Equipo de haz de tubos con elementos reguladores de flujo de líquido.

Equipo de haz de tubos del tipo de película de líquido descendente,

adecuado para intercambio térmico entre fluidos, incluyendo un cuerpo cilíndrico vertical cerrado en los extremos y dividido en al menos una sección superior (1), una sección intermedia (3) y una sección inferior (2) por medio de dos hojas de tubo perforadas (15, 106, 206, 16) dispuestas transversalmente a una distancia adecuada una de otra, donde una pluralidad de tubos (111, 4) están dispuestos longitudinalmente formando un haz de tubos e insertados herméticamente con los respectivos extremos en los agujeros de dichas hojas de tubo (15, 106, 206, 16) permitiendo que dicha sección superior (1) y la sección inferior (2) del cuerpo cilíndrico estén en comunicación de fluido una con otra, rematado cada tubo (4, 11), en el extremo superior por un dispositivo tubular (5, 102), también llamado férula, para la entrada y distribución del líquido en forma de una película a lo largo de la pared del mismo, incluyendo dicho dispositivo tubular (5, 102), encima, una o más aberturas (103, 203) para la salida de vapores, a una altura intermedia una o más aberturas (204, 104), preferiblemente tangenciales, para la entrada del líquido y, debajo, una base circular (216) para sujeción en el extremo superior de dicho tubo (4, 111) y una sección cilíndrica inferior (215) que sobresale hacia abajo más allá de la base circular, insertada en dicho tubo una longitud variable de 10 a 200 mm, caracterizado porque dicha férula (5, 102) incluye otra tira metálica (214) dispuesta lateralmente con respecto al exterior de dicha base circular (216) y sobresaliendo más allá de ésta una longitud de al menos 2 mm hacia abajo, preferiblemente de 3 a 50 mm, y porque, en la zona circular definida entre dicha tira metálica exterior (214) y dicha sección cilíndrica (215) que sobresale hacia abajo, hay una junta estanca (213), insertada entre dicha base circular (216) de la férula y dicho extremo superior del tubo.

Equipo de haz de tubos con elementos reguladores de flujo de liquido

La presente invención se refiere a equipo de haz de tubos Incluyendo elementos metálicos de regulación del flujo de líquido.

Más específicamente, la presente invención se refiere a equipo de haz de tubos del tipo vertical, adecuado para efectuar intercambio térmico entre dos fluidos, de los que uno, en el estado líquido, cae a lo largo de las paredes Internas de los tubos en forma de película.

Más en concreto aún, la presente invención se refiere a un intercambiador de calor de haz de tubos del tipo de película de líquido descendente, adecuado para separar gases y vapores de un líquido que tiene propiedades altamente agresivas, equipado con un elemento concreto para la distribución de la película de líquido, situado en el cabezal de cada tubo.

Se utiliza ampliamente en la técnica equipo de haz de tubos para efectuar eficientemente el intercambio térmico entre dos fluidos, en particular cuando tienen lugar transformaciones de fase o reacciones químicas a lo largo de uno o ambos lados de la pared de intercambio debido al flujo térmico. Este tipo de equipo es relativamente fácil y simple de construir puesto que normalmente consta de una cámara cilindrica cruzada longitudinalmente por una pluralidad de tubos, que están fijados herméticamente sobre dos chapas transversales (llamadas hojas de tubo) que delimitan, en los dos extremos del equipo, delimitadas por dos cabezales, dos cámaras para la recogida y distribución respectivamente de los gases y líquidos que fluyen dentro de los tubos. El fluido intercambiador, que a menudo consta de gases calientes procedentes de un horno o vapor saturado, circula fuera de los tubos, en el denominado lado de envuelta.

En los intercambiadores de calor de haz de tubos del tipo vertical de película de líquido descendente, a los que la presente invención se refiere en concreto, los tubos están colocados verticalmente de modo que una película de líquido uniforme y fina fluya por gravedad desde arriba a lo largo de la pared, obteniendo así un intercambio térmico eficiente con el fluido en el lado de envuelta, reduciendo el tiempo de contacto lo más posible. Al mismo tiempo, los vapores posiblemente formados por evaporación o reacción química debido al calentamiento, son liberados fácilmente a través de la ancha superficie de líquido de la película y pueden ser quitados a lo largo del conducto interno sustancialmente sin líquido del tubo. En consecuencia, es esencial para un buen funcionamiento de este tipo de intercambiador de calor que la película de líquido se distribuya uniformemente y que esto no forma ni siquiera ocasionalmente zonas de bloqueo y turbulencia mezcladas con vapores, con la consiguiente obstrucción y caídas de presión a lo largo del tubo.

Algunos métodos y equipo generalmente adoptados para efectuar intercambio térmico en estos casos se mencionan, por ejemplo, en la publicación técnico "Perry's Chemical Engineering Handbook", McGraw-Hill Book Co., 6a Ed. (1984), páginas 11-18. Un ejemplo típico de este equipo lo representa un separador insertado en el ciclo de alta presión de procesos de síntesis de urea.

En intercambiadores de calor que manejan fluidos con propiedades altamente agresivas, al menos una de las dos superficies de cada tubo y hoja de tubo y al menos una parte de la superficie interna de los cabezales, están expuestas a contacto directo con estos fluidos y en consecuencia estas superficies deben constar de o estar adecuadamente recubiertas con una capa metálica protectora resistente a la corrosión o la erosión químicas que derivan de fenómenos dinámicos tales como, por ejemplo, turbulencia o formación de gases. En muchos casos, las acciones de erosión y corrosión interactúan sinérgicamente haciendo el fluido aún más agresivo.

El problema de la corrosión y/o erosión ha sido afrontado con varias soluciones en las plantas industriales existentes, y se han propuesto otras en la literatura. De hecho, hay numerosos metales y aleaciones capaces de resistir, durante períodos suficientemente largos, las condiciones sumamente agresivas creadas dentro del equipo en procesos que implican fluidos que tienen una corrosividad sumamente alta, tal como, por ejemplo, en la síntesis de ácido nítrico y urea. Entre estos metales se puede mencionar el plomo, titanio, circonio, tántalo, niobio y sus aleaciones de varios grados, además de numerosos aceros inoxidables, tales como, por ejemplo, acero inoxidable austenítico (AISI 316L acero de grado urea), acero inoxidable del tipo 25/22/2 Cr/Ni/Mo, aceros inoxidables austeno- ferríticos.

A pesar de su costo más alto con respecto a los aceros inoxidables, metales como titanio y circonio, debido a su alta resistencia a la corrosión y cualidades mecánicas satisfactorias, son preferidos frecuentemente para la producción de tubos en equipo de intercambio térmico a alta presión usado en la síntesis de urea y ácido nítrico. El circonio, en concreto, es conocido por su excelente resistencia tanto a la corrosión química como a la acción erosiva de los fluidos de proceso con los que entra en contacto, mientras que el titanio tiene una resistencia a la corrosión sustancialmente similar al circonio, pero menor resistencia a la acción erosiva.

En el caso particular de un intercambiador de haz de tubos del tipo vertical de película de líquido descendente, tal

como, por ejemplo, el separador incluido en el bucle de síntesis de urea a alta presión, la solución a los problemas de corrosión es sumamente compleja debido a la geometría particular del equipo destinado a permitir una distribución de las temperaturas y composiciones de los fluidos controladas y reproducibles en la medida de lo posible, además del alto esfuerzo mecánico al que se someten las superficies metálicas en las zonas donde tiene lugar la reacción química de descomposición térmica del carbamato de amonio, que en consecuencia experimentan una acción erosiva significativa y debe constar de metales que tienen una resistencia mecánica adecuada. Los operadores en el campo han propuesto numerosas soluciones a lo largo de los años.

La Patente de Estados Unidos 4.899.813 describe la construcción y el uso de equipo de haz de tubos verticales especialmente adecuado para la operación de separación a alta presión de la solución de urea procedente del reactor de síntesis. Con el fin de evitar la corrosión en las zonas dentro de los tubos, donde tienen lugar el intercambio térmico y la descomposición del carbamato, y en consecuencia donde hay la máxima agresividad química y erosiva del fluido, se usa un haz de tubos que consta de tubos bimetálicos, es decir, que consta de una parte externa hecho de acero inoxidable, y una parte interna, que tiene un grosor más fino (,7-,9 mm), hecha de circonio, que se adhiere mecánicamente con la primera, pero no está soldada a ella, puesto que los dos materiales son incompatibles uno con otro a soldadura de fusión normal. Esta solución representó una mejora significativa con respecto a la técnica conocida, pero, durante largos períodos de tiempo, no pudo evitar la aparición de problemas de corrosión como resultado de la infiltración del fluido corrosivo hacia la parte externa del tubo, hecho de acero.

Según otras soluciones, también se propuso usar tubos hechos totalmente de un metal de altas prestaciones, tal como circonio, niobio o tántalo, conectados con un recubrimiento hecho del mismo material que las paredes de las partes restantes del aparato expuesto a corrosión. Sin embargo, el alto costo de estas soluciones limitó su amplio desarrollo industrial.

La solicitud de patente EP 1577632 describe un intercambiador de haz de tubos adecuado para el tratamiento de carbamato de amonio en plantas de síntesis de urea, en el que el haz consta de tubos de titanio recubiertos con una capa fina de circonio en el lado en contacto con el fluido corrosivo, y fijados herméticamente sobre el recubrimiento de titanio de la hoja de tubo por soldadura de titanio-titanio. La capa de circonio no se extiende necesariamente por toda la longitud de los tubos, sino que puede estar colocada en la zona del tubo sometida al ataque agresivo más intenso. Los métodos para obtener estos tubos pueden incluir soldadura en caliente o forja, para favorecer la formación de una unión metalúrgica entre la capa de circonio y la superficie del titanio.

La Solicitud de Patente internacional publicada WO 6/2381 propone una solución diferente a este problema, mediante la producción de un haz de tubos, incluyendo los tubos un elemento tubular metálico intermedio, que consta esencialmente de un metal anticorrosión de altas prestaciones, que se suelda en el estado sólido, en... [Seguir leyendo]

1. Equipo de haz de tubos del tipo de película de líquido descendente, adecuado para intercambio térmico entre fluidos, Incluyendo un cuerpo cilindrico vertical cerrado en los extremos y dividido en al menos una sección superior (1), una sección Intermedia (3) y una sección inferior (2) por medio de dos hojas de tubo perforadas (15, 16, 26, 16) dispuestas transversalmente a una distancia adecuada una de otra, donde una pluralidad de tubos (111, 4) están dispuestos longitudinalmente formando un haz de tubos e Insertados herméticamente con los respectivos extremos en los agujeros de dichas hojas de tubo (15, 16, 26, 16) permitiendo que dicha sección superior (1) y la sección Inferior (2) del cuerpo cilindrico estén en comunicación de fluido una con otra, rematado cada tubo (4, 11), en el extremo superior por un dispositivo tubular (5, 12), también llamado férula, para la entrada y distribución del líquido en forma de una película a lo largo de la pared del mismo, Incluyendo dicho dispositivo tubular (5, 12), encima, una o más aberturas (13, 23) para la salida de vapores, a una altura intermedia una o más aberturas (24, 14), preferiblemente tangenciales, para la entrada del líquido y, debajo, una base circular (216) para sujeción en el extremo superior de dicho tubo (4, 111) y una sección cilindrica Inferior (215) que sobresale hacia abajo más allá de la base circular, Insertada en dicho tubo una longitud variable de 1 a 2 mm, caracterizado porque dicha férula (5, 12) incluye otra tira metálica (214) dispuesta lateralmente con respecto al exterior de dicha base circular (216) y sobresaliendo más allá de ésta una longitud de al menos 2 mm hacia abajo, preferiblemente de 3 a 5 mm, y porque, en la zona circular definida entre dicha tira metálica exterior (214) y dicha sección cilindrica (215) que sobresale hacia abajo, hay una junta estanca (213), insertada entre dicha base circular (216) de la férula y dicho extremo superior del tubo.

2. El equipo según la reivindicación 1 anterior, donde dicho tubo (4, 111) tiene un diámetro interior del orden de 5 a 15 mm, preferiblemente de 1 a 1 mm, y un grosor dentro del rango de 1 a 2 mm, preferiblemente de 2 a 15 mm.

3. El equipo según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, donde el límite superior de dichos tubos del haz de tubos sobresale hasta 8 mm, preferiblemente de 1 a 5 mm, más allá del plano de la hoja de tubo (15, 16, 26, 16) en la que se inserta.

4. El equipo según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, donde la sección inferior de dicha férula (5, 12) tiene un diámetro exterior sustancialmente coincidente, a excepción de una tolerancia de unos pocos pm, con el diámetro Interior del tubo del haz de tubos.

5. El equipo según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, donde la sección inferior de la férula consta de un sector tubular que tiene una longitud de 1 a 12 mm, preferiblemente de 2 a 8 mm, prolongada por debajo más allá del límite de la base circular, y un grosor dentro del rango de ,5 a 5 mm, preferiblemente de 1 a 4 mm.

6. El equipo según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, donde la longitud de la férula (5, 12) es del rango de 2 a 8 mm, preferiblemente de 3 a 6 mm, del borde del extremo superior al límite de la extensión de la sección Inferior Insertada en el extremo de tubo.

7. El equipo según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, donde dicha sección Inferior de la férula (5, 12) está superpuesta Internamente con respecto al perfil tubular de la parte superior de la férula, para una porción coaxial que varia de 1 a 15 mm, preferiblemente de 4 a 1 mm.

8. El equipo según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, donde dicha tira exterior circular (214) de la férula sobresale hacia abajo, más allá del límite de la base circular (216) una longitud de 3 a 3 mm.

9. El equipo según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, donde dicha junta estanca (213) consta de un material compresible de altas prestaciones, seleccionado preferiblemente de polímeros fluorados, polímeros de silicio o materiales elastomérlcos análogos, vulcanizados o no vulcanizados, que tienen una alta resistencia química y al calor, metales nobles maleables.

1. El equipo según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, donde dicha junta estanca (213) tiene una sección cuadranglar y un grosor, en una dirección vertical, del orden de ,5 a 8 mm, preferiblemente de 1 a 5 mm.

11. El equipo según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, donde dicha junta estanca (213) tiene una forma anular con diámetros interior y exterior sustancialmente coincidentes con los del alojamiento donde se coloca.

12. El equipo según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, donde dicha férula está cerrada en el extremo superior por medio de un tapón o tapa soldado (212) y tiene al menos una abertura lateral (23) cerca del extremo superior, para la salida de los gases.

13. El equipo según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, donde una rejilla hecha de material metálico está acuñada encima de dichas férulas, Incluyendo una serie de cavidades o agujeros en posiciones y teniendo una forma tal que sea capaz de alojar el extremo superior de cada una de las férulas.

14. Un método para la producción de equipo de haz de tubos según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 13, que incluye disponer dos hojas de tubo perforadas (15, 16, 26, 16) dentro de una envuelta cilindrica equipada en los dos extremos con dos cabezales terminales, de modo que cada hoja de tubo esté situada cerca de un cabezal, 5 insertar y fijar herméticamente en los agujeros situados en cada hoja de tubo una pluralidad de tubos (4, 111) que se extienden ortogonalmente hacia el plano de las hojas de tubo la distancia completa que los separa, con el fin de poner los espacios entre cada hoja de tubo y el cabezal correspondiente en conexión de fluido uno con otro, colocar en el extremo superior de cada uno de dichos tubos una férula (5, 12) incluyendo, en la zona superior, una o más aberturas (23) para la salida de vapores, a una altura intermedia, una o más aberturas (14, 24), preferiblemente 1 tangenciales, para la entrada del líquido y, en la zona inferior, una base circular (216) para sujeción en el límite superior de dicho tubo (4, 111) y una sección cilindrica (215) que sobresale hacia abajo más allá de la base circular, insertada en dicho tubo una longitud variable de 1 a 2 mm y que tiene el diámetro exterior sustancialmente coincidente con el diámetro interior del mismo, caracterizado porque dicha férula (5, 12) incluye otra tira metálica (214) dispuesta lateralmente con respecto al exterior de dicha base circular y que sobresale más allá de ésta una 15 longitud de al menos 2 mm hacia abajo, preferiblemente de 3 a 5 mm, y porque, en la zona circular definida entre dicha tira metálica exterior (214) y dicha sección cilindrica (215) que sobresale hacia abajo, se ha insertado una junta estanca (213), que actúa como un soporte entre dicha base circular de la férula y dicho extremo superior del tubo.

15. Uso del equipo según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 13, como un intercambiador de calor en un proceso

para la síntesis de urea.