ES2276679T3 - Aparato para enfriar. - Google Patents
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Abstract
Aparato para enfriar rápidamente una corriente gaseosa caliente, que comprende: (i) un primer medio (10) de conducción para transportar dicho gas caliente desde una fuente corriente arriba hasta una ubicación corriente abajo; (ii) un medio de obstrucción del flujo situado dentro de dicho medio de conducción para crear una zona de baja presión en dicha corriente gaseosa caliente inmediatamente corriente abajo de dicho medio de obstrucción; (iii) un segundo medio (12) de conducción situado corriente abajo de dicho medio de obstrucción del flujo, intersecándose dicho segundo medio de conducción con dicho primer medio de conducción en una tangente suya y en un ángulo respecto a él, estando dicho segundo medio de conducción adaptado para inyectar un fluido de enfriamiento tangencialmente en dicha corriente gaseosa caliente para fluir circunferencialmente alrededor de la superficie interior de dicho primer medio de conducción y para llenar dicha zona de baja presión de dicha corriente gaseosa caliente y contactar con la cara de corriente abajo de dicho medio de obstrucción del flujo; y (iv) un medio interfacial en dicha cara de corriente abajo de dicho medio de obstrucción del flujo para proporcionar una interfaz afilada entre dicha corriente gaseosa caliente y dicho fluido de enfriamiento.
Description
Aparato para enfriar.
La invención está dirigida, de manera general, a
un aparato para enfriar rápidamente una corriente gaseosa caliente.
La invención está dirigida, más específicamente, a un aparato para
enfriar rápidamente el producto de pirólisis de un horno de
pirólisis.
En una de las plantas de craqueo de gasoil a
vapor del solicitante para producir olefinas se reconoció que el
mojado de la pared del tubo de enfriamiento es esencial para impedir
que el tubo de enfriamiento se obstruya debido a los depósitos de
coque. Se encontró que el uso de una boquilla de pulverización para
introducir el aceite de enfriamiento para enfriar el gas de
pirólisis caliente que sale de la sección radiante no funcionaba,
debido a las dificultades en mantener las paredes completamente
mojadas. Las configuraciones de boquilla previas incluían un anillo
externo de enfriamiento que rodeaba el tubo de enfriamiento para
distribuir el aceite de enfriamiento entre tres boquillas
dispuestas con una separación de 120 grados alrededor del tubo de
enfriamiento. Este diseño creaba una excesiva tensión térmica en el
anillo de enfriamiento. Posteriormente, se modificó a tres
boquillas de enfriamiento separadas, compartiendo todas una tubería
de suministro de aceite de enfriamiento, lo que requería una
restricción de flujo en cada boquilla para asegurar una buena
distribución del aceite de enfriamiento.
Los orificios de restricción y las boquillas de
tamaño más pequeño en los tubos de enfriamiento anteriores de
inyección de aceite por boquillas múltiples se atascaban
frecuentemente por partículas de coque presentes en el aceite de
enfriamiento. Cuando esto sucedía, el flujo de aceite de
enfriamiento que mojaba la pared del tubo de enfriamiento se
interrumpía, y esto conducía a un mojado incompleto de la pared del
tubo de enfriamiento. Se formaría el coque y crecería en la parte
seca de la pared del tubo de enfriamiento y al final taponaría el
tubo de enfriamiento. Cuando esto sucedía, el horno entero tenía que
ser detenido para su limpieza. Incluso sin problemas con las
boquillas de inyección, el tubo de enfriamiento estaba sujeto a la
formación de coque y al taponamiento en el límite móvil entre las
paredes mojadas y secas cerca de las entradas de aceite.
La presente invención tiene el objetivo de
proporcionar una configuración de boquilla en la que los problemas
esbozados anteriormente puedan ser evitados. Esto se consiguió
usando una configuración de boquilla de enfriamiento en la que la
boquilla introduce aceite de enfriamiento tangencialmente en el tubo
de enfriamiento y enfría rápidamente los productos gaseosos
calientes de pirólisis que salen de los tubos radiantes calientes en
un horno de pirólisis (p.ej., en la fabricación de etileno),
mientras que al mismo tiempo se mantiene la pared interior del tubo
de enfriamiento mojada por el aceite de enfriamiento, lo cual es
necesario para impedir la deposición de coque en el tubo de
enfriamiento.
Por consiguiente, la presente invención se
refiere a un aparato de acuerdo con la reivindicación 1. Las
realizaciones preferidas de este aparato se describen en las
reivindicaciones 2 a 7. Una realización específica del aparato de
la presente invención es la zona de enfriamiento definida en la
reivindicación 8, con realizaciones preferidas en las
reivindicaciones 9 y 10.
El segundo conducto del aparato o boquilla tiene
una entrada de aceite de enfriamiento, eliminando así la necesidad
de ningún orificio de restricción que se requeriría para distribuir
uniformemente los flujos de aceite de enfriamiento entre varias
boquillas. Además, la introducción de aceite por una sola boquilla
tiene un diámetro más grande que el requerido si se empleara más de
una boquilla en este servicio. La sustitución de boquillas
múltiples (y orificios de restricción) por una única boquilla de
diámetro más grande elimina los problemas de taponamiento causados
por las partículas de coque presentes en el aceite de enfriamiento.
Las paredes interiores del primer medio de conducción o tubo de
enfriamiento se mantienen mojadas mediante el uso de medios
internos de obstrucción del flujo, adecuadamente en forma de un
anillo con un borde delantero estrechado especialmente y un extremo
terminal abrupto que sirve para impedir que la interfaz aceite de
enfriamiento/gas se mueva axialmente hacia atrás y hacia delante en
el tubo de enfriamiento, y de este modo se elimina la formación de
coque.
La invención se ilustra por las Figuras 1 a
10:
La Figuras 1 es una vista en sección transversal
del tubo de enfriamiento y la boquilla de la presente invención.
La Figura 2 es una vista en sección transversal
tomada a lo largo de la línea 2-2 de la Figura
1.
Las Figuras 3-10 muestran
diversas realizaciones de varias permutaciones del anillo de
inserción.
Un posible entorno de la presente invención es
un horno de pirólisis como el descrito en la Figura 1 de la patente
de EE.UU. Nº 3.907.661. La invención de los solicitantes es una
mejora en el diseño de la zona 13 de enfriamiento de esa patente o
en otro aparato similar.
Haciendo referencia ahora a la Figura 1 de la
presente solicitud, el tubo 10 de enfriamiento se muestra en
sección transversal, y tiene un tubo o boquilla 12 de entrada de
aceite de enfriamiento que forma una entrada al tubo 10 de
enfriamiento en una tangente a él. La Figura 1 está tomada sobre un
diámetro de la boquilla 12 y del tubo 10 de enfriamiento donde los
dos conductos se intersecan y la combinación descrita en la presente
memoria comprende una mejora a la zona 13 de enfriamiento de la
patente de EE.UU. Nº 3.907.661 mencionada anteriormente.
La Figura 2 muestra una sección transversal del
tubo 10 de enfriamiento tomada a lo largo de su eje longitudinal y
mirando desde atrás hacia la boquilla 12. Dentro del tubo 10 de
enfriamiento y corriente arriba de la boquilla 12 (respecto al
flujo de gas y correspondiente a la entrada a la zona 13 de
enfriamiento en la Figura 1 de la patente '661) hay un anillo 14 de
inserción que tiene una parte 14a en rampa que termina en una
sección 14b llana, teniendo esta última una interfaz escarpada con
una cara 14c. Es decir, la sección 14b llana y la cara 14c del
anillo 14 de inserción se intersecan en un ángulo recto para formar
un borde 14d afilado. La función del anillo 14 de inserción y sus
variaciones es formar una zona 16 de baja presión en la cara 14c de
corriente abajo.
La boquilla 12, en su forma más simple, puede
ser una tubería de diámetro constante que entre en el tubo 10 de
enfriamiento, preferiblemente en un ángulo recto y con una de sus
paredes en una tangente al tubo 10 de enfriamiento. Un anillo 14 de
inserción está situado a una corta distancia corriente arriba de la
boquilla 12 y crea una zona 16 de baja presión en la cara 14c. La
distancia óptima entre la cara 14c y la boquilla 12 es la distancia
que da como resultado que no haya ningún flujo de líquido sobre el
borde 14d afilado, pero que moje completamente la cara 14c. El
aceite de enfriamiento inyectado por la boquilla 12 fluye
circunferencialmente alrededor de la superficie interior del tubo 10
de enfriamiento (debido a la inyección tangencial a presión
suficiente) llenando la zona 16 de baja presión en la cara 14c.
Para que la invención funcione apropiadamente, es necesario que el
líquido que es inyectado tangencialmente a través de la boquilla 12
tenga una velocidad suficiente para que la fuerza centrífuga
aplicada que actúa sobre esta corriente entrante para la duración
de la primera revolución del fluido dentro del tubo 10 de
enfriamiento exceda de la que actúa sobre la corriente entrante que
es debida al campo gravitacional con efecto en esta región del
aparato. En otras palabras, esta velocidad debe ser tal que
U^{2}/(Rg)
>
1,
donde
U^{2} es el cuadrado de la velocidad de
entrada,
R es el radio interior del tubo 10 de
enfriamiento, y
g es la aceleración de la gravedad,
todos expresados en un conjunto
consistente de unidades dimensionales. Los valores típicos de
U^{2}/(Rg) oscilan entre 3 y 20. El aceite de enfriamiento se
extiende entonces a lo largo de la pared interior del tubo 10 de
enfriamiento como resultado de fuerzas de arrastre de fluido que
actúan sobre el aceite por parte de la fase gaseosa. Esta
interacción entre las fases gaseosa y oleosa también da como
resultado alguna transferencia de momento, en la dirección
corriente abajo, desde el gas hasta el aceite de enfriamiento. De
esta manera, la cara 14c y la pared interior del tubo 10 de
enfriamiento corriente abajo de ella, se mantienen en un estado
"mojado", creando de este modo un régimen de flujo anular de
dos fases que inhibe la formación de coque. La parte del tubo 10 de
enfriamiento corriente arriba de la cara 14c, incluyendo las
superficies 14a y 14b del anillo 14 de inserción, permanecen
"secas" y no están sujetas, por tanto, a la formación de coque.
El borde afilado, 14d, del anillo 14 de inserción forma la interfaz
abrupta entre las secciones "mojada" y
"seca".
El anillo 14 de inserción ha sido descrito en la
presente memoria teniendo secciones planas (14a, 14b y 14c) pero
también podría construirse con secciones curvadas, extendidas o
acortadas. Los rasgos críticos que se requiere que sean mantenidos
son la interfaz 14d afilada y la zona 16 de baja presión. De la
Figura 3 a la 10 ilustran una parte de otras combinaciones para el
anillo 14 de inserción. La Figura 3 utiliza una sección 14b llana
de longitud cero, es decir, una rampa 14a que termina en una
interfaz 14d afilada, con una cara 14c. La Figura 4 muestra una
curvatura en la sección 14b que es, de manera general, paralela al
eje del tubo de enfriamiento. La Figura 5 utiliza una sección 14c
cóncava para contener la zona de baja presión y cambiar el ángulo
del borde afilado, 14d. La Figura 6 ilustra una forma cambiada de la
parte en rampa, 14a. La Figura 7 muestra una realización de
combinaciones de modificaciones que mantienen la interfaz
"mojada/seca" y la zona de baja presión. La Figura 8 es otra
combinación que utiliza una longitud de rampa "infinita", es
decir, sin anillo 14a de inserción interno. Es, esencialmente, una
demostración de cómo dos tubos de enfriamiento de diferentes
diámetros pueden realizar la función del anillo 14 de inserción. La
Figura 9 muestra un anillo 14 de inserción que tiene caras 14a y
14c de 90 grados. Esta configuración causa una turbulencia excesiva
en el borde delantero (del anillo de inserción) y una resultante
caída de presión, pero se podría usar en algunas aplicaciones. La
Figura 10 es una realización de la Figura 8 que puede ser más fácil
de fabricar. Se muestra con una cara 14c cóncava, aunque se pueden
utilizar también superficies convexas o planas.
Aunque la boquilla 12 se describe en la presente
memoria en términos de un elemento en forma de tubo o conducto
(cilíndrico), podría ser de otras formas en sección transversal, es
decir, elíptico, cuadrado, rectangular, etc. Los rasgos críticos
del diseño son la utilización de un tubo de entrada tangencial, o
aproximadamente tangencial, para comunicar una velocidad al aceite
de momento suficiente para causar que el aceite fluya alrededor de
la circunferencia del tubo 10 de enfriamiento a la vez que moje
completamente la cara 14c. Asimismo, aunque sólo se describe una
boquilla, se podrían usar boquillas plurales, p.ej., dos boquillas
diametralmente opuestas sobre el tubo 10 de enfriamiento para
ayudarse la una a la otra a hacer fluir circunferencialmente el
aceite de enfriamiento. También, la entrada tangencial está
preferiblemente en un ángulo recto respecto al tubo 10 de
enfriamiento, aunque se puede emplear cualquier ángulo siempre y
cuando el aceite llene la zona 16 de baja presión alrededor de la
circunferencia del tubo 10 de enfriamiento junto a la cara 14c. De
manera similar, la distancia desde la superficie exterior de la
boquilla 12 a la cara 14c está determinada por la necesidad de
tener el aceite empujado y extendido hacia la zona 16 de baja
presión sin rebosar el borde 14c afilado. En la realización
preferida de la invención, esta distancia debe estar entre
aproximadamente 20% y 100% del diámetro interior de la boquilla
12.
El anillo 14 de inserción se puede fabricar como
un anillo que está soldado dentro del tubo 10 de enfriamiento, o se
puede fabricar como una parte integral del tubo de enfriamiento. El
anillo 14 de inserción, como se ilustra en la Figura 1, incluye una
parte 14a en rampa que es preferiblemente aproximadamente 7½ grados
pero puede estar inclinada a 90 grados, o más, de grado máximo. La
rampa, 14a, puede ser tan pequeña como cero grados en el caso de
tubos de enfriamiento de dos diámetros separados (Figura 8). La
parte 14a en rampa termina en una parte 14b llana o curvada que, a
su vez, termina en un borde afilado, o interfaz 14d, con una cara
14c. Bajo condiciones de flujo de gas, el anillo 14 de inserción
restringe el área de flujo causando que la velocidad del gas
aumente según fluye a través del anillo de inserción. Se crea una
zona 16 de baja presión por esta velocidad aumentada, que tiende a
empujar al aceite de enfriamiento inyectado tangencialmente desde la
boquilla 12 hacia la zona 16 de baja presión, mojando de este modo
la pared interior del tubo de enfriamiento y la superficie 14c del
anillo de inserción en esta área. El aceite de enfriamiento de la
boquilla 12 es transportado entonces corriente abajo por el flujo
de gas del horno y es mantenido contra (mojando de este modo) la
pared del tubo 10 de enfriamiento. La longitud de la rampa 14a es
preferiblemente tan larga como sea posible para causar la mínima
turbulencia; sin embargo, las limitaciones de fabricación
(maquinización) controlan las dimensiones físicas que son
posibles.
Aunque la orientación del tubo 10 de
enfriamiento se muestra estando horizontal, siempre y cuando el
momento combinado del aceite de enfriamiento y el flujo de gas
pueda mantener la pared del tubo de enfriamiento mojada, la
orientación del tubo 10 de enfriamiento puede ser vertical o en un
ángulo respecto a la posición horizontal, flujo arriba o flujo
abajo. Las tuberías deben ser ajustadas en tamaño y orientadas, y
los caudales de gas y líquido deben ser tales que produzcan y
mantengan el flujo anular de dos fases dentro del tubo 10 de
enfriamiento corriente abajo de la cara 14c para llevar a cabo la
función de mojar las paredes.
Aunque la invención ha sido descrita en la
presente memoria con referencia a la aplicación específica en hornos
de pirólisis, también son posibles otras aplicaciones, tales
como:
1. La inyección de una corriente de "agua de
lavado" en una tubería que lleva una corriente gaseosa para mojar
las paredes de la red de tuberías corriente abajo, con el fin de
impedir o retirar depósitos de sal, en operaciones de lavado de
procesos con agua (p.ej., operaciones de lavado de unidades de
hidrocraqueo con agua).
2. La inyección de un inhibidor de la corrosión
basado en agua o en hidrocarburos en una tubería que lleva una
corriente gaseosa, con el fin de mojar de manera uniforme las
paredes de las tuberías corriente abajo para el control de la
corrosión (p.ej., la inyección de una amina formadora de película en
la tubería de cabeza de una columna de absorción o de
destilación).
3. La inyección de un líquido basado en
hidrocarburos o en agua en una tubería que lleva una corriente
gaseosa, con el fin de impedir que las paredes de la tubería
corriente abajo lleguen a calentarse excesivamente (p.ej.,
inyección o "pulverización" de agua de enfriamiento en tuberías
de cabeza de craqueo catalítico o coquización fluida con el fin de
mantener las temperaturas de las tuberías por debajo de sus límites
metalúrgicos de funcionamiento).
4. La configuración de tubo de enfriamiento
tangencial de paredes mojadas se puede aplicar al tubo individual
en el Intercambiador de Tubería de Transferencia (ITT) en la salida
de los hornos de pirólisis. Los ITTs son intercambiadores de calor
de "carcasa y tubo" donde los productos gaseosos calientes de
pirólisis que salen del tubo radiante son indirectamente
refrescados o enfriados rápidamente en el lado del tubo, a la vez
que se genera vapor de alta presión en el lado de la carcasa. El
coque se depositará en el lado del tubo, reduciendo de este modo la
transferencia de calor, aumentando la caída de presión a través del
ITT y requiriendo una descoquización periódica y un tiempo de
inactividad del horno. Aplicando la tecnología (método) de
enfriamiento de paredes mojadas descrita en la presente memoria
para mojar completamente el interior de estos tubos ITT, se puede
impedir la coquización, reduciendo así el tiempo de inactividad y la
pérdida de producción concomitantes.
La invención se ilustra adicionalmente por el
siguiente ejemplo, sin limitarse el alcance de la invención a esta
realización particular.
Ejemplo
Los hornos de una de las plantas del solicitante
que utilizan el diseño de boquillas de enfriamiento antiguo tienen
típicamente que ser parados cada quince días debido al taponamiento
de la boquilla de enfriamiento en uno o más de los diez pasos de
enfriamiento en cada horno. En la instalación de prueba del
solicitante para probar el concepto de la invención descrita en la
presente memoria, el paso de enfriamiento (con el diseño de
boquilla antiguo) que era el más propenso a un problema de
taponamiento en el horno más frecuentemente taponado se seleccionó
para su sustitución. Esa boquilla fue reemplazada por un tubo 10 de
enfriamiento que utilizaba una tubería Schedule 40 que tenía un
diámetro nominal de 20,3 cm y estaba intersecada por una boquilla
12 que tenía un diámetro interno o calibre de 4,3 cm. El líquido de
enfriamiento se inyectó a un caudal de aproximadamente 4,0 m/s en
la corriente gaseosa caliente que fluía a aproximadamente
61-76 m/s. El sistema de boquilla de paso de
enfriamiento de prueba se hizo funcionar durante aproximada- mente
un año, sin periodos de inactividad ni taponamiento, si bien otras
boquillas (con el diseño antiguo), incluyendo las adyacentes a la
boquilla de prueba en el mismo horno de prueba, se taponaron debido
a la coquización, requiriendo así la parada del horno de prueba
entero. Esto demostró la resistencia del nuevo diseño de boquilla al
taponamiento en un entorno propenso al taponamiento, como muestran
los continuos problemas de taponamiento experimentados por las
otras boquillas "de diseño antiguo" en el mismo horno.
Claims (10)
1. Aparato para enfriar rápidamente una
corriente gaseosa caliente, que comprende:
- (i)
- un primer medio (10) de conducción para transportar dicho gas caliente desde una fuente corriente arriba hasta una ubicación corriente abajo;
- (ii)
- un medio de obstrucción del flujo situado dentro de dicho medio de conducción para crear una zona de baja presión en dicha corriente gaseosa caliente inmediatamente corriente abajo de dicho medio de obstrucción;
- (iii)
- un segundo medio (12) de conducción situado corriente abajo de dicho medio de obstrucción del flujo, intersecándose dicho segundo medio de conducción con dicho primer medio de conducción en una tangente suya y en un ángulo respecto a él, estando dicho segundo medio de conducción adaptado para inyectar un fluido de enfriamiento tangencialmente en dicha corriente gaseosa caliente para fluir circunferencialmente alrededor de la superficie interior de dicho primer medio de conducción y para llenar dicha zona de baja presión de dicha corriente gaseosa caliente y contactar con la cara de corriente abajo de dicho medio de obstrucción del flujo; y
- (iv)
- un medio interfacial en dicha cara de corriente abajo de dicho medio de obstrucción del flujo para proporcionar una interfaz afilada entre dicha corriente gaseosa caliente y dicho fluido de enfriamiento.
2. Aparato de acuerdo con la
reivindicación 1, en el que el segundo medio (12) de conducción se
interseca con dicho primer medio (10) de conducción en una tangente
suya y perpendicular a él.
3. Aparato de acuerdo con la
reivindicación 1 ó 2, en el que dicho medio de obstrucción de flujo
es un anillo (14) de inserción adaptado para ser colocado en dicho
primer medio (10) de conducción en un diámetro suyo.
4. Aparato de acuerdo con una cualquiera
de las reivindicaciones 1-3, en el que dicho primer
conducto es un cilindro y dicho anillo (14) de inserción está
situado circunferencialmente en un diámetro interior del mismo,
teniendo dicho anillo (14) de inserción una rampa (14a) que aumenta
de altura en la dirección de dicho flujo de gas, terminando dicha
rampa en una parte llana (14b), terminando dicha parte llana en una
interfaz (14d) afilada con el lado (14c) de corriente abajo de
dicho medio de obstrucción del flujo.
5. Aparato de acuerdo con la
reivindicación 4, en el que la rampa (14a) tiene una curvatura
convexa o cóncava.
6. Aparato de acuerdo con una cualquiera
de las reivindicaciones 1-5, en el que dicho medio
de obstrucción del flujo está formado por dos o más conductos
concéntricos.
7. Aparato de acuerdo con una cualquiera
de las reivindicaciones 1-6, en el que la distancia
entre la superficie exterior de dicho segundo conducto (12) y la
cara (14c) corriente abajo de dicho medio de obstrucción del flujo
es entre 20% y 100% del diámetro interior de dicho segundo conducto
(12).
8. Aparato de acuerdo con la
reivindicación 1, para enfriar rápidamente el producto de pirólisis
de un horno de pirólisis, aparato que comprende
- (a)
- un tubo (10) de enfriamiento a través del cual está fluyendo el gas caliente y dentro del cual se inyecta el aceite de enfriamiento para enfriar rápidamente este gas caliente, comprendiendo dicho tubo de enfriamiento un anillo (14) de inserción, situado circunferencialmente en un diámetro interior de dicho tubo de enfriamiento, teniendo dicho anillo (14) de inserción una rampa (14a) que aumenta de altura en la dirección del flujo del gas, terminando dicha rampa en una parte llana (14b), terminando dicha parte llana (14b) en una interfaz (14d) afilada; y
- (b)
- al menos una boquilla (12) situada corriente abajo de dicha interfaz afilada, estando colocada dicha boquilla en un ángulo respecto a dicho tubo (10) de enfriamiento y tangencial a él, para la introducción de aceite de enfriamiento en dicho tubo de enfriamiento.
9. Aparato de acuerdo con la
reivindicación 7, en el que la boquilla está situada perpendicular y
tangencial a dicho tubo de enfriamiento.
10. Aparato de acuerdo con la reivindicación 8
ó 9, en el que la distancia entre la superficie exterior de la
boquilla (12) y la interfaz (14d) afilada es entre 20% y 100% del
diámetro interior de dicha boquilla (12).
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