PT1611386E - Tubagem helilcoidal - Google Patents

Description

1 ΡΕ1611386

DESCRIÇÃO "TUBAGEM HELICOIDAL" A presente invenção refere-se a tubos para o transporte de líquidos num cracker petroquímico entre o forno de cracking, através da torre de fraccionamento, até ao compressor de gás craqueado. Já se sabe que o fluido pode fluir em "escoamento em espiral", e este escoamento é discutido no documento WO 97/28637, no contexto de condutas e tubos de admissão para turbinas. 0 escoamento em espiral é conseguido através da formação das condutas ou tubos de admissão de tal modo que os seus eixos curvam em três dimensões. 0 escoamento em espiral tem uma série de vantagens sobre o escoamento convencional. As perdas de pressão (e perdas de energia) através de turbulência podem ser reduzidas. Além disso, o perfil de velocidade do escoamento através do tubo é mais uniforme do que seria com escoamento convencional. Como resultado, o fluido que flui num escoamento espiral tende a actuar como um êmbolo, removendo sedimentos ou detritos que se possam ter acumulado nas paredes do tubo, o que é de particular importância numa central hidroeléctrica.

Tubos com curvas tridimensionais semelhantes 2 ΡΕ1611386 também são discutidos no documento WO 02/093063, que descreve o preâmbulo da reivindicação 1, em que são utilizados no contexto de unidades de produção e transformação. Em tais unidades, é muitas vezes necessário que os tubos que ligam diferentes partes da unidade se estendam por uma certa distância, e tenham um certo número de curvas. Formando as curvas de modo a que estas tenham curvas tridimensionais, promove o escoamento espiral e leva a menores perdas de energia, redução do risco de estagnação e de sedimentação.

No entanto, estes documentos da arte anterior estão apenas preocupados com a utilização de curvas tridimensionais em vez das curvas bidimensionais conhecidas (tais como curvas cotovelo), de modo a induzir o escoamento espiral. Eles não estão preocupados com a criação de escoamento espiral em situações onde um tubo geralmente rectilíneo seria normalmente utilizado.

Uma maneira possivel de fazer escoamento espiral num tubo rectilineo seria formar ranhuras ou nervuras ao longo da superfície interna do tubo, ranhuras ou nervuras estas que curvam ao longo do tubo (tais como estrias no cano de uma arma). No entanto, isso tem o inconveniente de aumentar o perímetro molhado do tubo, e, no caso de nervuras, de reduzir a área da secção transversal do tubo, tanto as ranhuras como as nervuras podem levar a um aumento da resistência ao escoamento e consequente queda de pressão. 3 ΡΕ1611386

Além disso, a experiência tem mostrado que a menos que o número de Reynolds seja muito baixo, as ranhuras ou as nervuras apenas têm efeito no escoamento próximo da parede do tubo, e pode ser necessário proporcionar um tubo longo a fim de se certificar de que o escoamento espiral estará presente em toda a largura do tubo. Escoamento espiral no centro do tubo só pode ser conseguido através da transferência difusa de momento a partir do escoamento na parede do tubo; as ranhuras ou as nervuras não facilitam a mistura entre o fluido próximo da parede do tubo e o fluido no centro do tubo. É conhecido a partir do documento US-A-5 167 483 o fornecimento de tubos compreendendo um troço em que a linha central do troço segue um percurso substancialmente helicoidal. 0 documento GB-A-2 192 966 descreve um método de fabrico de tubos que compreende um troço em que a linha central do troço segue um percurso substancialmente helicoidal, o método inclui os passos de proporcionamento de um aparelho de moldagem e moldagem do tubo numa forma helicoidal, utilizando o aparelho de moldagem.

De acordo com um primeiro aspecto da invenção, providencia-se um cracker petroquímico tal como definido pela reivindicação 1.

Quando o fluido entra numa peça de tubagem formada, desta maneira, com um troço em forma helicoidal, é estabelecido escoamento espiral quase imediatamente. 4 ΡΕ1611386

Verificou-se que escoamento espiral é estabelecido por toda a largura do tubo dentro de alguns diâmetros da entrada do tubo. Além disso, o escoamento espiral envolve considerável movimento secundário e mistura do fluido, com transferência de massa, momento e calor entre o fluido nas paredes do tubo e o fluido no centro do tubo.

Na presente especificação, a amplitude da hélice refere-se ao deslocamento de uma posição média a um extremo lateral. Assim, no caso de um tubo com uma linha central helicoidal, a amplitude é metade da largura lateral total da linha central helicoidal. A área da secção transversal do tubo é substancialmente constante ao longo do seu comprimento.

No cracker petroquimico com tubagem de acordo com o primeiro aspecto da invenção, existe uma "linha de visão" ao longo do lúmen da tubagem. Isto é diferente de uma configuração em saca-rolhas, em que a hélice é efectivamente enrolada em torno de um núcleo (quer sólido, quer "virtual" com um núcleo de ar) . Verificou-se que o escoamento na linha de visão tem geralmente uma componente espiral, embora pudesse potencialmente seguir um caminho linear.

Para os fins desta especificação, o termo "amplitude relativa" da tubagem helicoidal é definida como a amplitude dividida pelo diâmetro interno. Uma vez que a amplitude da tubagem helicoidal é inferior ou igual a metade do diâmetro interno do tubo, isso significa que a 5 ΡΕ1611386 amplitude relativa é inferior ou igual a 0,5. Podem ser preferidas amplitudes relativas inferiores ou iguais a 0,45, 0,40, 0,35, 0,30, 0,25, 0,20, 0,15, 0, 1 ou 0,05.

Menores amplitudes relativas proporcionam uma melhor utilização do espaço lateral disponível, em que a tubagem não é muito maior, no geral, do que um tubo rectilíneo normal com a mesma área de secção transversal. Menores amplitudes relativas também resultam numa "linha de visão" mais larga, proporcionando mais espaço para a inserção de manómetros ou outro equipamento ao longo da tubagem. Com números de Reynolds mais elevados, podem ser utilizadas amplitudes relativas mais pequenas enquanto escoamento espiral é induzido de uma forma satisfatória. Isto geralmente significa que, para um dado diâmetro interno, onde existe um elevado caudal, uma baixa amplitude relativa pode ser usada sendo ainda suficiente para induzir o escoamento espiral. O ângulo da hélice também é um factor relevante no equilíbrio entre considerações de espaço com o desejo de ter uma grande área transversal disponível para o escoamento. O ângulo da hélice é de preferência inferior ou igual a 65°, mais preferencialmente inferior ou igual a 55°, 45°, 35°, 25°, 20°, 15°, 10° ou 5o. Tal como acontece com as amplitudes relativas, o ângulo da hélice pode ser optimizado de acordo com as condições e, em particular, a viscosidade, densidade e velocidade do fluido a ser transportado pela tubagem. 6 ΡΕ1611386

De uma maneira geral, para números de Reynolds mais elevados, o ângulo da hélice pode ser menor, para que escoamento espiral satisfatório seja conseguido, embora com um número de Reynolds menor seja necessário um maior ângulo de hélice para produzir uma espiral satisfatória. 0 uso de ângulos de hélice maiores para os escoamentos rápidos (com os números de Reynolds mais elevados) serão geralmente indesejáveis, uma vez que podem haver bolsas de fluido estagnado perto da parede. Por conseguinte, para um dado número de Reynolds (ou o intervalo de números de Reynolds), o ângulo da hélice será preferencialmente escolhido para ser tão baixo quanto possível de modo a produzir uma espiral satisfatória. Em certas concretizações, o ângulo da hélice é inferior a 20°.

Em geral, a tubagem terá uma pluralidade de espiras da hélice. Voltas repetidas da hélice ao longo da tubagem tenderão a garantir que o escoamento espiral é totalmente desenvolvido.

Comprimentos de tubagem serão normalmente feitos substancialmente com a mesma amplitude relativa e ângulo de hélice ao longo do seu comprimento; no entanto, um ou ambos podem variar. Além disso, o troço helicoidal pode estender-se ao longo de todo o comprimento da tubagem, ou pode estender-se apenas ao longo de parte da mesma, para "condicionar" o escoamento e para facilitar a ligação da tubagem a outros tubos. 7 ΡΕ1611386 A tubagem pode estender-se geralmente de forma linear (ou seja, o eixo de rotação helicoidal pode ser uma linha recta) . No entanto, o eixo poderá ser curvado, para produzir um tubo geralmente curvo. A curva do eixo pode ser bidimensional ou tridimensional; se for tridimensional, é importante garantir que a espiral criada pela curva tridimensional aumenta a espiral criada pela tubagem helicoidal.

De acordo com um outro aspecto da invenção, é proporcionado um método de fabrico de tubos e de utilização da tubagem num cracker petroquímico, tal como definido pela reivindicação 13.

Este método tem a vantagem de produzir directamente um troço helicoidal a partir de matéria-prima, e evita a necessidade de se moldar um tubo rectilíneo formado anteriormente. Também pode produzir comprimentos contínuos de tubo helicoidal.

Numa forma preferida, o aparelho de moldagem compreende um elemento rotativo, cujo eixo de rotação é geralmente paralelo ao eixo de extrusão, elemento rotativo este que contém um orifício através do qual o tubo passa, sendo o orifício posicionado de modo a que o seu centro esteja desviado do eixo de rotação, sendo o elemento rotativo accionado para rodar enquanto o tubo passa através dela para conferir uma forma helicoidal ao tubo, e em que o furo no elemento rotativo é posicionado de modo a que o ΡΕ1611386 eixo de rotação passe através do furo, de modo a produzir uma parte helicoidal, em que a amplitude da hélice é inferior ou igual a metade do diâmetro interno da tubagem e é relativamente constante ao longo do comprimento do troço. 0 uso deste aparelho de moldagem permite que a geometria do tubo seja variada de várias maneiras. Por exemplo, a velocidade da extrusora pode ser aumentada ou reduzida, tal como a velocidade de rotação do elemento rotativo. Além disso, diferentes elementos rotativos, com o furo em diferentes posições, podem ser utilizados.

Concretizações preferidas da invenção serão agora descritas por meio de exemplo apenas e com referência aos desenhos anexos, nos quais: A Figura 1 é uma vista do tubo utilizado em ensaios com o escoamento num troço helicoidal; A Figura 2 é uma vista semelhante à da Figura 1, mas relativa a um ensaio diferente; A Figura 3 ilustra um método de fabrico de um tubo helicoidal;

As Figuras de 4a a 4e ilustram um outro método de fabrico de um tubo helicoidal; e

As figuras 5a a 5c ilustram um outro método de fabrico de um tubo helicoidal. A tubagem 10, mostrada na Figura 1 tem uma secção transversal circular, um diâmetro externo DE, um diâmetro interno Di e uma espessura de parede T. O tubo é enrolado 9 ΡΕ1611386 numa espiral de amplitude constante A (tal como medida do meio à extremidade), passo constante P, ângulo de hélice constante Θ e uma largura percorrida W. A tubagem 10 está contida dentro de um invólucro imaginário 20 que se estende longitudinalmente e tem uma largura igual à largura percorrida W da hélice. O invólucro 20 pode ser considerado como tendo um eixo longitudinal central 30, que também pode ser referido como um eixo de rotação helicoidal. O tubo 10 ilustrado tem um eixo linear 30, mas será apreciado que este eixo possa ter, alternativamente, um grande raio de curvatura (quer em duas quer três dimensões). A tubagem tem uma linha central 40, que segue um percurso helicoidal em torno do eixo longitudinal central 30.

Será visto que a amplitude A é inferior a metade do diâmetro interno Di do tubo. Ao manter a amplitude abaixo deste valor, o espaço lateral ocupado pela tubagem e o comprimento total da tubagem podem ser mantidos em valores relativamente pequenos, enquanto, ao mesmo tempo, a configuração helicoidal da tubagem promove o escoamento espiral de fluido ao longo da tubagem.

Uma série de testes foram realizados com tubagem de policloreto de vinilo com uma secção transversal circular, para estabelecer as características do escoamento num troço helicoidal. 10 ΡΕ1611386 EXEMPLO 1

Com referência aos parâmetros mostrados na Figura 1, o tubo tinha um diâmetro externo DE de 12mm, um diâmetro interno Di de 8mm e uma espessura de parede T de 2mm. A tubagem foi enrolada numa hélice com um passo P de 45mm e um ângulo de hélice Θ de 8o. A amplitude A foi estabelecida colocando o tubo entre duas arestas rectas e medindo a distância entre as arestas rectas. A amplitude foi determinada subtraindo o diâmetro externo DE da largura percorrida W: 2A = W - Ds

Assim: A ~ 2

Neste 14mm, assim: exemplo, a largura percorrida W era de 1 mm

Tal como discutido anteriormente, a "amplitude relativa" AR é definida como: * A A ~ —

* D x

No caso deste exemplo, portanto: 1 8 0.125

Foi feita passar água ao longo do tubo. A fim de se observar as caracteristicas do escoamento, duas agulhas 80 e 82 que passam radialmente através da parede do tubo foram usadas para injectar corante visivel no escoamento. 11 ΡΕ1611386

Os locais de injecção foram perto do eixo central 30, ou seja, o "núcleo" do escoamento. Uma agulha 80 injectou tinta vermelha e a outra agulha 82 tinta azul. Será visto na Figura 1 que os filamentos da tinta 84 e 86 entrecruzam-se, indicando que no núcleo existe escoamento espiral, isto é, escoamento que é geralmente helicoidal. A experiência mostrada na Figura 1 foi levada a cabo a um número de

Reynolds RE de 500. Noutras duas experiências usando, respectivamente, números de Reynolds de 250 e 100, foi também observado escoamento espiral no núcleo. EXEMPLO 2

Os parâmetros para este exemplo foram os mesmos que no Exemplo 1, exceptuando as agulhas 80 e 82 que foram dispostas para libertar os filamentos 84 e 86 de tinta próximos da parede da tubagem. A Figura 2 mostra os resultados de duas experiências com libertação de tinta próxima da parede, com números de Reynolds RE de 500 e 250, respectivamente. Será visto que, em ambos os casos, os filamentos de tinta seguem a geometria da tubagem helicoidal, indicando espirais próximas da parede. EXEMPLO 3

Num estudo separado, o fluxo foi comparado num tubo rectilineo com 8mm de diâmetro interno com um tubo helicoidal com 8mm de diâmetro interno, onde a relação de amplitude AR era de 0,45. Em ambos os casos, o número de Reynolds era de 500 e 0,2 ml de indicador foram injectados na forma de bolo por meio de um tubo fino na extremidade de 12 ΡΕ1611386 montante. Os fluxos foram fotografados em conjunto com um relógio digital para indicar o tempo decorrido após a injecção do indicador. 0 indicador bolo, injectado na parte helicoidal, teve dispersão axial limitada ao longo do tubo, tendendo a permanecer coerente. Em contraste, num tubo rectilineo, indicador no núcleo do fluido (perto do centro do tubo) saiu do tubo rapidamente, enquanto indicador no fluido perto das paredes tendeu a permanecer nas paredes do tubo, e levou mais tempo a sair do tubo. Além disso, o indicador viajou numa massa mais compacta no tubo helicoidal que no tubo rectilineo. Todos estes resultados implicam que houve mistura na secção transversal do tubo e suavização do perfil de velocidades no tubo helicoidal. EXEMPLO 4

Os testes deste Exemplo envolveram uma comparação de escoamentos multi-fase em tubagem helicoidal com os mesmos em tubos tendo uma linha central seguindo um caminho geralmente sinusoidal num único plano. No caso do tubo helicoidal (cuja linha central curva em três dimensões, isto é, tubos 3D), o diâmetro interno era de 8mm, o diâmetro externo era de 12mm e a largura percorrida 17mm, dando uma amplitude relativa de 0,3125. O passo foi de 90mm. No caso do tubo planar em forma de onda (cuja linha central curva em duas dimensões, isto é, tubos 2D) , o diâmetro interno era de 8mm, o diâmetro externo era de 12mm e a largura percorrida, medida no plano da forma de onda, 13 ΡΕ1611386 era de 17mm. 0 passo foi de 80mm não sendo significativamente diferente do caso de tubagem 3D. A tubagem 2D foi disposta com a sua linha central geralmente sinusoidal num plano vertical, criando, com efeito, curvas em U ascendentes convexas e côncavas.

Ambos os tubos 3D e 2D eram de cerca de 400 mm de comprimento, dando 4 a 5 passos em cada caso. Foram realizados estudos com ambos os tubos com caudais de água de 450 e 900 ml por minuto (números de Reynolds de 1200 e 2400 respectivamente) . Uma agulha foi usada para introduzir, em todos os casos, um fluxo de ar a uma taxa de 3 ml por minuto, ou seja, 0,66% do caudal de água no caso de 450 ml por minuto e 0,33% no caso de 900 ml por minuto. O ar veio de uma linha de ar comprimido e foi injectado nos tubos imediatamente a montante do inicio das respectivas geometrias 2D e 3D.

No caso da experiência com a tubagem 3D e número de Reynolds a 1200, as bolhas de ar tiveram cerca de 2 a 3 mm de tamanho e passaram rapidamente ao longo do tubo. Com número de Reynolds 2400, as bolhas eram maiores, cerca de 5 a 7 mm, mas mantidas em movimento ao longo do tubo, sem tendência a colar.

No caso do tubo 2D a números de Reynolds de 1200 e 2400, as bolhas eram grandes, cerca de 3 a 5 mm, e tendiam a colar nas curvas convexas no sentido ascendente (visto a partir do exterior do tubo). 14 ΡΕ1611386 A experiência mostra que, num fluxo multi-fase, o fluido menos denso é transportado ao longo da tubagem 3D, enquanto no tubo 2D equivalente o fluido menos denso tende a acumular-se nas partes superiores da tubagem.

Como discutido acima, quando o fluido entra numa peça de tubagem formada desta maneira, como um troço helicoidal, é estabelecido muito rapidamente caudal espiral. Além disso, caudal espiral envolve considerável movimento secundário e mistura do fluido, com transferência de massa entre o fluido nas paredes do tubo e o fluido no centro do tubo.

Este rápido estabelecimento de fluxo espiral no troço helicoidal pode ser usado para "condicionar" o caudal, de modo a proporcionar efeitos benéficos a jusante do troço helicoidal.

Como mencionado acima, utilizando-se um tubo com uma curvatura tridimensional pode ser melhor do que utilizar uma curva normal (bidimensional) de cotovelo, porque o fluxo espiral estabelecido pela curvatura tridimensional proporciona certos benefícios. No entanto, normalmente não é possível simplesmente substituir uma curva cotovelo por um tubo com uma curvatura em três dimensões; e os tubos de entrada e saída de uma curva cotovelo são, normalmente, no mesmo plano, o que não é o caso de um tubo com curvatura tridimensional. Assim, para ser utilizado um tubo com uma curvatura tridimensional em 15 ΡΕ1611386 vez de uma curva cotovelo, pode ser necessária uma modificação considerável para reposicionar o tubo de entrada e/ou de sarda.

No entanto, os benefícios do fluxo espiral podem ser conseguidos com muito menos modificações se um troço helicoidal conforme descrito acima for montado a montante de uma curva cotovelo normal. Fluxo espiral é estabelecido rapidamente na parte helicoidal, e este fluxo espiral continua na curva cotovelo.

Uma vez que o troço helicoidal tem uma amplitude baixa, pode ser utilizado na maioria dos locais onde um tubo rectilineo seria utilizado, para "condicionar" o fluxo desta forma e obter os benefícios de fluxo espiral. Deve notar-se que a sua utilização não está limitada a curvas cotovelo, mas também pode ser usada antes de uniões T ou Y, válvulas, e na verdade, qualquer tipo de união de tubos. 0 condicionamento do fluxo desta maneira é particularmente útil antes de uma extremidade cega. Tais extremidades cegas podem ocorrer em uniões T e Y em que um dos ramos da união está fechado (por exemplo, por uma válvula) . Com fluxo normal, o fluido na parte do ramo, antes do fecho tende a estagnar, o que pode conduzir a problemas de corrosão e semelhantes. No entanto, se o fluxo for feito rodar antes da união, a espiral estende-se para dentro da extremidade cega. Isto evita a estagnação, e evita os problemas acima. ΡΕ1611386

Uma outra maneira de utilizar as secções helicoidais para condicionar o fluxo é utilizá-las como repetidores. Em certas situações, pode não ser necessário proporcionar um comprimento continuo de tubos helicoidais; em vez disso, um tubo rectilineo pode ter um certo número de secções helicoidais, curtas, dispostas ao longo do seu comprimento. Cada troço irá induzir fluxo espiral no fluido que por ele passa; no entanto, este fluxo espiral tenderá a desaparecer à medida que o fluido passa ao longo do tubo rectilineo. Fornecer um número de "repetidores" permite que o fluxo espiral seja reestabelecido, com os seus benefícios concomitantes.

Secções de tubo helicoidal deste tipo podem ser feitas de uma série de maneiras. Por exemplo, um tubo flexivel rectilineo pode ser enrolado em torno de um elemento rigido rectilineo (tal como um varão), de modo a formar uma hélice. 0 tubo pode, então, ser removido do elemento rigido rectilineo e esticado ao longo do eixo da hélice. Este alongamento tem o efeito de "achatar" a hélice, sendo o passo aumentado e a amplitude diminuída. No entanto, este "achatamento" pode distorcer a hélice, e assim este método não é preferido.

Como uma alternativa para deformar um tubo rectilineo para produzir um troço helicoidal, é possivel formar o troço helicoidal directamente durante a extrusão do tubo. Um aparelho para fazer isso está representado esquematicamente na Figura 3. 17 ΡΕ1611386

Como pode ser visto, o aparelho inclui um extrusora convencional 200, que extrude tubos rectilíneos 210. Tais extrusoras são bem conhecidas e não serão descritos em maior pormenor.

Disposto a jusante da sarda da extrusora está um aparelho 220 que compreende um elemento rotativo 222, que tem um orifício de passagem 224. O orificio de passagem está posicionado de forma excêntrica, de tal modo que o centro de rotação do elemento rotativo encontra-se dentro do orificio de passagem, mas não coincide com o centro do orificio de passagem. O elemento rotativo é disposto de modo a que o eixo do orificio de passagem seja paralelo ao eixo do tubo a ser extrudido, e é accionado para rodar. Isto pode ser conseguido, por exemplo, por dentes na periferia exterior do elemento rotativo, que engrenam numa engrenagem de sem fim 226, ou por qualquer outro sistema de accionamento apropriado. O tubo 210 extrudido a partir da extrusora é dirigida através do orifício de passagem 224, e à medida que o tubo é extrudido, o elemento rotativo 222 é accionado para rodar. Como resultado desta rotação, o centro do orificio é impulsionado de modo a descrever uma trajectória circular, que por sua vez força o tubo em extrusão a assumir uma forma helicoidal. À medida que o orificio de passagem se sobrepõe ao centro de rotação do elemento rotativo, o tubo é formado numa hélice de pequena amplitude 230, como descrito acima. 18 ΡΕ1611386

Uma vez moldado em hélice, o tubo pode ser tratado para manter a sua forma. Na prática, o tubo pode simplesmente ser extrudido a partir de um material termoplástico e, à medida que arrefece, vai definir a forma de hélice. Este arrefecimento pode ser conseguido utilizando água nebulizada ou semelhante.

Pode ser necessário proporcionar alguma forma de lubrificação para assegurar que o tubo termoplástico não prende no orifício de passagem. Em particular, pode ser necessária lubrificação para assegurar que o tubo não sofre torção à medida que passa através do elemento rotativo. A forma particular da hélice obtida vai depender de vários factores, em particular a velocidade de extrusão, a taxa de rotação do elemento rotativo, e a excentricidade do furo de passagem. Estes podem ser variados para se obter uma forma particular desejada do tubo helicoidal.

Um método particularmente preferido para formar um troço helicoidal envolve a utilização de um mandril helicoidal, e é ilustrada nas Figuras 4a a 4e. A Figura 4a é uma ilustração esquemática de um mandril helicoidal para utilização neste método. 0 mandril é constituído por um varão rígido, moldado em hélice. Na concretização mostrada, o passo e a amplitude da hélice são constantes ao longo do comprimento do mandril, mas podem variar. 19 ΡΕ1611386

De modo a formar um troço helicoidal, um comprimento de tubo flexível rectilíneo 310, cujo diâmetro externo é maior do que o diâmetro interno do mandril 300, é enrolado em torno do mandril 300, tal como mostrado na Figura 4b. Como o tubo é mais largo do que o espaço no interior do mandril, é forçado a adoptar uma forma helicoidal, como pode ser observado a partir da figura.

Depois de ter sido tratado de modo a manter a sua forma helicoidal, o tubo pode ser retirado do mandril, como se mostra nas Figuras 4c e 4d.

Como pode ser visto, o passo do troço helicoidal é igual ao passo do mandril. A amplitude do troço helicoidal será determinada pelos diâmetros do tubo e do mandril. A descrição acima diz respeito a um método de processamento de lote para formar o troço helicoidal; mas este método também se presta a um funcionamento contínuo. Um comprimento de tubo flexível contínuo pode ser enformado através de um comprimento relativamente curto de mandril, e pode ser tratado de modo a manter a sua forma à medida que é enformado (por exemplo, por aquecimento de um tubo formado a partir de uma resina termoendurecível).

Experiência mostrou que o tubo roda em relação ao mandril quando é enformado desta maneira. Assim, pode ser necessária alguma forma de lubrificação para permitir o bom 20 ΡΕ1611386 funcionamento do processo. Para tubos e mandris extremamente grandes, pode ser desejável providenciar rolamentos de rolos no mandril em vez de lubrificação. A Figura 4e é uma secção transversal esquemática através do tubo 310 e do mandril 300 enquanto o tubo é enformado. Como o mandril helicoidal é visto de frente ao longo do seu eixo aparece como um círculo; de maneira semelhante, o tubo (que tem uma secção transversal circular), também aparece como um círculo na Figura. Será visto que o mandril contacta o exterior do tubo, no ponto 320, e assim o mandril pode ser suportado por baixo, sem interferir com o processo de enformação. O mandril pode ser formado de qualquer maneira apropriada, e o método de formar o mandril dependerá, em larga medida, do tamanho dos tubos a serem tratados. Para tubos relativamente pequenos, o mandril pode ser formado por enrolamento de um varão em torno de um elemento com uma secção transversal circular. Para tubos maiores, o mandril pode precisar de ser maquinado, por exemplo, utilizando uma fresadora CNC.

Os métodos acima descritos estão limitados a certos materiais (tais como materiais termoplásticos e termoendurecíveis). No entanto, estes materiais tendem a ter uma resistência bastante baixa e, provavelmente, não serão adequados para utilização em ambientes mais extremos, tais como o offshore ou, no transporte de fluidos com muito 21 ΡΕ1611386 alta pressão. Se um tubo helicoidal de pequena amplitude for para ser usado em tais situações, então ele deve ser formado de uma maneira diferente.

Uma maneira de formar uma hélice de pequena amplitude para uso em situações de alta pressão é ilustrada com referência às Figuras 5a, 5b e 5c.

Um método conhecido de formação de tubos de rectilineos de alta pressão é formá-los a partir de um grande número de secções curtas, cada uma das quais é ef ectivamente um tubo muito curto. Cada secção tem uma flange nas suas extremidades a montante e jusante, e estas flanges cooperam umas com as outras para manter as secções ligadas. Na técnica anterior, as extremidades das secções encontram-se em planos paralelos, e por isso, quando as secções são ligadas entre si, o tubo resultante é rectilineo.

No entanto, os segmentos também podem ser formados de modo a que as suas extremidades se encontrem em planos que são ligeiramente inclinados . Um segmento 400 deste tipo terá um lado (SL) , que é ligeiramente mais comprido do que o lado diametralmente oposto (Ss) , como mostrado na Figura 5a, e podem ser montados para formar tubos curvos, e tubos helicoidais como descritos acima.

Para produzir um tubo 410 com uma curva bidimensional a partir de secções de tubo curtas com 22 ΡΕ1611386 extremidades enviesadas, as secções são ligadas de modo a que o lado mais longo de uma secção liga ao lado mais longo da secção anterior, com os lados mais curtos também ligados uns aos outros. Como mostrado na Figura 5b, isto produz um tubo com uma curva bidimensional.

Para produzir um tubo helicoidal 420, as secções são ligadas entre si de uma maneira semelhante, mas cada secção é rodada ligeiramente em relação à secção anterior. Isto é mostrado na Figura 5c, que mostra um tubo helicoidal formado a partir destas secções. No lado esquerdo do tubo, são mostradas para as primeiras secções os lados mais compridos SL, e será observado que existe uma rotação relativa entre as secções. A quantidade de rotação relativa determina o passo da hélice, com uma pequena rotação relativa produzindo uma hélice com um pequeno ângulo de hélice e um grande passo, e uma rotação relativamente grande produzindo uma hélice com um grande ângulo de hélice e um pequeno passo.

Deve notar-se que, pelo menos, uma extremidade do tubo será ligeiramente elíptica, em vez de perfeitamente circular (porque a extremidade é formada pela intersecção de um plano de corte de um cilindro com um ângulo em relação ao eixo do cilindro, que é não exactamente 90°). Numa forma preferida, as duas extremidades são formadas de modo a que sejam elípticas, porque isso faz com que a formação de uma curva bidimensional seja mais fácil (porque as faces elípticas em cada extremidade dos segmentos podem 23 ΡΕ1611386 combinar-se umas com as outras). A fim de permitir que as secções sejam montadas em hélice, é necessário que haja alqum qrau de cumprimento nas faces de extremidade, de modo a que possa acomodar uma liqeira rotação e/ou mudança na forma entre as faces de extremidade a serem ligadas umas às outras. Isto pode ser conseguido de qualquer maneira adequada, por exemplo, por meio de um material elastomérico nas faces de extremidade.

Os efeitos produzidos pelo fluxo espiral no troço helicoidal e, em particular, o perfil de velocidade mais uniforme e a mistura melhorada, podem ser aproveitados num certo número de situações. Além disso, como a largura total do troço helicoidal é apenas ligeiramente maior do que a de um tubo rectilineo com a mesma área de corte transversal, o troço helicoidal pode ser utilizado em virtualmente qualquer situação onde um tubo rectilineo seria normalmente utilizado.

Além disso, devido ao perfil de velocidade mais uniforme, e à mistura melhorada entre o fluido na parede do tubo e o fluido no centro do tubo, o tempo de permanência do liquido no tubo é muito mais uniforme. Esta é uma vantagem considerável se o fluido no tubo estiver a ser tratado de alguma maneira (por exemplo, aquecido, arrefecido, irradiado, e assim por diante) , porque os efeitos do tratamento no fluido serão mais uniformes. A titulo de contraste, num tubo normal, onde o fluxo no 24 ΡΕ1611386 centro do tubo é mais rápido do que o fluxo nas paredes do tubo, o tempo de residência variará (dependendo se o fluido se encontra perto do centro ou perto da parede). Assim, o fluido perto das paredes irá ser tratado com um maior grau do que o fluido no centro do tubo devido ao seu tempo de residência maior. Isto pode ser observado na discussão do Exemplo 3 acima.

Outra vantagem do movimento secundário e da mistura associada ao fluxo espiral numa hélice é a inibição do desenvolvimento de instabilidade de fluxo e de turbulência, o que foi demonstrado experimentalmente.

As secções de tubagem helicoidais são usadas em crackers petroquímicos. Muitos processos de cracking produzem mais moléculas que as presentes na matéria-prima, e os rendimentos dependem de um ambiente de baixa pressão para evitar a recombinação das moléculas. Isto é conseguido por fraccionamento dos produtos numa torre de fraccionamento, e minimizando a perda de pressão entre o forno de cracking, através da torre de fraccionamento, até ao compressor de gás craqueado (porque o rendimento é inversamente proporcional à perda de pressão). A utilização das secções helicoidais em vez de tubos rectilineos pode reduzir a perda de pressão e, portanto, aumentar o rendimento.

Lisboa, 21 de Maio de 2013

Claims (14)

1. ΡΕ1611386 1 REIVINDICAÇÕES 1. Um cracker petroquímico que compreende um forno de cracking, uma torre de fraccionamento, um compressor de gás craqueado e tubagem, a tubagem compreende um troço de tubagem helicoidal posicionada entre o forno de cracking, através da torre de fraccionamento, até ao compressor de gás craqueado, caracterizado pelo facto da linha central (40) do troço de tubagem helicoidal seguir um percurso substancialmente helicoidal, a amplitude (A) da espiral ser menor ou igual a metade do diâmetro interno (Di) do troço de tubagem helicoidal de modo a proporcionar uma linha de vista ao longo do lúmen do troço de tubagem.
2. 2. Um cracker petroquímico tal como reivindicado na reivindicação 1, caracterizado pelo facto do troço de tubagem ter uma pluralidade de espiras da hélice.
3. 3. Um cracker petroquímico tal como reivindicado na reivindicação 1 ou reivindicação 2, caracterizado pelo facto do troço de tubagem ter uma amplitude variável e/ou um ângulo de hélice variável ao longo do seu comprimento.
4. 4. Um cracker petroquímico tal como reivindicado na reivindicação 1 ou reivindicação 2, caracterizado pelo facto do troço de tubagem ter 2 ΡΕ1611386 substancialmente a mesma amplitude e ângulo de hélice ao longo do seu comprimento.
5. 5. Um cracker petroquímico, como reivindicado em qualquer reivindicação anterior, caracterizado pelo facto do troço de tubagem se estender ao longo de todo o comprimento da tubagem.
6. 6. Um cracker petroquímico, como reivindicado em qualquer das reivindicações 1 a 4, caracterizado pelo facto do troço de tubagem só se estender ao longo de parte da tubagem.
7. 7. Um cracker petroquímico, como reivindicado em qualquer reivindicação anterior, caracterizado pelo facto do eixo (30) de rotação helicoidal ser uma linha recta.
8. 8. Um cracker petroquímico, como reivindicado em qualquer das reivindicações 1 a 6, caracterizado pelo facto do eixo de rotação helicoidal ser curvo.
9. 9. Um cracker petroquímico, como reivindicado em qualquer reivindicação anterior, caracterizado pelo facto do troço de tubagem ter uma secção transversal substancialmente circular.
10. 10. Um cracker petroquímico, como reivindicado em qualquer reivindicação anterior, caracterizado pelo 3 ΡΕ1611386 facto da amplitude da hélice ser inferior ou igual a 0,4 do diâmetro interno (Di) do troço de tubagem.
11. 11. Um cracker petroquímico, como reivindicado em qualquer reivindicação anterior, caracterizado pelo facto do ângulo da hélice ser igual ou inferior a 15°.
12. 12. Um cracker petroquímico, como reivindicado em qualquer reivindicação anterior, caracterizado pelo facto do troço de tubagem ter uma superfície interior, sem ranhuras ou nervuras.
13. 13. Um método de fabrico de tubagem, e utilização da tubagem num cracker petroquímico compreendendo um forno de cracking, uma torre de fraccionamento e um compressor de gás craqueado, sendo o tubo posicionado entre o forno de cracking, através da torre de f raccionamento, até ao compressor de gás craqueado, e compreendendo um troço em que a linha central (40) do troço da tubagem segue um percurso substancialmente helicoidal e a amplitude (A) da linha central helicoidal (40) é inferior ou igual a metade do diâmetro interno (Di) do troço de tubagem, incluindo o método de fazer a tubagem, as seguintes etapas: proporcionar um dispositivo de extrusão (200) para a extrusão de um tubo rectilíneo (210); proporcionar um aparelho de enformação (220) a jusante da referida extrusora para enformação do tubo extrudido em forma helicoidal, de tal modo que a amplitude 4 ΡΕ1611386 (A) da linha central helicoidal (40) seja inferior ou igual a metade do diâmetro interno (Di) do troço de tubagem; e extrudir um tubo rectilineo a partir da extrusora e enformar o tubo em forma helicoidal (230), utilizando o aparelho de enformação.
14. 14. Um método como reivindicado na reivindicação 13, caracterizado pelo facto do aparelho de enformação (220) compreender um elemento rotativo (222), cujo eixo de rotação é geralmente paralelo ao eixo de extrusão, cujo elemento rotativo tem um furo (224) no seu interior através do qual o tubo passa, em que o furo (224) no elemento rotativo (222) está posicionado de modo a que o eixo de rotação passa através do orificio mas está afastado do centro do furo, de modo a produzir um troço helicoidal em que a amplitude da hélice é inferior ou igual a metade do diâmetro interno da tubagem e é relativamente constante ao longo do comprimento do troço. Lisboa, 21 de Maio de 2013