INTRODUÇÃO

[001] O presente relatório descritivo refere-se a um pedido de patente de invenção para trocador de calor multifluído tamponado e processo de troca térmica multifluído tamponado, pertencentes ao setor téc- nico dos equipamentos e processos de troca de calor, que foram de- senvolvidos para proporcionar maior segurança, maior simplicidade e menor custo em relação a equipamentos e processos usuais.

ESTADO DA TÉCNICA

[002] Na indústria de processos químicos, é muito comum a necessi- dade de se aquecer ou resfriar fluidos em trocadores/permutares de calor. Estes equipamentos consistem em vasos onde dois ou mais fluidos entram em contato indireto transferindo calor do fluido quente para o fluido frio.

[003] Em diversas situações estes equipamentos podem processar fluídos quimicamente incompatíveis, que, quando em contato, podem produzir reações químicas exotérmicas, explosões, formação de sub- produtos, produtos indesejados ou até mesmo a perda dos produtos sendo aquecidos ou resfriados.

[004] Exemplos típicos deste tipo de situação é o resfriamento de ácido sulfúrico ou fosfórico com água, substâncias que quando em contato direto reagem intensamente gerando calor e uma solução di- luída extremamente corrosiva. O resfriamento de hidrocarbonetos so- lúveis entre si pode, em caso de mistura deles, levar à produção de misturas de difícil separação, com perda dos produtos e outras situ- ações similares.

[005] Em algumas situações não é desejado que o fluido frio alcance temperaturas elevadas para evitar sua decomposição térmica. Exem- plo típico deste sistema são os refervedores de aminas e glicóis na indústria petroquímica.

[006] É comum na indústria, para evitar tais problemas, que o pro- cesso de resfriamento seja realizado em sistemas com múltiplos tro- cadores de calor, de modo a evitar que, em caso de falha, os fluídos entrem em contato entre si, minimizando, os danos produzidos na situação de falhas ou de modo a evitar que o fluído frio possa ficar sujeito a temperaturas elevadas que possam causar sua decomposi- ção.

[007] Este é o caso típico dos chamados "trim coolers" usados, por exemplo, na indústria de ácido sulfúrico para aquecimento de água de caldeira, (fig. 15). Este arranjo permite que, em caso de falha de um trocador de calor, os fluídos de processo, ácido sulfúrico e água de caldeira deionizada, não entrem em contato direto gerando conta- minação da água de caldeira.

[008] Outro sistema que tenta evitar este contato é apresentado no pedido de patente, n° PCT BR 2016 050287, do mesmo requerente, no qual os fluídos de processo, a serem aquecido e resfriado, circu- lam em respectivos circuitos e um fluído inerte aos fluidos de pro- cesso é circulado em um circuito intermediário proporcionado a troca térmica e de modo a que, em caso de falha ou vazamento, não haja contaminação dos fluídos de processo (fig. 16) e que, ao contrário dos sistemas convencionais, a unidade possa ser mantida em ope- ração ou parada em regime normal.

[009] Ainda, por exemplo, na indústria de ácido sulfúrico, o ácido sul- fúrico quente a temperaturas superiores a 180 °C, é resfriado em cal- deiras a água; o contato destes fluídos nas condições de operação, resultou em reações exotérmicas importantes, com grandes danos aos equipamentos, patrimüoio industrial e segurança de operadores. [010] Na indústria de processamento de petróleo, a temperaturas de superfície dos refervedores deve ser mantida abaixo de 165°C para evitar a degradação de aminas.

OBJETIVOS DA INVENÇÃO

[011] Assim, o objetivo da presente patente de invenção é prover uma nova modelagem de um dispositivo de troca térmica (trocador de calor), que permita eliminar a necessidade dos sistemas com múl- tiplos trocadores de calor ("trim coolers"), dito presente trocador de calor fazendo uso de um fluido intermediário, denominado "fluido tampão".

[012] Outro objetivo da invenção é prover um trocador de calor que proporcione a troca térmica segura entre dois ou mais fluídos de pro- cesso incompatíveis, usando o fluído tampão dotado de característi- cas físico-químicas apropriadas em relação aos fluidos de processo, permitindo o aumento de segurança da operação.

[013] Outro objetivo é prover um trocador de calor que permita mini- mizar a decomposição do fluído frio, usando o fluído tampão dotado de características físico-químicas apropriadas em relação aos fluidos de processo, garantindo uma temperatura de película estabelecida para o fluído frio. [014] Outro objetivo é prover um trocador de calor com construção e fabricação relativamente simples.

[015] Outro objetivo é prover um trocador de calor com baixos custos de fabricação, aquisição, operação e manutenção.

[016] Outro objetivo é prover um processo de troca térmica realizado pelo trocador de calor.

[017] Outro objetivo é prover um processo de troca térmica que apre- sente menor custo, maior segurança e maiores simplicidades opera- cionais que aqueles que utilizam um ou mais trocadores de calor uti- lizando fluídos incompatíveis.

DESCRICÃO RESUMIDA DA INVENÇÃO

[018] Tendo em vista, portanto, os problemas do estado da técnica acima referidos e no propósito de superá-los e visando atender aos objetivos relacionados, foi desenvolvido o trocador de calor, objeto da presente patente, o qual apresenta como característica diferencial o fato de utilizar três ou mais fluídos, sendo que dois ou mais fluídos são fluidos de processo para aquecer/resfriar e um fluído é um "fluído tampão" que faz o transporte de calor entre os dois ou mais fluídos de processo; dito fluído tampão é selecionado ou formulado em fun- ção de suas características de compatibilidade química com os de- mais fluídos, temperatura de ebulição, viscosidade, densidade e compatibilidade química com os materiais do equipamento de pro- cesso nas condições de operação.

[019] Em um sistema com, por exemplo, três fluídos: um fluído de processo quente que será resfriado, um fluído de processo frio que será aquecido e o fluído tampão, o trocador de calor multifluído tam- ponado de segurança, objeto da presente patente, é compreendido, essencialmente: por um vaso de pressão; por dois feixes de tubos por onde fluem internamente o fluido frio e o fluído quente, paralelos e localizados dentro do vaso; por um espaço interno ao vaso, no qual ficam dispostos os feixes de tubos e por uma porção de fluido tampão que preenche parcialmente o espaço interno e que recobre o feixe de tubos pelo qual flui o fluído de processo aquecido, de modo a ser realizado um processo de troca térmica compreendido, substancial- mente, pelas etapas de: troca térmica do fluido de processo quente com o fluido tampão; evaporação do fluido tampão; troca térmica entre o vapor de fluido tampão com o fluido de processo frio; conden- sação do fluido tampão; troca térmica entre o fluido tampão conden- sado e o fluido de processo quente e início de novo ciclo.

[020] Essa construção do trocador de calor e constituição do pro- cesso realizado por ele superam os problemas do estado da técnica acima aludidos. Assim é que essa forma de construção do trocador de calor e do processo de troca térmica realizado por ele dispensam o sistemas com múltiplos trocadores de calor ("trim coolers"), usados, por exemplo, na indústria de ácido sulfúrico para aquecimento de água de caldeira, pois tal qual este permite que, em caso de falha de um trocador de calor, os fluídos de processo, ácido sulfúrico e água de caldeira deionizada, não entrem em contato direto gerando conta- minação da água de caldeira, e ao mesmo tempo dito presente tro- cador de calor e processo apresentam uma construção relativamente mais simples, atendendo assim ao objetivo da invenção.

[021] Esta construção de trocador de calor e constituição do processo também evitam que o fluído frio seja submetido a temperaturas ele- vadas que possam promover sua decomposição, visto que, indepen- dentemente da temperatura do fluído quente, o fluido frio somente será sujeito à temperatura de ebulição do fluído tampão, que será selecionado de modo a garantir este desempenho.

[022] O presente trocador de calor e processo são uma alternativa ao sistema descrito no PCT BR 2016050287, do mesmo requerente, já que simplifica a construção deste, no qual os fluídos de processo, a serem aquecido e resfriado, circulam em respectivos trocadores de calor e um fluído inerte aos fluidos de processo circula em um terceiro trocador de calor intermediário, proporcionado a troca térmica, uma vez que toda essa construção é simplificada pelo presente trocador de calor formado por um feixe de tubos para o fluido de processo aquecido, um feixe de tubos para o fluido de processo a ser resfriado e simplesmente por uma porção de fluido tampão que realiza a troca térmica entre os fluidos de processo, atendendo assim outro objetivo da invenção.

[023] Além das vantagens acima, o presente trocador de calor e pro- cesso realizado por ele apresentam menor custo de fabricação, aqui- sição, operação e manutenção relativamente aos usuais acima alu- didos, atendendo assim outros objetivos da invenção.

LISTA DE DESENHOS

[024] Os desenhos anexos referem-se ao trocador de calor multiflu- ído tamponado de segurança e processo de troca térmica multifluído tamponado de segurança, objetos da presente patente, nos quais: [025] a fig. 1 mostra um esquema do trocador de calor multifluído tamponado de segurança 1;

[026] a fig. 2 mostra a mesma figura anterior e a indicação de funcio- namento do trocador de calor 1 ;

[027] as figs. 3 a 6 mostram várias versões de um dispositivo 7 para reduzir a perda de eficiência na região de contato entre o vapor e condensado do fluído tampão "T";

[028] as figs. 7 a 9 mostram várias possibilidades de construção das tubulações 2 para fluido quente "Q" a ser resfriado e tubulação 3 para fluido frio "F" a ser aquecido que fazem parte do trocador de calor 1 ; [029] as figs. 10 a 13 mostram variações relativas às quantidades de fluidos de processo que podem ser previstas no trocador de calor 1 ; [030] a fig. 14 mostra um esquema do processo de troca térmica re- alizado pelo trocador de calor 1 das figuras anteriores;

[031] a fig. 15 mostra um esquema do processo "trim coolers" do es- tado da técnica; e

[032] a fig. 16 mostra um esquema de uma das possibilidades do equipamento objeto do PCT BR 2016050287 do mesmo requerente, do estado da técnica.

DESCRIÇÃO DETALHADA COM BASE NOS DESENHOS [033] Conforme ilustram as figuras acima relacionadas e é previsto na invenção, o trocador de calor multifluído tamponado 1 , objeto da presente patente invenção, destina-se à troca térmica entre fluidos de processo quente a ser resfriado e fluido de processo frio a ser aquecido, particularmente quando esses fluidos são quimicamente incompatíveis e que, quando em contato, podem gerar reações quí- micas exotérmicas, explosões, formação de subprodutos indesejá- veis ou a perda dos produtos que estão sendo aquecido e resfriado ou, no caso em que eu seja interessante ou necessário, se garantir uma temperatura de película máxima para o fluído frio, de modo a preservar sua qualidade ou outras características.

[034] Assim, referido presente trocador de calor multifluído tampo- nado 1 é formado (fig. 1 ): por tubulação inferior 2 pela qual circula um fluido de processo quente "Q" a ser resfriado; por tubulação 3 pela qual circula um fluido de processo frio "F" a ser aquecido superior, paralela e espaçada em relação à tubulação inferior 2; por um vaso 4 que contém referidas tubulações 2 e 3, dotado de bocais de entrada 2' e de saída 2" comunicantes com respectivas extremidades da tu- bulação 2 pela qual circula um fluido de processo quente "Q" a ser resfriado, de bocais de entrada 3' e de saída 3" comunicantes com respectivas extremidades da tubulação 3 pela qual circula um fluido de processo frio "F" a ser aquecido; ditos bocais 2', 2", 3', 3" ligados a tubulações ligadas a equipamentos 100, 101 (fig. 2) que usam o fluido de processo resfriado "R", proveniente do fluido de processo aquecido "Q", e o fluido de processo aquecido "A", proveniente do fluido de processo frio "F"; dito trocador de calor multifluído tampo- nado 1 é formado ainda por porção de fluido tampão "T" que preen- che parte do vaso 4 e que recobre a tubulação inferior 2 pela qual circula um fluido de processo quente "Q" a ser resfriado.

[035] Detalhando, as tubulações 2 e 3 podem ser constituídas por feixes tubulares lisos, aletados com aletas longitudinais, aletas cir- cunferenciais, aletas helicoidais, tubos torcidos ou qualquer outro tipo de tubo ou dispositivo apropriado e adequado para promover e ma- ximizar a troca térmica entre os fluídos quente "Q" e frio "F", circu- lantes das tubulações 2 e 3 respectivamente, e o fluído tampão "T". [036] O equipamento é dotado de bocais e entrada 2', 3' e saída 2", 3" dos fluídos de processo quente "Q" e frio "F", bocais para alimen- tação 5 e drenagem 6 do fluído tampão "T", bocais para instrumentos, válvulas de alívio de pressão e outros (não ilustrados) de acordo como regem as boas práticas industriais e normas técnicas dos di- versos países.

[037] O fluido tampão "T" é selecionado em função de sua compati- bilidade química e temperatura de ebulição em relação aos fluídos de processo "Q" e "F" e suas características físico-químicas.

[038] O princípio de funcionamento do trocador de calor multifluído tamponado 1 é extremamente simples e se beneficia dos elevados coeficientes de transferência de calor obtidos em processos de ebu- lição e condensação, quando comprados aos coeficientes de trans- ferência de calor obtidos em sistemas de convecção.

[039] Assim, (fig. 2) o fluído quente "Q" é admitido por seu bocal de entrada 2' e atravessa o feixe tubular 2; à medida em que isso ocorre este fluído transfere calor ao fluído tampão "T", que ocupa parte da câmara formada pelo vaso 4 do trocador de calor 1 . O fluído tampão "T", que foi escolhido em função de sua compatibilidade química e temperatura de ebulição relativas aos fluídos de processo "Q" e "F" e suas características físico-químicas, entra em ebulição e forma va- por do fluido tampão "VT", removendo calor do fluído quente "Q" que assim é resfriado e constitui-se no fluido resfriado "R", que deixa o feixe tubular 2 através dos bocais de saída 2" e é alimentado no equi- pamento 100 que faz uso do fluido resfriado "R", ao fim do que o fluido volta a ser fluido de processo quente "Q", que é realimentado, através dos bocais de entrada 2', no trocador de calor multifluído tamponado 1 e o ciclo tem reinicio.

[040] O mesmo ocorre substancialmente em relação ao fluido frio "F". Assim, o fluído frio "F" é admitido por seus bocais de entrada 3' e atravessa o feixe tubular 3; à medida em que isso ocorre este fluído recebe calor do vapor de fluído tampão "VT", este se condensa, for- mando condensado do fluído tampão "CT", ou seja, o fluido tampão "T" volta à fase liquida, durante o que ocorre a transferência de calor para o fluído frio "F", que assim é aquecido e constitui-se no fluido aquecido "A", que deixa o feixe tubular 3 através do bocal de saída 3" e é alimentado no equipamento 101 que faz uso do fluido aquecido "A", ao fim do que o fluido volta a ser fluido de processo frio "F", que é realimentado, através do bocal de entrada 3', no trocador de calor multifluído tamponado 1 e o ciclo tem reinicio.

[041] Os vapores "VP produzidos pela ebulição do fluído tampão "T" em contato com a tubulação 2, na qual circula fluido quente "Q" , so- bem e encontram o feixe tubular 3 onde é transportado o fluído frio "F".

[042] Ao encontrarem este feixe tubular 3, onde passa o fluído frio "F", o vapor de fluído tampão "VT é condensado formando o conden- sado de fluido tampão "CT", (fluido tampão "T" em fase liquida) que volta para o corpo de fluído tampão "T" onde é novamente evaporado pelo fluído de processo quente "Q". O processo continua indefinida- mente.

[043] Durante esse funcionamento, os vapores de fluido tampão "VT" que ascendem da ebulição no feixe de fluído quente 2 entram em contato com o condensado do fluido tampão "CT" proveniente do feixe de fluído frio 3 (superior). [044] Nesse movimento, alguma troca térmica que pode ocorrer en- tre os vapores e gotículas de fluído tampão "T", apesar de pequena, visto que vapores e líquido estão à mesma temperatura e, portanto, a força motriz para a transferência de calor é prejudicada. Para se eliminar ou minimizar este efeito pode ser previsto um dispositivo 7 para reduzir a perda de eficiência na região de contato entre o vapor e condensado do fluído tampão "T". Em uma possibilidade de reali- zação, esse dispositivo 7 pode ser constituído pelos feixes tubulares superiores 3, pelos quais flui o fluido frio "F" a ser aquecido, serem inclinados (fig.3), ou serem dotados de chicanas 8 (fig. 4) para ace- lerar e direcionar a drenagem e direcionamento do condensado. [045] Em uma outra possibilidade de realização, esse dispositivo 7 para reduzir a perda de eficiência na região de contato entre o vapor e condensado do fluído tampão "T" pode ser constituído por disposi- tivos separadores gás-líquidos como aletas, separadores do tipo Chevron 9 (fig.5 ) ou aletas chincanas 10 (fig. 6), ou outros instalado na região entre os feixes tubulares inferior 2 e superior 3, nos quais circulam fluídos quente "Q" e frio "F", respectivamente.

[046] Dentro da construção básica, acima descrita, o trocador de ca- lor multifluído tamponado 1 , objeto da presente patente, pode apre- sentar modificações relativas a materiais, dimensões, detalhes cons- trutivos e/ou de configuração funcional, sem que fuja do âmbito da proteção solicitada.

[047] Dentro disso, os feixes tubulares 2 e 3 podem ser de naturezas diferentes, como feixes horizontais longitudinais convencionais como ilustrado na figura 1 , feixes do tipo U ( U-Bundle ) (fig. 7) ou mesclas deles instalados na horizontal ou vertical (figs. 8, 9). [048] Uma mudança importante com relação a trocadores convenci- onais é que no presente trocador de calor multifluído tamponado 1 com fluído tampão "T" , não há a caracterização dos arranjos de fluxo concorrentes, contra correntes, fluxo cruzado, e outros. O fluido tam- pão "T" no interior do equipamento encontra-se à sua temperatura de ebulição na condição de processo, de modo que a totalidade do fluído ao longo de todo o comprimento dos feixes tubulares 2, 3 "en- xerga" o fluído tampão à mesma temperatura, sendo portanto, indife- rente a localização dos bocais de entrada 2', 3' e saída 2", 3" do equi- pamento e dos feixes tubulares 2, 3.

[049] Outra vantagem importante que pode ser explorada com um trocador de calor multifluído tamponado 1 com fluído tampão "T" é que a ebulição deste fluído limita a temperatura à qual o fluído quente "Q" ou frios "F" estão sujeitos a contato indireto; ou seja, os tubos ou placas de transporte de fluído frio "F" jamais "enxergarão" uma tem- peratura maior que a temperatura de ebulição do fluído tampão "T", da mesma forma, os tubos ou placas de transporte do fluído quente "Q", também jamais "enxergarão" temperaturas abaixo da do fluído tampão "T" e evaporação. Esta característica permite que este troca- dor de calor multifluído tamponado 1 processe fluidos sensíveis ou que possam sofrer decomposição ou deterioração devido a exposi- ção a altas ou baixas temperaturas.

[050] O trocador pode utilizar mais que dois fluídos de processo; por exemplo, pode-se ter dois fluídos de aquecimento "Q" e um de resfri- amento "F" (fig. 10), ou dois de resfriamento "F" e um de aquecimento (fig. 11), ou dois de cada (fig., 12) ou, em teoria, enquanto a constru- ção mecânica do equipamento for viável, tantos fluídos quanto se queira (fig. 13).

[051] Os dispositivos propostos foram originalmente desenvolvidos para reduzir o volume de fluído inerte/tampão em sistemas de resfri- amento indireto de ácido sulfúrico como apresentando nos pedido de patentes (pedidos patentes Safehr PCT BR 2016 050287) uma vez que o arranjo proposto elimina completamente a necessidade de equipamentos e dispositivos acessórios, notadamente bomba, tubu- lações, tanques de expansão, instrumentos de controle, e outros. [052] Não obstante, a tecnologia hora descrita pode ser usada em qualquer sistema em que seja necessário aquecer e resfriar fluídos e onde, por qualquer motivo, não haja interesse em que em caso de falhas estes fluídos entre em contato ou se queira limitar e tempera- tura de película de um dos fluídos.

[053] O trocador de calor multifluído tamponado 1 , conforme acima descrito, realiza um processo de troca térmica multifluído, tamponado de segurança compreendido, essencialmente em:

[054] - Prover uma tubulação inferior 2 pela qual flui um fluido de processo quente "Q" a ser resfriado;

[055] - Prover uma tubulação superior 3 pela qual flui um fluido de processo frio "F" a ser aquecido, paralela e que guarda um espaço em relação à tubulação inferior 2;

[056] Prover uma vaso hermético 4 no interior do qual corpo dos tu- bos (2), (3) ficam abrigados e ligados a bocais de entrada 2', 3' e de saída 2", 3", respectivamente;

[057] Prover uma porção de fluido tampão "T" , transferidor de calor, inerte em relação aos fluidos quente "Q" e frio "F", que preenche par- cialmente o vaso 4 e que recobre a tubulação inferior 2, pela qual circula fluido quente "Q" a ser resfriado;

[058] Prover as etapas de (figs. 2, 14):

[059] Circulação do fluido quente "Q" a ser resfriado na tubulação in- ferior 2 e a circulação do fluido frio "F" a ser aquecido na tubulação superior 3;

[060] Troca térmica do fluido tampão "T" com o fluido quente "Q" a ser resfriado que flui na tubulação inferior 2 e vaporização do fluído tampão "T", formando fluido resfriado "R" e vapor de fluido tampão "VT";

[061] Movimento ascendente do vapor de fluido tampão "VT" até al- cançar e contatar a tubulação superior 3 pela qual flui o fluido frio "F" a ser aquecido;

[062] Troca térmica entre o vapor de fluido tampão "VT" e o fluido frio "F" a ser aquecido que flui na tubulação 3 superior e condensação do vapor de fluido tampão "VT", formando fluído aquecido "A" e conden- sado de fluido tampão "CT";

[063] Movimento descendente do condensado de fluido tampão "CT" até juntar-se ao corpo de fluido tampão "T" na fase liquida e reiniciar o ciclo.

[064] Etapa de redução de perda de eficiência na região de contato entre o vapor "VT", em movimento ascendente, e o condensado "CT", em movimento descendente, do fluído tampão "T", realizada em es- paço entre as tubulações 2 pela qual circula fluido de processo quente "Q" e tubulações 3 pela qual circula fluido de processo frio "F".