PROCEDIMIENTO Y TUBO CON ALETAS PARA LA DISOCIACIÓN TÉRMICA DE HIDROCARBUROS.

Procedimiento y tubo con aletas para la disociación térmica de hidrocarburos La invención se refiere a un tubo con aletas para la disociación térmica de hidrocarburos en presencia de vapor, en el que la mezcla utilizada se conduce mediante tubos calentados exteriormente, con aletas interiores de forma helicoidal. Para la pirólisis a alta temperatura de hidrocarburos (derivados del petróleo) se han acreditado hornos tubulares en los que se conduce una mezcla hidrocarburo / vapor de agua a temperaturas superiores a 750º C, por hileras de tubos (serpentines de craqueo) dispuestos aislados o formando meandros, de aleaciones refractarias de acero cromo níquel, con alta resistencia a la oxidación o a la formación de cascarilla, y con alta resistencia a la carburación. Los serpentines se componen de trozos rectos de tubo que discurren verticales y que están unidos unos con otros mediante codos tubulares de forma de U, o están dispuestos paralelos unos a otros; se calientan normalmente con ayuda de quemadores en la pared lateral y parcialmente también con ayuda de quemadores de solera, y poseen pues una llamada cara solar vuelta hacia los quemadores, así como una llamada cara de sombra desplazada 90º de aquella, es decir, que discurre en la dirección de las hileras de tubos. Aquí las temperaturas medias de la pared del tubo (TMT) están situadas en parte por encima de los 1000º C. La vida útil de los tubos de craqueo depende mucho en lo esencial, de la resistencia a la fluencia y de la resistencia a la carburación, así como de la velocidad de coquización del material de los tubos. Determinantes para la velocidad de coquización, es decir, para el crecimiento de una capa de depósitos de carbono (coque pirolítico) en la pared interior del tubo, son junto al tipo de los hidrocarburos empleados, la temperatura del gas de disociación en la zona de la pared interior, y la llamada causticidad de craqueo, tras la cual se oculta la influencia de la presión del sistema y del tiempo de permanencia en el sistema de tubos, sobre la producción de etileno. La causticidad de disociación se ajusta mediante la temperatura media de salida de los gases de disociación (por ejemplo, 850ºC). Cuanto mayor esté situada la temperatura del gas en la proximidad de la pared interior del tubo, sobre la temperatura de esta, con tanta mayor intensidad crece la capa del coque pirolítico, cuyo efecto aislante permite subir más la temperatura de la pared del tubo. A pesar de que las aleaciones de acero cromo níquel que se llegan a emplear como material del tubo, con 0,4% de carbono, más de 25% de cromo y más de 20% de níquel, por ejemplo, 35% de cromo, 45% de níquel, y en su caso 1% de niobio, poseen una alta resistencia a la carburación, el carbono se difunde en puntos defectuosos de la capa de óxido en la pared tubular, y conduce allí a una carburación elevada que puede llegar a contenidos de carbono del 1% al 3%, en profundidades de pared de 0,5 a 3 mm. Vinculada con esto está una considerable fragilidad del material del tubo, con el peligro de una formación de grietas en caso de carga térmica variable, en especial al arrancar y parar el horno. Para desmantelar los depósitos de carbono (coquización) en la pared interior del tubo, es necesario interrumpir de vez en cuando el craqueo, y quemar el coque pirolítico con ayuda de una mezcla vapor / aire. Esto exige una interrupción funcional de hasta 38 horas, y merma pues notablemente la economía del procedimiento. Por la solicitud británica de patente 969 796 y la publicación europea de patente 1 136 541 A1, se conoce también la utilización de tubos de craqueo con aletas interiores. Tales aletas interiores claro que producen una superficie interior mayor en gran porcentaje, por ejemplo, en un 10% y, por lo tanto, una mejor transmisión del calor: pero también están vinculados con el inconveniente de una notablemente elevada pérdida de presión, en comparación con un tubo liso, como consecuencia de la fricción en la superficie interior aumentada del tubo. La mayor pérdida de presión exige una mayor presión del sistema, con lo que se modifica forzosamente el tiempo de permanencia y se empeora el rendimiento. Además, se añade que los conocidos materiales del tubo, con altos contenidos en carbono y cromo, ya no se pueden perfilar más por deformación en frío, por ejemplo, por estirado en frío. Tienen el inconveniente de que su capacidad de deformación se reduce intensamente con la resistencia creciente al calor. Esto ha conducido a que las altas temperaturas de la pared del tubo, deseadas con vistas a la producción de etileno, de por ejemplo hasta 1050º C, exijan la utilización de tubos de fundición centrifugada. No obstante, puesto que los tubos de fundición centrifugada sólo se pueden fabricar con pared cilíndrica, se necesita un procedimiento muy especial de conformación, por ejemplo, un trabajo de erosión electrolítica, o un procedimiento de conformación por soldadura, para fabricar tubos con aletas interiores. Finalmente, por la solicitud de patente de US, 5 950 718, se conoce también un espectro completo de ángulos de inclinación y también de distancias entre las aletas interiores, no obstante, sin que se tome en consideración la naturaleza de las aletas. Ante este telón de fondo, la misión de la invención se basa en mejorar la economía de la disociación térmica de hidrocarburos en hornos tubulares con tubos calentados exteriormente, con aletas interiores de forma helicoidal. La solución de la misión consiste en un tubo con aletas según la reivindicación 1. En el tubo con aletas según la invención, una corriente rotatoria inicia vórtices que se desprenden en los flancos de las aletas, de manera que no se llega a una reducción local del vórtice, según el tipo de una corriente circular cerrada, en los valles de las aletas. A pesar de los recorridos evidentemente más largos de las partículas por las trayectorias helicoidales, el tiempo medio de permanencia es menor que en el tubo liso y, además, más homogéneo en la 2   sección transversal (véase figura 7). Esto se confirma por la mayor velocidad total en el tubo perfilado con torsión (perfil 3), respecto al tubo con aletas rectas (perfil 2). Esto está pues garantizado cuando las aletas discurren en un ángulo, de preferencia, de 25º a 32,5º respecto al eje del tubo. En el tubo con aletas según la invención, el aporte de calor forzosamente diferente a lo largo de la periferia del tubo, entre la cara solar y la cara de sombra, se nivela en la pared del tubo y en el interior del tubo, y con esto el calor se evacua con rapidez hacia el interior, a la zona central. Con ello está unida una reducción del peligro de un sobrecalentamiento local del gas de proceso en la pared del tubo, y de la generación de coque pirolítico, ocasionada de este modo. Además, es menor la carga térmica del material del tubo, como consecuencia de la nivelación de temperatura entre cara solar y cara de sombra, lo que conduce a un alargamiento de la vida útil. Finalmente, en el tubo con aletas según la invención se llega también a una homogeneización de la temperatura en toda la sección transversal del tubo, con la consecuencia de una mejor producción de olefinas. El fundamento de esto es que, sin la nivelación radial de temperatura según la invención, en el interior del tubo, se llegaría en la pared caliente del tubo, a un sobrecraqueo, y en el centro del tubo, a una recombinación de los productos de disociación. Por lo demás, en el tubo liso, y reforzado en perfiles de aletas con perímetro interior aumentado mediante aletas, en más del 5%, por ejemplo el 10%, se forma una capa de corriente laminar, característica de corrientes turbulentas, con transmisión muy reducida del calor. Esta capa conduce a la formación reforzada de coque pirolítico, asimismo con mala conductividad térmica. Las dos capas exigen juntamente una mayor aportación de calor, o una mayor potencia de los quemadores. Esto aumenta la temperatura (TMT) de la pared del tubo y, por tanto, acorta la vida útil. La invención evita esto haciendo que el perímetro interior del perfil sea como máximo el 5%, por ejemplo, el 4% o también el 3,5%, referido al perímetro del círculo circunscrito tangente a los valles de las aletas. Expresado de otro modo: el perímetro relativo del perfil asciende como máximo a 1,05 del perímetro del círculo circunscrito. Por consiguiente, la diferencia de superficies del tubo perfilado según la invención, es decir, su superficie interior desarrollada, referida a un tubo liso con el diámetro del círculo circunscrito, asciende como máximo a +5% ó a 1,05 veces la superficie del tubo liso. El perfil del tubo según la invención, permite un menor peso específico (kg/m) del tubo, en comparación con un tubo con aletas, en el que el perímetro interior del perfil... [Seguir leyendo]

1. Tubo con aletas para el craqueo térmico de hidrocarburos en presencia de vapor, caracterizado por aletas interiores inclinadas con un ángulo de 20º a 40º con respecto al eje del tubo, que discurren en forma helicoidal al radio (RI) del círculo que toca las cimas de las aletas, y valles de las aletas y cimas de las aletas contiguas unas a otras con simetría de espejo, en forma de una línea ondulada, con el mismo radio de curvatura, en los que el ángulo (ß) de flancos de la respectiva tangente en el punto de contacto de los dos radios (R) de curvatura con respecto a la per- pendicular al radio (RI) del círculo que toca las cimas de las aletas en el punto culminante de cada uno de los valles de las aletas o de las cimas de las alteas, es de 18º a 25º, 2. Tubo con aletas según la reivindicación 1, caracterizado porque el ángulo de inclinación es de 22,5º a 32,5º. 3. Tubo con aletas según la reivindicación 1 ó 2, caracterizado porque el perímetro interior del perfil es mayor en un máximo del 5%, referido al perímetro del círculo circunscrito que toca los valles de las aletas. 4. Tubo con aletas según alguna de las reivindicaciones 1 a 3, caracterizado porque el ángulo ß) ( de flancos de las aletas, es de 19 a 21º. 5. Tubo con aletas según alguna de las reivindicaciones 1 a 3, caracterizado por en total seis a doce aletas. 6. Tubo con aletas según alguna de las reivindicaciones 1 a 5, caracterizado porque el diámetro hidráulico del tubo con aletas es al menos igual al diámetro (RI) del círculo interior. 7. Tubo con aletas según alguna de las reivindicaciones 1 a 6, caracterizado porque la relación QR / Q0 del cociente de los coeficientes de transmisión del calor, al cociente PR /P0 de las pérdidas de presión en el ensayo con agua, es de 1,4 a 1,5, significando R un tubo con aletas y 0, un tubo liso. 8. Tubo con aletas según alguna de las reivindicaciones 1 a 7, caracterizado porque el radio (R) de curvatura de la sección transversal de la aleta, es de 3,5 a 20 mm. 9. Tubo con aletas según alguna de las reivindicaciones 1 a 8, caracterizado por una altura (H) de las aletas de 1,25 a 3 mm. 10. Tubo con aletas según alguna de las reivindicaciones 1 a 9, caracterizado porque la sección transversal libre dentro del perímetro (Up) del perfil, es de un 85 a un 95% de la superficie del círculo (Fa) circunscrito. 11. Tubo con aletas según alguna de las reivindicaciones 1 a 10, caracterizado porque la superficie (Fp) del perfil es del 40 al 50% de la superficie anular entre el círculo circunscrito y el círculo interior. 12. Tubo con aletas según alguna de las reivindicaciones 1 a 11, de fundición centrifugada de una aleación de níquel con 0,1% a 0,5% de carbono, 20 a 35% de cromo, 20 a 70% de níquel, hasta 3% de silicio, hasta 1% de niobio, hasta 5% de wolframio, así como adiciones de hafnio, titanio, tierras raras o circonio, de hasta 0,5% de cada una, y hasta 6% de aluminio. 13. Tubo con aletas según la reivindicación 12, en el que la aleación contiene aislada o simultáneamente, al menos 0,02% de silicio, 0,1% de niobio, 0,3% de wolframio y 1,5% de aluminio. 7   8   9     11   12   13   14