PT851999E - Permutador de calor de feixe de tubos instalado a jusante de instalacoes de destilacao fraccionada por via termica - Google Patents

Description

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DESCRIÇÃO " PERMUTADOR DE CALOR DE FEIXE DE TUBOS INSTALADO A JUSANTE DE INSTALAÇÕES DE DESTILAÇÃO FRACCIONADA POR VIA TÉRMICA" A invenção refere-se a um permutador de calor de feixe de tubos (PCFT) instalado a jusante de instalações de destilação fraccionada por via térmica, com um feixe de tubos formado por tubos de permutador de calor mantidos em posição entre dois espelhos de feixe de tubos, e a um processo para o revestimento de um espelho para feixe de tubos, bem como à utilização de uma massa de socar.

Estes PCFTs são por exemplo utilizados em instalações de etileno para a produção de etileno por destilação fraccionada por via térmica, instalados a jusante de uma conduta de transferência de um forno para destilação fraccionada, sendo designados por arrefecedores de gás de destilação fraccionada.

Os arrefecedores de gás de destilação fraccionada têm de cumprir exigências especialmente elevadas no que se refere à sua construção e às propriedades dos materiais que os compõem. A mistura reactiva quente (cerca de 850 °C) que sai do forno de destilação fraccionada, obtida pela pirólise de hidrocarbonetos, tais como a nafta, a gasolina pesada ou também o etano, tem de ser rapidamente arrefecida nos refrigeradores de gás de destilação fraccionada, para evitar reacções secundárias indesejadas. O arrefecedor de gás de destilação fraccionada ou PCFT serve de caldeira de recuperação, na qual se gera vapor de alta pressão pela vaporização de água de alimentação conduzida ao longo da superfície lateral do arrefecedor. O gás de destilação fraccionada que sai a alta velocidade do forno de destilação fraccionada entra habitualmente pelo lado 1 de baixo no arrefecedor de gás de destilação fraccionada através de uma conduta de transferência e de uma tubuladura em forma de campânula e incide sobre o espelho inferior de feixe de tubos para, após passagem pelos tubos de permutador de calor do arrefecedor de gás de destilação fraccionada, ser aduzido a um separador de óleo por lavagem e às fases ulteriores de processamento .

Apesar dos tempos de permanência curtos e das elevadas velocidades, que são da ordem de grandeza de cerca de 300 m/sec, o gás de destilação fraccionada contém já partículas de coque, que a estas velocidades têm um efeito fortemente abrasivo. A construção dos arrefecedores faz com que na prática não seja possível solicitar uniformemente todos os tubos interiores do arrefecedor de gás de destilação fraccionada. A parte central do espelho de feixe de tubos e também os tubos dispostos na zona central do espelho sofrem por isso uma abrasão mais forte do que as zonas periféricas.

Pela patente EP-A-0 567 674 ficaram a ser conhecidos permu-tadores de calor para o arrefecimento de gás de síntese, gerado numa instalação de coqueificação de carvão, nos quais o espelho de feixe de tubos do lado da entrada de gás é revestido de uma camada cerâmica constituída por mangas individuais de forma pa-ralelepipédica, dispostas de lado a lado e justapostas pelas suas arestas exteriores, apresentando cada manga uma abertura cónica que se estreita de maneira a formar uma tubuladura que penetra no interior do tubo do permutador de calor. Esta solução não proporciona uma vedação estanque aos gases entre cada dois dos elementos em forma de paralelepípedo. Nos arrefecedores de gás de destilação fraccionada de uma instalação de olefinas esta configuração iria conduzir à formação de coque nos interstícios, destruindo os materiais de que o arrefecedor é constituído. Além do mais as extremidades das mangas utilizadas formariam uma aresta de ruptura da corrente gasosa, o que às velocidades de

fluxo em jogo nos arrefecedores de destilação fraccionada, que são na ordem de grandeza dos 300 m/sec, formaria fortes turbilhões com a consequência de se verificarem erosões suplementares . A patente DE-C-44 04068 revela um revestimento cerâmico formado por blocos moldados refractários. Estes podem por exemplo ser sextavados e ser providos de furações através das quais podem passar pernos ou ganchos soldados à face de baixo do espelho de feixe de tubos. O corpo moldado é assim dependurado do espelho de feixe de tubos. Esta construção não permite obter um revestimento isento de juntas.

Além disso é já conhecido um processo que consiste em equipar tubos de refrigeração instalados num reactor de um revestimento refractário e anti-abrasivo (ver patente US 4 124 068) , para reduzir o risco de uma falha de tubos e a fuga da água de refrigeração para a mistura reactiva circundante a uma temperatura elevada.

Procurou-se remediar o problema de um afluxo e de uma solicitação substancialmente maiores da zona central, quando comparados com os das zonas marginais, através da incorporação de estruturas interiores de forma cónica (ver patente US-PS 35 52 487) ou pela inclusão nas tubuladuras em forma de campânula de dispositivos de deflexão à maneira de difusores, sem estruturas interiores, (ver patente DE-PS 21 60 372).

Propôs-se ainda, não só para uniformizar o caudal que passa através da tubuladura em forma de campânula do lado da entrada, como também para proteger o espelho de feixe de tubos contra abrasão, que o PCFT fosse equipado de estruturas interiores à base de varões enrolados sob a forma de anéis, estando estes anéis dispostos ao longo da superfície de um cone cujo bico se 3 t 1 L~l. encontra virado para o lado da entrada de gás (ver patente EP 0 377 089 Al).

Pretende-se deste modo desacelerar as partículas de coque arrastadas na zona da corrente central pelo gás que flui com uma elevada velocidade e deflecti-las parcialmente para o lado de fora, para que já não provoquem danos de abrasão no espelho de feixe de tubos e nos tubos propriamente ditos. Por outro lado estas estruturas internas acarretam uma pressão diferencial in-desejada e uma perda de rendimento, devido ao aumento do tempo de permanência do gás no arrefecedor. A invenção envereda por um caminho diferente, que consiste em reforçar o espelho de feixe de tubos, para conseguir uma pro-tecção eficaz contra a abrasão. A abrasão do espelho inferior de feixe de tubos torna necessário que se efectuem paragens periódicas do arrefecedor de gás de destilação fraccionada, tendo a abrasão sido remediada pelo facto de os espelhos de feixe de tubo serem de novo levados à sua espessura de parede original por soldadura com adição de material. Este processo é complexo e não satisfaz no que se refere à resistência do material aplicado por soldadura de adição. No tocante a refrigeradores de gás de destilação fraccionada o fenómeno é agravado pelo facto de o espelho de feixe de tubos não só ter o efeito de uma placa de impacto, estando por isso sujeita a uma abrasão especialmente elevada, mas simultaneamente ter de ser relativamente fina, para se poder obter uma temperatura de superfície de separação tão baixa quanto possível. Por motivos de construção é desejável que esta temperatura seja tão baixa quanto possível e apresenta mais vantagens, uma vez que os gases que afluem devem ser arrefecidos tão rapidamente quanto possível, sem que antes disso haja reac-ções secundárias indesejadas.

Para obviar aos inconvenientes apontados propõe-se um per-mutador de calor de feixe de tubos de acordo com a reivindicação 4 U -Cj. 3. Formas de realização vantajosas encontram-se expostas nas reivindicações secundárias 4 a 7. 0 revestimento pode ser executado com uma espessura de 10 a 50 mm, no entanto, de preferência com 15 a 30 mm de espessura.

Para uma melhor aderência da massa de socar ou do revestimento podem soldar-se ao espelho de feixe de tubos peças de an-coragem, de preferência em forma de V, T, S ou Y, com um diâmetro que será nomeadamente de cerca de 5 mm, ou então uma construção à base de chapa com uma estrutura em forma de ninho de abelha, de preferência com uma altura compreendida entre 5 e 10 mm.

Estas peças de ancoragem são conhecidas em instalações de queima industrial sob a designação de ECO-VINs, fabricadas para diferentes espessuras de revestimento, sendo para tal soldadas sobre chapas de aço, com alvenaria do lado de trás, podendo as abas da peça de ancoragem ser dobradas de modo a abri-las de um ângulo de cerca de 60°, para uma melhor fixação da massa de socar. As peças de ancoragem podem ser soldadas sobre o espelho inferior de feixe de tubos, tanto numa execução com abas abertas como também numa execução com abas fechadas. O revestimento com uma massa de socar formada por um material refractário, ligado quimicamente e resistente à abrasão, é efectuado à mão ou então, tratando-se de superfícies de maiores dimensões, aplicado por projecção e seguidamente compactado manualmente, por exemplo por meio de barras achatadas de aço e martelos, ou então por meio de ferramentas mecânicas.

Para servir de massas de socar, por vezes também designadas por massas de encalcar, utilizam-se predominantemente massas constituídas por matérias primas inorgânicas, capazes de fazer presa por via química. A presa realiza-se na presença do ar. A 5 \

matéria prima essencial é por exemplo o corundo. Uma composição tipica das massas deste tipo é por exemplo 85 porcento em peso de AI2O3, 7 porcento em peso de S1O2, 0,3 porcento em peso de Fe2C>3, 3,1 porcento em peso de MgO, 4,5 porcento em peso de P2O5 e 0,1 porcento em peso de substâncias alcalinas (valores aproximados) . A granulometria máxima de cada um dos componentes não deverá ultrapassar os 4 mm. Para a preparação ou a produção desta massa de socar junta-se água a esta mistura inorgânica, sendo a massa seguidamente aplicada. Após a aplicação da massa de socar esta fica habitualmente a fazer presa durante pelo menos 24 horas. Seguidamente efectua-se a secagem ou a cozedura. Para este efeito faz-se circular durante cerca de 6 horas ar quente a uma temperatura de 150 a 200 graus por cima da massa de socar, para seguidamente fazer subir a temperatura até cerca de 350 °C ao longo de um período máximo de 4 horas. Conforme a temperatura de serviço e os agregados eventualmente adicionados, tais como agulhas de aço, a condutibilidade térmica da massa de socar que já fez presa, ou seja do revestimento, situa-se entre 1,5 e 3,5 W/mK. A abrasão deste revestimento é inferior a 8 cm3 (conforme ASTM C-704) .

Para servir de massa de socar utiliza-se por exemplo RESCO-CAST, um produto da RESCO Products Inc. Outros produtos apropriados existentes no mercado são o PLIRAM Cyclone-Mix D da Plibri-co GmbH, designado por massa de encalcar. Os produtos mencionados são conhecidos das suas aplicações práticas, tais como o revestimento interno de partes de instalação de FCC (Fluid-Catalytic-Cracker) . Efectua-se o revestimento de partes de instalação nas quais o catalisador FCC fluidificado circula a temperaturas de cerca de 750 °C com uma velocidade de 20 a 30 m/sec. Não há no entanto qualquer referência a que as massas de socar atrás referidas se prestem à realização do objecto da presente invenção. Em boa verdade tornou-se necessário vencer os preconceitos que afirmavam que nas condições específicas que reinam num arrefecedor de gás de destilação fraccionada o reves- 6 timento não resiste e cai para dentro do forno de gás de destilação fraccionada, o que conduz à paragem do processo. 0 motivo destes preconceitos era o receio de que entre o espelho de feixe de tubos e o revestimento ou nas gretas do revestimento se formassem camadas crescentes de coque, à semelhança daquilo que acontecia com os revestimentos à base de peças cerâmicas moldadas, coque esse que em última análise faria com que o revestimento se soltasse.

Para, entre outras caracteristicas, melhorar a resistência às variações de temperatura do revestimento, face às elevadas solicitações em questão, podem adicionar-se à massa de socar por exemplo agulhas de aço ou fibras de aço onduladas (C-Mix), de preferência numa proporção de 1 a 2 % em peso.

Num PCFT do tipo de inicio referido, com um feixe de tubos mantido em posição entre dois espelhos de feixe de tubos, o diâmetro da conduta de transferência vinda do forno de destilação fraccionada alarga-se habitualmente até atingir o diâmetro do espelho de feixe de tubos, tendo para isso a forma de uma tubuladura em forma de campânula.

Numa construção deste tipo só a parte central situada no meio do espelho de feixe de tubos necessita em principio de ser provida de um revestimento. Com a aplicação do revestimento an-ti-abrasivo é possivel equipar, de acordo com a invenção, não só espelhos de feixe de tubos novos e ainda não utilizados como também espelhos recondicionados por soldadura de adição, de modo a atingirem de novo a sua espessura original. A invenção refere-se além do mais a um processo para o revestimento de um espelho de feixe de tubos de um PCFT, com as caracteristicas enunciadas na reivindicação 1. Para este efeito as entradas dos tubos do espelho de feixe de tubos do lado da entrada são tapadas por meio de tampões. Estes tampões sobressa- -t ’Κ em em relação aos tubos de pelo menos a altura da espessura de camada do revestimento a aplicar. Seguidamente aplica-se a massa de socar. Este trabalho pode efectuar-se manualmente por meio de uma colher e de uma espátula ou então por projecção. Seguidamente efectua-se uma compactação mecânica da massa de socar, por exemplo através de golpes de martelo transmitidos por intermédio de uma barra de ferro achatada. Depois de a massa de socar ter feito presa, o que habitualmente demora 24 horas, retiram-se os tampões e a massa de socar é, caso necessário, seca ou cozida.

As massas de socar atrás descritas prestam-se optimamente ao revestimento de espelhos de feixe de tubos em permutadores de calor de feixe de tubos instalados a jusante de instalações de destilação fraccionada por via térmica. A aplicação do revestimento de um espelho de feixe de tubos de um arrefecedor de gás de destilação fraccionada de uma instalação de produção de etileno será de seguida descrita mais em pormenor, devendo os procedimentos escolhidos para a aplicação do revestimento, os materiais referidos e o caso especifico de aplicação num arrefecedor de destilação fraccionada ser entendidos de forma não limitativa, mas sim no sentido de constituírem um exemplo de realização da invenção.

Exemplo de realização

Sobre um espelho de feixe de tubos soldam-se peças de anco-ragem em forma de V ou peças de ancoragem ECO-VIN feitas de um aço austenitico (1.4841), com a forma de execução representada nas fig. 1 e 2 do desenho. Os tubos interiores do PCFT são tapados por tampões cónicos de madeira, de modo que a massa de socar se agarra tanto às peças de ancoragem como também aos tampões. A massa de socar constituída por PLIRAM Cyclone-Mix D é misturada com 2 % em peso de fibras de aço onduladas C-Mix 25 (material 1.4841). 8 A aplicação da massa de socar efectua-se manualmente com o auxílio de uma colher e de uma espátula. A massa aplicada é seguidamente compactada por secções com golpes de martelo transmitidos por intermédio de uma barra de ferro achatada, de modo a formar um revestimento sem espaços ocos. Após um tempo de presa de cerca de 25 horas à temperatura exterior normal, retiram-se os tampões cónicos de madeira. A secagem da massa de socar e a subsequente cozedura efec-tuam-se de acordo com um perfil de temperaturas preestabelecido, conforme indicado nas instruções do fabricante da massa.

Para tal, a fig. 1 mostra um espelho de feixe de tubos de acordo com a invenção, numa vista em planta (observada pelo lado de baixo). A fig. 2 mostra um corte através do arrefecedor de gás de destilação fraccionada, provido de um revestimento de acordo com a invenção, aplicado na zona do espelho de feixe de tubos. A aplicação do revestimento permite proteger também espelhos de feixe de tubos fortemente danificados, de modo a impedir o avanço da erosão. É certo que também os espelhos de feixe de tubos equipados de acordo com a invenção estão sujeitos a uma erosão por acção das partículas de coque. Em comparação com o material metálico não protegido do espelho de feixe de tubos a abrasão dos espelhos de feixe de tubos revestidos de acordo com a invenção é nitidamente mais lenta, de modo que se obtém uma maior vida útil das correspondentes partes da instalação. Havendo desgaste, é de resto possível uma remoção e uma nova aplicação do revestimento de acordo com a invenção. 9

Devido às boas propriedades de isolamento térmico do revestimento, também se torna menor o problema de inicio referido, que é o da temperatura limite. Dai resulta uma vantagem suplementar, que é a de o espelho de feixe de tubos metálico já não necessitar de ser tão fino, podendo ser dimensionado com uma espessura maior. Devido à estabilização construtiva assim obtida pode pelo menos em parte prescindir-se dos tirantes de ancoragem necessários para a estabilização dos espelhos de feixe de tubos de espessura reduzida.

Lisboa, 26 de Junho de 2001

O AGENTE OFICIAL DA PROPRIEDADE INDUSTRJAL

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Claims (8)

1. \

   REIVINDICAÇÕES 1. Processo para o revestimento isento de juntas de um espelho de feixe de tubos de um permutador de calor de feixe de tubos instalado a jusante de uma instalação de destilação fraccio-nada por via térmica, com as seguintes fases tamponagem, por meio de tampões, dos tubos de permutador de calor mantidos em posição pelo espelho de feixe de tubos, tampões esses que após a inserção sobressaem pelo menos até à espessura de uma camada a aplicar, aplicação de uma massa de socar, que faz presa por via química, para o revestimento do espelho de feixe de tubos, compactação mecânica da massa de socar, - presa da massa de socar, remoções dos tampões e, caso necessário, cozedura da massa de socar.
2. 2. Processo de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por se soldar sobre o espelho de feixe de tubos, antes da aplicação da massa de socar, uma estrutura de chapa em forma de ninho de abelha ou então peças de ancoragem.
3. 3. Permutador de calor de feixe de tubos (PCFT) instalado a jusante de instalações de destilação fraccionada por via térmica, com um feixe de tubos de permutador de calor mantido em posição entre dois espelhos de feixe de tubos e com um revestimento anti-abrasivo e refractário que deixa abertas as entradas dos tubos de permutador de calor do espelho de feixe de tubos do lado da entrada e do lado virado para o afluxo dos gases, caracterizado por o revestimento ser constituído por uma massa de socar que faz presa por via química e que é aplicada de acordo com o processo especificado na reivindicação 1. 1
4. 4. Perrautador de calor de feixe de tubos de acordo com a reivindicação 3, caracterizado por o revestimento à base da massa de socar já consolidado apresentar uma espessura de 10 a 50, de preferência de 15 a 30 mm.
5. 5. Permutador de calor de feixe de tubos de acordo com qualquer das reivindicações 3 ou 4, caracterizado por se soldar sobre o referido espelho, para uma melhor aderência da massa de socar sobre o feixe de tubos, uma estrutura de chapa em forma de ninho de abelha ou então peças de ancoragem, de preferência em forma de V, T, S ou Y.
6. 6. Permutador de calor de feixe de tubos de acordo com pelo menos uma das reivindicações 3 a 5, caracterizado por na massa de socar se encontrarem incorporadas fibras de aço onduladas.
7. 7. Permutador de calor de feixe de tubos de acordo com pelo menos uma das reivindicações 3 a 6, caracterizado por se prever uma câmara de entrada, que se alarga a partir do diâmetro da conduta de transferência vinda da instalação de destilação fraccionada por via térmica até ao diâmetro de entrada do espelho de feixe de tubos.
8. 8. Utilização de uma massa de socar que faz presa por via química para o revestimento de espelhos de feixe de tubos em per-mutadores de calor de feixe de tubos, instalados a jusante de instalações de destilação fraccionada por via térmica, de acordo com a reivindicação 3. Lisboa, 26 de Junho de 2001 O AGENTE OFICIAL DA PROPRIEDADE INDUSTRIAL

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