ES3038005T3 - Structured packing module for mass transfer columns - Google Patents
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Abstract
Se proporciona un elemento de empaque con estructura corrugada cruzada para su uso en columnas de transferencia de masa o intercambio de calor. El elemento de empaque cuenta con varias capas dispuestas verticalmente y paralelas entre sí, incluyendo corrugaciones formadas por picos y valles alternados, y paredes laterales corrugadas que se extienden entre estos. El elemento de empaque también incluye varias aberturas, cada una con un área abierta. Las aberturas están distribuidas de tal manera que la densidad de áreas abiertas en las paredes laterales corrugadas es mayor que la densidad de áreas abiertas presentes en los picos y valles. Algunas aberturas pueden estar presentes en los picos y valles para facilitar la distribución del líquido. Las aberturas también pueden colocarse en filas u otros patrones alineados longitudinalmente a lo largo de las corrugaciones. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)
Description
DESCRIPCIÓN
Módulo de empaquetamiento estructurado para columnas de transferencia de masa
Antecedentes
La presente invención se refiere generalmente a columnas de transferencia de masa y, más particularmente, a empaquetamiento estructurado que se utiliza para facilitar la transferencia de masa y calor entre fluidos en tales columnas.
Las columnas de transferencia de masa están configuradas para entrar en contacto con al menos dos corrientes de fluido con el fin de proporcionar corrientes de producto de composición y/o temperatura específicas. La expresión "columna de transferencia de masa", tal como se usa en la presente memoria, está destinada a englobar columnas en las que la transferencia de masa y/o calor es el objetivo principal. Algunas columnas de transferencia de masa, tales como las utilizadas en aplicaciones de destilación y absorción de múltiples componentes, hacen entrar en contacto una corriente en fase gaseosa con una corriente en fase líquida, mientras que otras, tales como las columnas de extracción, pueden diseñarse para facilitar el contacto entre dos fases líquidas de diferentes densidades. A menudo, las columnas de transferencia de masa están configuradas para poner en contacto una corriente ascendente de vapor o líquido con una corriente descendente de líquido, normalmente a lo largo de múltiples superficies de transferencia de masa dispuestas dentro de la columna. Comúnmente, estas superficies de transferencia están definidas por estructuras colocadas en el volumen interior de la columna que están configuradas para facilitar el contacto íntimo entre las dos fases fluidas. Como resultado de estas superficies de transferencia, se mejora la velocidad y/o el grado de masa y calor transferido entre las dos fases.
El empaquetamiento estructurado se usa comúnmente para proporcionar superficies de transferencia de calor y/o masa dentro de una columna. Existen muchos tipos diferentes de empaquetamiento estructurado, y la mayoría incluyen una pluralidad de láminas de empaquetamiento estructurado corrugadas que se colocan en una relación vertical y paralela y se unen entre sí para formar un módulo de empaquetamiento estructurado con pasos para fluido formados a lo largo de las corrugaciones entrecruzadas de láminas adyacentes. El módulo de empaquetamiento estructurado puede constituir por sí mismo una capa de empaquetamiento estructurado que llena una sección transversal interna horizontal de la columna, o bien el módulo de empaquetamiento puede adoptar la forma de ladrillos individuales que se colocan extremo con extremo y uno al lado del otro para formar la capa de empaquetamiento estructurado. Se apilan normalmente múltiples capas de empaquetamiento estructurado una encima de otra con la orientación de las láminas de una capa rotadas con respecto a las láminas de las capas de empaquetamiento estructurado adyacentes. Ejemplos específicos de empaquetamientos estructurados se divulgan en los documentos US 5.876.638 A, US 2003/094713 A1, CN 102.008.935 B y US 6.511.053 B2. El documento US 5.876.638 A se dirige a un elemento de empaquetamiento estructurado que tiene corrugaciones con picos y valles. En el elemento se han proporcionado textura superficial y orificios pasantes. Los orificios pasantes se describen como proporcionados en un conjunto ordenado a lo largo y ancho del elemento y pueden estar en un conjunto ordenado regular o pueden distribuirse aleatoriamente a lo largo y ancho del elemento. Un elemento de empaquetamiento estructurado similar que tiene corrugaciones y al menos una abertura, se describe en el documento US 2003/094713 A1. Un empaquetamiento corrugado en dientes de sierra se describe en el documento CN 102.008.935 B. Se propone que la superficie de la lámina de relleno del empaquetamiento corrugado en dientes de sierra esté perforada uniformemente. El documento US 6511 053 B2 está dirigido a un empaquetamiento para intercambio de calor y transferencia de masa entre un líquido y un gas en una columna. El empaquetamiento comprende una pluralidad de láminas de empaquetamiento que tienen dobleces en línea recta que dividen las láminas de empaquetamiento en áreas de doblez que tienen una anchura específica, medida de borde de doblez a borde de doblez. Los bordes de doblez forman un ángulo de 20° a 70° con respecto al eje de la columna. Las láminas de empaquetamiento en D8 comprenden, además, aberturas de paso en la proximidad de los bordes de doblez.
Generalmente es deseable maximizar la transferencia de masa y energía entre las fases de vapor y líquida a medida que estas fluyen a través de la capa de empaquetamiento estructurada; esto se logra normalmente aumentando el área superficial específica disponible para la transferencia de masa y energía. Sin embargo, los fluidos que pasan a través de una capa de empaquetamiento estructurado que tiene un área superficial específica más grande experimentarán normalmente una caída de presión más alta, lo que es indeseable desde un punto de vista operativo.
Por lo tanto, existe la necesidad de un empaquetamiento estructurado mejorado que sea capaz de lograr una reducción en la caída de presión sin una disminución significativa en la eficiencia de transferencia de masa y energía. Esto permite bien producir un empaquetamiento con una caída de presión más baja y la misma eficiencia, o bien aumentar el área superficial específica del empaquetamiento, aumentando así la eficiencia, sin aumentar significativamente la caída de presión del empaquetamiento.
Compendio
En un aspecto, la presente invención se refiere a un módulo de empaquetamiento estructurado con las características de la reivindicación independiente 1. Entre otras cosas, el módulo de empaquetamiento estructurado según la presente invención comprende una pluralidad de láminas de empaquetamiento estructurado colocadas en una relación vertical, paralelas entre sí. Cada lámina de empaquetamiento estructurado tiene corrugaciones formadas por picos y valles alternos y paredes laterales de corrugación que se extienden entre picos y valles adyacentes. Las láminas de empaquetamiento estructurado se construyen y disponen de manera que las corrugaciones de cada una de las láminas de empaquetamiento estructurado se extienden en un ángulo oblicuo con respecto a las corrugaciones de cada una adyacente de las láminas de empaquetamiento estructurado, y el área superficial específica de las láminas de empaquetamiento estructurado del módulo de empaquetamiento estructurado es generalmente mayor que 100 m2/m3. El módulo de empaquetamiento estructurado también incluye una pluralidad de aberturas para permitir el paso de fluido a través de las láminas de empaquetamiento estructurado. Las aberturas de cada una de las láminas de empaquetamiento estructurado están abiertas a cada una adyacente de las láminas de empaquetamiento y carecen sustancialmente de obstáculos. Las aberturas están distribuidas en cada una de las láminas de empaquetamiento estructurado de manera que las paredes laterales de corrugación tienen una densidad de áreas abiertas formadas por las aberturas que es mayor que cualquier densidad de cualquiera de las áreas abiertas que puedan estar presentes en los picos y valles. Las aberturas están distribuidas de tal manera que una densidad mayor de dichas áreas abiertas está presente más cerca de las líneas centrales de dichas paredes laterales de corrugación que cualquier densidad de cualquier área abierta que pueda estar presente más cerca de dichos picos y valles. Por otra parte, el módulo de empaquetamiento estructurado incluye separadores en dichos picos que entran en contacto solo con algunos de los picos de la cara enfrentada de una adyacente de las láminas de empaquetamiento estructurado.
En otro aspecto, la presente invención se refiere a una columna de transferencia de masa en la que se coloca el módulo de empaquetamiento descrito anteriormente. La columna de transferencia de masa tiene una carcasa que define una región interna abierta y al menos uno del módulo de empaquetamiento antes descrito, dentro de dicha región interna abierta. La columna de transferencia de masa también puede denominarse columna de intercambio de calor.
Breve descripción de los dibujos
En los dibujos adjuntos, que forman parte de la memoria descriptiva y en los que se usan los mismos números para indicar componentes similares en las diversas vistas:
la Figura 1 es una vista fragmentaria en alzado lateral de una columna de transferencia de masa con la carcasa de la columna tomada en corte vertical para mostrar las capas de empaquetamiento estructurado colocadas en una disposición apilada dentro de la columna;
la Figura 2 es una vista fragmentaria en perspectiva desde delante de una parte de una de las capas de empaquetamiento estructurado del tipo mostrado en la Figura 1, pero mostrada a una escala ampliada con respecto a la mostrada en la Figura 1 para ilustrar mejor una primera realización de referencia de láminas de empaquetamiento estructurado que forman una capa de empaquetamiento estructurado;
la Figura 3 es una vista fragmentaria en perspectiva desde un lado de la parte de la capa de empaquetamiento estructurado mostrada en la Figura 2;
la Figura 4 es una vista fragmentaria en perspectiva de una de las láminas de empaquetamiento estructuradas mostradas en las Figuras 2 y 3;
la Figura 5 es una vista fragmentaria en perspectiva de una segunda realización de referencia de una lámina de empaquetamiento estructurado que es similar a la mostrada en la Figura 4, pero tiene aberturas situadas en los picos y valles de las corrugaciones;
la Figura 6 es una vista fragmentaria en perspectiva de una tercera realización de referencia de una lámina de empaquetamiento estructurado que tiene dos filas de aberturas en cada pared lateral de corrugación;
la Figura 7 es una vista fragmentaria en perspectiva de una cuarta realización de referencia de una lámina de empaquetamiento estructurado que tiene tres filas de aberturas en cada pared lateral de corrugación;
la Figura 8 es una vista fragmentaria en perspectiva de una quinta realización de referencia de una lámina de empaquetamiento estructurado que tiene aberturas mayores y un radio de vértice de corrugación mayor que en la realización mostrada en la Figura 4;
la Figura 9 es una vista fragmentaria en perspectiva de una sexta realización de referencia de una lámina de empaquetamiento estructurado que tiene dos filas de aberturas y un radio de vértice de corrugación que es mayor que en las realizaciones mostradas en las Figuras 1-8;
la Figura 10 es una vista fragmentaria en perspectiva de una primera realización de una lámina de empaquetamiento estructurado de la presente invención en la que algunos de los picos de ambas caras de la lámina de empaquetamiento estructurado tienen tanto un radio de vértice de corrugación mayor como separadores formados a partir de secciones del vértice de radio menor original, no modificado;
la Figura 11 es una vista fragmentaria en perspectiva de una segunda realización de una lámina de empaquetamiento estructurado de la presente invención que es similar a la realización mostrada en la Figura 10, pero con aberturas situadas en la transición desde las secciones de radio de vértice más grande a las secciones de radio de vértice más pequeño, no modificado;
la Figura 12 es una vista fragmentaria en perspectiva de una séptima realización de referencia de una lámina de empaquetamiento estructurado que tiene una sola fila de aberturas en cada pared lateral de corrugación y con un mayor número de aberturas más pequeñas que en la realización mostrada en la Figura 4;
la Figura 13 es una vista fragmentaria en planta de una lámina plana en la que las aberturas han sido practicadas antes del rebordeado para formar una lámina de empaquetamiento estructurado que tiene una única fila de aberturas en cada pared lateral de corrugación; y
la Figura 14 es una vista fragmentaria en planta de una lámina plana similar a la Figura 13, pero que muestra una doble fila de aberturas que estarán presentes en cada pared lateral de corrugación después del rebordeado de la lámina.
Descripción detallada
Haciendo ahora referencia a los dibujos, y con mayor detalle e inicialmente a la Figura 1, una columna de transferencia de masa adecuada para su uso en procesos de transferencia de masa e intercambio de calor se ha representado generalmente por el número 10. La columna 10 de transferencia de masa incluye una carcasa externa vertical 12 que es generalmente de configuración cilíndrica, aunque son posibles otras configuraciones, incluyendo poligonales, que están dentro del alcance de la presente invención. La carcasa 12 es de cualquier diámetro y altura adecuados y está construida de uno o más materiales rígidos que son deseablemente inertes a, o son compatibles de otro modo con, los fluidos y condiciones presentes durante el funcionamiento de la columna 10 de transferencia de masa.
La carcasa 12 de la columna 10 de transferencia de masa define una región interna abierta 14 en la que se produce la transferencia de masa y/o el intercambio de calor deseados entre las corrientes de fluido. Normalmente, las corrientes de fluido comprenden una o más corrientes de vapor ascendentes y una o más corrientes de líquido descendentes. Alternativamente, las corrientes de fluido pueden comprender corrientes de líquido tanto ascendentes como descendentes. Las corrientes de fluido son dirigidas a la columna 10 de transferencia de masa a través de cualquier número de conducciones de alimentación (no mostradas) colocadas en ubicaciones apropiadas a lo largo de la altura de la columna 10 de transferencia de masa. También se pueden generar una o más corrientes de vapor dentro de la columna 10 de transferencia de masa en lugar de ser introducidas en la columna 10 a través de las conducciones de alimentación. La columna 10 de transferencia de masa también incluirá normalmente una conducción de cabeza (no mostrada) para retirar un producto o subproducto de vapor, y una conducción de extracción de corriente de fondo (no mostrada) para retirar un producto o subproducto líquido de la columna 10 de transferencia de masa. Otros componentes de columna que están normalmente presentes, tales como puntos de alimentación, extracciones laterales, conducciones de corriente de reflujo, reevaporadores, condensadores, trompas de vapor, distribuidores de líquido y elementos similares, no se han ilustrado en los dibujos porque no se cree que sea necesaria una ilustración de estos componentes para una comprensión de la presente invención.
Una o más capas 16 de empaquetamiento estructurado, que comprenden láminas 18 de empaquetamiento estructurado individuales, están colocadas dentro de la región interna abierta 14 y se extienden a través de la sección transversal interna horizontal de la columna 10 de transferencia de masa. En la realización ilustrada, cuatro capas 16 de empaquetamiento estructurado están colocadas en una relación apilada verticalmente unas sobre otras, pero debe entenderse que pueden proporcionarse más o menos capas 16 de empaquetamiento estructurado. En una realización, cada una de las capas 16 de empaquetamiento estructurado está formada como un único módulo de empaquetamiento estructurado que se extiende completamente a través de la sección transversal interna horizontal de la columna 10. En otra realización, cada capa 16 de empaquetamiento estructurado está formada como una pluralidad de módulos de empaquetamiento estructurado individuales (no mostrados), denominados ladrillos, que están colocados en una relación mutua de extremo con extremo y de lado con lado para llenar la sección transversal interna horizontal de la columna 10 de transferencia de masa.
Las capas 16 de empaquetamiento estructurado están, cada una de ellas, soportadas de manera adecuada dentro de la columna 10 de transferencia de masa, tal como en un anillo de soporte (no mostrado) que está fijado a la carcasa 12, en una subyacente de las capas 16 de empaquetamiento estructurado, o por una rejilla u otra estructura de soporte adecuada. En una realización, la capa 16 de empaquetamiento estructurado más inferior está soportada sobre una estructura de soporte y las capas 16 de empaquetamiento estructurado superpuestas están apiladas una encima de otra y están soportadas por la capa 16 de empaquetamiento estructurado más inferior. Las capas 16 de empaquetamiento estructurado sucesivas están rotadas, por lo común, una con respecto a otra de manera que las láminas 18 de empaquetamiento estructurado individuales de una de las capas 16 de empaquetamiento se colocan en planos verticales que se extienden en un ángulo con respecto a los planos verticales definidos por las láminas 18 de empaquetamiento estructurado individuales de la(s) capa(s) adyacente(s) a las capas de empaquetamiento 16. Este ángulo de rotación es, por lo común, 45 o 90 grados, pero puede ser otros ángulos si se desea. La altura de cada elemento 16 de empaquetamiento estructurado puede variarse dependiendo de la aplicación particular. Por ejemplo, la altura está dentro del intervalo de aproximadamente 50 mm a aproximadamente 400 mm.
Las láminas 18 de empaquetamiento estructurado de cada capa 16 de empaquetamiento estructurado están situadas en una relación vertical y paralela entre sí. Cada una de las láminas 18 de empaquetamiento estructurado está construida de un material rígido adecuado, tal como cualquiera de diversos metales, plásticos o cerámicas que tengan suficiente resistencia y grosor para resistir las condiciones de procesamiento experimentadas dentro de la columna 10 de transferencia de masa. Cada una de las láminas 18 de empaquetamiento estructurado presenta unas superficies anterior y posterior, de las cuales todas, o una parte, pueden ser generalmente lisas y carentes de textura superficial, o pueden incluir diversos tipos de textura, gofrado, acanaladuras u hoyuelos. La configuración de las superficies de las láminas 18 de empaquetamiento depende de la aplicación particular en la que se vayan a usar las láminas 18 de empaquetamiento y puede seleccionarse para facilitar el reparto y, por lo tanto, maximizar el contacto entre las corrientes de fluido ascendentes y descendentes.
Haciendo referencia, adicionalmente, a las Figuras 2-4, cada una de las láminas 18 de empaquetamiento estructurado tiene una pluralidad de corrugaciones 20 paralelas que se extienden a lo largo de una parte o toda la lámina 18 de empaquetamiento estructurado asociada. Las corrugaciones 20 están formadas por picos 22 y valles 24 alternos y por paredes laterales 26 de corrugación que se extienden entre picos 22 y valles 24 adyacentes. Los picos 22 de una cara anterior de cada lámina 18 de empaquetamiento estructurado forman valles 24 en la cara opuesta o posterior de la lámina 18 de empaquetamiento estructurado. Asimismo, los valles 24 de las caras anteriores de cada lámina 18 de empaquetamiento estructurado forman picos 22 en la cara posterior de la lámina 18 de empaquetamiento estructurado. Ejemplos adicionales de láminas 18 de empaquetamiento corrugadas de acuerdo con diversas realizaciones de referencia (Figuras 5-9 y 12) y de acuerdo con la presente invención (Figuras 10 y 11) se muestran en las Figuras 5-12.
En las láminas 18 de empaquetamiento ilustradas, las corrugaciones 20 de cada una de las láminas 18 de empaquetamiento estructurado se extienden a lo largo de toda la altura y anchura de la lámina 18 de empaquetamiento estructurado y son generalmente de una sección transversal triangular o sinusoidal. Las láminas adyacentes a las láminas 18 de empaquetamiento estructurado de cada capa 16 de empaquetamiento estructurado se colocan en relación de enfrentamiento mutuo, de modo que la cara anterior de una de las láminas 18 de empaquetamiento estructurado se enfrenta a la cara posterior de la lámina 18 de empaquetamiento estructurado adyacente. Las láminas 18 de empaquetamiento estructurado adyacentes están dispuestas, además, de tal modo que las corrugaciones 20 de cada una de las láminas 18 de empaquetamiento estructurado se extienden de una manera entrecruzada, o corrugada cruzada, con las de la(s) adyacente(s) de las láminas 18 de empaquetamiento estructurado. Como resultado de esta disposición, las corrugaciones 20 de cada una de las láminas 18 de empaquetamiento estructurado se extienden en un ángulo oblicuo con respecto a las corrugaciones de cada lámina adyacente de las láminas 18 de empaquetamiento estructurado. Algunos, todos o ninguno de los picos 22 de las corrugaciones 20 de la cara anterior de cada una de las láminas 18 de empaquetamiento estructurado pueden estar en contacto con los picos 22 de la cara posterior de la lámina adyacente de las láminas 18 de empaquetamiento estructurado.
Las corrugaciones 20 están inclinadas con respecto a un eje vertical de la columna 10 de transferencia de masa con un ángulo de inclinación que puede seleccionarse para los requisitos de las aplicaciones particulares en las que se vayan a usar las láminas 18 de empaquetamiento estructurado. Pueden usarse ángulos de inclinación de aproximadamente 30°, aproximadamente 45° y aproximadamente 60°, así como otros ángulos de inclinación que sean adecuados para un uso previsto particular de la capa 16 de empaquetamiento estructurado.
Los picos 22, los valles 24 y las paredes laterales 26 de corrugación de las corrugaciones 20 se forman normalmente en un procedimiento de rebordeado automatizado suministrando una lámina plana, tal como se muestra en las Figuras 13 y 14, a una prensa de rebordeado. Los picos 22 y los valles 24 se forman generalmente como arcos curvados que pueden estar definidos por un radio de vértice. En general, a medida que aumenta el radio de vértice, aumenta el arco de curvatura de los picos 22 y los valles 24 y la longitud de las paredes laterales 26 de corrugación entre los picos 22 y los valles 24 disminuye a la inversa, para un área de superficie específica dada. Las dos paredes laterales 26 de corrugación de cada corrugación 20 forman un ángulo de vértice. El radio de vértice, el ángulo del vértice, la altura de rebordeado de empaquetamiento, y la longitud de pico 22 a pico 22 están interrelacionados y pueden variarse para conseguir una geometría deseada y un área superficial específica. En general, a medida que se reduce la altura de rebordeado, aumenta el número de láminas 18 de empaquetamiento estructurado contenidas en cada capa (16) (o módulo) de empaquetamiento estructurado, así como el área superficial específica asociada.
El radio de vértice, el ángulo de vértice y la altura del rebordeado pueden variarse para aplicaciones particulares. En la presente invención, se seleccionan de manera que el área superficial específica de la capa 16 de empaquetamiento estructurada sea, en general, mayor de 100 m2/m3.
Cada una de las láminas 18 de empaquetamiento estructurado está provista de una pluralidad de aberturas 28 que se extienden a través de la lámina 18 de empaquetamiento estructurado para facilitar la distribución de vapor y líquido dentro de la capa 16 de empaquetamiento. Cada abertura 28 proporciona un área abierta para permitir el paso de fluido a través de la lámina 18 de empaquetamiento asociada. Las aberturas 28 formadas en cada lámina 18 de empaquetamiento estructurado no tienen sustancialmente obstáculos porque están abiertas a la(s) lámina(s) 18 de empaquetamiento estructurado adyacente(s) y no están cubiertas o blindadas por elementos estructurales portados por la lámina 18 de empaquetamiento estructurado en la que están formadas las aberturas 28, que de otro modo restrinjan o desvíen el flujo de fluido después de que pase a través de la abertura 28. Una abertura 28 no está abierta a la lámina 18 de empaquetamiento estructurado adyacente ni tampoco carece sustancialmente de obstáculos si una parrilla u otra estructura similar está colocada parcial o completamente sobre la abertura 28. Una abertura 28 está abierta y carece sustancialmente de obstáculos incluso aunque estén presentes rebordes perimetrales menores o "rebabas" como resultado de una operación de punzonado que puede usarse para formar las aberturas 28.
Cuando las aberturas 28 están abiertas a la lámina 18 de empaquetamiento estructurado adyacente y carecen sustancialmente de obstáculos en las capas 16 de empaquetamiento estructurado que tienen un área superficial específica de, en general, más de 100 m2/m3, se ha encontrado inesperadamente que disposiciones particulares de las aberturas 28 reducen significativamente la caída de presión entre los bordes superior e inferior de la capa 16 de empaquetamiento estructurado, con una eficiencia de transferencia de masa mejorada o poco o ningún impacto adverso sobre la eficiencia de transferencia de masa de la capa 16 de empaquetamiento estructurado. Esto da como resultado una disminución global en la caída de presión por etapa de separación teórica y un rendimiento mejorado de la capa 16 de empaquetamiento estructurado durante los procesos de transferencia de masa que se producen dentro de la columna 10 de transferencia de masa.
Este resultado de caída de presión y rendimiento beneficiosos se obtiene debido a que las aberturas 28 están distribuidas en las láminas 18 de empaquetamiento estructurado de tal manera que las paredes laterales 26 de corrugación tienen una mayor densidad de áreas abiertas definidas por las aberturas 28 que cualquier densidad de áreas abiertas que puedan estar presentes en los picos 22 y valles 24. En una realización, las aberturas 28 solo están presentes en las paredes laterales 26 de corrugación. En otra realización, algunas de las aberturas 28 están presentes en los picos 22 y en los valles 24 para interrumpir el flujo de líquido a lo largo de los valles 24 y facilitar su distribución a través de las paredes laterales 26 de corrugación y desde una cara de la lámina 18 de empaquetamiento estructurado a su cara opuesta.
El aumento del área abierta conjunta o total formada por las aberturas 28 cuando se colocan con una gran densidad en las paredes laterales 26 de corrugación, y la reducción del tamaño de las aberturas 28, aumentando así el número de aberturas 28, puede reducir adicionalmente la caída de presión por etapa teórica. Se pueden conseguir mejoras adicionales colocando estas aberturas 28 en filas u otras configuraciones que están alineadas preferentemente en una dirección a lo largo de la dimensión longitudinal de las corrugaciones 20. Se pueden lograr incluso mejoras adicionales aumentando el radio del vértice y/o ajustando el ángulo del vértice de las corrugaciones 20.
Para evitar un aumento de la acumulación de líquido en los puntos de contacto entre láminas 18 de empaquetamiento estructurado adyacentes, que, de otro modo, resultaría debido a los radios de vértice más grandes en una realización de la presente invención, tal como se muestra a modo de ejemplo en la Figura 8, y sería perjudicial para la eficiencia de transferencia de masa, las corrugaciones 20 de las láminas 18 de empaquetamiento estructurado adyacentes están separadas por separadores 32, tal como se muestra en las Figuras 10 y 11. En una realización, estos separadores están formados como secciones de algunos o todos los picos 22 de la cara delantera y/o trasera de las láminas 18 de empaquetamiento estructurado donde no se aplica la modificación del radio de vértice más grande y se retienen el radio de vértice más pequeño, inalterado, y la altura de corrugación 20, formando con ello picos 22 con radios de vértice dobles como se muestra en las Figuras 10 y 11. Los separadores 32 están situados en posiciones separadas entre sí a lo largo de algunos o todos los picos 22 existentes en al menos una cara de todas o algunas de las láminas 18 de empaquetamiento estructurado, y entran en contacto con los picos 22 enfrentados de la lámina 18 de empaquetamiento estructurado adyacente, evitando así el contacto entre las láminas 18 de empaquetamiento estructurado adyacentes en las regiones que incorporan la modificación del radio de vértice más grande. En una realización, los separadores 32 pueden formarse haciendo descender ciertas partes de los picos 22, que tienen inicialmente los radios de vértice originales más pequeños, como se muestra en la Figura 4, para crear los picos 22 que tienen los radios de vértice más grandes, como se muestra en la Figura 10. Los separadores 32 están formados, de este modo, por las secciones que no se han hecho descender y que retienen los radios de vértice más pequeños y no modificados y la altura de corrugación 20 original.
Las aberturas 28 pueden estar situadas a lo largo de las paredes laterales 26 de corrugación en diversas configuraciones. En una realización, las aberturas 28 pueden estar presentes solamente en las paredes laterales 26 de corrugación de las láminas 18 de empaquetamiento, de manera que no están presentes aberturas 28 en los picos 22 o en los valles 24. En otra realización, un número suficiente de aberturas 28 puede estar situado en los picos 22 y los valles 24 para interrumpir el flujo de líquido a lo largo de los picos 22 y los valles 24 y permitir que al menos algo de ese líquido se drene de una cara a la otra cara de la lámina 18 de empaquetamiento estructurado. Adicionalmente, una mayoría de, o todas, las aberturas 28 situadas en las paredes laterales 26 de corrugación pueden estar situadas más cerca de la línea central longitudinal de la pared lateral 26 de corrugación que de un pico 22 o un valle 24. Como resultado de esta ubicación, la densidad de las áreas abiertas definidas por las aberturas 28 más próximas a la línea central es mayor que la densidad de las áreas abiertas definidas por las aberturas 28 más próximas a los picos 22 o valles 24 de cada pared lateral 26 de corrugación. En algunas aplicaciones, se ha encontrado que el aumento de la densidad del área abierta definida por las aberturas 28 más cercanas a la línea central de la pared lateral 26 de corrugación reduce la caída de presión con una reducción mínima en la transferencia de masa total, produciendo una mejora global en términos de caída de presión por etapa teórica.
La colocación de las aberturas 28 a lo largo de la pared lateral 26 de corrugación puede depender, al menos en parte, del tamaño, del área abierta total y de la separación total de las aberturas 28. En algunas aplicaciones, estos factores pueden ajustarse para la lámina 18 de empaquetamiento estructurado de tal manera que aumente el área abierta total, al tiempo que se minimiza el tamaño de abertura, de modo que se maximiza el número total de aberturas 28 por unidad de área. Se ha encontrado que esto da como resultado una disminución en la caída de presión por etapa teórica, lo que indica una mejora deseable en el rendimiento de la capa 16 de empaquetamiento estructurado.
En algunas aplicaciones, la dimensión plana máxima de las aberturas 28 puede estar en el intervalo de aproximadamente 1 mm a aproximadamente 13 mm, de aproximadamente 1,5 mm a aproximadamente 10 mm, de aproximadamente 2 mm a aproximadamente 8 mm, o de aproximadamente 2,5 mm a aproximadamente 6 mm. La dimensión plana máxima de cada abertura 28 se mide a lo largo de la línea más larga entre dos lados de la abertura 28 que pasa a través del centro de la abertura 28. Cuando la abertura 28 tiene una forma redonda, la dimensión plana máxima es el diámetro. Aunque se han mostrado en las figuras de los dibujos como provistas de una forma generalmente redonda, las aberturas 28 pueden tener otras formas, tales como una forma triangular, una forma oblonga, una forma ovalada, una forma rectangular o una forma cuadrada. Estas y otras formas están dentro del alcance de la invención.
En algunas aplicaciones, el área abierta de cada una de las aberturas 28 puede minimizarse de manera que las aberturas 20 individuales tengan un área abierta de no más de aproximadamente 80 mm2, no más de aproximadamente 50 mm2 o no más de aproximadamente 30 mm2, pero el número de aberturas por unidad de área puede maximizarse de manera que el área abierta total de cada una de las láminas 18 de empaquetamiento esté en el intervalo de aproximadamente el 6 a aproximadamente el 20 por ciento, de aproximadamente el 8 a aproximadamente el 18 por ciento, de aproximadamente el 10 a aproximadamente el 16 por ciento, o de aproximadamente el 11 a aproximadamente el 15 por ciento sobre la base del área superficial total de la lámina 18 de empaquetamiento asociada.
Las aberturas 28 pueden estar dispuestas a lo largo de cada una de las paredes laterales 26 de corrugación, en una o más filas separadas entre sí que se extienden en una dirección sustancialmente paralela a la dirección de extensión longitudinal de los picos y valles. Como se muestra de la mejor manera en las Figuras 13 y 14, que representan una lámina 18 de empaquetamiento antes de ser plegada, las filas de aberturas 28 pueden estar separadas entre sí y extenderse en una dirección sustancialmente paralela a la dirección de extensión de las líneas 30 de doblez de corrugación. Como resultado, las filas de aberturas 28 pueden extenderse en un ángulo oblicuo con respecto a los bordes de la capa de empaquetamiento. El número total de filas presentes en cada pared lateral de corrugación puede ser al menos una, al menos dos, o al menos tres, variando la disposición particular dependiendo de la aplicación particular. Las aberturas 28 no deben estar dispuestas, preferiblemente, en una configuración aleatoria con respecto a las corrugaciones 20 y pueden ser o no paralelas a los bordes de la lámina 18 de empaquetamiento.
Cuando las aberturas 28 están dispuestas en dos o más filas a lo largo de las paredes laterales 26 de corrugación, las aberturas 28 de filas adyacentes pueden ser alineadas entre sí (no se muestra), o bien las aberturas 28 pueden estar escalonadas entre sí en una dirección paralela a la dirección de extensión de los picos 22 y los valles 24, como se muestra en las realizaciones de referencia de láminas de empaquetamiento estructurado de las Figuras 6, 7 y 9. En algunas aplicaciones, las aberturas 28 de filas adyacentes pueden estar escalonadas entre sí a lo largo de la línea central de la pared lateral 26 de corrugación. La separación entre aberturas adyacentes 28 puede variar dependiendo de la aplicación, y puede, por ejemplo, estar en el intervalo entre 1 mm y 20 mm, entre 2 mm y 15 mm, o entre 3 mm y 10 mm, cuando se mide entre bordes consecutivos de aberturas adyacentes.
En una realización, las láminas 18 de empaquetamiento pueden tener un ángulo de vértice comprendido en el intervalo de 70° a 120°. En otra realización, pueden tener un ángulo de vértice de 80° a 115°. En otra realización adicional, pueden presentar un ángulo de vértice de 90° a 110°. En diversas realizaciones, el radio de vértice puede estar en el intervalo de aproximadamente 1 mm a aproximadamente 15 mm, o de aproximadamente 1,5 mm a aproximadamente 10 mm, o de aproximadamente 2 mm a aproximadamente 8 mm.
Se ha encontrado que es generalmente deseable evitar el contacto entre al menos algunas o la mayoría de las corrugaciones 20 de cada lámina 18 de empaquetamiento estructurado y las de láminas 18 de empaquetamiento estructurado adyacentes en una distancia mayor o igual que al menos el grosor de la película líquida que está destinada a fluir a lo largo de las corrugaciones 20, a fin de evitar la acumulación de líquido no deseada en los puntos de contacto donde las corrugaciones 20 de una lámina 18 de empaquetamiento estructurado entran en contacto con las corrugaciones 20 de una lámina 18 de empaquetamiento estructurado adyacente, que se exacerbaría en láminas 18 de empaquetamiento estructurado que tienen radios de vértice mayores. Por ejemplo, la distancia entre los picos 22 de la cara anterior de una lámina 18 de empaquetamiento estructurado y los picos 22 de la cara posterior de la lámina 18 de empaquetamiento estructurado adyacente puede estar comprendida en el intervalo entre 0,25 mm y 3 mm, entre 0,35 mm y 2,5 mm, o entre 0,45 mm y 2 mm. Esta reducción en el contacto entre los picos 22 de radio más grande de las corrugaciones 20 puede conseguirse mediante los separadores 32, tales como los formados por las secciones que no se han hecho descender de los picos 22, tal como se muestra en las Figuras 10 y 11, que están situadas en posiciones separadas entre sí a lo largo de todos o algunos de los picos 22 de una o ambas caras de todas las láminas 18 de empaquetamiento estructurado o de láminas alternas. La longitud y la separación de los separadores 32 se seleccionan de modo que estos entren en contacto solo con algunos de los picos 22 o separadores 32 enfrentados de las láminas 18 de empaquetamiento estructurado adyacentes cuando se ensamblan para formar la capa 16 de empaquetamiento estructurado. Con el fin de facilitar la deformación de la lámina plana durante la formación de las corrugaciones 20 y los separadores 32, algunas de las aberturas 28 pueden estar situadas en las transiciones entre las porciones deprimidas de los picos 22 y los separadores 32, formando de este modo picos 22 con radios de vértice dobles y aberturas 28 en la transición de radios grandes a pequeños, tal como se muestra en la Figura 11.
En uso, una o más de las capas 16 de empaquetamiento estructurado se ensamblan a partir de las láminas 18 de empaquetamiento estructurado y se colocan dentro de la región interna abierta 14 situada dentro de la columna 10 de transferencia de masa, a fin de usarlas para facilitar la transferencia de masa y/o el intercambio de calor entre las corrientes de fluido que fluyen en contracorriente dentro de la región interna abierta 14. A medida que las corrientes de fluido se encuentran con las láminas 18 de empaquetamiento estructurado de las una o más capas 16 de empaquetamiento estructurado, las corrientes de fluido se reparten sobre las superficies de las láminas 18 de empaquetamiento estructurado para aumentar el área de contacto y, por lo tanto, la transferencia de masa y/o el intercambio de calor entre las corrientes de fluido. Una corriente de fluido, normalmente una corriente de líquido, desciende a lo largo de la superficie inclinada de las corrugaciones, mientras que otra corriente de fluido, normalmente una corriente de vapor, es asimismo capaz de ascender por la separación abierta entre las láminas 18 de empaquetamiento estructurado adyacentes y entrar en contacto con la corriente de fluido descendente para afectar a la transferencia de calor y/o de masa. Las aberturas 28 de las láminas 18 de empaquetamiento estructurado facilitan la distribución de vapor dentro de la capa 16 de empaquetamiento estructurado y también actúan como distribuidor de líquido para controlar la configuración del líquido con el fin de ayudar a la distribución de líquido a medida que el líquido se mueve a través de las láminas 18 de empaquetamiento estructurado, y para facilitar el paso de líquido desde una cara de la lámina de empaquetamiento a la otra. El tamaño, la forma y la distribución de las aberturas 28 en la presente memoria pueden configurarse específicamente como se ha descrito anteriormente para reducir la caída de presión entre los bordes superior e inferior de las capas 16 de empaquetamiento estructurado con un aumento sorprendente o solo una reducción mínima, si la hay, en la eficiencia de la separación, dando como resultado, con ello, un rendimiento global mejorado de la capa 16 de empaquetamiento estructurado en la columna 10 de transferencia de masa.
La invención se ilustra adicionalmente con la referencia a la siguiente tabla, que muestra resultados normalizados de simulaciones computacionales de dinámica de fluidos para láminas de empaquetamiento estructurado convencionales A-E, láminas de empaquetamiento estructurado de referencia 1 y 2, y láminas de empaquetamiento estructurado de la invención, 3-10, que incorporan diversas características de la presente invención. La información presentada en la tabla se proporciona a modo de ilustración y nada en la misma debe tomarse como una limitación del alcance global de la invención.
De lo anterior se verá que esta invención está bien configurada para alcanzar todos los fines y objetivos expuestos anteriormente en la presente memoria junto con otras ventajas que son inherentes a la estructura.
Claims (13)
1. Un módulo de empaquetamiento estructurado que comprende:
una pluralidad de láminas (18) de empaquetamiento estructurado colocadas en una relación vertical, paralelas entre sí, teniendo cada lámina (18) de empaquetamiento estructurado corrugaciones (20) formadas por picos (22) y valles (24) alternos y paredes laterales (26) de corrugación que se extienden entre picos (22) y valles (24) adyacentes, estando construidas y dispuestas las láminas (18) de empaquetamiento estructurado de manera que las corrugaciones (20) de cada una de las láminas (18) de empaquetamiento estructurado se extienden en un ángulo oblicuo con respecto a las corrugaciones (20) de cada lámina adyacente de las láminas (18) de empaquetamiento estructurado, y el área superficial específica de las láminas (18) de empaquetamiento estructurado del módulo de empaquetamiento estructurado es mayor que 100 m2/m3; y
una pluralidad de aberturas (28) en las láminas (18) de empaquetamiento estructurado para permitir el paso de fluido a través de las láminas (18) de empaquetamiento estructurado, estando las aberturas (28) de cada una de las láminas (18) de empaquetamiento estructurado abiertas a cada lámina adyacente de las láminas (18) de empaquetamiento estructurado y careciendo sustancialmente de obstáculos, estando las aberturas (28) distribuidas en cada una de las láminas (18) de empaquetamiento estructurado de manera que las paredes laterales (26) de corrugación tienen una mayor densidad de áreas abiertas formadas por las aberturas (28) que cualquier densidad de cualquiera de las áreas abiertas que puedan estar presentes en los picos (22) y valles (24),
caracterizado por que dichas aberturas (28) están distribuidas de tal modo que una mayor densidad de dichas áreas abiertas está presente más cerca de las líneas centrales de dichas paredes laterales (26) de corrugación que cualquier densidad de cualquier área abierta que pueda estar presente más cerca de dichos picos (22) y valles (24),
y por que el módulo de empaquetamiento estructurado comprende separadores (32) en dichos picos (22) que entran en contacto solo con algunos de los picos (22) de la cara opuesta de una lámina adyacente de las láminas (18) de empaquetamiento estructurado.
2. El módulo de empaquetamiento estructurado de acuerdo con la reivindicación 1, en el cual dichas aberturas (28) están presentes solamente en las paredes laterales (26) de corrugación.
3. El módulo de empaquetamiento estructurado de acuerdo con la reivindicación 1, en el cual dichas aberturas (28) están dispuestas en una o más filas separadas entre sí y que se extienden en una dirección generalmente paralela a la dirección de extensión longitudinal de dichos picos (22) y valles (24).
4. El módulo de empaquetamiento estructurado de acuerdo con la reivindicación 3, en el cual las corrugaciones (20) de cada una de dichas láminas (18) de empaquetamiento tienen un ángulo de vértice comprendido en el intervalo de 70° a 120°.
5. El módulo de empaquetamiento estructurado de acuerdo con la reivindicación 1, en el cual el área abierta de cada una de dichas láminas (18) de empaquetamiento estructurado está comprendida en el intervalo del 6 al 20 por ciento, sobre la base del área superficial total de la lámina (18) de empaquetamiento asociada.
6. El módulo de empaquetamiento estructurado de acuerdo con la reivindicación 1, en el cual cada una de dichas aberturas (28) tiene una dimensión plana máxima comprendida en el intervalo de 1 mm a 13 mm.
7. El módulo de empaquetamiento estructurado de acuerdo con la reivindicación 1, en el cual dichas aberturas (28) tienen una forma redonda.
8. El módulo de empaquetamiento estructurado de acuerdo con la reivindicación 1, en el cual dichos separadores (32) están formados como secciones de dichos picos (22) que tienen un radio de vértice más pequeño que las secciones deprimidas adyacentes de dichos picos (22) que tienen un radio de vértice más grande.
9. El módulo de empaquetamiento estructurado de acuerdo con la reivindicación 8, en el cual algunas de dichas aberturas (28) están situadas en transiciones desde dichas secciones deprimidas de dichos picos (22) a dichas secciones de dichos picos (22) que tienen un radio de vértice más pequeño.
10. El módulo de empaquetamiento estructurado de acuerdo con la reivindicación 1, en el cual algunas de dichas aberturas (28) están situadas en dichos picos (22) y valles (24).
11. El módulo de empaquetamiento estructurado de acuerdo con la reivindicación 1, en el cual dichas corrugaciones (20) tienen un radio de vértice comprendido en el intervalo de 1 mm a 15 mm.
12. El módulo de empaquetamiento estructurado de acuerdo con la reivindicación 1, en el cual dichas aberturas (28) están dispuestas en una o más filas que se extienden en una dirección generalmente paralela a la dirección de extensión de dichos picos (22) y valles (24), en donde el área abierta de cada una de dichas láminas (18) de empaquetamiento está comprendida en el intervalo del 11 al 15 por ciento sobre la base del área superficial total de la lámina (18) de empaquetamiento asociada, y cada una de dichas aberturas (28) tiene una dimensión plana máxima comprendida en el intervalo de 2 mm a 8 mm, de manera que dichas corrugaciones (20) tienen un ángulo de vértice comprendido en el intervalo de 70° a 120° y un radio de vértice comprendido en el intervalo de 1 mm a 15 mm, y de modo que al menos una parte de las corrugaciones (20) de láminas (18) de empaquetamiento adyacentes están separadas entre sí.
13. Una columna de transferencia de masa que comprende:
una carcasa que define una región interna abierta (14); y
al menos un módulo de empaquetamiento estructurado de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1 12, dentro de dicha región interna abierta (14).
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