não é fácil fabricar o feixe de tubos dotado com os suportes transversais conhecidos. É um objectivo do presente invento fornecer um 4 ΡΕ1472500 feixe de tubos que seja mais simples de fabricar do que aquele que é conhecido.

Para este fim, o feixe de tubos de acordo com o presente invento compreende uma pluralidade de tubos paralelos e suportes transversais axialmente espaçados entre si para suporte dos tubos num recipiente cilíndrico, em que cada suporte transversal compreende uma chapa de metal expandido.

Uma chapa de metal expandido é feita de uma chapa de metal que é fendida e esticada no interior de uma estrutura de ripas cruzadas com intersticios. 0 seu fabrico é simples e barato. Além do mais, as chapas podem ser cortadas com uma forma circular, por exemplo por corte por meio de laser. A dimensão dos interstícios pode ser escolhida de tal maneira que ela seja igual ao diâmetro do tubo, de modo que o tubo é suportado nas direcções transversais por um só suporte transversal. Alternativamente, a dimensão dos interstícios pode ser maior do que o diâmetro do tubo, de maneira que um suporte transversal suporta o tubo numa ou duas direcções transversais. Neste caso, dois ou mais suportes transversais deslocados uns em relação aos outros serão necessários para suportar um tubo em todas as direcções transversais.

Na descrição e nas reivindicações, a expressão "a 5 ΡΕ1472500 dimensão dos interstícios é aproximadamente igual ao diâmetro do tubo" é usada para se referir a uma dimensão dos interstícios do suporte transversal que está limitado por um limite inferior e um limite superior. 0 limite inferior é aquele em que o tubo passa através dos interstícios sem folga, e o limite superior é aquele em que um tubo padrão tendo um diâmetro exterior que é 10% maior do que o tubo pode passar através dos interstícios sem folga. A expressão "a dimensão dos interstícios é maior do que o diâmetro do tubo" é usada para se referir a uma dimensão dos interstícios do suporte transversal que é limitada por um limite inferior, em que o limite inferior é aquele em que um tubo padrão tendo um diâmetro exterior que é 10% maior do que o tubo do feixe de tubos pode passar através dos interstícios sem folga. Um limite superior prático é aquele em que dois a quatro tubos paralelos situados à sua distância normal entre as suas linhas de centro podem passar através dos interstícios sem folga. 0 invento será agora descrito por meio de um exemplo em maior detalhe fazendo referência aos desenhos anexos, em que: a Figura 1 mostra esquematicamente parte de uma secção longitudinal do feixe de tubos do presente invento; a Figura 2 mostra esquematicamente uma vista ao longo da linha II-II da Figura 1 desenhada numa escala maior; 6 ΡΕ1472500 a Figura 3 mostra esquematicamente um dimensionamento alternativo dos interstícios dos suportes transversais; a Figura 4 mostra esquematicamente um exemplo de suportes transversais segmentários; a Figura 5 mostra esquematicamente um exemplo de suportes transversais formados por segmentos circulares; e a Figura 6 mostra uma vista de topo de um dos suportes transversais da Figura 5. 0 feixe de tubos de acordo com o presente invento compreende uma pluralidade de tubos paralelos 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8 e 9 e suportes transversais axialmente espaçados entre si 21, 22, 23, 24 e 25 para suportar as partes intermédias dos tubos num recipiente cilíndrico tendo uma carcaça cilíndrica 30. É favor notar que a Figura 1 não mostra as partes de extremidade dos tubos com o feixe de tubos.

Cada suporte transversal é feito de uma chapa de metal expandido 40. A chapa de metal expandido 40 é uma estrutura de ripas cruzadas 41 com interstícios 42. Por razões de clareza, na Figura 2, nem todas as ripas e interstícios foram referidos por um número de referência. A dimensão dos interstícios 42 deve ser aproximadamente igual a ou maior que o diâmetro exterior dos tubos 1-9. 7 ΡΕ1472500

Tal como pode ser visto na Figura 2, a dimensão dos interstícios 42 da chapa de metal expandido 40 que forma o suporte transversal 21 é maior do que o diâmetro exterior dos tubos 1-9. Assim, o suporte transversal 21 suporta os tubos 1-9 apenas no sentido descendente. Com o fim de suportar os tubos no sentido ascendente, o próximo suporte transversal 22 é alternado com o suporte transversal 21. A linha tracejada, o bordo de um interstício 52 da chapa de metal expandido do próximo suporte transversal 22 é mostrado na Figura 2.

Opcionalmente, as chapas de metal expandido dos suportes transversais podem ser fixadas a um anel de suporte 27 (Figura 1) tendo um diâmetro exterior que é ligeiramente menor do que o diâmetro interior da carcaça cilíndrica 30. Os anéis de suporte 27 podem ser ligados por meio de hastes de ligação (não mostradas) dotadas com elementos de espaçamento (não mostrados) para assegurar que o espaçamento axial dos suportes transversais seja mantido durante a instalação e a operação normal.

No modo de realização do invento mostrado na Figura 2, os tubos estão dispostos numa disposição quadrangular, fazendo um ângulo de 45° com a horizontal. Num modo de realização alternativo, a disposição quadrangular é horizontal, e isto significa que a figura 2 é rodada de 45°. Neste modo de realização, quatro suportes transversais serão requeridos para suportar os tubos paralelos nos sentidos transversais (esquerdo, direito, ΡΕ1472500 para cima e para baixo).

No modo de realização do invento mostrado nas Figuras 1 e 2, dois suportes transversais adjacentes suportam todos os tubos. Alternativamente, cada suporte transversal suporta os tubos em todos os sentidos transversais, em cujo caso o diâmetro dos interstícios da chapa de metal expandido é aproximadamente igual ao diâmetro exterior do tubo. É feita referência à Figura 3, mostrando apenas uma pequena parte de dois suportes transversais adjacentes dispostos uma seguir ao outro feitos de chapas de metal expandido 60 e 61 e deslocados um em relação ao outro. Por razões de clareza na Figura 3, nem todas as ripas e interstícios foram referidos por um número de referência. A dimensão dos interstícios 63 é maior que o diâmetro exterior do tubo 65. Na concepção mostrada na figura 3, quatro tubos paralelos 65 do feixe de tubos dispostos à sua distância normal 70 entre as suas linhas de centro podem passar através dos interstícios sem folga. Os suportes transversais foram deslocados uns em relação aos outros para proporcionar suporte em todos os sentidos.

No modo de realização do invento mostrado nas Figuras 1 e 2, os suportes transversais estendem-se através de todo o diâmetro interior do recipiente cilíndrico. Alternativamente, os suportes transversais são suportes transversais segmentários. Os suportes segmentários 9 ΡΕ1472500 permitem o fluxo cruzado do escoamento do fluido através do lado da carcaça de um permutador de calor. A Figura 4 mostra esquematicamente um certo número de suportes segmentários 80a, b, c, d de metal expandido, cada um deles tendo um segmento aberto 82a, b, c, d em posições diferentes. Os tubos do feixe de tubos não são mostrados por razões de clareza. Pelo uso de tais suportes segmentários, o escoamento durante a operação é guiado através da carcaça numa matriz alternada, de maneira que há algum fluxo cruzado. A transferência de calor em escoamento cruzado é melhor que em escoamento longitudinal.

As Figuras 5 e 6 mostram outro modo de realização de um suporte transversal de acordo com o presente invento. Cada um dos suportes transversais 90a, e 90b é formado por quatro sectores circulares feitos de metal expandido, 91a, b, 92a, b, 93a, b, 94a, b, num anel de suporte 98a, b. Cada um dos sectores circulares está inclinado para o exterior do plano perpendicular à direcção axial do feixe de tubos, isto é, para fora do plano que é definido pelos anéis de suporte 94a, b. Neste exemplo, os sectores circulares estão dispostos de tal maneira que estão inclinados cerca de um diâmetro da carcaça 96. 0 ângulo de inclinação em relação ao plano horizontal é adequadamente entre 20 e 70 graus. Foram obtidos bons resultados com um ângulo de aproximadamente 30 graus. Uma haste de suporte axial central 99 pode ser montada para estabilidade mecânica. Os tubos do feixe de tubos que se estendem através dos 10 ΡΕ1472500 interstícios do círculo de metal expandido não são mostrados por razões de clareza. A Figura 6 mostra uma vista de topo do suporte transversal 90a. Os sectores circulares, tal como é visível nesta vista de projecção, estendem-se ao longo de todo o diâmetro exterior da carcaça circular. Deve ser claro que onde é feita referência à "dimensão dos interstícios" na descrição e nas reivindicações, significa a dimensão da projecção dos interstícios num plano perpendicular, que é a dimensão tal como é visível numa vista de topo como na Figura 6.

Foi verificado que, quando os segmentos circulares são inclinados desta maneira, parte do escoamento passará os suportes transversais através de aberturas entre os sectores circulares. Também, este arranjo implicará turbulência no escoamento, o que provoca fluxos cruzados que melhoram a transferência de calor. Este arranjo permite velocidades de escoamento mais altas e não haverá zonas de estagnação, de maneira que a tendência para obstruções é muito pequena.

Além disso, é facilmente possível instalar uma ou mais chicanas longitudinais ao longo das aberturas entre os sectores circulares. Podem ser usadas chicanas longitudinais para configurar um permutador de calor tipo carcaça e tubos de modo que o fluido se escoa através do lado da carcaça em diversas passagens. Este facto permite a 11 ΡΕ1472500 construção de recipientes permutadores de calor mais curtos. Uma opção vantajosa particular é instalar duas chicanas longitudinais de maneira cruzada num modo de realização como mostrado nas Figuras 5 e 6, ao longo dos limites entre sectores circulares e adequadamente ao longo de todo o diâmetro da carcaça 95. Pode não ser necessária uma haste de suporte central. As chicanas longitudinais separam a carcaça em quatro elementos, que são adequadamente dispostos em comunicação fluida de maneira que o fluido passa consecutivamente através de cada um dos quatro segmentos da carcaça. Desta maneira, como uma alternativa para um recipiente permutador de calor de, por exemplo, 24 m de comprimento e 1,5 m de diâmetro, um recipiente de 6 m de comprimento e 3 m de diâmetro pode ser configurado. Isto pode por exemplo ser chamado permutador de calor "torre do Texas". 0 invento também se refere a um recipiente cilíndrico compreendendo uma carcaça cilíndrica dotada com um feixe de tubos de acordo com o invento. 0 recipiente cilíndrico dotado com o feixe de tubos do presente invento pode ser um permutador tipo carcaça e tubos ou um reactor. Pode ser usado na posição horizontal ou na posição vertical. 0 feixe de tubos de acordo com o presente invento compreende suportes transversais que são feitos de uma chapa de metal expandido, de um só material. E, por esse motivo, o feixe de tubos é mais fácil de fabricar do que os 12 ΡΕ1472500 feixes de tubos com os suportes transversais conhecidos. Além do mais, os suportes transversais do presente invento proporcionam uma baixa resistência ao escoamento do fluido.

Uma aplicação particular do presente invento é em reactores químicos compreendendo um feixe de tubos numa carcaça, por exemplo tal como é usado na produção de óxido de etileno. Uma estrutura de suporte de tubos muito aberta é aqui muitas vezes requerida. Um suporte transversal para esta aplicação é, por exemplo, conhecido da descrição da patente US N° 5 366 188. 0 suporte conhecido é feito a partir de um disco perfurado que é bastante dispendioso. Um suporte transversal de acordo com o presente invento é uma alternativa simples. Para criar uma estrutura de suporte que seja muito aberta, o suporte transversal pode adequadamente compreender uma pluralidade de peças de metal expandido, em que cada peça é menor do que a secção transversal do recipiente reactor e está inclinada em relação ao plano da secção transversal, e em que todas as peças estão liqas conjuntamente de maneira a abarcar a secção transversal do recipiente reactor. 0 fluido pode escoar-se através de cada peça, e através das aberturas entre peças inclinadas adjacentes.

Lisboa, 15 de Janeiro de 2007

Claims

PE 1472500 1 REIVINDICAÇÕES 1. Feixe de tubos compreendendo uma pluralidade de tubos paralelos e suportes transversais axialmente espaçados entre si para suportar os tubos num recipiente cilíndrico, caracterizado pelo facto de que cada suporte transversal compreende uma chapa de metal expandido.
2. Feixe de tubos de acordo com a reivindicação 1, em que cada suporte transversal é feito de uma simples chapa de metal expandido.
3. Feixe de tubos de acordo com a reivindicação 1 ou 2, em que cada suporte transversal se estende ao longo de todo o diâmetro interior da carcaça cilíndrica.
4. Feixe de tubos de acordo com a reivindicação 1 ou 2, em que os suportes transversais são suportes transversais segmentários.
5. Feixe de tubos de acordo com qualquer uma das reivindicações 1-4, em que cada suporte transversal é essencialmente formado por sectores circulares de metal expandido.
6. Feixe de tubos de acordo com a reivindicação 5, em que os sectores circulares são inclinados em relação a um plano que se estende perpendicularmente ao feixe de 2 PE 1472500 tubos.
7. Feixe de tubos de acordo com qualquer uma das reivindicações 1-6, em que a dimensão dos interstícios da chapa de metal expandido é aproximadamente igual ao diâmetro dos tubos.
8. Feixe de tubos de acordo com qualquer uma das reivindicações 1-6, em que a dimensão dos interstícios da chapa de metal expandido é maior do que o diâmetro dos tubos, e em que os suportes transversais adjacentes estão deslocados uns em relação aos outros para proporcionar suporte em todas os sentidos.
9. Feixe de tubos de acordo com qualquer uma das reivindicações 1-8, montado internamente num recipiente cilíndrico compreendendo uma carcaça cilíndrica.
10. Feixe de tubos de acordo com qualquer uma das reivindicações 1-9, quando montado numa carcaça cilíndrica que faz parte de um permutador de calor.
11. Feixe de tubos de acordo com qualquer uma das reivindicações 1-9, em que o feixe de tubos faz parte de um reactor químico, em particular um reactor de óxido de etileno.
12. Feixe de tubos de acordo com a reivindicação 5 ou 6, dotado ainda com chicanas longitudinais dispostas 3 PE 1472500 de través que se estendem entre os sectores circulares. Lisboa, 15 de Janeiro de 2007