BR0212045B1 - método para remover vapor condensável de uma corrente de gás, e, condensador de criogênio. - Google Patents
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Description
"MÉTODO PARA REMOVER VAPOR CONDENSÁVEL DE UMACORRENTE DE GÁS, E, CONDENSADOR DE CRIOGÊNIO"
Campo técnico
Esta invenção refere-se em geral à remoção de vaporcondensável, tal como vapor de água, de uma corrente de gás.
Fundamentos da invenção
A secagem por congelamento é um processo de sublimaçãoque remove a água livre na forma de gelo. A secagem por congelamento éespecialmente útil na indústria farmacêutica para a remoção de água deprodutos biológicos porque isto conserva a integridade dos produtosbiológicos. Na secagem por congelamento o produto contendo água écongelado e, sob vácuo com a pressão parcial do vapor de água reduzida paraabaixo do ponto triplo da água, a água congelada sublima e o gelo sublimadoé removido do secador.
A secagem por congelamento tem sido tradicionalmenterealizada comercialmente usando sistemas de congelamento mecânicos.Contudo, o refrigerante, tal como por exemplo um Freon, que é em geralutilizado com tais dispositivos mecânicos tem sido consideradoambientalmente deletério e está sendo eliminado do uso comercial. Osrefrigerantes de substituição não são termodinamicamente efetivos tornandoseu emprego problemático na aplicação exigente da secagem porcongelamento. Em adição, os refrigerantes de substituição para refrigeradoresmecânicos são geralmente corrosivos e tóxicos e requerem diferentes taxas decompressão, tornando sua utilização cara de um ponto de vista operacional.Além do mais, um fluido de transferência de calor intermediário adicional énecessário e isto tem limitações severas sobre as faixas de temperatura quepodem ser alcançadas.
Um avanço recente significativo no campo da secagem porcongelamento é a prateleira fria criogênica, descrita e reivindicada na PatenteU.S. 5.701.745 - Cheng et al., que usa um fluido criogênico no lugar derefrigeração mecânica para realizar a secagem por congelamento.
Em práticas, tal como o uso de fluido criogênico para seefetuar a secagem por congelamento, o fluido se torna carregado com vaporde água que tem que ser removido. Embora a refrigeração mecânica possa serutilizada para este propósito, ela é desvantajosa de se empregar por causa dastemperaturas muito baixas que são necessárias com o propósito de se fazercom que vapor de água congelado migre para fora do secador porcongelamento. As temperaturas muito baixas são custosas de se alcançaremusando-se os sistemas de refrigeração mecânica. Em adição, os sistemas derefrigeração mecânica tipicamente empregam fluidos de refrigeração quepodem ser danosos para o ambiente.
Conseqüentemente, um objetivo desta invenção é a provisãode um sistema para a remoção eficiente de um vapor condensável, tal comovapor de água, de uma corrente de gás que pode operar efetivamente emtemperaturas muito baixas ou criogênicas.
Sumário da invenção
O objetivo acima e outros objetivos, que se tornarão evidentespara aquelas pessoas experientes na técnica durante uma leitura destadescrição, são alcançados pela presente invenção, cujo um aspecto é:
Um método para remover vapor condensável de uma correntede gás compreendendo as etapas de:
(A) passar criogênio líquido em um condensadorcompreendendo uma pluralidade de passagens de criogênio espaçadasverticalmente orientadas, cada passagem de criogênio possuindo umasuperfície externa, e uma pluralidade de canais, cada canal possuindo umaentrada e uma saída e bordeada pelo menos em parte por uma superfícieexterna de uma passagem de criogênio;
(B) ebulir o criogênio líquido dentro do condensador paraproduzir vapor de criogênio, e passar o vapor de criogênio ascendentementedentro das passagens de criogênio;
(C) passar uma corrente de gás contendo vapor condensáveldentro do condensador, direcionar a corrente de gás para as entradas doscanais, e distribuir a corrente de gás para fluir substancialmente igualmentedentro dos canais;
(D) passar a corrente de gás descendentemente através doscanais e condensar o vapor condensável da corrente de gás sobre assuperfícies externas das passagens de criogênio para formar uma corrente degás limpa; e
(E) remover a corrente de gás limpa das saídas dos canais.
Outro aspecto da invenção é:
Um condensador de criogênio compreendendo:
(A) uma carcaça contendo um reservatório de criogêniolíquido e uma pluralidade de passagens de criogênio espaçadas verticalmenteorientadas, cada passagem de criogênio em comunicação de fluxo com oreservatório de criogênio líquido;
(B) meio para passar o criogênio líquido de fora do alojamentopara dentro do reservatório de criogênio líquido;
(C) uma entrada de corrente de gás comunicando-se com acarcaça, e uma pluralidade de canais verticalmente orientados dentro doalojamento, cada canal possuindo uma entrada e uma saída;
(D) meio para direcionar uma corrente de gás da entrada decorrente de gás para as entradas dos canais, e meio para distribuir a correntede gás para fluir substancialmente igualmente dentro dos canais; e
(E) uma saída de corrente de gás para remover da carcaça acorrente de gás coletada nas saídas dos canais.
Breve descrição dos desenhos
Figura 1 é uma representação de uma modalidade preferida docondensador de criogênio desta invenção ilustrando certos intervalos decondensador.
Figura 2 é uma vista elevada ou frontal de seção transversalsimplificada do condensador de criogênio mostrado na Figura 1 ilustrandouma passagem de criogênio.
Figura 3 é uma vista plana ou de topo simplificada docondensador de criogênio mostrado na Figura 1 mostrando as passagens decriogênio e os canais de fluxo de corrente de gás.
Figura 4 é uma vista de seção transversal lateral simplificadado condensador de criogênio mostrado na Figura 1 mostrando o vapor decriogênio de fluxo ascendente e a corrente de gás de fluxo descendente.
Os números nos desenhos são os mesmos para os elementoscomuns.
Descrição detalhada
A invenção será descrita em detalhe com referência aosdesenhos. Referindo-se agora às Figura 1-4, o condensador de criogênio 1compreende uma carcaça 1 que envelopa ou aloja as estruturas internas docondensador de criogênio. O criogênio líquido é passado na entrada 3 paradentro do reservatório de criogênio líquido 4 que está dentro da carcaça 2. Ocriogênio líquido passado para dentro do condensador de criogênio através daentrada 3 em geral possui uma temperatura não maior do que -80°C. Ocriogênio líquido preferido para uso na prática desta invenção é nitrogêniolíquido. Outros fluidos ou misturas fluidas que podem ser empregados como ocriogênio líquido na prática desta invenção incluem argônio líquido, oxigêniolíquido, hélio líquido e ar líquido.
O criogênio líquido ebule dentro do condensador para formarvapor de criogênio. O vapor de criogênio flui ascendentemente dentro de umapluralidade de passagens de criogênio espaçadas verticalmente orientadas 5que estão em comunicação de fluido com o reservatório de criogênio líquido.Na modalidade da invenção ilustrada nos desenhos, as passagens de criogênioverticalmente orientadas são cada uma formadas por duas placasconfrontantes de condensação tal como a placa de condensação 6.Alternativamente tubos condensadores verticalmente orientados podem serempregados como as passagens de criogênio.
Um aspecto importante desta invenção é que o criogêniolíquido ebule uniformemente ao longo do comprimento do condensador, e queo vapor de criogênio resultante flui substancialmente verticalmenteascendentemente através da altura do condensador e em fluxosubstancialmente igual ascendentemente dentro das passagens de criogênio.Figura 2 ilustra um arranjo preferido para a realização disto. Como mostradona Figura 2, o criogênio líquido flui para dentro de uma extremidade docondensador 1, que na Figura 2 é a extremidade esquerda, para dentro doreservatório de criogênio líquido 4. Ao longo do comprimento do reservatório4 estão aberturas de tamanho crescente, isto é, de área seccional transversal,da entrada de criogênio líquido. Na modalidade ilustrada na Figura 2, aabertura 7 possui um diâmetro de 1,91 centímetros, a abertura 8 possui umdiâmetro de 2,54 centímetros, a abertura 9 possui um diâmetro de 3,18centímetros, e a abertura 10 possui um diâmetro de 3,81 centímetros. Asaberturas servem para colocar o reservatório de criogênio líquido 4 emcomunicação de fluido com o volume interno das passagens de criogênio 5. Ovolume interno de uma das passagens 5 é ilustrado na Figura 2. O tamanhocrescente das aberturas serve para uniformemente distribuir o criogêniolíquido ao longo do comprimento do condensador dentro das passagens decriogênio. Como ilustrado na Figura 2, as superfícies internas das passagensde criogênio podem possuir uma ou mais chicanas verticalmente posicionados15 que intensificam o fluxo vertical de vapor de criogênio para eficiênciamelhorada da operação do condensador.
Outro arranjo para o estabelecimento de fluxo ascendentesubstancialmente igual do criogênio vaporizado nas passagens de criogênio éo emprego de um projeto de tubo de distribuição para a otimização dotamanho da entrada do reservatório de criogênio líquido e do tamanho deentrada para cada uma das passagens de criogênio. A manutenção de umapressão constante dentro do reservatório garante uma distribuição de fluxosubstancialmente uniforme para cada passagem de criogênio. A provisão decanais dentro do condensador reduz ou elimina a recirculação de fluxo eminimiza a queda de pressão causada pela recirculação de fluxo e a mudançade fase, e entradas e saídas independentes para cada canal previnem ainterferência e o cruzamento de fluxos.
O vapor de criogênio flui ascendentemente dentro daspassagens de criogênio como mostrado na Figura 4 pelas setas de fluxo 11servindo para esfriar as paredes das passagens de criogênio. O vapor decriogênio aquecido resultante é coletado no volume de coletor de criogênio 12e removido do condensador 1 na saída de vapor de criogênio 13. Comomostrado na Figura 3, a temperatura do vapor de criogênio saído docondensador 1 na saída 13 é monitorada pelo sensor de temperatura 14 queserve para controlar o fluxo de criogênio líquido para dentro do condensadorpara garantir refrigeração suficiente sem inundação. Se a temperatura dovapor de criogênio saído estiver acima do ponto de ajuste desejado, o fluxo decriogênio líquido para dentro do condensador será aumentado e se atemperatura do vapor de criogênio saído estiver abaixo do ponto de ajustedesejado, o fluxo de criogênio líquido para dentro do condensador serádiminuído.
O condensador possui uma pluralidade de canais 16, cadacanal possuindo uma entrada 17 na porção superior do condensador e umasaída 18 na porção inferior do condensador. Tipicamente cada uma dasentradas está no mesmo plano horizontal, isto é no mesmo nível, e cada umadas saídas também está no mesmo plano horizontal. Cada canal é bordeadopelo menos em parte por uma superfície externa de uma passagem decriogênio que está recebendo refrigeração do vapor de criogênio fluindoascendentemente dentro das passagens de criogênio.
Uma corrente de gás 20 contendo vapor condensável é passadadentro da entrada de corrente de gás 21, que se comunica com a carcaça 2,para dentro do condensador 1. Tipicamente a corrente de gás compreende gásnitrogênio e o vapor condensável é vapor de água tal como a que pode tersaído de um secador por congelamento. A corrente de gás é direcionada paraas entradas dos canais na porção superior do condensador. Na modalidade dainvenção mostrada na Figura 1, a corrente de gás 20 é passada na chicanafrontal 22 que contacta a superfície interna da carcaça 2 no fundo e ao longodos lados da carcaça 2 mas não se estende para a superfície interna da carcaça2 na porção superior do condensador. Neste modo a corrente de gás 20, queflui para dentro e através do condensador 1 por um gradiente de passagem produzido quer pela pressão positiva na entrada de gás quer por um vácuo nasaída de gás, é impedida de passar através do condensador exceto pelapassagem na porção superior do condensador e para dentro das entradas 17dos canais 16.
Um aspecto importante desta invenção é que a corrente de gáscontendo o vapor condensável é distribuída uniformemente, isto é para fluirsubstancialmente igualmente, dentro dos canais. Na modalidade da invençãoilustrada na Figura 1 esta distribuição é realizada por uma série de chicanas dealtura crescente a partir do nível das entradas dos canais. Na modalidadeilustrada na Figura 1, três tais chicanas 23, 24 e 25 são empregadas, sendo quea chicana 24 possui uma altura maior do que a da chicana 23 e a chicana 25possui uma altura maior do que a da chicana 24. Uma corrente de gás 20 fluipela frente da borda de topo da chicana frontal 22, a porção mais inferior dacorrente 20 contacta a chicana 23 e prossegue descendentemente para asentradas 17 enquanto que a porção superior da corrente 20 flui pela chicana23 passada. A porção inferior da corrente 20 que flui sobre o todo da chicana23 contacta a chicana 24 e prossegue descendentemente para as entradas 17enquanto que a porção superior flui pela chicana 24 passada. A porçãoinferior deste fluido contacta a chicana 25 e prossegue descendentemente paraas entradas 17, enquanto que a porção superior flui pela chicana 25 passadaonde ela contacta a chicana traseira 26 e depois prossegue descendentementepara as entradas 17.
A corrente de gás flui em quantidade substancialmente iguaisatravés dos canais 16 como mostrado pelas setas de fluxo 27. À medida que acorrente de gás flui descendentemente através dos canais o vapor condensávelse condensa e em geral se congela sobre as superfícies externas 19 daspassagens de criogênio. Isto é mostrado na Figura 4 sobre uma das superfíciesexternas 19 como condensado 28. À medida que a corrente de gás completa atravessia descendente dos canais 16, ela emerge dos mesmos através dassaídas de canal 18 como gás limpo contendo pouco ou nenhum vapor de águaou outro vapor condensável que poderia ser condensado na temperaturaproporcionada pelo criogênio.
A corrente de gás limpa é coletada na porção inferior docondensador e flui para fora do condensador 1 na saída de corrente de gás 29.Na modalidade ilustrada na Figura 1 a chicana traseira 26 serve para selar amaior parte do condensador para o fluxo de corrente de gás, semelhantementeà maneira com a qual a chicana frontal 22 impede o fluxo, exceto que a áreaaberta está na porção inferior do condensador abaixo do nível das saídas decanal 18. Isto é, a chicana traseira 26 contacta a superfície interna da carcaça2 no topo e ao longo dos lados exceto para esta porção inferior. A corrente degás limpa então passa através desta área não selada e entra em um conduto desaída para sair da carcaça 2 na saída 29.
Periodicamente, quando a quantidade de condensado sobre assuperfícies externas das passagens de criogênio se acumula ao ponto de aeficiência da operação se tornar comprometida, o condensador é descongeladoe o condensado é drenado e depois é retornado ao serviço.
Agora pelo uso desta invenção pode-se efetivamente empregarrefrigeração de temperatura baixa de um criogênio líquido ebuliente para selimpar uma corrente de gás do vapor condensável tal como o que tem sidosaído de um secador por congelamento.
Embora a invenção tenha sido descrita em detalhe comreferência a uma modalidade preferida, aquelas pessoas experientes na técnicareconhecerão que há outras modalidades da invenção dentro do espírito e doescopo das reivindicações. Por exemplo, o fluxo pode se desviar um pouco davertical absoluta e o fluxo pode ser auxiliado por um gradiente de pressãoaplicado.
Claims (10)
1. Método para remover vapor condensável de uma corrente degás, caracterizado pelo fato de compreender as etapas de:( A) passar criogênio líquido (3) em um condensador (1)compreendendo uma pluralidade de passagens de criogênio espaçadasverticalmente orientadas (5), cada passagem de criogênio (5) possuindo umasuperfície externa (19), e uma pluralidade de canais (16), cada canal (16)possuindo uma entrada (17) e uma saída (18) e bordeada pelo menos em partepor uma superfície externa (19) de uma passagem de criogênio;(B) ebulir o criogênio líquido dentro do condensador paraproduzir vapor de criogênio, e passar o vapor de criogênio ascendentementedentro das passagens de criogênio;(C) passar uma corrente de gás (20) contendo vaporcondensável dentro do condensador, direcionar a corrente de gás para asentradas (17) dos canais (16), e distribuir a corrente de gás para fluirsubstancialmente igualmente (27) dentro dos canais;(D) passar a corrente de gás descendentemente através doscanais e condensar o vapor condensável da corrente de gás (27) sobre assuperfícies externas (19) das passagens de criogênio (5) para formar umacorrente de gás limpa; e(E) remover a corrente de gás limpa das saídas dos canais.
2. Método de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelofato de que o criogênio líquido compreende nitrogênio líquido.
3. Método de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelofato de que a corrente de gás compreende gás nitrogênio.
4. Método de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelofato de que o vapor condensável compreende vapor de água.
5. Método de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelofato de que o vapor de criogênio é passado em fluxos substancialmente iguaisdentro das passagens de criogênio (5).
6. Condensador de criogênio (1), caracterizado pelo fato decompreender:(A) uma carcaça (2) contendo um reservatório de criogêniolíquido (4) e uma pluralidade de passagens de criogênio espaçadasverticalmente orientadas (5), cada passagem de criogênio (5) em comunicaçãode fluxo com o reservatório de criogênio líquido (4);(B) meio para passar o criogênio líquido (3) de fora da carcaçapara dentro do reservatório de criogênio líquido;(C) uma entrada de corrente de gás comunicando-se com acarcaça, e uma pluralidade de canais verticalmente orientados dentro dacarcaça (2), cada canal (16) possuindo uma entrada (17) e uma saída (18);(D)meio (22) para direcionar uma corrente de gás (20) daentrada de corrente de gás (21) para as entradas (17) dos canais (16), e meio(23, 24, 25, 26) para distribuir a corrente de gás (20) para fluirsubstancialmente igualmente dentro dos canais (16); e(E) uma saída de corrente de gás (29) para retirar da carcaça acorrente de gás coletada nas saídas (18) dos canais (16).
7. Condensador de criogênio de acordo com a reivindicação 6,caracterizado pelo fato de que as passagens de criogênio (5) são formadasrespectivamente por um par de placas verticalmente orientadas (6).
8. Condensador de criogênio de acordo com a reivindicação 6,caracterizado pelo fato de que o meio para direcionar a corrente de gás daentrada para as entradas dos canais compreende uma chicana (22) quecontacta a superfície interna da carcaça no fundo e ao longo dos lados masnão na porção superior.
9. Condensador de criogênio de acordo com a reivindicação 6,caracterizado pelo fato de que o meio para distribuir a corrente de gás para ofluxo substancialmente igual dentro dos canais compreende uma pluralidadede chicanas (23, 24, 25, 26) possuindo alturas diferentes se estendendo donível das entradas dos canais.
10. Condensador de criogênio de acordo com a reivindicação-6, caracterizado pelo fato de que cada passagem de criogênio (5) está emcomunicação de fluido com o reservatório de criogênio líquido (4) através deuma pluralidade de aberturas (7, 8, 9, 10) possuindo diferentes áreas de seçãotransversal.
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