ES2326328T3 - Tuberia. - Google Patents

Abstract

Un reactor que comprende un horno de producción de olefinas, comprendiendo además el reactor un tubo de reactor, que se caracteriza porque el tubo de reactor presenta un línea central (40) que sigue una trayectoria considerablemente helicoidal, en la que la amplitud (A) de la hélice es igual o menor que la mitad del diámetro interno (DI) del tubo, con el fin de proporcionar una línea de mira a lo largo del lumen del tubo.

Description

Tubería.

El presente invento se refiere a una tubería de reactor para su utilización en un reactor, presentando dicha tubería de reactor una geometría particular.

Es posible tratar el fluido durante su paso a través de la tubería, por medio de una reacción química.

Normalmente, las tuberías que se emplean de este modo son rectas, presentan una línea central recta y paredes paralelas a dicha línea central.

No obstante, se ha comprobado que es posible utilizar geometrías alternativas para las tuberías, lo que puede proporcionar numerosas ventajas con respecto a las tuberías rectas. En particular, una tubería con forma de hélice de baja amplitud presenta importantes ventajas con respecto a las tuberías rectas.

Por "hélice de baja amplitud" los autores entienden que la tubería presenta una forma tal que su línea central sigue una trayectoria considerablemente helicoidal, y que la amplitud de la hélice es igual o menor que la mitad del diámetro interno de la tubería.

Los documentos WO 01/18406 y 1818082 describen tuberías de intercambio de calor con un corte transversal no circular que presenta torsión a lo largo de la longitud de la tubería, de manera que presenta una línea central recta. El documento SU 531993 propone una tubería de intercambio de calor con forma de hélice de baja amplitud. Los documentos 2004/134557 y 2004/000350 describen tuberías helicoidales de baja amplitud que se emplean como mezcladores estáticos durante el transporte de suspensiones, en particular de arenas petrolíferas. El documento WO 2004/083705 (que se incluye en el Artículo 54(3) de EPC) describe la utilización de una tubería helicoidal de baja amplitud aguas abajo de un horno de craqueo.

De acuerdo con el invento, se proporciona un reactor que comprende un horno de producción de olefinas, presentando dicho reactor además un tubo de reactor, caracterizándose dicho tubo porque presenta una línea central que sigue una trayectoria considerablemente helicoidal, en la que la amplitud de la hélice es igual o menor que la mitad del diámetro interno del tubo, con el fin de proporcionar una línea de mira a lo largo del lumen del tubo.

Cuando el fluido penetra en un segmento de tubo con forma de hélice de este modo, se establece un flujo turbulento de forma casi inmediata. El flujo turbulento presenta una serie de ventajas con respecto al flujo convencional. Es posible reducir la turbulencia y las pérdidas de presión asociadas (y las pérdidas de energía). Además, como resultado de la mezcla a lo largo del corte transversal, el perfil de velocidad de flujo a lo largo de la tubería es más uniforme (o suavizado) del que correspondería a una tubería convencional, tendiendo el fluido turbulento a actuar como émbolo, purgando las paredes de la tubería.

Se ha comprobado que el flujo turbulento se establece a lo largo de toda la anchura de la tubería, dentro de unos pocos diámetros de tubería de la entrada hacia el interior de la hélice de baja amplitud. Además, el movimiento secundario y la mezcla a lo largo del corte transversal asociado al flujo turbulento dan lugar a una masa considerable, a un momento y a una transferencia de calor en el fluido que se encuentra en la zona del núcleo, y entre el fluido que se encuentra en la zona de las paredes de la tubería y el fluido que se encuentra en la zona del núcleo.

La expresión "hélice de baja amplitud" según se emplea en la presente memoria se refiere al alcance de desplazamiento de la línea central desde una posición media con respecto al extremo lateral. De este modo, la amplitud es la mitad de la anchura lateral total de la línea central helicoidal. Normalmente, la superficie del corte transversal del tubo se mantiene considerablemente constante a lo largo de su longitud, pero puede variar dependiendo de las características particulares que se precisen.

En las tuberías helicoidales de baja amplitud de este tipo, en las que la amplitud de la hélice es menor que la mitad del diámetro interno de la tubería, hay una "línea de mira" a lo largo del lumen de la tubería. Aunque el flujo en la línea de mira podría potencialmente adoptar una trayectoria recta, se ha comprobado que generalmente presenta una componente turbulenta.

Para los fines de la presente memoria descriptiva, la expresión "amplitud relativa" de la tubería helicoidal se define como la amplitud dividida por el diámetro interno. Dado que la amplitud de la tubería helicoidal es menor o igual que la mitad del diámetro interno de la tubería, esto significa que la amplitud relativa es menor o igual que 0,5. Se prefieren amplitudes relativas menores o iguales que 0,45, 0,40, 0,35, 0,30, 0,25, 0,20, 0,15, 0,1 ó 0,05. Amplitudes relativas menores proporcionan una mejor utilización del espacio lateral disponible, dado que la tubería en total no es mucho más ancha que una tubería recta normal con la misma superficie de corte transversal. Amplitudes relativas menores también dan lugar a una "línea de mira" más ancha, que proporciona más espacio para la inserción de manómetros u otro equipamiento a lo largo de la tubería. No obstante, amplitudes relativas muy bajas, en ocasiones, pueden dar lugar a un menor movimiento secundario y a una mezcla reducida.

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Con valores elevados de número de Reynolds, es posible utilizar amplitudes relativas menores al tiempo que se induce de forma satisfactoria un flujo turbulento. Generalmente, esto significa que, para un diámetro interno dado, cuando existe un caudal elevado es posible utilizar una amplitud relativa baja pero suficiente para inducir el flujo turbulento.

Desde el punto de vista de inducción de flujo, el ángulo de hélice (o dirección axil, siendo la dirección axil la longitud de uno de los bucles de la hélice, y puede definirse en términos de diámetro interno de la tubería) también constituye un factor relevante. Igual que sucede con la amplitud relativa, es posible optimizar el ángulo de hélice de acuerdo con las condiciones, y en particular de acuerdo con la viscosidad, densidad y velocidad del fluido a transportar por el interior de la tubería. Preferiblemente, el ángulo de hélice es menor o igual que 65º, más preferiblemente menor o igual que 55º, 45º, 35º, 25º, 20º, 15º, 10º ó 5º.

En términos generales, con valores elevados de número de Reynolds el ángulo de hélice puede ser menor, siempre y cuando se logre un flujo turbulento satisfactorio, mientras que con valores reducidos de número de Reynolds se requiere un valor de ángulo de hélice mayor para producir el flujo turbulento deseado. Generalmente, no resulta deseable la utilización de ángulos de hélice elevados para flujos rápidos (con número de Reynolds elevado), ya que el fluido estancado puede formar cavidades de pared. Por tanto, para un valor dado de número de Reynolds (o intervalo de valores de número de Reynolds), preferiblemente se escoge un valor de ángulo de hélice lo más pequeño posible, con el fin de producir el flujo turbulento satisfactorio. En determinadas realizaciones, el ángulo de hélice es menor que 20º.

La Figura 1 muestra la longitud de tubería que presenta una geometría helicoidal de baja amplitud. Esta tubería 1 presenta un corte transversal circular, un diámetro externo D_{E}, un diámetro interno D_{I} y un espesor de pared T. La tubería se enrolla para dar lugar a una hélice de amplitud A constante (medida desde el medio al extremo), inclinación P constante, ángulo de hélice \theta constante y anchura de barrido W. La tubería 1 se encuentra colocada en un sobre imaginario 20 que se extiende longitudinalmente y que presenta una anchura igual a la anchura de barrido W de la hélice. El sobre 20 puede presentar un eje 30 longitudinal central, que también se denomina eje de rotación helicoidal. El tubo 1 que se muestra presenta un eje recto 30, pero se aprecia que el eje puede ser curvado, o de hecho puede adoptar cualquier forma dependiendo de los requisitos. El tubo presenta una línea central 40 que sigue una trayectoria helicoidal alrededor del eje 30 longitudinal central.

Se observa que la amplitud A es menor que la mitad del diámetro interno D_{t} de la tubería. Manteniendo la amplitud por debajo de este valor, es posible mantener con dimensiones relativamente pequeñas el espacio lateral ocupado por la tubería así como la longitud total de la tubería, mientras que al mismo tiempo la configuración helicoidal de la tubería facilita la formación de flujo turbulento del fluido a lo largo de la propia tubería. Esto también proporciona un lumen relativamente ancho a lo largo de la tubería, lo que permite hacer pasar instrumentos, aparatos y similares por la tubería en sentido descendente.

La utilización de tuberías helicoidales de baja amplitud puede resultar beneficiosa para procesos que implican la mezcla de fluidos en el interior de la tubería, transferencia de calor y de masa hacia el interior o hacia el exterior del fluido que circula por el interior de la tubería, procesos en los que tiene lugar la deposición o contaminación en el interior de la tubería y procesos en los que tienen lugar reacciones químicas en el interior de la tubería. La utilización de dichas tuberías puede suponer un impacto económico importante.

A modo de ejemplo, la disminución de la turbulencia y la menor caída de presión asociada proporcionadas por el flujo turbulento permiten, en condiciones apropiadas, disminuir los costes de bombeo.

Una menor caída de presión resulta importante para llevar a cabo reacciones químicas que requieren que la presión se mantenga en el nivel más bajo posible con el fin de mejorar el rendimiento, incluyendo los procesos que operan a vacío, tal como la producción de olefinas mediante pirólisis y la producción de estireno a partir de etilbenceno.

La mezcla también resulta importante cuando se precisa homogeneizar dos o más corrientes grandes de fluidos y garantizar que no se separan.

Los mezcladores estáticos pueden emplear geometría helicoidal de baja amplitud. Los beneficios incluyen una mejor mezcla cruzada y menor obstrucción provocada por sedimentos o precipitados. Además, como se ha mencionado anteriormente, la geometría helicoidal de baja amplitud también proporciona una menor pérdida de presión en el mezclador. Adicionalmente, dado que existe un lumen con "línea de mira" a lo largo de la parte helicoidal de baja amplitud, y que no hay pantallas difusoras o alabes como existen comúnmente en los mezcladores convencionales, la limpieza resulta más fácil. Estas ventajas no significan un menor desgaste o mantenimiento.

Debido a que las tuberías helicoidales de baja amplitud garantizan un flujo helicoidal (turbulento) en el interior de las mismas y generan un perfil de velocidad suavizado, es posible mejorar la velocidad y la uniformidad de la transferencia de calor hacia y desde el fluido que circula por el interior de la tubería. En un flujo normal, el fluido que se encuentra en el centro de la tubería se mueve considerablemente más rápido que el fluido que se encuentra cerca de las paredes de la tubería, y por eso si se calienta la tubería, el fluido que se encuentra cerca de las paredes se calienta más que el fluido que se encuentra en el centro de la tubería.

No obstante, dado que el flujo turbulento presenta un perfil de velocidad suavizado (y de este modo más uniforme), es menos probable que determinadas partes del fluido presenten mayor o menor temperatura de lo debido, provocando efectos no deseados. La tubería helicoidal de baja amplitud permite transferir el mismo calor con una temperatura diferencial más baja entre el interior y el exterior de la tubería.

Esto puede suponer un beneficio económico importante en los hornos de craqueo de olefinas.

Además, el efecto "de embolo" del flujo turbulento provocado por la tubería helicoidal de baja amplitud puede proporcionar importantes ventajas económicas a los procesos que tienen lugar en tuberías en las que la deposición de partículas finas u otras partículas sólidas sobre la pared interior de la tubería crea una barrera frente a la transferencia de calor, o contamina el fluido que se desplaza a través de ella, o reduce el flujo de fluido a través de la tubería. Dichas partículas finas u otras partículas sólidas pueden estar presentes en el fluido, o pueden estar generadas mediante una reacción química entre los componentes del fluido.

Se espera que la utilización de tuberías helicoidales de baja amplitud reduzca de manera considerable dicha deposición de sólidos sobre las paredes internas de la tubería, alargando de este modo su vida en funcionamiento antes de la limpieza, reduciendo la cantidad de calor necesario y reduciendo la pérdida de presión en comparación con la tubería sucia. Este efecto puede resultar importante desde el punto de vista económico en la producción de olefinas mediante pirólisis, en la que la descomposición de coque sobre el interior de las bobinas del horno requiere la parada y extracción de éstas para su limpieza (típicamente cada 20 a 60 días).

La utilización de tuberías helicoidales de baja amplitud también puede tener importancia económica material en las reacciones químicas que tienen lugar en las tuberías o en los tubos. La combinación de mezcla mejorada y transferencia de calor más uniforme mejora los rendimientos y favorece la terminación de las reacciones (incluyendo la combustión). La mejora de los rendimientos también reduce los costes de separación aguas abajo. Ejemplos de procesos en los que esto resulta importante incluyen la producción de olefinas y las reacciones similares en fase gas, tal como el craqueo de tolueno para formar benceno, y la conversión de 1-buteno en butadieno. Cuando dichas reacciones implican la producción de más de una molécula de producto por cada molécula de materia prima, la menor pérdida de presión en el reactor y la condición tubular aguas abajo que es posible lograr mediante la utilización de tuberías helicoidales de baja amplitud proporcionan una ventaja adicional a partir de una menor presión media, ya que se reduce la posibilidad de recombinación de las moléculas de producto para formar la materia prima u otros subproductos no deseados. Además, la utilización de la geometría helicoidal de baja amplitud en los reactores para aplicaciones petroquímicas puede dar lugar a una menor deposición de carbono en los tubos del reactor, lo que resulta de particular importancia en la industria petroquímica.

La mezcla mejorada y la transferencia de calor más uniforme también favorecen la terminación de las reacciones de combustión sin una gran cantidad de aire en exceso (con respecto a la que se precisa por la estequiometría de las reacciones). Esto resulta particularmente importante para la incineración en hornos de eliminación de residuos, donde es necesario garantizar una reacción completa con el fin de evitar la formación de sustancias químicas y/o partículas que escapan a la atmósfera y que pueden resultar nocivas para el medio ambiente y para la salud de las personas. Esto puede evitarse al tiempo que se garantiza una combustión completa haciendo pasar los gases de combustión, cuando todavía están calientes, a través de una sección de tuberías con forma de hélice de baja amplitud antes de proceder a su liberación a la atmósfera. La generación de un flujo turbulento a través del horno aumenta la velocidad y la eficacia de la combustión así como la retirada de residuos.

De este modo, resultará evidente para los expertos que las tuberías con geometría helicoidal de baja amplitud pueden proporcionar numerosas ventajas.

Claims (7)

1. Un reactor que comprende un horno de producción de olefinas, comprendiendo además el reactor un tubo de reactor, que se caracteriza porque el tubo de reactor presenta un línea central (40) que sigue una trayectoria considerablemente helicoidal, en la que la amplitud (A) de la hélice es igual o menor que la mitad del diámetro interno (D_{I}) del tubo, con el fin de proporcionar una línea de mira a lo largo del lumen del tubo.

2. El reactor de la reivindicación 1, en el que el tubo presenta un corte transversal considerablemente circular y un diámetro externo (D_{E}) y en el que el tubo se encuentra en el interior de un sobre imaginario (20) que se extiende longitudinalmente y que presenta una anchura (W) igual a la anchura de barrido del tubo, definiendo la anchura de dicho sobre el espacio lateral ocupado por el tubo y siendo mayor que el diámetro externo (D_{E}) del tubo.

3. El reactor de la reivindicación 2, en el que el sobre presenta un eje longitudinal central (30) alrededor del cual la línea central helicoidal (40) del tubo sigue una trayectoria helicoidal, y en el que el eje longitudinal central es recto.

4. El reactor de la reivindicación 2, en el que el sobre presenta un eje longitudinal central (30) alrededor del cual la línea central helicoidal (40) del tubo sigue una trayectoria helicoidal, y en el que el eje longitudinal central es curvado.

5. El reactor de alguna de las reivindicaciones anteriores, en el que la amplitud (A) de la hélice es menor o igual que 0,4 del diámetro interno (D_{I}) del tubo.

6. El reactor de cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que el ángulo de hélice es menor o igual que 55º.

7. La utilización del reactor que comprende el horno de producción de olefinas de las reivindicaciones 1 a 6, para la producción de olefinas mediante pirólisis.