PT2082796E - Forno de produção de olefinas com um tubo helicoidal - Google Patents

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William Tallis
Philip Lloyd Birch
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Description

DESCRIÇÃO "FORNO DE PRODUÇÃO DE OLEFINAS COM UM TUBO HELICOIDAL" A presente invenção refere-se a um forno de produção de olefinas tendo uma serpentina de forno como definido no preâmbulo da reivindicação 1 e conhecido do documento WO 98/56872. 0 tratamento de fluido pode ser efectuado durante a sua passagem através de tubos por reacção química.
Os tubos utilizados desta forma são, normalmente, rectilíneos, na medida em que as suas linhas centrais são linhas rectas e as paredes dos tubos são paralelas às linhas centrais.
No entanto, verificou-se que se podem empregar tubos com geometrias alternativas que podem proporcionar uma série de vantagens relativamente a tubos rectilíneos. Em particular, um tubo com a forma de uma espiral de baixa amplitude proporciona várias vantagens significativas em relação a um tubo rectilíneo.
Uma "espiral de baixa amplitude" significa que a forma do tubo é tal que a sua linha central segue um percurso substancialmente helicoidal e que, a amplitude da espiral, é igual ou inferior a metade do diâmetro interno da tubagem.
De acordo com a invenção, proporciona-se um forno de produção de olefinas tendo uma serpentina de forno, caracterizado por a serpentina de forno compreender um tubo 1 tendo uma linha central que segue um percurso substancialmente helicoidal, em que a amplitude da espiral é igual ou inferior a metade do diâmetro interno do tubo, de modo a proporcionar uma linha de vista ao longo do lúmen do tubo.
Quando fluido entra, deste modo, numa secção de tubagem na forma de uma espiral, estabelece-se, quase imediatamente, um escoamento turbulento. 0 escoamento turbulento tem uma série de vantagens em relação ao escoamento convencional. A turbulência e quedas de pressão associadas (e perdas de energia) podem ser reduzidas. Além disso, em resultado da mistura através da secção transversal, o perfil de velocidade do escoamento através do tubo é mais uniforme (ou mais moderado) do que seria no caso de escoamento num tubo convencional, tendendo o fluido turbulento a funcionar como um êmbolo, deslizando através das paredes do tubo.
Verificou-se que o escoamento turbulento é, de um modo geral, estabelecido através de toda a largura do tubo a uns poucos diâmetros de tubo da entrada numa espiral de baixa amplitude. Além disso, o movimento e mistura secundários através da secção transversal, associados com o escoamento turbulento, dão origem a uma transferência considerável de massa, momento e calor, em fluido, no interior do núcleo e entre fluido nas paredes do tubo e fluido no interior do núcleo. 0 termo "amplitude da espiral", como aqui utilizado, refere-se ao nivel de deslocamento da linha central desde uma posição média até um extremo lateral. A amplitude é, assim, metade da largura lateral total da linha central helicoidal. A área transversal da tubagem é, normalmente, substancialmente 2 constante ao longo do seu comprimento, mas pode variar em função das características particulares exigidas.
Numa tubagem helicoidal de baixa amplitude deste tipo, na qual a amplitude da espiral é inferior a metade do diâmetro interno do tubo, há uma "linha de vista" ao longo do lúmen da tubagem. Apesar de o escoamento na linha de vista poder, potencialmente, seguir um percurso rectilineo, verificou-se que tem, de um modo geral, um componente de turbulência.
Para os objectivos desta descrição, o termo "amplitude relativa" de tubagem helicoidal é definido como a amplitude dividida pelo diâmetro interno. Dado que a amplitude da tubagem helicoidal é inferior ou igual a metade do diâmetro interno da tubagem, isto significa que a amplitude relativa é inferior ou igual a 0,5. Podem preferir-se 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. Amplitudes relativas mais pequenas proporcionam uma melhor utilização do espaço lateral disponível na medida em que a tubagem não é muito mais larga, de um modo geral, que um tubo rectilineo normal com a mesma área transversal. Amplitudes relativas mais pequenas também dão origem a uma "linha de vista" mais larga, proporcionando mais espaço para a inserção de manómetros de pressão ou outro equipamento ao longo da tubagem. No entanto, amplitudes relativas muito pequenas podem, nalgumas circunstâncias, levar a um movimento e mistura secundários reduzidos.
Com números de Reynolds mais elevados, podem utilizar-se amplitudes relativas mais pequenas, sendo o escoamento turbulento, do mesmo modo, induzido até um nível satisfatório. Isto irá, de um modo geral, significar que, para um determinado 3 diâmetro interno, onde há um caudal elevado, pode utilizar-se uma amplitude relativa baixa que é, ainda, suficiente para induzir escoamento turbulento. 0 ângulo helicoidal (ou passo, em que o passo é o comprimento de uma espira da espiral e pode ser definido em termos do diâmetro interno do tubo) também é um factor relevante de influência do escoamento. Como no caso da amplitude relativa, o ângulo helicoidal pode ser optimizado de acordo com as condições e, em particular, a viscosidade, densidade e velocidade do fluido que é transportado pela tubagem. 0 ângulo helicoidal é, de um modo preferido, inferior ou igual a 65°, de um modo mais preferido, inferior ou igual a 55°, 45°, 35°, 25°, 20°, 15°, 10° ou 5o .
Em termos gerais, para números de Reynolds mais elevados, o ângulo helicoidal pode ser mais pequeno, obtendo-se, do mesmo modo, um escoamento turbulento satisfatório, ao passo que, com números de Reynolds mais pequenos, irá ser necessário um maior ângulo helicoidal para produzir um escoamento satisfatório. A utilização de maiores ângulos helicoidais para escoamentos mais rápidos (com números de Reynolds mais elevados) irá, de um modo geral, ser indesejável, dado que podem aparecer bolsas de fluido estagnado junto das paredes. Por conseguinte, para um determinado número de Reynolds (ou intervalo de números de Reynolds), o ângulo helicoidal irá, de um modo preferido, ser escolhido de modo a ser tão baixo quanto possível para produzir uma turbulência satisfatória. Em algumas formas de realização, o ângulo helicoidal é inferior a 20°.
Uma extensão de tubagem tendo uma geometria helicoidal de baixa amplitude é mostrada na Figura 1. Esta tubagem 1 tem uma 4 secção transversal circular, um diâmetro DE externo, um diâmetro D;[ interno e uma espessura T de parede. A tubagem é enrolada de modo a formar uma espiral com uma amplitude A constante (medida do meio até ao extremo), passo P constante, ângulo Θ helicoidal constante e uma largura W de perfil. A tubagem 1 está contida num invólucro 20 imaginário que se estende longitudinalmente e tem uma largura igual à largura W de perfil da espiral. Pode considerar-se que o invólucro 20 tem um eixo 30 longitudinal central que também pode ser designado por eixo de rotação helicoidal. A tubagem 1 ilustrada tem um eixo 30 rectilineo, mas deve compreender-se que o eixo central poderia ser curvo ou, de facto, adoptar qualquer forma dependendo das exigências. A tubagem tem uma linha 40 central que segue um percurso helicoidal em torno do eixo 30 longitudinal central.
Irá ver-se que a amplitude A é inferior a metade do diâmetro Dj interno da tubagem. Ao manter a amplitude abaixo deste valor, o espaço lateral ocupado pela tubagem e pelo comprimento global da tubagem pode manter-se relativamente pequeno, enquanto, ao mesmo tempo, a configuração helicoidal da tubagem promove um escoamento turbulento de fluido ao longo da tubagem. Isto também proporciona um lúmen relativamente largo ao longo da tubagem, o que permite a passagem, no sentido descendente, de instrumentos, aparelhos e semelhantes pela tubagem.
A utilização de tubagem helicoidal de baixa amplitude pode ser benéfica para processos que envolvem a mistura de fluidos no interior de tubos, transferência de massa e calor para dentro ou fora de fluido no interior de tubos, processos nos quais ocorre depósito ou contaminação no interior de tubos e processos nos quais ocorrem reacções químicas no interior de tubos. A 5 utilização deste tipo de tubagem pode ter um impacto económico significativo.
Como um exemplo, a redução em termos de turbulência e a queda de pressão reduzida associada proporcionadas pelo escoamento turbulento irão, de acordo com condições apropriadas, permitir custos de bombagem reduzidos.
Uma queda de pressão reduzida é importante para a operação de reacções químicas nas quais a pressão tem que ser mantida ao nível mais baixo possível para melhorar o rendimento, incluindo processos funcionando sob vácuo, tais como a produção de olefinas por pirólise e a produção de estireno a partir de etilbenzeno. A mistura também é importante quando é necessário reunir duas ou mais grandes correntes de fluido e garantir que não se separam.
Misturadores estáticos podem utilizar geometria helicoidal de baixa amplitude. Os benefícios irão incluir o aumento de mistura cruzada e a redução de obstruções por sedimento ou precipitado. Além disso, como discutido acima, a geometria helicoidal de baixa amplitude também irá dar uma queda de pressão de misturador reduzida. Além disso, dado que há um lúmen em "linha de vista" ao longo da parte helicoidal de baixa amplitude e não há placas ou aletas deflectoras, como é normalmente o caso em misturadores convencionais, aumenta-se a facilidade de limpeza. Estes benefícios irão reduzir a manutenção e desgaste. 6
Dado que a tubagem helicoidal de baixa amplitude assegura um escoamento helicoidal (turbulento) no interior de tubos e gera um perfil de velocidade mais moderado, a taxa e uniformidade de transferência de calor para e desde o fluido no interior do tubo podem ser melhoradas. Num escoamento normal, o fluido no centro do tubo desloca-se de um modo consideravelmente mais rápido do que o fluido próximo das paredes do tubo e, desse modo, se o tubo for aquecido, o nível de aquecimento do fluido próximo das paredes irá ser maior do que o do fluido próximo do centro do tubo.
No entanto, dado que o escoamento turbulento tem um perfil de velocidade mais moderado (e, assim, mais uniforme), é menos provável que partes do fluido sejam aquecidas de mais ou de menos, provocando efeitos indesejados. A tubagem helicoidal de baixa amplitude permite a transferência do mesmo calor com um menor diferencial de temperatura entre o interior e o exterior do tubo.
Isto pode ser um benefício económico importante em fornos, tais como fornos de cracking de olefinas.
Além disso, o aspecto de "êmbolo" do escoamento turbulento gerado pela tubagem helicoidal de baixa amplitude pode proporcionar benefícios económicos significativos aos processos que ocorrem em tubos nos quais o depósito de finos ou outras partículas sólidas na parede interior do tubo cria uma barreira à transferência de calor ou contamina o escoamento de fluido através dos mesmos ou reduz o escoamento de fluido através do tubo. Estes finos ou outras partículas sólidas podem estar presentes no fluido ou podem ser criados por uma reacção química entre os componentes do fluido. 7
Prevê-se que a utilização de tubagem helicoidal de baixa amplitude reduza, significativamente, esse depósito de sólidos nas paredes internas do tubo, prolongando, assim, o seu tempo de vida antes da limpeza, reduzindo a quantidade de calor necessária e reduzindo a queda de pressão comparativamente com o tubo incrustado. Este efeito pode ser significativo em termos económicos na produção de olefinas por pirólise, na qual o depósito de coque no interior das serpentinas dos fornos obriga à interrupção do seu funcionamento para limpeza (tipicamente, a cada 20 a 60 dias). A utilização de tubagem helicoidal de baixa amplitude também pode ter significado económico material, quando as reacções químicas ocorrem em tubos ou canos. A combinação de uma mistura melhorada e transferência de calor mais uniforme irá melhorar o rendimento e encorajar a finalização de reacções (incluindo combustão). O melhoramento do rendimento também irá reduzir custos de separação a jusante. Processos exemplificativos onde isto seria importante incluem produção de olefinas e reacções de fase gasosa semelhantes, tais como cracking de tolueno para formar benzeno e conversão de buteno-1 para butadieno. Quando estas reacções implicam a produção de mais do que uma molécula de produto para cada molécula de matéria-prima, a menor queda de pressão no reactor e na sua canalização a jusante, que pode ser conseguida através da utilização de tubagem helicoidal de baixa amplitude, proporciona um benefício adicional resultante da menor pressão média, porque se irá reduzir a possibilidade de as moléculas do produto se recombinarem para formar a matéria-prima ou outros produtos secundários indesejados. Além disso, a utilização de tubagem helicoidal de baixa amplitude em reactores para aplicações petroquímicas pode levar a uma menor deposição de carbono nos tubos dos reactores, o que tem uma importância particular na indústria petroquímica. A mistura melhorada e a transferência de calor mais uniforme também irão encorajar a finalização de reacções de combustão sem uma grande quantidade de ar em excesso (acima do exigido pela estequiometria das reacções).
Será, assim, visível para o especialista na técnica que uma tubagem com uma geometria helicoidal de baixa amplitude pode proporcionar muitas vantagens.
Lisboa, 21 de Maio de 2010 9

Claims (7)

  1. REIVINDICAÇÕES 1. Forno de produção de olefinas tendo uma serpentina de forno, caracterizado por a serpentina de forno compreender um tubo tendo uma linha (40) central que segue um percurso substancialmente helicoidal, em que a amplitude (A) da espiral é igual ou inferior a metade do diâmetro (Dl) interno do tubo de modo a proporcionar uma linha de vista ao longo do lúmen do tubo.
  2. 2. Forno de produção de olefinas, como reivindicado na reivindicação 1, em que o tubo tem uma secção transversal substancialmente circular e um diâmetro (DE) externo e em que o tubo está contido num invólucro (20) imaginário que se estende longitudinalmente e tem uma largura (W) igual à largura de perfil do tubo, definindo a largura do referido invólucro o espaço lateral ocupado pelo tubo e sendo maior do que o diâmetro (DE) externo do tubo.
  3. 3. Forno de produção de olefinas, como reivindicado na reivindicação 2, em que o invólucro tem um eixo (30) longitudinal central em torno do qual a linha (40) central helicoidal do tubo segue um percurso helicoidal e em que o eixo longitudinal central é rectilineo.
  4. 4. Forno de produção de olefinas, como reivindicado na reivindicação 2, em que o invólucro tem um eixo (30) longitudinal central em torno do qual a linha (40) central helicoidal do tubo segue um percurso helicoidal e em que o eixo longitudinal central é curvo. 1
  5. 5. Forno de produção de olefinas, como reivindicado em qualquer reivindicação anterior, em que a amplitude (A) da espiral é inferior ou igual a 0,4 do diâmetro (D^ interno do tubo.
  6. 6. Forno de produção de olefinas, como reivindicado em qualquer reivindicação anterior, em que o ângulo helicoidal é inferior ou igual a 55°.
  7. 7. Utilização de um forno de produção de olefinas, como reivindicado nas reivindicações 1 a 6, para a produção de olefinas por pirólise. Lisboa, 21 de Maio de 2010 2 1/1
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