ES2713951T3 - Módulo de relleno estructurado para columna de transferencia de masa y proceso que lo utiliza - Google Patents
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Abstract
Un módulo de relleno estructurado que comprende: una pluralidad de placas verticales, que se extienden en paralelo, que tienen corrugaciones, caracterizado por que las placas están dispuestas con las corrugaciones de placas adyacentes extendiéndose de una manera entrecruzada; y elementos separadores que fijan las placas en relación separada con las corrugaciones de las placas adyacentes separadas y no en contacto entre sí o con otras estructuras a lo largo de sustancialmente una longitud completa de las corrugaciones para formar una separación abierta entre las superficies de las placas que están enfrente, en donde dichas superficies de las placas y dicha separación abierta entre las placas forman trayectorias de flujo para los fluidos
Description
DESCRIPCION
Modulo de relleno estructurado para columna de transferencia de masa y proceso que lo utiliza
Antecedentes de la invencion
La presente invencion se refiere en general a un aparato y un metodo para facilitar el contacto de liquido-vapor o lfquido-lfquido en columnas en las que tienen lugar procesos de intercambio de calor y/o transferencia de masa. Mas especificamente, la presente invencion se refiere a modulos de relleno estructurados para usar en columnas de transferencia de masa o intercambio de calor y metodos de uso de dichos modulos en condiciones de funcionamiento rigurosas en los que preocupan el ensuciamiento, la coquizacion, y la erosion.
Se han desarrollado muchos tipos de elementos de relleno aleatorios y estructurados para usar en columnas de transferencia de masa o intercambio de calor para facilitar el contacto entre corrientes de fluido que fluyen dentro de la columna. Los elementos de relleno generalmente mejoran la transferencia de masa o el intercambio de calor al proporcionar superficies sobre las que las corrientes de fluido pueden extenderse para aumentar el area de contacto entre las corrientes de fluido ascendente y descendente.
Los elementos de relleno se utilizan frecuentemente en condiciones de funcionamiento rigurosas en donde el ensuciamiento, la coquizacion, y la erosion de los elementos de relleno es un problema. Lo ideal es que los elementos de relleno usados en tales condiciones de funcionamiento rigurosas tengan suficiente resistencia estructural para resistir la erosion y las alteraciones drasticas en la columna tales como explosiones de vapor. Los elementos de relleno tambien deben proporcionar una geometria estructural que permita obtener la eficacia de separacion deseada. Al mismo tiempo, los elementos de relleno deben presentar un area suficientemente abierta y por otra parte configurarse de forma que eviten el ensuciamiento y la coquizacion debido al deposito de particulas solidas en la superficie de los elementos de relleno. Muchos tipos de rellenos convencionales poseen las caracteristicas de resistencia y eficacia necesarias, pero son propensos al ensuciamiento y la coquizacion en estas condiciones de funcionamiento rigurosas. Del mismo modo, otros tipos de rellenos convencionales son resistentes al ensuciamiento y la coquizacion pero no proporcionan la resistencia o la eficacia de separacion deseadas. Por consiguiente ha surgido la necesidad de un modulo de relleno estructurado que proporcione la resistencia estructural y eficacia de separacion deseadas mientras que al mismo tiempo sea resistente al ensuciamiento y la coquizacion.
Sumario de la invencion
En una realizacion, la presente invencion se dirige a un modulo de relleno estructurado que comprende una pluralidad de placas corrugadas verticales, que se extienden en paralelo dispuestas con las corrugaciones de placas adyacentes extendiendose de manera entrecruzada. Se utilizan elementos separadores para fijar las placas en una relacion separada con las corrugaciones de placas adyacentes separadas entre si a lo largo de su longitud completa, de manera que las corrugaciones esten exentas de contacto con otras corrugaciones. La separacion entre las corrugaciones de placas adyacentes esta completamente abierta al flujo de fluidos, de forma tipica un vapor ascendente, y las superficies de las placas proporcionan del mismo modo superficies de flujo sin obstaculos para un fluido, de forma tipica un liquido descendente. De esta manera, las placas resisten el ensuciamiento y la coquizacion pero son capaces de proporcionar la resistencia y la eficacia de separacion deseadas.
En otras realizaciones, la invencion se dirige a una columna que contiene el modulo de relleno estructurado y un proceso en el que el modulo de relleno estructurado se utiliza para facilitar la transferencia de masa y/o intercambio de calor entre corrientes de fluido que fluyen en la columna. En el proceso, el flujo de corrientes de fluido es sustancialmente uniforme a lo largo de las trayectorias de flujo formadas por las corrugaciones en las placas debido a la ausencia de zonas de bajo flujo que estarian formadas por las corrugaciones de placas anexas que estuvieran en contacto entre si o con otros elementos estructurales. El proceso resiste el ensuciamiento y la coquizacion debido a la ausencia de estos tipos de zonas de bajo flujo. El proceso puede, por tanto, llevarse a cabo bajo condiciones de funcionamiento rigurosas donde el ensuciamiento, la coquizacion y la erosion de las placas serian normalmente un problema.
Breve descripcion de los dibujos
La Fig. 1 es una vista en alzado parcial de una columna con el armazon de la columna retirado en seccion vertical para mostrar modulos de relleno estructurados de la presente invencion colocados dentro de la columna;
la Fig. 2 es una vista en planta superior de la columna tomada a lo largo de la linea 2-2 de la Fig. 1 en la direccion de las flechas;
la Fig. 3 es una vista en alzado lateral de uno de los modulos de relleno estructurados; y
la Fig. 4 es una vista en planta superior parcial que muestra dos realizaciones de las placas corrugadas que pueden usarse en los modulos de relleno estructurados.
Descripcion detallada
Volviendo ahora a los dibujos con mayor detalle y empezando por la Fig. 1, se representa una columna adecuada para usar en procesos de intercambio de transferencia de masa y/o calor en general con el numero 10. La columna 10 incluye un armazon 12 externo vertical que tiene una configuracion general cilindrica, aunque son posibles otras configuraciones, como la poligonal, y esas configuraciones se encuentran dentro del ambito de la presente invencion. El armazon 12 es de cualquier altura y diametro adecuados y se construye a partir de uno o mas materiales rigidos que son convenientemente inertes a los fluidos y las condiciones presentes durante el funcionamiento de la columna 10, o en cualquier caso compatibles.
La columna 10 es de un tipo usado para procesar corrientes de fluido, de forma tipica corrientes de liquido y vapor, para obtener productos de destilacion fraccionada y/o generar de otro modo el intercambio de transferencia de masa y/o calor entre las corrientes de fluido. Por ejemplo, la columna 10 puede ser una en la que se produzca un proceso atmosferico de crudo, vacio de lubricante, vacio de crudo, fraccionamiento de craqueo termico o de fluido, fraccionamiento de coquizador o reductor de viscosidad, depuracion de coque, depuracion de gases del reactor, enfriamiento de gas, desodorizacion de aceite comestible, depuracion del control de contaminacion, y otros procesos en condiciones de funcionamiento rigurosas.
El armazon 12 de la columna 10 define una region 14 interna abierta en la que se produce el intercambio deseable de transferencia de masa y/o calor entre las corrientes de fluido. Normalmente, las corrientes de fluido comprenden una o mas corrientes de vapor ascendentes y una o mas corrientes de liquido descendentes. Alternativamente, las corrientes de fluido pueden comprender tanto corrientes de liquido ascendente y descendente como una corriente de gas ascendente y una corriente de liquido descendente.
Las corrientes de fluido son dirigidas a la columna 10 a traves de un numero de tuberias de alimentacion (no mostradas) colocadas en lugares apropiados a lo largo de la altura de la columna 10. Tambien se pueden generar una o mas corrientes de vapor dentro de la columna 10 en vez de introducirlas en la columna 10 a traves de las tuberias de alimentacion. La columna 10 tambien incluira, de forma tipica, una tuberia aerea (no mostrada) para eliminar un producto de vapor o subproducto y una tuberia de derivacion de corriente inferior (no mostrada) para eliminar de la columna 10 un producto liquido o subproducto. Otros componentes de la columna que estan, de forma tipica, presentes, como tuberias de corriente de reflujo, condensadores, difusores de vapor, distribuidores de liquido y similares, no se ilustran en los dibujos porque son de caracter convencional y no se estima necesario ilustrar estos componentes para comprender la presente invencion.
Segun la presente invencion, se colocan una o mas capas 15a-d de modulos 16 de relleno estructurados dentro de la region 14 interna abierta de la columna 10. Volviendo tambien a las Figs. 2-4, cada modulo 16 de relleno estructurado comprende una pluralidad de placas 18 corrugadas verticales que se extienden en paralelo hechas de un material adecuadamente rigido, tal como cualquiera de los diferentes metales, plasticos o ceramicas que tengan suficiente resistencia y espesor para resistir la erosion y otras condiciones experimentadas dentro de la columna 10.
Como puede observarse mejor en la Fig. 4, las corrugaciones se extienden a lo largo de toda la superficie de las placas 18 y generalmente tienen una seccion transversal triangular o sinusoidal. Las corrugaciones en placas adyacentes 18 de cada modulo 16 de relleno estructurado se extienden de una forma entrecruzada o corrugada y cruzada. El angulo de inclinacion de las corrugaciones en relacion con el eje vertical de la columna 10 puede seleccionarse segun los requisitos de aplicaciones particulares. Por ejemplo, pueden utilizarse angulos de inclinacion de 30, 45 y 60 grados, asi como otros angulos.
Si a las corrugaciones de placas adyacentes 18 dentro de cada modulo 16 de relleno estructurado se les permitiera entrar en contacto entre si, los puntos de contacto proporcionarian regiones de bajo flujo donde los solidos son mas proclives a acumularse y causar ensuciamiento o coquizacion. Por lo tanto, las corrugaciones de placas adyacentes 18 dentro de cada modulo 16 de relleno estructurado se mantienen en una relacion separada a lo largo de longitud completa mediante elementos separadores 20 que se unen a las placas 18. Los elementos separadores 20 estan disenados para mantener la separacion entre las placas adyacentes 18 a lo largo de su longitud y anchura completa para proporcionar trayectorias de flujo sin obstaculos para un fluido, de forma tipica un liquido, que descienda a lo largo de todas las superficies de las placas y un fluido, de forma tipica un vapor, que ascienda en la separacion abierta entre las placas 18. Las corrugaciones de placas adyacentes 18 forman canales de flujo inclinados para este vapor descendente. Debido a que las corrugaciones de placas adyacentes 18 no entran en contacto entre si o con otras estructuras, el flujo del liquido y el vapor a lo largo de las placas 18 es generalmente uniforme sin la presencia de regiones de bajo flujo que podrian provocar la acumulacion de solidos sobre las placas 18 y dar como resultado la coquizacion o el ensuciamiento de las placas 18.
Los elementos separadores 20 pueden tener cualquiera de diversas formas adecuadas. En la realizacion ilustrada, los elementos separadores 20 son una serie de barras lisas 22 que se extienden a lo largo de los bordes superiores e inferiores de los modulos 16 de relleno estructurados en una direccion generalmente perpendicular a las placas 18. Las barras 22 se fijan a las placas 18 mediante soldadura u otros medios. Las barras 22 pueden extenderse o empotrarse en aberturas 24 formadas en los bordes de las placas 18 de manera que no impidan el contacto entre los bordes superiores de las placas 18 en un modulo 16 de relleno estructurado y los bordes inferiores de las placas 18 en un modulo 18 de relleno estructurado superpuesto. Las barras 22 pueden tener una seccion transversal redonda,
triangular, cuadrada o de otra forma deseada. Las aberturas 24 que alojan las barras 22 pueden formarse como muescas o agujeros completos y del mismo modo pueden tener una forma redonda, triangular, cuadrada u otra forma deseada. Los elementos separadores 20 funcionan para fijar juntas las placas 18 dentro de cada modulo 16 de relleno estructurado y para mantener la separacion deseada entre las corrugaciones de las placas adyacentes 18. Se debe entender que se pueden usar otros tipos de elementos separadores 20 ademas de las barras 22 para realizar estas funciones. Esto se contempla y esta dentro del alcance de la presente invencion. De forma deseable, sin embargo, los elementos separadores 20 se construyen y unen a las placas 18 de manera que reduzcan la posibilidad de que los solidos se acumulen en los elementos separadores 20 o en sus puntos de union a las placas 18.
El angulo O de pliegue (Fig. 4) y la altura h2 (Fig. 4) o la amplitud de las corrugaciones en cada placa 18, asi como la separacion entre placas adyacentes 18 dentro de cada modulo 16 de relleno estructurado pueden variar segun las aplicaciones particulares. A medida que aumenta la altura de pliegue de las corrugaciones, el numero de placas 18 que se puede colocar dentro de la seccion transversal de la columna 10 disminuye. Asimismo, a medida que aumenta la separacion entre las placas 18, el numero de placas 18 que puede colocarse a traves del area de la seccion transversal de la columna 10 disminuye. En general, a medida que aumenta el numero o la superficie especifica de las placas 18, aumenta asimismo la eficacia del proceso de intercambio de calor o de transferencia de masa. Al mismo tiempo, sin embargo, la caida de presion entre los bordes superiores e inferiores de los modulos 16 de relleno estructurado aumenta y la capacidad de flujo de fluido de los modulos 16 de relleno estructurado disminuye.
La probabilidad de que los solidos se acumulen en las superficies de las placas 18 tambien aumenta a medida que el radio de flexion de los picos de corrugacion disminuya. Por lo tanto, en condiciones de funcionamiento rigurosas donde preocupan el ensuciamiento o la coquizacion, es generalmente deseable reducir el radio de flexion de las placas 18 para reducir la posibilidad de que los solidos se acumulen en las placas 18 mientras que al mismo tiempo se selecciona el angulo de pliegue y la altura de las corrugaciones y la separacion entre placas adyacentes 18 para proporcionar la caida de presion y la capacidad de flujo de fluido deseadas para el modulo 16 de relleno estructurado.
Cada capa 15a-d de modulos 16 de relleno estructurados puede consistir en un solo modulo 16 de relleno estructurado que se extienda completamente a traves de la seccion transversal de la columna 10 y se soporte sobre un anillo de soporte (no mostrado) fijado al armazon 12 de la columna, un modulo 16 de relleno subyacente u otra estructura de soporte adecuada. De forma alternativa, puede montarse una pluralidad de modulos 16 de relleno estructurados individuales como si fueran ladrillos para formar una o mas de las capas 15a-d. Cada uno de los modulos 16 de relleno estructurados normalmente se apila directamente sobre el modulo 16 de relleno estructurado subyacente adyacente y de forma tipica se gira de tal manera que las placas corrugadas 18 en una capa se coloquen en planos verticales que esten en angulo con respecto a los planos verticales definidos por las placas corrugadas 18 en capas adyacentes. De forma tipica, este angulo de rotacion es de 45 o 90 grados, pero pueden ser otros angulos si se desea.
Todas las superficies de las placas 18 son generalmente lisas y estan exentas de textura superficial y aberturas (aparte de las aberturas 24 usadas para fijar las barras 22 a las placas 18) que puedan permitir que los solidos se acumulen en las placas 18. Se pueden colocar boquillas de pulverizacion (no mostradas) por encima y/o por debajo de los modulos 16 para dirigir un lavado por pulverizacion sobre las superficies de las placas 18 para desplazar o evitar la acumulacion de solidos en las placas 18. Con el fin de permitir que el lavado por pulverizacion llegue a todas las superficies de las placas 18, los modulos 16 pueden construirse con una altura vertical de tan solo aproximadamente 7,303 centimetros (aproximadamente 2 y 7/8 pulgadas). En otras aplicaciones, los modulos 16 de relleno estructurados pueden tener una altura de hasta aproximadamente 15 centimetros o mayor (aproximadamente 6 pulgadas). En aplicaciones donde los solidos en las corrientes de alimentacion de fluido provocarian el taponamiento de las boquillas de pulverizacion o de los distribuidores de fluido de tipo canal convencionales que alimentan el fluido a los modulos 16, se puede usar un distribuidor de liquido de tipo canal con aliviadero.
Durante el uso, uno o mas de los modulos 16 de relleno estructurados estan colocados dentro de la region 14 interna abierta dentro de la columna 10 para usarse y facilitar la transferencia de masa y/o el intercambio de calor entre corrientes de fluido que fluyen a contracorriente dentro de la columna 10. Cuando las corrientes de fluido se encuentran con las placas 18 en uno o mas de los modulos 16 de relleno estructurados, las corrientes de fluido se extienden sobre las superficies de las placas 18 para aumentar el area de contacto y, por lo tanto, la transferencia de masa y/o el intercambio de calor entre las corrientes de fluido. Debido a que las corrugaciones de las placas adyacentes 18 estan separadas entre si, una corriente de fluido, de forma tipica una corriente de liquido, puede descender a lo largo de la superficie inclinada de las corrugaciones de manera generalmente uniforme sin verse obstaculizada por zonas de flujo bajo que de forma tipica se producen cuando las corrugaciones estan en contacto entre si o con otros elementos estructurales a lo largo de su longitud. Otra corriente de fluido, de forma tipica una corriente de vapor, es asimismo capaz de ascender en la separacion abierta entre las placas 18 de manera sustancialmente uniforme sin ser obstaculizada por areas de bajo flujo, que se producirian si las corrugaciones estuvieran en contacto entre si o con otros elementos estructurales a lo largo de su longitud. De esta manera, los modulos 16 de relleno estructurados proporcionan la resistencia estructural y la eficacia de separacion deseadas a la vez que son resistentes al ensuciamiento y la coquizacion.
A partir de lo comentado anteriormente, se podra apreciar que esta invencion esta bien adaptada para lograr todas las finalidades y objetivos establecidos anteriormente en la presente memoria, junto con otras ventajas inherentes a la estructura.
Claims (13)
1. Un modulo de relleno estructurado que comprende: una pluralidad de placas verticales, que se extienden en paralelo, que tienen corrugaciones, caracterizado por que las placas estan dispuestas con las corrugaciones de placas adyacentes extendiendose de una manera entrecruzada; y elementos separadores que fijan las placas en relacion separada con las corrugaciones de las placas adyacentes separadas y no en contacto entre si o con otras estructuras a lo largo de sustancialmente una longitud completa de las corrugaciones para formar una separacion abierta entre las superficies de las placas que estan enfrente, en donde dichas superficies de las placas y dicha separacion abierta entre las placas forman trayectorias de flujo para los fluidos.
2. El modulo de relleno estructurado de la reivindicacion 1, en donde las corrugaciones se extienden a lo largo de una superficie completa de cada placa.
3. Una columna de transferencia de masa o intercambio de calor que comprende: un armazon que define una region interna abierta; y un modulo de relleno estructurado colocado dentro de dicha region interna abierta, comprendiendo dicho modulo de relleno estructurado: una pluralidad de placas verticales, que se extienden en paralelo, que tienen corrugaciones, caracterizado por que las placas estan dispuestas con las corrugaciones de placas adyacentes extendiendose de forma entrecruzada; y elementos separadores que fijan las placas en relacion separada con las corrugaciones de placas adyacentes separadas y no en contacto entre si o con otras estructuras a lo largo de sustancialmente una longitud completa de las corrugaciones para formar una separacion abierta entre las superficies de las placas que estan enfrente, en donde dichas superficies de las placas y dicha separacion abierta entre las placas forman trayectos de flujo para los fluidos.
4. El relleno estructurado de la reivindicacion 1 o la columna de la reivindicacion 3, en donde las superficies de las placas son lisas y generalmente exentas de textura.
5. El relleno estructurado de la reivindicacion 1 o la columna de la reivindicacion 3, en donde los elementos separadores comprenden barras que se extienden a traves de las placas.
6. El relleno estructurado de la reivindicacion 5 o la columna de la reivindicacion 5, en donde las placas tienen un borde superior e inferior y dichas barras se extienden a traves de dichos bordes superior e inferior.
7. El relleno estructurado de la reivindicacion 6 o la columna de la reivindicacion 6, en donde dichas placas tienen aberturas en dichos bordes superior e inferior y dichas barras se extienden a traves de dichas aberturas.
8. El relleno estructurado de la reivindicacion 7 o la columna de la reivindicacion 7, en donde dichas superficies de las placas estan exentas de aberturas excepto en dichos bordes superior e inferior.
9. El relleno estructurado de la reivindicacion 8 o la columna de la reivindicacion 8, en donde dichas barras son lisas y de seccion transversal redonda.
10. El relleno estructurado de la reivindicacion 8 o la columna de la reivindicacion 8, en donde dichas barras estan soldadas a dichas placas.
11. Un proceso para producir transferencia de masa y/o intercambio de calor entre corrientes de fluido que fluyen dentro de una columna de transferencia de masa que tiene modulos de relleno estructurados de la reivindicacion 1 colocados con una region interna abierta formado un armazon de la columna, comprendiendo dicho proceso la etapa de pasar dichas corrientes de fluido a traves de dichos modulos de relleno estructurados a lo largo de dichas trayectorias de flujo para provocar dicha transferencia de masa y/o intercambio de calor en dichas superficies de dichas placas.
12. El proceso de la reivindicacion 11, que incluye la etapa de producir un flujo sustancialmente uniforme de dichas corrientes de fluido a lo largo de dichas trayectorias de flujo.
13. El proceso de la reivindicacion 11, en donde dicha etapa de pasar dichas corrientes de fluido a traves de dichos modulos de relleno estructurados comprende pasar una corriente de liquido descendente y una corriente de vapor ascendente a traves de dichos modulos de relleno estructurados.
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