ES2896010T3 - Tubo de transferencia de calor - Google Patents

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Abstract

Un tubo (9) de transferencia de calor de película descendente vertical para la evaporación de película descendente de licor negro, teniendo el tubo (9) de transferencia de calor: - una superficie (21) de medio de calentamiento dispuesta para calentarla mediante un medio de calentamiento; y - una superficie (20) de película descendente opuesta y orientada en dirección opuesta a dicha superficie (21) de medio de calentamiento, cuya superficie (20) de película descendente está dispuesta para que pase sobre ella licor negro que contiene lignina y otros componentes disueltos de material celulósico y/o materiales inorgánicos del material celulósico y productos químicos usados como una película descendente mientras se evapora el disolvente de la película descendente y, por lo tanto, aumentar el contenido de materia seca; estando dicho tubo de transferencia de calor hecho de un material de chapa metálica, p. ej., un material de acero inoxidable de aleación alta con base de hierro con un contenido de aleación superior al 16,00 % de cromo y superior al 1 % de níquel, preferiblemente correspondiendo a cualidades de aceros resistentes a la corrosión al menos como AISI 316 o AISI 304 caracterizado por que la superficie (20) de película descendente del tubo (9) de transferencia de calor está equipada con múltiples protuberancias de alambre (PA), estando cada protuberancia de alambre separada a lo largo del eje longitudinal (CC) del tubo de transferencia de calor desde una protuberancia de alambre vecina en 3-300 mm; teniendo dichas protuberancias de alambre (PA) una altura (h) en el intervalo de 0,3-5,0 mm; teniendo dichas protuberancias de alambre (PA) un ancho (a) en el intervalo de 0,3-5,0 mm; y teniendo dichas protuberancias de alambre (PA) un ángulo (α) de inclinación con respecto a un plano ortogonal a un eje longitudinal (CC) del tubo (9) de transferencia de calor en un intervalo de 0°a 70°.

Description

DESCRIPCIÓN
Tubo de transferencia de calor
Campo técnico
La invención se refiere a un tubo de transferencia de calor para la evaporación de películas descendentes de licor negro. El tubo de transferencia de calor tiene una superficie de medio de calentamiento dispuesta para calentarla mediante un medio de calentamiento, y una superficie de película descendente opuesta y orientada en dirección opuesta a dicha superficie de medio de calentamiento, cuya superficie de película descendente está dispuesta para que pase sobre ella licor negro que contiene lignina y otros componentes disueltos de material celulósico y/o materiales inorgánicos del material celulósico y productos químicos usados como una película descendente mientras se evapora el disolvente (principalmente agua) de la película descendente y, por lo tanto, aumentar el contenido de materia seca así como la viscosidad. El tubo de transferencia de calor se elabora de un material de chapa metálica. Un material adecuado para usar es un material de acero con base de hierro, p. ej., un acero inoxidable de aleación alta con un contenido de aleación superior al 16,00 % de cromo y superior al 1 % de níquel, que corresponde, preferiblemente, a cualidades de aceros resistentes a la corrosión al menos como AISI 316 o AISI 304. La invención también se refiere a un método para fabricar un tubo de transferencia de calor para la evaporación de películas descendentes de licor negro como se ha descrito anteriormente.
Antecedentes
En el sector tecnológico general para mejorar la transferencia de calor, se han propuesto múltiples diseños para superficies de transferencia de calor, p. ej., en US-4251907. Sin embargo, ha resultado ser difícil mejorar las superficies de transferencia de calor en las etapas de evaporación del licor negro en los molinos de pulpa. Estos líquidos de origen biológico contienen frecuentemente una alta concentración de materia seca en forma de residuos de fibra, lignina y sales, lo que causa suciedad e incrustaciones en dichas etapas de evaporación. El contenido de materia seca puede en una primera etapa de evaporación ser del 20 % o más, y en las etapas finales de evaporación incluso alcanzar el 80 % o más, antes de quemar el licor negro en la caldera de recuperación. Por lo tanto, para evitar tal formación de suciedad e incrustaciones, los tubos de transferencia de calor están equipados predominantemente con superficies lisas en el lado del licor negro. Sin embargo, incluso con dichas superficies lisas muchas veces se observa que las precipitaciones se acumulan en las partes inferiores de dichas etapas de evaporación, requiriendo el apagado y acciones de limpiado intensivo. La posición de evaporación en la que se producen estas precipitaciones de flujo, es decir, el 1er, 2°, 3°, 4°, 5°, 6° o 7° efecto de evaporación en el tren de evaporación, depende de la concentración actual de diferente contenido de materia seca, y que puede cambiar de un molino a otro dependiendo del perfilado químico de los procesos usados y el tipo y origen del material celulósico. Para limpiar los tubos de transferencia de calor, existe la necesidad de lavar los tubos de transferencia de calor mediante el uso de métodos de limpieza bastante fuertes, tales como equipos de limpieza de alta presión, limpieza con vapor o limpieza con ácido. Cualquier modificación de las superficies debe realizarse de tal manera que los tubos de transferencia de calor puedan lavarse y, al mismo tiempo, permitir la limpieza funcional de los tubos. En particular, las modificaciones de las superficies deben realizarse de manera que no se destruyan o dañen más por la operación de limpieza.
Objeto de la invención
Un primer objeto de la invención es proporcionar un tubo de transferencia de calor vertical mejorado según la reivindicación 1 para la evaporación de películas descendentes de licor negro que contiene lignina y otros componentes disueltos de material celulósico y/o materiales inorgánicos del material celulósico y productos químicos usados.
Definiciones
A efectos de esta descripción, el término soldadura de superficie es una soldadura que se aplica sobre una superficie para acoplar un alambre y dar forma a una protuberancia de alambre sobre la superficie lisa. Una soldadura a tope es una soldadura que se aplica entre dos placas colindantes y fusiona estas placas en una placa común a través de dicha soldadura a tope.
A efectos de esta descripción, el término capa delgada o película descendente (de licor negro) es una capa de licor negro que tiene preferiblemente un espesor de 1-10 mm, que fluye sobre una superficie calentada y en el lado opuesto de la capa se expone a un ambiente gaseoso en el que se evaporará el disolvente. El licor negro puede ser, por ejemplo, licor de cocción negro.
La invención
El primer objeto de la invención se logra con un tubo de transferencia de calor como se ha descrito inicialmente, en donde la superficie de película descendente del tubo vertical de transferencia de calor está equipada con varias protuberancias de alambre según se observa en una dirección a lo largo de la extensión longitudinal del tubo de transferencia de calor. Las protuberancias de alambre se forman por uno o varios alambres y las protuberancias de alambre tienen una altura, medida ortogonalmente a la superficie de película descendente, en el intervalo de 0,3 a 5,0 mm, teniendo dichas protuberancias de alambre un ancho, medido en la parte más ancha ortogonalmente a la dirección longitudinal de las protuberancias de alambre, en el intervalo de 0,3 a 5,0 mm, y dichas protuberancias de alambre tienen un ángulo de inclinación con respecto a un plano ortogonal a un eje longitudinal del tubo de transferencia de calor en un intervalo de 0°-70°
Estas protuberancias de alambre proporcionan una alteración o turbulencia en la película delgada del licor de cocción negro que aumenta la velocidad de transferencia de calor mientras introducen solamente un aumento limitado de esfuerzo en el material. Esta solución también asegura que los tubos estén aún accesibles para las lanzas de rociado de vapor o ácido para la limpieza con vapor o ácido. Las protuberancias de alambre se sueldan generalmente a la superficie de película descendente, preferiblemente mediante el uso de electronic resistance welding (soldadura por resistencia electrónica - EWR), cuya técnica es adecuada ya que solo induce pequeños esfuerzos al material.
Los alambres usados pueden ser alambres comunes con un área de sección transversal circular. También puede ser un alambre que tenga un área transversal de forma cuadrada o cualquier forma deseada. En caso de que se use un alambre de forma circular, el área de sección transversal podría modificarse para que tenga una forma más cuadrada con bordes o al menos con una curvatura reconformada para adaptar su forma para dar a la protuberancia un mejor perfil para inducir turbulencia. Por lo tanto, la protuberancia puede tener diferentes formas de sección transversal para funcionar como un inductor de turbulencia.
El área de aplicación es de suma importancia para aumentar la eficiencia energética en el tren de evaporación de un molino de pulpa, ya que se usa aproximadamente 1/3 de la demanda de energía total de un molino de pulpa moderno en la planta de evaporación. La superficie de calentamiento total en el tren de evaporación en un molino de pulpa moderno pero corriente puede exceder los 50,000 m2. Si un tren de evaporación existente en un molino de pulpa necesita satisfacer una capacidad mayor, cuando los volúmenes totales de licor de cocción negro que evaporar aumentan a medida que aumenta la producción total de pulpa, esta capacidad de evaporación aumentada puede alcanzarse mediante modificaciones superficiales de las superficies de transferencia de calor en una estructura ya existente. Si se instala en una nueva planta de evaporación, se puede disminuir la superficie total de calentamiento instalada, lo que permite una mayor reducción de costes.
Los tubos de transferencia de calor pueden fabricarse a partir de una gran variedad de materiales de chapa metálica. Los tubos de transferencia de calor pueden fabricarse a partir de cualquier material adecuado para el fin. En el presente caso, podrían usarse cualesquiera materiales normales de recipiente a presión resistentes a la corrosión, p. ej., material de acero con base de hierro, diferentes calidades de aceros inoxidables y materiales similares normalmente usados en la evaporación de estos tipos de soluciones y suspensiones acuosas. Adecuado para formar los tubos del intercambiador de calor puede ser por ejemplo un material de acero inoxidable de aleación alta con base de hierro con un contenido de aleación superior al 16,00 % de cromo y superior al 1 % de níquel, que corresponde preferiblemente a cualidades de aceros resistentes a la corrosión como AlSI 316 o AISI 304 o mejor o dúplex. Dichas cualidades de acero soportan la elevada concentración alcalina junto con una elevada concentración de sulfidez que podría causar Stress Corrosion Cracking (agrietamiento por corrosión por esfuerzo - SSC). AISI 316 tiene una composición de aleación de Cr: 16,00­ 18,00 %, Ni: 10,00-12,00 %; Mo 2,00-2,50 %; AISI 304 tiene una composición de aleación de Cr: 17,50-18,50 %, Ni 8,00­ 10,00 %; Dúplex de baja aleación/ASTM S32101 tiene una composición de aleación de Cr: 21,00-24,00 %, Ni: 1,00­ 5,50 %; Mo: 0,10-0,60 %; y Dúplex de baja aleación/ASTM S32304 tiene una composición de aleación de Cr: 21,00­ 25,00 %, Ni: 3,00-6,00 %; Mo: 0,1-0,6 %. En estas aplicaciones, la deformación plástica excesiva debe mantenerse a un mínimo y tales modificaciones no son adecuadas generalmente para realizarlas en los tubos ya que estas dejan fuerzas de esfuerzo altas en el material que pueden ser difíciles de liberar mediante tratamiento térmico pues los tubos son más largos que los hornos de calentamiento disponibles.
Las dimensiones descritas anteriormente de las protuberancias de alambre (altura y ancho) se aplican, preferiblemente a evaporadores de tubo donde el diámetro del tubo está en el intervalo de 20-100 mm, aún con mayor preferencia, 40­ 60 mm, permitiendo la aplicación de dicho material de alambre que forma las protuberancias de alambre en tubos finalmente conformados, pero con mayor preferencia, en placas de acero planas que después se conforman y sueldan en tubos, p. ej., mediante soldadura a tope a través de una soldadura que se extiende axialmente o soldadura a tope a través de una soldadura que se extiende en espiral. En particular, cuando los alambres que forman las protuberancias de alambre se ubican en el interior de los evaporadores de tubo es útil soldar los alambres en placas de acero planas.
La eficiencia energética puede aumentarse en hasta el 100 % con estas dimensiones y orientaciones de las protuberancias de alambre, al mismo tiempo que se cumple el requisito de posibilidad de limpieza si se produce precipitación en las superficies de transferencia de calor durante la evaporación de la capa delgada que pasa de licor de cocción negro.
En una realización preferida de la invención, la distancia a lo largo del eje longitudinal del tubo de transferencia de calor entre protuberancias de alambre adyacentes, es decir, entre un borde superior de una protuberancia de alambre inferior y un borde inferior de una protuberancia de alambre superior, está en el intervalo de 3-250 mm, preferiblemente 3-50 mm, y aún con mayor preferencia 5-20 mm. Generalmente, la turbulencia inducida por las protuberancias de alambre tendrá un efecto en la película descendente para una distancia de aproximadamente 10 mm desde donde se induce la turbulencia hasta que el flujo turbulento vuelve a ser esencialmente laminar. La distancia específica depende de muchos parámetros tales como la forma y altura de las protuberancias de alambre, la viscosidad de la película líquida así como la velocidad en el flujo por lo que pueden desearse diferentes distancias entre las protuberancias de alambre dependiendo de estas condiciones. En su disposición más cercana, las protuberancias de alambre garantizarán una formación exhaustiva de turbulencia en la película delgada que nunca se estabilizará en un flujo laminar. En su disposición más distante, cada protuberancia de alambre limita la longitud del flujo laminar que se forma por debajo de una protuberancia de alambre anterior.
En una realización preferida de la invención la altura de dichas protuberancias de alambre está en el intervalo de 0,5 - 2,0 mm. Mantener la altura dentro de este intervalo mantiene los costes bajos para el material de alambre adicional.
La altura de las protuberancias de alambre puede ser mayor en tubos alimentados con licor de cocción negro con mayor contenido de materia seca. Por ejemplo, en un primer efecto de evaporación, donde el licor negro suministrado al efecto es del 20 %, la altura de la protuberancia de alambre puede ser de aproximadamente 0,5 mm ya que esta puede ser suficiente para causar turbulencia en condiciones de viscosidad relativamente bajas, mientras que un efecto de evaporación posterior alimentado con licor negro con un contenido de materia seca del 50 % puede tener una altura de las protuberancias de alambre de aproximadamente 2,0 mm ya que esta puede requerirse para causar turbulencia en condiciones de mayor viscosidad.
En la realización de la invención, el ancho de dichas protuberancias de alambre está en el intervalo de 0,3-5 mm, preferiblemente, 0,4-4 mm y, aún con mayor preferencia, 0,5-2 mm. Mantener el ancho dentro de este intervalo tiene la ventaja de inducir turbulencia en la película líquida al alterar el flujo de la película.
En una realización de la invención, varias protuberancias de alambre están inclinadas con respecto a un plano ortogonal al eje longitudinal del tubo de transferencia de calor y se extienden helicoidalmente a lo largo de al menos una parte de la longitud del tubo de transferencia de calor. Las protuberancias de alambre están inclinadas con un ángulo menor o igual que 70° y, preferiblemente, menor o igual que 50°. En algunas realizaciones, el ángulo de inclinación está dentro del intervalo de 1 °-15° y, en otras realizaciones, dentro del intervalo de 15°-45°. En una realización alternativa, al menos dos protuberancias de alambre pueden inclinarse y extenderse en paralelo, lo que hace posible aumentar el ángulo de cada protuberancia de alambre, es decir, cambiar el paso, al mismo tiempo que también aumenta la distancia, medida en la dirección longitudinal del tubo, entre protuberancias de alambre adyacentes.
En otra realización, una protuberancia de alambre puede extenderse dentro de un plano ortogonal al eje longitudinal del tubo de transferencia de calor. Ventajosamente, la protuberancia de alambre forma una protuberancia circular en la superficie de película descendente del tubo de transferencia de calor. Se pueden aplicar al menos cinco protuberancias de alambre paralelas a la superficie de película descendente del tubo de transferencia de calor. Ventajosamente, la distancia entre cada protuberancia de alambre con forma de anillo, p. ej., entre un borde superior de una protuberancia de alambre inferior y un borde inferior de una protuberancia de alambre superior, está dentro del intervalo de 3-250 mm, preferiblemente 3-50 mm y, aún con mayor preferencia, dentro del intervalo de 5-20 mm. El límite superior del número de tales protuberancias de alambre aplicadas está restringido por la longitud total del tubo y la distancia entre las protuberancias de alambre. En una realización de la invención, al menos la mitad de la longitud del tubo intercambiador de calor provisto de protuberancias de alambre y, con mayor preferencia, esencialmente todo el tubo intercambiador de calor, provisto de protuberancias de alambre a una distancia entre sí, es decir, entre un borde superior de una protuberancia de alambre inferior y un borde inferior de una protuberancia de alambre superior, está en el intervalo de 3-50 mm y, con mayor preferencia, en el intervalo de 5-20 mm.
En una realización preferida, se aplican protuberancias de alambre a la superficie de medio de calentamiento del tubo de transferencia de calor, cuya superficie de medio de calentamiento está expuesta al medio de calentamiento y es calentada por este. Tales protuberancias de alambre aumentarán el área total expuesta al medio de calentamiento y, por lo tanto, la energía transferida desde el medio de calor.
Una protuberancia de alambre puede estar formada por un alambre largo acoplado a la superficie de transferencia de calor para formar una espiral y así formar una cantidad de protuberancias de alambre adyacentes entre sí a lo largo de la superficie de transferencia de calor en la dirección longitudinal. Alternativamente, o junto con un alambre más largo que forme algunas de las protuberancias de alambre, podrían formarse las protuberancias de alambre por piezas más cortas de alambres, p. ej., piezas que correspondan a un círculo completo, de manera que se forme una pluralidad de protuberancias de alambre dispuestas en línea a una distancia entre sí por alambres separados. En cualquier caso, el alambre o los alambres se disponen para proporcionar múltiples protuberancias de alambre seguidas unas de otras a lo largo de la longitud longitudinal del tubo de transferencia de calor.
El tubo de transferencia de calor según la invención es adecuado para el licor negro con un contenido de materia seca superior al 0,5 %, e incluso más adecuado para el licor negro con un contenido de materia seca dentro de un intervalo del 15-50 %.
El tubo vertical de transferencia de calor según la invención es adecuado para evaporadores de películas descendentes verticales.
Un alambre para crear una protuberancia de alambre puede aplicarse sobre una superficie de un tubo de transferencia de calor ensamblado por medio de una soldadura de superficie, p. ej., mediante soldadura por resistencia térmica, como una modificación del uso de los tubos de transferencia de calor en etapas de evaporación existentes. Si la película delgada de licor negro fluye en el exterior del tubo, como en las Figuras 1a y 1b, podría usarse un cabezal de soldadura giratorio montado alrededor del tubo para unir el alambre. Después, el cabezal de soldadura giratorio puede impulsarse axialmente a lo largo del tubo mientras gira de manera que se aplique la soldadura de superficie y se acople el alambre. Si la película delgada de licor negro fluye en el interior del tubo, como en la Figura 2, se podría usar un cabezal de soldadura rotatorio que se extienda dentro del tubo junto con un mecanismo de alimentación para un alambre.
En un método alternativo para fabricar el tubo de transferencia de calor puede unirse el alambre mediante una soldadura de superficie, p. ej., mediante el uso de soldadura con resistencia, en al menos una superficie del tubo de transferencia de calor mientras se forma una tira de acero plana en un tubo. Mediante la integración de la aplicación del alambre durante la operación de formación del tubo, podrían mantenerse las horas de trabajo totales para la fabricación de tubos con protuberancias de alambre en el mismo orden que para los tubos no modificados. Por lo tanto, este método de trabajo tiene ventajas considerables en la reducción del tiempo y el coste de aplicar las protuberancias de alambre a los tubos de transferencia de calor.
En otro método alternativo similar para fabricar el tubo de transferencia de calor puede aplicarse el alambre por soldadura de superficie en al menos un lado de una tira de acero plana antes de conformar la tira en forma tubular y soldar los bordes de la tira de acero entre sí con una soldadura por fusión a tope. La aplicación del alambre mediante una soldadura de superficie sobre la tira de acero plana permitiría el uso de máquinas soldadoras estándares, p. ej., una máquina soldadora por resistencia electrónica.
También es posible aplicar el alambre sobre al menos una superficie de una tira de acero mientras se forma la tira de acero plana en una forma tubular mediante la conformación en espiral de la tira de acero plana y la soldadura de los bordes de la tira de acero entre sí con una soldadura por fusión a tope. Esto se realiza, preferiblemente, controlando la alimentación del alambre que forma las protuberancias y soldándolo sobre la superficie, p. ej., mediante soldadura por resistencia eléctrica, simultáneamente a medida que el cabezal de soldadura para soldadura a tope pasa sobre los bordes que se van a fusionar y conformar el tubo de intercambio de calor.
Dibujos
Las figuras muestran realizaciones preferidas de la invención, en donde
la Fig. 1a y 1b muestra, en vistas ortogonales en sección transversal, un evaporador de tubos donde el licor negro fluye como una película delgada en la superficie exterior de los tubos de transferencia de calor;
la Fig. 2 muestra esquemáticamente un evaporador de tubos alternativo, en donde el licor negro fluye como una película delgada en la superficie interior de los tubos de transferencia de calor;
la Fig. 3a muestra una primera realización de la modificación de superficie de la invención del tubo de transferencia de calor con una forma de alambre general continua helicoidal y un paso constante que forma las protuberancias de alambre, con una parte ampliada mostrada en la Fig. 3b, y mostrando la Fig. 3c una sección transversal del alambre o los alambres aplicados;
la Fig. 4a muestra una segunda realización de la modificación de superficie de la invención del tubo de transferencia de calor con múltiples alambres inclinados, con una parte ampliada mostrada en la Fig. 4b, y mostrando la Fig. 4c una sección transversal del alambre o los alambres aplicados; y
la Fig. 5 muestra una tercera realización de la modificación de superficie de la invención del tubo de transferencia de calor con una multitud de alambres circulares, todos dispuestos ortogonales al eje longitudinal del tubo, con una parte ampliada mostrada en la Figura 5b, y mostrando la Fig. 5c una sección transversal del alambre o los alambres aplicados; y
la Fig. 6 describe un método para producir dicho tubo de transferencia de calor como se describe en las Figuras 1-5.
Descripción detallada
A lo largo de esta descripción, una superficie de medio de calentamiento es una superficie dispuesta para calentarse mediante un medio de calentamiento, mientras que una superficie de película descendente es una superficie dispuesta para que pase sobre ella licor negro como una película descendente.
Las Figuras 1a y 1b ilustran esquemáticamente un evaporador de tubos para evaporar licor negro. El evaporador comprende un armazón 1 que contiene un conjunto 2 con múltiples tubos 9 de transferencia de calor dispuestos verticalmente en el armazón 1.
La Figura 1 se observa en una vista en sección transversal a través del armazón 1, con los tubos 9 de transferencia de calor expuestos. La Figura 1b también se observa en una vista en sección transversal a través del armazón 1, pero visto desde el lado izquierdo de la Figura 1a. Un líquido que concentrar, en este caso licor negro, se alimenta a través de una conexión 3 de entrada dentro del armazón 1, hacia su parte inferior, y forma un volumen de líquido con el nivel de superficie por debajo de los tubos 9. El licor se descarga desde la parte inferior del evaporador a través de una conexión 4 de salida y parte de este se bombea por medio de una bomba 5 mostrada esquemáticamente a través de un tubo circulante 6 hacia un depósito 7 de distribución por encima del conjunto 2, desde cuyo depósito fluye sustancialmente de manera uniforme en las cámaras 8 de distribución de vapor de los elementos de evaporación y desde allí sigue a lo largo de las superficies exteriores de película descendente de los tubos 9 de transferencia de calor separados hacia abajo. En el extremo inferior de los tubos 9 de transferencia de calor, el licor negro concentrado fluye a lo largo de la superficie exterior de las cámaras 10 de recogida de vapor y cae posteriormente en el licor en la parte inferior del armazón 1 y se mezcla con este.
Para proporcionar evaporación, el vapor se conduce a través de los tubos 9 de transferencia de calor y se alimenta primero a través de un canal 11 de entrada en la parte superior del conjunto 2 a las cámaras 8 de distribución de vapor conectadas a las partes superiores de los tubos 9 de transferencia de calor. Desde allí, el vapor entra primero en una cámara 12 de conexión, que se conecta a las cámaras 8 de recogida superiores de los elementos de evaporación, de manera que el vapor se distribuye a través de estos uniformemente a todos los tubos 9 de transferencia de calor. Correspondientemente, la parte restante del vapor y del condensado se recogen, después de haber pasado hacia abajo a lo largo de las superficies interiores de medio de calentamiento de los tubos 9 de transferencia de calor, en las cámaras 10 de recogida de vapor del extremo inferior de los elementos de evaporación, conectándose estas cámaras de recogida a una cámara 13 de conexión inferior. Desde la parte inferior de la cámara 13 de conexión inferior sale un canal 14 de salida para el condensado, a través de cuyo canal se descarga el condensado y, respectivamente, desde la parte superior de la cámara 13 de conexión sale un canal 15 de salida para el vapor, a través de cuyo canal se evacua el vapor de calentamiento restante. El agua evaporada del licor negro bajo la influencia del calentamiento se evacua como vapor a través de una conexión 16 de salida en el extremo superior del armazón 1 y, respectivamente, el licor concentrado se extrae de la recirculación a través de una tubería 17. Dentro del evaporador, delante de la conexión 16 de salida, hay, además, un separador 18 de vapor condensado de tal manera que el agua o las gotas de licor contenidas posiblemente en el vapor de escape queden atrapadas en el separador de vapor condensado y se conduzcan de regreso hacia abajo. El separador de vapor condensado se monta de manera que lo encierre una carcasa cerrada 19 en cada lado, de manera que todo el vapor de escape deba fluir a través del separador 18 de vapor condensado.
La Figura 2 ilustra esquemáticamente un evaporador de tubos alternativo para evaporar licor negro, con la diferencia de que el licor negro fluye como una película delgada sobre una superficie interior de película descendente del tubo de transferencia de calor. A los detalles con la misma función que los mostrados en la Figura 1 y 2 se les da el mismo número de referencia. La Figura 2 se observa en una vista en sección transversal a través del armazón 1, con solo uno de los tubos 9 de transferencia de calor expuesto. En un evaporador real hay varios tubos dispuestos en paralelo, con una distancia de aproximadamente 1-4 centímetros entre los tubos 9 de transferencia de calor vecinos y con un diámetro de tubo en el intervalo de 2-10 centímetros. Un licor negro que concentrar se alimenta a través del armazón 1, hacia su parte inferior, formando un volumen de licor negro con el nivel de superficie por debajo de los tubos 9 de transferencia de calor. El licor negro se descarga desde la parte inferior del evaporador a través de una conexión 4 de salida y parte de este se bombea por medio de una bomba 5 mostrada esquemáticamente a través de un tubo circulante 6 hacia un depósito 7 de distribución. Desde el nivel de superficie superior del depósito, el licor negro fluye sobre el borde superior del tubo y sobre la superficie interna de película descendente del tubo 9 de transferencia de calor como una película delgada y más hacia abajo. En el extremo inferior del tubo 9 de transferencia de calor, el licor negro concentrado cae en el volumen de líquido. Mientras fluye como una película delgada sobre la superficie interior de película descendente del tubo 9 de transferencia de calor, el tubo es calentado por un medio de calentamiento en la superficie exterior del medio de calentamiento del tubo 9 de transferencia de calor y, por lo tanto, la película queda expuesta a evaporación durante su paso. El medio de calentamiento se suministra a través del canal 11 de entrada, y en el extremo inferior el vapor residual se extrae a través del canal 15 de salida y el condensado de vapor limpio se drena a través del canal 14 de salida. El vapor sucio evaporado del licor negro puede descargarse a través de la conexión 16a de salida superior y la conexión 16b de salida inferior y, preferiblemente, se usan deflectores/separadores 18 de vapor condensado. El licor concentrado se extrae de la recirculación a través de una tubería 17. Cabe señalar que el medio de calentamiento también puede evaporar su vapor desde otras etapas de evaporación y, en tales casos, el condensado recogido en el canal 14 de salida no se clasifica como agua limpia, más bien como condensado sucio que contiene turpentina u otros líquidos que tiene una temperatura de condensación cercana a la establecida en la cámara del medio de calentamiento.
La invención puede usarse en ambos tipos de evaporadores de tubo, es decir, donde el licor negro fluye como una película delgada en una superficie de película descendente externa del tubo de transferencia de calor, como se muestra en las Figuras 1a y 1b, y donde el licor negro fluye como una película delgada en una superficie de película descendente interna del tubo de transferencia de calor, como se muestra en la Figura 2.
La Figura 3a muestra esquemáticamente una vista de un tubo 9 de transferencia de calor. La Figura 3b muestra una parte ampliada de la Figura 3a, y la Figura 3c muestra una vista en sección transversal de la protuberancia de alambre PA. En las figuras:
• CC es el eje longitudinal del tubo 9 de transferencia de calor;
• d es la distancia entre protuberancias de alambre PA adyacentes;
• a es el ángulo de inclinación de la protuberancia de alambre PA con respecto a un plano ortogonal al eje central CC del tubo 9 de transferencia de calor, en esta realización, cercano a 15°;
• La distancia D entre protuberancias estampadas adyacentes a lo largo del eje longitudinal del tubo de transferencia de calor es d dividida por cos a; a corresponde al ángulo entre el eje central CC y un eje ortogonal a la dirección de extensión de las protuberancias de alambre
• h es la altura de dicha protuberancia de alambre PA, medida ortogonalmente a la superficie 20 de película descendente, preferiblemente, en el intervalo de 0,4 a 4,0 mm; y
• a es el ancho de dicha protuberancia de alambre PA, medido sobre la parte más ancha y ortogonalmente a la dirección longitudinal de la protuberancia de alambre PA, preferiblemente, en el intervalo de 2-15 mm.
Las mismas denotaciones también se aplicarán en las Figuras 4 y 5.
En la Figura 3a se muestra un alambre que forma una multitud de protuberancias de alambre PA que se aplican en una superficie 20 de película descendente externa del tubo 9 de transferencia de calor. El patrón helicoidal formará así una multitud de protuberancias de alambre PA que cruzan una línea imaginaria que se extiende a lo largo de la superficie envolvente del tubo 9 de transferencia de calor desde un extremo al otro paralela al eje longitudinal CC. Como se describe en la Figura 3a, el alambre continuo y de forma helicoidal que se extiende en la superficie envolvente del tubo de transferencia de calor debe corresponder a 30 protuberancias de alambre PA distribuidas a lo largo de la superficie envolvente que interseca o pasa por una línea imaginaria en la superficie envolvente que se extiende desde el extremo superior U hasta el extremo inferior L del tubo 9 de transferencia de calor paralela al eje longitudinal CC.
Cabe señalar que la misma configuración también podría lograrse si hay una multitud de partes de alambre añadidas, p. ej., podría haber una multitud de partes de alambre que tengan una longitud que corresponda a una vuelta completa para un cierto ángulo de inclinación, de manera que un extremo de una primera parte de alambre estará en línea con un extremo de una parte de alambre próxima de manera que la estructura general sugerirá un solo alambre que forma una hélice. Por lo tanto, las partes de alambre deben tener una longitud correspondiente a la circunferencia del tubo dividida por cos a para que las partes de alambre se adapten para encajar entre sí y tener el ángulo de inclinación a prescrito.
La Figura 3b muestra una parte ampliada de la Figura 3a donde se describe un par de protuberancias de alambre vecinas paralelas PP y la distancia d entre las protuberancias de alambre es la distancia a lo largo de una línea ortogonal a la dirección de extensión de las protuberancias de alambre. La distancia D, que es la distancia entre un par de protuberancias de alambre vecinas a lo largo del eje longitudinal CC que coincide, generalmente, con la dirección vertical cuando el tubo 9 de transferencia de calor está en uso, puede calcularse como d dividido por a, D = d/cos a. En la Figura 3c se describe una vista en sección transversal de una protuberancia de alambre PA esencialmente circular acoplada a la superficie envolvente exterior, que en este caso es la superficie 20 de película descendente. La protuberancia se describe algo desviada de un alambre de forma circular al comprimirse y aplanarse un poco como consecuencia de una ligera deformación de la operación de soldadura.
Debe entenderse que, en lugar de esto, el alambre puede aplicarse en la superficie interior de un tubo de transferencia de calor, aunque sea un poco más complicado, si la película delgada del licor de cocción negro fluye en dicha superficie interior.
La Figura 4 muestra una segunda realización del tubo 9 de transferencia de calor según la invención. La Figura 4a muestra esquemáticamente el tubo 9 de transferencia de calor con múltiples partes de alambre aplicadas por soldadura para formar protuberancias de alambre PA paralelas que se estiran continuamente a lo largo de la superficie envolvente exterior.
La Figura 4b muestra una parte ampliada del tubo de transferencia de calor, en donde:
• d es la distancia entre protuberancias de alambre PA adyacentes,
• a es el ángulo de inclinación de las protuberancias de alambre PA con respecto a un plano ortogonal al eje central CC del tubo 9 de transferencia de calor, en esta realización, de aproximadamente 45°.
• D es la distancia entre protuberancias estampadas adyacentes en una dirección paralela al eje longitudinal CC y se calcula dividiendo d por cos a
En la Figura 4c se describe una vista en sección transversal de una protuberancia de alambre PA ovalada acoplada a la superficie envolvente exterior, que en este caso es la superficie 20 de película descendente. La protuberancia se describe algo desviada de un alambre de forma ovalada al ser algo aplanada en su punto de contacto con la superficie de película descendente como consecuencia de una ligera deformación de la operación de soldadura. La forma ovalada puede lograrse al comprimir un alambre, que tenga una sección transversal circular, contra la superficie 20 de película descendente cuando se acopla a la superficie.
La Figura 5 muestra una tercera realización del tubo 9 de transferencia de calor. En la Figura 5a se muestra una multitud de alambres circulares acoplados por soldaduras de superficie de manera que forman protuberancias de alambre PA aplicadas a la superficie 20 de película descendente externa del tubo de transferencia de calor. Todas las protuberancias de alambre PA se disponen ortogonales al eje longitudinal CC del tubo 9 de transferencia de calor. Cada protuberancia de alambre es, por lo tanto, un anillo circular, con una multitud de anillos aplicados a lo largo de la superficie envolvente exterior del tubo de transferencia de calor.
La Figura 5b muestra una parte ampliada del tubo 9 de transferencia de calor. En este caso, la distancia D, que es la distancia entre dos protuberancias de alambre adyacentes a lo largo del eje longitudinal CC del tubo 9 de transferencia de calor, será igual a la distancia d, que es la distancia entre las protuberancias de alambre PA ortogonal a su extensión longitudinal, ya que cuando a=0 cos a será cos 0 = 1 por lo que la distancia D = d / cos a = d / 1 = d.
En la Figura 5c se describe una vista en sección transversal de una protuberancia de alambre PA esencialmente de forma cuadrada acoplada a la superficie envolvente exterior, que en este caso es la superficie 20 de película descendente. La protuberancia de alambre tiene esquinas algo redondeadas para reducir la acumulación de suciedad. La forma ovalada puede lograrse al comprimir el alambre contra la superficie 20 de película descendente a la que está unido. La altura de la protuberancia de alambre está, preferiblemente, en el intervalo de 0,3 a 5,0 mm y el ancho a, preferiblemente, en el intervalo de 0,3 a 5,0 mm, como las otras formas de alambres descritas en las Figuras 4 y 5.
En las Figuras 3-5 se han descrito diferentes superficies en sección transversal de las protuberancias de alambre PA. Es obvio que cualquiera de estas formas se aplicaría a la disposición en cualquiera de las realizaciones descritas en las Figuras 3-5, y pueden usarse otras formas diferentes.
Los alambres que forman las protuberancias de alambre PA que se dispondrán sobre la superficie 20 de película descendente del tubo 9 de transferencia de calor pueden unirse sobre el tubo de transferencia de calor después de que el tubo 9 de transferencia de calor se conforme o a una tira de acero plana antes o simultáneamente al conformar la tira en una forma tubular. Las partes de alambre usadas para formar las protuberancias de alambre PA pueden disponerse en una red por medio de alambres de fijación delgados, fijando la distancia entre las partes de alambre a una distancia equidistante entre las partes de alambre vecinas, antes de acoplar la red sobre la superficie mediante soldadura, p. ej., mediante soldadura por resistencia eléctrica. Los alambres de fijación pueden ser de cualquier material adecuado que dure al menos el tiempo suficiente para mantener las partes de alambre en su lugar correcto cuando se lleve a cabo la soldadura.
En la Figura 6 se describe un método para producir el tubo 9 de transferencia de calor. En una primera etapa, descrita en la Figura 6a, se describe cómo las partes 101 de alambre se disponen en una red 102 de fijación de alambre que se ha enrollado en un rollo 103 de red de alambre. La red 102 de fijación de alambre se desenrolla del rollo 103 de red de alambre y se extiende sobre una chapa 104 de metal. La chapa 104 de metal también podría provenir de un rollo de chapa de metal enrollada.
Dependiendo del equipo de fabricación disponible, existen varias maneras diferentes de realizar la aplicación de las partes 101 de alambre a la chapa 104 de metal. Por ejemplo, las partes 101 de alambre podrían acoplarse fácilmente, p. ej., mediante Electrical Resistance Welding (soldadura por resistencia eléctrica - ERW), a la chapa 104 de metal al mismo tiempo que el rollo 103 de red de alambre se desenrolla y coloca sobre la chapa 104 de metal para formar una chapa 105 de metal con protuberancias de alambre que comprende protuberancias de alambre PA como se describe en la Figura 6b. Las protuberancias pueden diseñarse de manera diferente dependiendo del uso previsto del tubo 9 de transferencia de calor que se fabrique.
En la Figura 6b se ilustran 3 configuraciones diferentes de protuberancias de alambre; PA1, que son protuberancias de alambre hechas para estirar esencialmente la mitad del ancho de la chapa 104 de metal, estirándose cada segunda protuberancia de alambre desde una primera cara de la chapa de metal y estirándose cada otra segunda protuberancia de alambre desde la otra segunda cara de la chapa 104 de metal. Las protuberancias de alambre están separadas en cada cara aproximadamente 2d una de la otra y, en una región superpuesta en el medio de la chapa 105 de metal con protuberancias de alambre, la distancia entre las protuberancia de alambre PA1 más cercanas es la mitad de la distancia, es decir, la distancia d. También hay algunas protuberancias de alambre de la mitad de la longitud que describen una disposición con protuberancias de alambre PA1 inclinadas. En un segundo patrón de las protuberancias de alambre PA2, estas se estiran por todo el ancho de la chapa 105 de metal con protuberancias de alambre y están separadas por una distancia d entre sí. En otra realización más, se describe el tercer tipo de protuberancias de alambre, PA3, que se fabrican a partir de alambres más cortos que tienen dos o tres piezas en línea y que tienen cuatro filas de protuberancias de alambre, las protuberancias de alambre en cada fila están separadas por una distancia de 2d y las líneas están separadas entre sí por una distancia d. Por lo tanto, las partes 101 de alambre pueden diseñarse para tener diferentes longitudes y configuraciones unas con relación a otras y pueden lograrse diferentes configuraciones de las protuberancias de alambre PA en el tubo 9 de transferencia de calor dependiendo del patrón de las partes 101 de alambre en el rollo 103 de red de alambre. Generalmente, la chapa de metal con protuberancias de alambre solo comprende uno de estos patrones descritos en la Figura 6b y la disposición diferente en la misma chapa de metal con protuberancias de alambre en la Figura 6b es principalmente para mostrar diferentes patrones posibles.
Cuando la chapa 105 de metal con protuberancias de alambre se ha fabricado con las partes 101 de alambre acopladas como se describe en la Figura 6b, podría enrollarse y transportarse como un rollo a una ubicación deseada. Alternativamente, la chapa 105 de metal con protuberancias de alambre podría transportarse, además, para trabajarla sin enrollarla nuevamente. La chapa 105 de metal con protuberancias de alambre podría, por ejemplo, transportarse directamente a otra estación de soldadura donde la chapa 105 de metal con protuberancias de alambre se dobla y enrolla para tener forma tubular, p. ej., como se describe en la Figura 6c, antes de soldarse en los bordes mediante soldadura a tope para formar los tubos 9 de transferencia térmica.
En una realización alternativa (no se muestra), no se usa una red 102 de fijación de alambre, sino que las partes 101 de alambre se ubican directamente en la chapa 104 de metal, p. ej., teniendo un alambre largo que se coloque en la ubicación correcta en la chapa 104 de metal, donde una parte 101 de alambre se suelda a la chapa y se corta del alambre largo cuando se suelda para formar una protuberancia de alambre PA en la chapa 104 de metal.
Cabe señalar, además, que las partes de alambre en la red pueden tener otras configuraciones, p. ej., dispuestas para tenderse sobre la chapa 104 de metal de manera que las protuberancias de alambre se inclinen como se describe en las Figuras 3 y 4. Por consiguiente, como se describió anteriormente, el patrón con forma helicoidal descrito en la Figura 3 se puede hacer a partir de una multitud de partes de alambre discretas.
Los métodos descritos anteriormente pueden tener ventajas de proceso ya que el acoplamiento de las protuberancias puede hacerse a una superficie plana y formar parte del proceso de conformación del tubo de transferencia de calor cuando se trabaja la chapa de metal. Por lo tanto, esto implica un proceso eficaz sin necesidad de trabajar los tubos cilíndricos de transferencia de calor después de conformarlos, lo que puede ser en particular un proceso más complicado cuando se desee ubicar las protuberancias en el interior del tubo. Sin embargo, también sería posible acoplar los alambres para proporcionar protuberancias en tubos existentes, p. ej., si se desea, proveer a tubos ya existentes de dichas protuberancias como se describe en la presente descripción para mejorar el rendimiento en una planta de proceso de pulpa en funcionamiento.

Claims (8)

  1. REIVINDICACIONES
    i. Un tubo (9) de transferencia de calor de película descendente vertical para la evaporación de película descendente de licor negro, teniendo el tubo (9) de transferencia de calor:
    - una superficie (21) de medio de calentamiento dispuesta para calentarla mediante un medio de calentamiento; y
    - una superficie (20) de película descendente opuesta y orientada en dirección opuesta a dicha superficie (21) de medio de calentamiento, cuya superficie (20) de película descendente está dispuesta para que pase sobre ella licor negro que contiene lignina y otros componentes disueltos de material celulósico y/o materiales inorgánicos del material celulósico y productos químicos usados como una película descendente mientras se evapora el disolvente de la película descendente y, por lo tanto, aumentar el contenido de materia seca; estando dicho tubo de transferencia de calor hecho de un material de chapa metálica, p. ej., un material de acero inoxidable de aleación alta con base de hierro con un contenido de aleación superior al 16,00 % de cromo y superior al 1 % de níquel, preferiblemente correspondiendo a cualidades de aceros resistentes a la corrosión al menos como AISI 316 o AISI 304 caracterizado por que la superficie (20) de película descendente del tubo (9) de transferencia de calor está equipada con múltiples protuberancias de alambre (PA), estando cada protuberancia de alambre separada a lo largo del eje longitudinal (CC) del tubo de transferencia de calor desde una protuberancia de alambre vecina en 3-300 mm; teniendo dichas protuberancias de alambre (PA) una altura (h) en el intervalo de 0,3-5,0 mm; teniendo dichas protuberancias de alambre (PA) un ancho (a) en el intervalo de 0,3-5,0 mm; y teniendo dichas protuberancias de alambre (PA) un ángulo (a) de inclinación con respecto a un plano ortogonal a un eje longitudinal (CC) del tubo (9) de transferencia de calor en un intervalo de 0° a 70°.
  2. 2. Un tubo (9) de transferencia de calor de película descendente vertical según la reivindicación 1 en donde dichas protuberancias de alambre (PA) están formadas por múltiples partes de alambre ubicadas en la superficie (20) de película descendente, teniendo cada parte de alambre una extensión en la superficie de película descendente de manera que su proyección sobre un plano ortogonal al eje longitudinal corresponde a un círculo completo de 360° o menos.
  3. 3. Un tubo (9) de transferencia de calor de película descendente vertical según cualquier reivindicación anterior, en donde una distancia (d) a lo largo del eje longitudinal (CC) entre protuberancias de alambre adyacentes está en el intervalo de 3-50 mm, con mayor preferencia dentro del intervalo de 5-20 mm.
  4. 4. Un tubo (9) de transferencia de calor de película descendente vertical según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde la altura (h) de dichas protuberancias de alambre (PA) está en el intervalo de 0,5 a 2,0 mm, preferiblemente 0,7-1,7 mm.
  5. 5. Un tubo (9) de transferencia de calor de película descendente vertical según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde al menos una protuberancia de alambre (PA) está inclinada en relación con dicho plano ortogonal.
  6. 6. Un tubo (9) de transferencia de calor de película descendente vertical según cualquiera de las reivindicaciones 1-5 en donde al menos una protuberancia de alambre (PA) se extiende dentro de un plano ortogonal al eje longitudinal (CC) del tubo (9) de transferencia de calor.
  7. 7. Un tubo (9) de transferencia de calor de película descendente vertical según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde al menos una protuberancia de alambre se aplica sobre la superficie (21) de medio de calentamiento del tubo (9) de transferencia de calor.
  8. 8. Un evaporador (30) de película descendente vertical para la evaporación de película descendente de licor negro, caracterizado por que dicho evaporador (30) de película descendente comprende una pluralidad de tubos (9) de transferencia de calor de película descendente dispuestos verticalmente según cualquiera de las reivindicaciones 1-7.
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