ES2241299T3 - Ciclon de contacto vapor/liquido con dispositivos para evitar el retromezclamiento. - Google Patents

Abstract

Una bandeja para poner en contacto vapor y líquido en un procedimiento de destilación o de fraccionamiento que tiene una serie de dispositivos ciclónicos dispuestos en filas sobre la bandeja, en la que el líquido que sale de cada uno de los dispositivos ciclónicos es dirigido principalmente hacia un lado hacia los dispositivos en la siguiente fila de la bandeja, o hacia un tubo vertical de bajada hacia la siguiente bandeja de abajo, comprendiendo cada dispositivo: (a) un barril cilíndrico que comprende una pared lateral continua que tiene un extremo superior, y un extremo inferior, terminando el extremo inferior en el suelo de la bandeja, definiendo el extremo superior una región ciclónica superior, y definiendo la pared lateral un volumen de contacto por encima del suelo y por debajo de la región ciclónica superior; (b) al menos una abertura de vapor en el suelo, a través de la cual los vapores pueden fluir hacia el interior del volumen de contacto; (c) al menos una cámara de sobrepresión, localizada próxima al suelo del dispositivo ciclónico, a través de la cual el líquido puede entrar al volumen de contacto; (d) al menos una salida de líquido localizada en la pared lateral del barril y definida por una abertura en la pared lateral, a través de la cual puede fluir el líquido; (e) al menos un conjunto de dispositivos para proporcionar movimiento de rotación al vapor y al líquido arrastrado; (f) un medio para dirigir el flujo de líquido desde la salida de líquido principalmente hacia un lado del barril en la dirección de la siguiente fila de dispositivos ciclónicos, o hacia un tubo vertical de bajada hacia la siguiente bandeja de abajo; y (g) un medio para evitar el reflujo de líquido entre diferentes filas de dispositivos ciclónicos.

Description

Ciclón de contacto vapor/líquido con dispositivos para evitar el retromezclamiento.

Esta invención se refiere a un dispositivo de contacto vapor/líquido ciclónico, y al procedimiento que lo emplea en destilación o en aplicaciones de transferencia de masa o de transferencia de calor relacionadas, tales como el craqueo catalítico de fluidos. Esta invención se refiere al uso de salientes o tabiques (cubiertas), cerca del exterior de las aberturas en el barril del ciclón, que se pueden usar para ayudar a salir al líquido a través de las aberturas, evitando de ese modo el retromezclamiento del líquido.

Los separadores ciclónicos son dispositivos bien conocidos para separar sólidos de gases, y gases de líquidos. En Perry's Chemical Engineers' Handbook, publicado por McGraw-Hill Book Company, Nueva York, se ilustran algunos diseños de separadores ciclónicos típicos. En los ciclones convencionales, se proporciona un movimiento de giro al vapor y al líquido arrastrado después de que entran en el ciclón vía un tubo vertical de bajada o una cámara de sobrepresión. El vapor y el líquido arrastrado se mueven entonces hacia arriba, entrando en una zona en la que el líquido es eliminado vía ranuras u otras perforaciones en el barril, o mediante un sombrero anular en la parte superior del barril.

El uso de deflectores en los ciclones es bien conocido. Se usan para guiar el flujo de gases, y para minimizar el arrastre de líquidos o de sólidos. La patente U.S. nº 3.969.096, de Herbert, describe un separador ciclónico que tiene múltiples entradas de gas con deflectores.

La entrada de gas consiste en aberturas de entrada alargadas (igual que las de una lumbrera) situadas para desviar el gas entrante en una trayectoria circular desde el tubo de salida del gas.

Se conocen algunos medios para evitar el reflujo de los dispositivos ciclónicos. La patente U.S. nº 4.701.307 (Walters et al.) describe un dispositivo de separación balístico que resulta de rodear el extremo aguas abajo de un reactor de flujo progresivo o de un reactor elevador con un conducto concéntrico que está en comunicación fluida con un separador ciclónico. El dispositivo también puede incluir un saliente o proyección biselado, en la abertura axial del reactor de flujo progresivo. En Walters, el vapor se separa del sólido, opuestamente al vapor que se separa del líquido como en la presente invención.

En la patente U.S. nº 5.266.187 se ilustran cubiertas en la entrada de un ciclón, en lugar de en la salida.

El concepto de la presente invención implica un dispositivo de vapor/líquido ciclónico con una entrada y una salida de líquido asimétricas, como se muestra en las Figuras 1-3. El líquido se introduce preferiblemente desde un lado del barril, y el efluente líquido procedente de la cercanía de la parte superior del barril se descarga siempre principalmente hacia el lado opuesto, usando medios tales como una cubierta alrededor del exterior de la porción superior del barril. También se usan medios para evitar el reflujo del líquido, tales como tabiques entre los barriles ciclónicos, que se extienden preferiblemente 10-25 cm hacia arriba desde la plataforma de la bandeja. El efecto neto es forzar al líquido a que pase a través de la plataforma de la bandeja, desde una fila de ciclones hasta la siguiente, sin retromezclamiento apreciable. Se sabe que este patrón de flujo transversal da una mejor eficacia de contacto que cuando puede ocurrir el retromezclamiento del líquido en la bandeja (véase Chemical Engineer's Handbook, 5ª edición, R. H. Perry y C. H. Chilton, ed. McGraw-Hill, 1973, p. 18-15 - 18-18).

La Figura 1 ilustra una disposición de dispositivos ciclónicos 15, con descarga asimétrica, localizados en bandejas 17 de destilación, en una columna 20 de destilación. Cada dispositivo ciclónico 15 tiene una base 1 (es decir, un suelo), un barril 3, y una cubierta 6. La cubierta 6 se usa para dirigir hacia un lado el fluido que sale del dispositivo ciclónico 15. El fluido liberado del dispositivo ciclónico 15 se dirige adicionalmente hacia un lado usando medios tales como deflectores 9, para dirigir el flujo de fluido hacia abajo, y tabiques 4, localizados entre los dispositivos ciclónicos 15.

La Figura 2 es una vista superior de la Figura 1, que muestra la disposición de dispositivos ciclónicos 15, tabiques 4, y deflectores 9. Cada dispositivo ciclónico 15 tiene una cubierta 6 que rodea al barril 3. El líquido que sale de cada cubierta 6 se hace pasar a través de la bandeja 17, desde una fila R1 de los dispositivos ciclónicos 15 hasta la siguiente fila R2 de los dispositivos ciclónicos 15, sin retromezclamiento, usando tabiques 4.

La Figura 3 ilustra un dispositivo ciclónico 15 con mayor detalle. Dentro del barril 3 del dispositivo ciclónico 15 existen deflectores de movimiento de rotación, pero no se muestran, a fin de aumentar la claridad. El líquido entra en el dispositivo ciclónico 15 en su base 1, vía los orificios 10 en el barril 3. El vapor 7 entra en el dispositivo ciclónico 15 vía un fondo 2 perforado en la base 1 del dispositivo ciclónico 15. El vapor 7 se mezcla con el líquido y asciende por el barril 3. El líquido 5 sale de las ranuras 8 en el barril 3, y es forzado a salir por un lado del dispositivo ciclónico 15 debido a la cubierta 6. El vapor 7 es forzado a salir por la parte superior 18 del dispositivo ciclónico 15. El tabique 4 hace pasar al líquido a través de la bandeja 17, desde una fila de dispositivos ciclónicos 15 hasta la siguiente, sin retromezclamiento.

La Figura 4 ilustra los mismos detalles de un dispositivo ciclónico 15 que la Figura 3, excepto que el dispositivo ciclónico 15 en la figura 4 tiene una entrada de líquido alternativa. El líquido 5 es transportado hasta el centro del dispositivo ciclónico 15 vía una cámara de sobrepresión 16 que está en comunicación fluida con la bandeja 17 y la base 1 del dispositivo ciclónico 15 en una entrada 11 de alimentación central. Una vez en el interior del dispositivo ciclónico 15, el líquido 5 es liberado en el flujo del vapor. Normalmente, aquí se usaría un tabique circular (no mostrado), por encima de la entrada 11 de alimentación central de la base 1, para distribuir el líquido 5 entrante hacia los lados del barril 3.

La Figura 5 ilustra una vista superior de una disposición ciclónica alternativa. Las cubiertas 6 sobresalen para descargar el líquido en el lado alejado de los tabiques 4. Son visibles un tubo vertical 12 de entrada, los tabiques 4, y el tubo vertical 13 de salida. En las Figuras 1-4, el líquido alimentado al dispositivo ciclónico 15 se debe hacer entrar desde un lado de la base 1 debido a la localización de los tabiques 4. En la Figura 5, todo el perímetro de la base 1 del ciclón es accesible para la alimentación del líquido.

La característica clave del ciclón de esta invención es que el líquido que sale del ciclón es dirigido principalmente hacia un lado. El concepto de descarga asimétrica se puede emplear con la mayoría de los diseños de ciclones, pero es particularmente útil en situaciones en las que se emplea una zona de movimiento de rotación secundaria.

El ciclón que tiene cubiertas, u otros dispositivos para evitar el retromezclamiento, es el más adecuado para situaciones en las que la velocidad del líquido es relativamente baja, y la velocidad del gas es relativamente elevada. Los caudales de líquidos, en ciclones que tienen descarga asimétrica, están limitados preferiblemente a menos de 1630 l/m^{2} de área de la torre, y están limitados más preferiblemente a menos de 815 l/m^{2} de área de la torre.

En algunos dispositivos ciclónicos de la técnica anterior, el líquido puede entrar en el barril desde un tubo de alimentación de entrada central. En la presente invención, sin embargo, el líquido se hace bajar desde un nivel de bandeja hasta el siguiente vía torres verticales de bajada convencionales, en lugar de vía tubos de alimentación de entrada central. De este modo, el aparato de la Figura 1 se asemeja a una bandeja de destilación convencional, excepto que, en la plataforma de la bandeja, hay dispositivos ciclónicos especiales en los que tiene lugar el contacto y la separación vapor/líquido.

Es bien conocida la disposición general de colocar dispositivos de contacto ciclónicos sobre bandejas. Por ejemplo, la patente U.S. nº 4.838.906 describe elementos de contacto y de separación para un aparato de transferencia de masa, con geometrías especiales de rebordes y deflectores. Se usa un sombrero anular para recoger el líquido en la parte superior del ciclón y devolverlo a la bandeja. Las entradas y salidas de líquido para este dispositivo se representan distribuidas simétricamente alrededor de la periferia del ciclón, de forma que el líquido será atraído desde y descargado hacia todos los lados. Esto puede permitir que parte del líquido, que se hizo pasar a través de un elemento de contacto, retroceda y pase nuevamente a través del mismo elemento, lo cual puede no ser deseable. La principal característica que distingue este concepto del de la patente U.S. nº 4.838.906 es que, en la presente invención, el líquido que sale del ciclón es dirigido hacia un lado, más allá del tabique entre barriles, para forzar al líquido a que se mueva a través de la bandeja hasta la siguiente fila de ciclones, o hasta un tubo vertical de bajada hasta la siguiente bandeja de abajo. Además, hay otras numerosas diferencias en la geometría específica del ciclón.

En su forma más general, el concepto de esta invención no está sujeto a ningún detalle particular de la geometría del ciclón. De este modo, puede englobar una amplia variedad de medios para introducir la alimentación del líquido desde el exterior del ciclón hacia la base del ciclón, para impartir movimiento de rotación a los fluidos dentro del ciclón, y para proporcionar la eliminación del líquido de la corriente de vapor. No está limitado a los ciclones con zonas de movimiento de rotación secundarias y ranuras de salida del barril. Por ejemplo, se podría aplicar también a ciclones con un único conjunto de deflectores de movimiento de rotación (ya sea integrados en el suelo del ciclón, o montados a alguna distancia por encima del suelo), y a ciclones con un sombrero anular pero sin ranuras de salida inferiores para la eliminación de líquido. Sin embargo, la configuración preferida del barril ciclónico es (como se describe anteriormente) una zona sin movimiento de rotación en la base, coronada por deflectores de movimiento de rotación primarios, ranuras de salida en el barril y deflectores de movimiento de rotación secundarios. En la cubierta circundante se puede integrar convenientemente un sombrero anular en la parte superior del barril del ciclón.

El medio para introducir líquido en la base del ciclón podría ser tan simple como orificios en el barril, próximos al fondo del barril, como se muestra en la figura 3, o podría implicar sistemas más elaborados de cámaras de sobrepresión, tubos, canales, deflectores y orificios, que pueden proporcionar una distribución espacial más uniforme del líquido y del vapor. En las patentes U.S. n^{os} 3.498.028 y 5.683.629 se muestran varios de tales dispositivos de introducción de alimentación. La patente U.S. nº 3.498.028 se refiere principalmente a los detalles de un contactor ciclónico de aire/líquido. La patente U.S. nº 5.683.629 se refiere a la configuración de hardware global que aparece en un número de patentes cedidas a Shell, en la que el líquido se hace bajar desde un nivel de bandeja superior hasta una cámara de sobrepresión de líquido o un espacio de suministro, desde el cual el líquido se alimenta a la base vía contactores ciclónicos. En particular, la patente U.S. nº 5.683.629 describe algunos dispositivos de alimentación de líquido para usar en relación con su configuración global. (Esa configuración difiere de la de la actual invención en diversos aspectos significativos). En el presente concepto, pueden ser útiles los dispositivos de alimentación de la patente U.S. nº 5.683.629.

Claims (5)

1. Una bandeja para poner en contacto vapor y líquido en un procedimiento de destilación o de fraccionamiento que tiene una serie de dispositivos ciclónicos dispuestos en filas sobre la bandeja, en la que el líquido que sale de cada uno de los dispositivos ciclónicos es dirigido principalmente hacia un lado hacia los dispositivos en la siguiente fila de la bandeja, o hacia un tubo vertical de bajada hacia la siguiente bandeja de abajo, comprendiendo cada dispositivo:

(a)

un barril cilíndrico que comprende una pared lateral continua que tiene un extremo superior, y un extremo inferior, terminando el extremo inferior en el suelo de la bandeja, definiendo el extremo superior una región ciclónica superior, y definiendo la pared lateral un volumen de contacto por encima del suelo y por debajo de la región ciclónica superior;

(b)

al menos una abertura de vapor en el suelo, a través de la cual los vapores pueden fluir hacia el interior del volumen de contacto;

(c)

al menos una cámara de sobrepresión, localizada próxima al suelo del dispositivo ciclónico, a través de la cual el líquido puede entrar al volumen de contacto;

(d)

al menos una salida de líquido localizada en la pared lateral del barril y definida por una abertura en la pared lateral, a través de la cual puede fluir el líquido;

(e)

al menos un conjunto de dispositivos para proporcionar movimiento de rotación al vapor y al líquido arrastrado;

(f)

un medio para dirigir el flujo de líquido desde la salida de líquido principalmente hacia un lado del barril en la dirección de la siguiente fila de dispositivos ciclónicos, o hacia un tubo vertical de bajada hacia la siguiente bandeja de abajo; y

(g)

un medio para evitar el reflujo de líquido entre diferentes filas de dispositivos ciclónicos.

2. Una bandeja según la reivindicación 1, en la que el medio para dirigir el flujo de líquido desde la salida de líquido principalmente hacia un lado del barril, en la dirección de la siguiente fila de dispositivos ciclónicos, comprende una cubierta alrededor de la parte superior del barril de cada dispositivo ciclóni-
co.

3. Una bandeja según la reivindicación 2, en la que se integra un sombrero anular, encima del barril ciclónico, en la cubierta alrededor de la parte superior del dispositivo ciclónico.

4. Una bandeja según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, en la que el medio para evitar el reflujo de líquido desde la fila de dispositivos ciclónicos hasta la siguiente comprende un tabique entre barriles ciclónicos adyacentes.

5. El uso de una pluralidad de bandejas según cualquiera de las reivindicaciones anteriores en una columna de destilación o de fraccionamiento.