BR112015004725B1 - guarnição estruturada de uma coluna de troca de fluido, coluna de contato de fluido e aplicação de uma coluna de contato - Google Patents

Abstract

GUARNIÇÃO ESTRUTURADA DE ELEVADO DESEMPENHO PARA COLUNA DE CONTATO DE FLUIDOS. A presente invenção refere-se à guarnição que é composta de um empilhamento de placas que comportam ondulações que formam uma sucessão de canais, que comportam aletas, cada uma das aletas sendo constituída por pelo menos uma cinta recortada em uma das placas e permanecendo solidária à placa por pelo menos um lado, a cinta sendo deformada, de maneira a criar um orifício que forma uma descontinuidade sobre a superfície da placa, e no qual a direção das interrupções de uma placa forma um ângulo não nulo em relação à direção das interrupções de uma placa adjacente. Enfim, as aletas de um canal têm comprimentos diferentes das aletas de um canal vizinho.

Description

[001] A presente invenção refere-se ao domínio dos equipamentos de colocação de fluidos em contato.

[002] As colunas de colocação em contato têm por finalidade colocar fluidos em contato, a fim de realizar transferências de matéria ou de calor entre os fluidos. Esse tipo de equipamento de colocação de fluido em contato é amplamente utilizado para realizar operações de destilação, de retificação, de absorção, de troca de calor, de extração, de reação química, etc.

[003] As colunas de colocação em contato são geralmente constituídas de um compartimento cilíndrico munido de elementos de colocação em contato interno, favorecendo a troca entre os fluidos. Na coluna, os fluidos podem circular à cocorrente ou à contracorrente. Em geral, a coluna permite colocar em contato íntimo uma fase gasosa ascendente com uma fase líquida descendente. Os elementos de colocação em contato, que aumentam a superfície de contato entre os fluidos, podem ser pratos, guarnições estruturadas, isto é, a justaposição de vários elementos unitários dispostos de maneira ordenada, por exemplo, folhas onduladas, ou guarnições a granel, isto é, empilhamentos anárquicos de elementos unitários, por exemplo, anéis, espirais.

[004] As guarnições estruturadas podem ser constituídas de folhas dobradas e dispostas de maneira organizada sob a forma de grandes blocos, conforme descrito, por exemplo, nos documentos US 3.679.537 e US 4.296.050. As guarnições a granel de nova geração são geralmente constituídas de elementos metálicos providos de perfurações e partes de arco de formas sofisticadas.

[005] As guarnições estruturadas têm a vantagem de oferecer uma grande área geométrica para um diâmetro representativo determinado, em geral, o diâmetro hidráulico dos canais, ao contrário sua área eficaz é inferior ou próxima de sua área geométrica. Ao contrário, as guarnições a granel oferecem valores de área geométrica bem mais baixos em relação ao seu tamanho característico, ao contrário, podem desenvolver áreas eficazes à transferência superiores a suas áreas geométricas.

[006] Conhece-se pelo pedido de patente US 2010/0213625 uma guarnição que combina as vantagens das guarnições estruturadas e as vantagens das guarnições a granel. Essa guarnição estruturada é construída de tal modo que se encontram as características de guarnições a granel, induzindo, em particular, destacamentos de líquido da superfície da guarnição e permitindo desenvolver uma área eficaz sensivelmente superior à sua área geométrica. Essa guarnição (figura 1) é composta de um empilhamento de placas (figuras 2, 3A e 3B) comportando ondulações, cada placa sendo inscrita entre dois planos paralelos distantes de um valor compreendido entre 5 e 50 mm. As ondulações formam uma sucessão de interrupções positivas (topo de um canal, CA2) e negativas (cavado de um canal, CA1) que comportam aletas inscritas entre esses dois planos paralelos. As aletas são formadas por recorte e deformação de uma cinta B. Essa cinta B é recortada, conforme entalhes C1 e C2. Os entalhes C1 e C2 formam um ângulo de 90° em relação à direção principal dos canais. A cinta B permanece solidária à placa no nível de suas extremidades E1 e E2. A cinta B é deformada, de maneira a tomar uma forma triangular sensivelmente simétrica à sua forma inicial, em relação ao plano meridiano P. A largura L de uma cinta B é aproximadamente igual à distância que separa duas cintas contíguas ao longo de um canal (entre 1 e 15 mm). A direção D das interrupções de uma placa forma um ângulo não nulo em relação à direção D’ das interrupções de uma placa adjacente. As posições de duas placas consecutivas são tais que as direções principais das interrupções de cada uma das duas placas variam de 60 a 90°.

[007] A figura 4 e a figura 5 mostram, respectivamente, dois casos possíveis de contato entre duas placas consecutivas. Qualifica-se de bom um contato entre duas placas, quando esse contato ocorre entre uma interrupção positiva de uma placa e uma interrupção negativa de uma placa adjacente. Na figura 4, há correspondência entre duas zonas sem aberturas e há um bom contato entre as placas, de modo que não correm o risco de se interpenetrarem. Na figura 5, há correspondência entre, por um lado, uma zona sem abertura (placa inferior) e, por outro lado, uma zona com abertura (placa superior); não há, portanto, bom contato entre as placas, de modo que elas podem se interpenetrar, de modo que uma montagem satisfatória não é possível com uma utilização compatível com uma produção industrial.

[008] A probabilidade de maus contatos é ilustrada pela figura 6. Essa figura correspondendo a uma vista 2D de duas placas superpostas. Constata-se que, para algumas zonas de bons contatos (círculos em traços pontilhados), há um grande número de maus contatos (círculos em traços contínuos). Quando da montagem de blocos de guarnições industriais, as numerosas placas constitutivas de um bloco são mantidas apertadas umas contra as outras e o fato de não ter suficientemente ponto de contato resulta em um não respeito pela espessura total do bloco, há zonas de emaranhamento das placas nefastas ao escoamento, e outras zonas de afastamento muito grande, deixando a possibilidade de contorno (by-pass) de gás ou de líquido.

[009] A fim de conservar os desempenhos da guarnição, é indispensável assegurar uma boa montagem das placas entre elas, isto é, uma montagem sem emaranhamento.

[0010] Assim, o objeto da invenção se refere a uma guarnição que combina as vantagens das guarnições estruturadas e as vantagens das guarnições a granel, tal como a guarnição descrita no documento US2010/0213625, na qual o número de bons contatos é maximizado por uma diferença de comprimento de aletas entre um canal e seu canal vizinho.

[0011] De forma geral, a invenção refere-se a uma guarnição estruturada de uma coluna de troca de fluido, definindo uma superfície de troca para pelo menos uma fase líquida destinada a ser colocada em contato íntimo com pelo menos uma fase gasosa, essa guarnição sendo composta de um empilhamento de placas que comportam ondulações, cada placa sendo inscrita entre dois planos paralelos L1; L2, essas ondulações formando uma sucessão de canais que comportam aletas A inscritas entre esses dois planos paralelos, cada uma dessas aletas sendo constituída por pelo menos uma cinta B recortada em uma dessas placas, a largura L da cinta estando compreendida entre 1 e 15 mm, a cinta permanecendo solidária à placa por pelo menos um lado E1; E2 e a cinta sendo deformada, de maneira a criar um orifício que forma uma descontinuidade sobre a superfície da placa, e na qual a direção D dos canais de uma placa forma um ângulo não nulo em relação à direção D’ dos canais de uma placa adjacente e na qual as aletas de um canal têm comprimentos diferentes das aletas de um canal vizinho.

[0012] De acordo com a invenção, as aletas de um canal podem ter um comprimento compreendido entre 1 e 15 mm, e as aletas de um canal vizinho um comprimento maior compreendido entre 2 e 50 mm.

[0013] De acordo com um modo de realização, as aletas de um mesmo canal têm um mesmo comprimento.

[0014] A invenção se refere também a uma coluna de colocação de fluido, comportando vários blocos que compreendem guarnições estruturadas, de acordo com a invenção, na qual essa direção dos canais das guarnições é orientada segundo um ângulo compreendido entre 10° e 75° em relação ao eixo da coluna e na qual os planos medianos da guarnição estruturada de um desses blocos formam um ângulo compreendido entre 20° e 90° em relação aos planos medianos dos blocos adjacentes.

[0015] A invenção se refere também a uma aplicação de uma coluna de colocação em contato, de acordo com a invenção, à secagem de gás, à desacidificação de um gás natural, à descarbonatação das fumaças, ao tratamento dos gases de um final de um processo Claus ou à destilação.

[0016] Outras características e vantagens da invenção serão compreendidas melhor e aparecerão claramente com a leitura da descrição feita a seguir com referência aos desenhos dentre os quais: - a figura 1 representa uma guarnição composta de um empilhamento de placas onduladas que comportam aletas; - a figura 2 esquematiza uma forma de placa ondulada representada sem as aletas; - as figuras 3A e 3B mostram uma cinta recortada em um canal de uma placa ondulada. - a figura 4 mostra um caso de bom contato entre duas placas consecutivas; - a figura 5 mostra um caso de mau contato entre duas placas consecutivas; - a figura 6 ilustra a probabilidade de maus contatos e de bons contatos entre duas placas consecutivas; - a figura 7 ilustra uma vista 3D de uma placa de guarnição, de acordo com a invenção; - a figura 8 representa uma vista de topo de uma placa, de acordo com a invenção, com aberturas longas sobre as cristas (inter- rupções positivas aparecendo em traço espesso) e aberturas curtas nos cavados (arestas negativas aparecendo em traço fino); - a figura 9 representa uma vista de topo de duas placas de guarnição, de acordo com a invenção, uma acima da outra com colocações em evidência dos bons contatos (zonas envolvidas de círculos).

[0017] As figuras 2, 3A e 3B representam uma folha ou placa ondulada retangular que constitui a base da guarnição estruturada, de acordo com a invenção. As ondulações são envolvidas entre dois planos paralelos L1 e L2 relativamente próximas. A distância h que separa L1 de L2 pode estar compreendida entre 5 mm e 50 mm, de preferência superior a 10 mm, e, de preferência, compreendida entre 10 mm e 30 mm. O plano meridiano P divide o espaço entre L1 e L2 em duas partes iguais. Nas figuras 2, 3A e 3B, as ondulações são em forma de triângulo e são repartidas de ambos os lados do plano meridiano P: uma parte das ondulações ficando situada de um lado do plano P, a outra parte das ondulações ficando situada do outro lado do plano P. As ondulações formam uma sucessão de canais que se estendem na direção marcada pela seta D. Na figura 2, o canal CA1 fica situado embaixo do plano P. O canal CA2 contíguo ao canal CA1 fica situado acima do plano P. De preferência, escolhem-se ondulações que geram canais que tocam os planos L1 e L2, sem sair do espaço delimitado por esses dois planos. Assim, as folhas onduladas ocupam uma superfície máxima na parte plana definida pelos planos L1 e L2. Um canal comporta seja uma interrupção positiva CA2, seja uma interrupção negativa CA1.

[0018] Podem-se empregar diferentes formas de ondulação das placas para realizar uma guarnição estruturada, de acordo com a invenção. Por exemplo, podem-se utilizar placas que apresentam ondulações de forma sinusoidal. Podem-se utilizar ondulações que não são simétricas, por exemplo, um encadeamento de semicírculos e de triângulos. Podem-se também utilizar placas que comportam ondulações irregulares e aleatórias.

[0019] As ondulações que formam uma sucessão de interrupções positivas (topo de um canal) e negativas (cavado de um canal) comportam aletas inscritas entre os dois planos paralelos. Cada uma das aletas é constituída por pelo menos uma cinta recortada em uma das placas, a largura da cinta está compreendida entre 1 e 15 mm, a cinta permanecendo solidária à placa por pelo menos um lado e a cinta sendo deformada, de maneira a criar um orifício que forma uma des- continuidade sobre a superfície da placa. A direção D das interrupções de uma placa forma um ângulo não nulo em relação à direção D’ das interrupções de uma placa adjacente.

[0020] As posições de duas placas consecutivas são tais que as direções principais das interrupções de cada uma das duas placas variam de 60° a 90°

[0021] A fim de melhorar os desempenhos desse tipo de guarnição, é indispensável assegurar uma boa montagem das placas entre eles, isto é, uma montagem sem emaranhamento. Para isto, modifi- cam-se as placas, de forma a maximizar o número de bons contatos entre duas placas, isto é, contatos ocorrendo entre uma interrupção positiva de uma placa e uma interrupção negativa de uma placa adjacente.

[0022] De acordo com a invenção, as aletas de um canal têm comprimentos diferentes das aletas de um canal vizinho, conforme ilustram a figura 7 e a figura 8.

[0023] Por exemplo, podem-se utilizar aberturas maiores sobre as interrupções positivas, e aberturas menores sobre as interrupções negativas.

[0024] As aberturas menores têm um comprimento compreendido entre 1 e 15 mm, e, de preferência, entre 2 e 10 mm.

[0025] As aberturas maiores têm um comprimento compreendido entre 2 e 50 mm, e, de preferência, entre 5 e 25 mm.

[0026] As características do canal são tais que se desenvolve entre 50 e 800 m2/m3 e, de preferência, entre 150 e 500 m2/m3 de área geométrica.

[0027] A figura 7 representa uma vista 3D de uma placa de guarnição, de acordo com a invenção.

[0028] A figura 8 representa uma vista de topo de uma placa, de acordo com a invenção, com aberturas longas sobre as cristas (interrupções positivas) e aberturas curtas nos cavados (interrupções negativas).

[0029] A figura 9 representa uma vista de topo de duas placas de guarnição, de acordo com a invenção, uma acima da outra (só as aberturas inferiores da placa superior e só as aberturas superiores da placa inferior estão representadas). Os círculos colocam evidência os pontos de bom contato (contato entre uma interrupção positiva de uma placa e uma interrupção negativa de uma placa adjacente).

[0030] As folhas onduladas providas de aletas são empilhadas, de maneira a formarem uma guarnição estruturada. De preferência, a direção dos canais de uma folha ondulada é defasada em relação à direção dos canais das folhas adjacentes, por exemplo, de um ângulo compreendido entre 20° e 90°, de preferência de um ângulo que tem um valor sensivelmente próximo de 90°.

[0031] Para uma placa ondulada de altura H e de comprimento L, a altura H fixa a altura dos blocos de guarnição, ela é geralmente próxima de 20 cm, mas pode estar compreendida entre 2 cm e 1 m, de preferência entre 10 cm e 30 cm. O comprimento L é variável e é função do diâmetro da coluna na qual a guarnição é instalada, esse diâmetro variando de tipicamente 5 cm até 15 m. Para colunas industriais clássicas, isto é, tendo um diâmetro superior a 1 metro, os comprimentos estão, de preferência compreendidos, entre 0,5 e 3 m e, de preferência, entre 1 e 2 m.

[0032] A guarnição, de acordo com a invenção, pode ser utilizada para a secagem de gás, a desacidificação de um gás natural, a des- carbonatação das fumaças e o tratamento dos gases de fim de um processo Claus.

[0033] Nessas aplicações, o gás a tratar é colocado em contato com uma solução absorvente líquido em uma coluna de colocação em contato. Essa coluna comporta vários blocos compreendendo guarnições estruturadas, de acordo com a invenção, na qual a direção dos canais das guarnições é orientada, segundo um ângulo compreendido entre 10° e 75° em relação ao eixo da coluna e na qual os planos medianos da guarnição estruturada de um desses blocos formam um ân-gulo compreendido entre 20° e 90° em relação aos planos medianos dos blocos adjacentes.

[0034] A guarnição, de acordo com a invenção, pode ser utilizada para a destilação, notadamente para a destilação de cortes de hidrocarbonetos. Nessa aplicação, a guarnição, de acordo com a invenção, fica situada em uma coluna munida de pelo menos uma alimentação com carga e de dois estiramentos, uma fase pesada e uma fase leve.

Claims (5)

1. Guarnição estruturada de uma coluna de troca de fluido, definindo uma superfície de troca para pelo menos uma fase líquida destinada a ser colocada em contato íntimo com pelo menos uma fase gasosa, essa guarnição sendo composta de um empilhamento de placas que comportam ondulações, cada placa sendo inscrita entre dois planos paralelos (L1; L2), essas ondulações formando uma sucessão de canais que comportam aletas (A) inscritas entre esses dois planos paralelos, cada uma dessas aletas sendo constituída por pelo menos uma cinta (B) recortada em uma dessas placas, a largura da cinta estando compreendida entre 1 e 15 mm, a cinta permanecendo solidária à placa por pelo menos um lado (E1; E2) e a cinta sendo deformada, de maneira a criar um orifício que forma uma descontinuidade sobre a superfície da placa, e no qual a direção (D) dos canais de uma placa forma um ângulo não nulo em relação à direção (D’) dos canais de uma placa adjacente, caracterizada pelo fato de as aletas de um canal terem comprimentos diferentes das aletas de um canal vizinho.

2. Guarnição, de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de as aletas de um canal terem um comprimento compreendido entre 1 e 15 mm, e as aletas de um canal vizinho um comprimento maior compreendido entre 2 e 50 mm.

3. Guarnição, de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes, caracterizada pelo fato de as aletas de um mesmo canal terem um mesmo comprimento.

4. Coluna de contato de fluido, comportando vários blocos que compreendem guarnições estruturadas, como definidas em qualquer uma das reivindicações precedentes, caracterizada pelo fato de essa direção dos canais das guarnições ser orientada, segundo um ângulo compreendido entre 10° e 75° em relação ao eixo da coluna e os planos medianos da guarnição estruturada de um desses blocos formarem um ângulo compreendido entre 20° e 90° em relação aos planos medianos dos blocos adjacentes.

5. Aplicação de uma coluna de contato, como definida na reivindicação 4, caracterizada pelo fato de que é feita à secagem de gás, à desacidificação de um gás natural, à descarbonatação das fumaças, ao tratamento dos gases de final de um processo Claus ou à destilação.

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