BR112019022257B1

BR112019022257B1 - Módulo de empacotamento estruturado para colunas de transferência de massa

Info

Publication number: BR112019022257B1
Application number: BR112019022257-0A
Authority: BR
Inventors: Scott Clifford; Malcolm Talbot; Izak Nieuwoudt
Original assignee: Koch-Glitsch, Lp
Priority date: 2017-05-02
Filing date: 2018-04-30
Publication date: 2023-03-21
Also published as: CN110573246A; MY201059A; BR112019022257A2; WO2018203224A1; JP7239488B2; KR20190140450A; AU2018262453B2; EP3618952A1; TW201842964A; AU2018262453A1; RU2730330C1; TWI770169B; SG11201909299YA; ZA201906672B; CA3060382A1; US11014064B2; KR102280567B1; JP2020518444A; MX2019012903A; US20180318787A1

Abstract

É apresentado um elemento de empacotamento estruturado com corrugação cruzada, para uso em colunas de transferência de massa ou de troca de calor. O elemento de empacotamento tem uma pluralidade de camadas de empacotamento posicionadas de maneira paralela e vertical umas em relação às outras, e incluindo corrugações formadas por picos e vales alternados e paredes laterais de corrugação que se estendem entre os picos e os vales. O elemento de empacotamento inclui também uma pluralidade de aberturas, cada qual apresentando uma área aberta. As aberturas são distribuídas de modo que as paredes laterais de corrugação têm uma densidade de áreas abertas maior do que qualquer densidade das áreas abertas que possam estar presentes nos picos e vales. Algumas das aberturas podem estar presentes nos picos e nos vales para facilitar a distribuição de líquidos. As aberturas podem também ser colocadas em fileiras ou em outros padrões que são alinhados em uma direção ao longo de um comprimento longitudinal das corrugações.

Description

REFERÊNCIA REMISSIVA AOS PEDIDOS CORRELATOS

[0001] Este presente pedido reivindica prioridade ao pedido de patente provisório US n° 62/500033, depositado em 2 de maio de 2017, cujas revelações estão aqui incorporadas, a título de referência.

ANTECEDENTES

[0002] A presente invenção refere-se, de modo geral, a colunas de transferência de massa e, mais particularmente, ao empacotamento estruturado usado para facilitar a transferência de calor e massa entre fluidos em tais colunas.

[0003] As colunas de transferência de massa são configuradas para entrar em contato com ao menos dois fluxos de fluido, a fim de fornecer fluxos de produto com temperatura e/ou composição específicas. O termo "coluna de transferência de massa", como usado aqui, tem por objetivo abranger colunas nas quais a transferência de massa e/ou calor é o objetivo principal. Algumas colunas de transferência de massa, como aquelas usadas em aplicações de destilação e absorção multicomponentes, colocam um fluxo de fase gasosa em contato com um fluxo de fase líquida, enquanto outras, como colunas de extração, podem ser projetadas de modo a facilitar o contato entre duas fases líquidas com diferentes densidades. Frequentemente, as colunas de transferência de massa são configuradas para colocar um fluxo de vapor ou líquido ascendente em contato com um fluxo de líquido descendente, geralmente ao longo de múltiplas superfícies de transferência de massa dispostas dentro da coluna. Comumente, estas superfícies de transferência são definidas por estruturas colocadas no volume interno da coluna, que são configuradas para facilitar o contato íntimo entre as duas fases de fluido. Como resultado destas superfícies de transferência, melhora-se a taxa e/ou o grau de massa e de calor transferido entre as duas fases.

[0004] O empacotamento estruturado é comumente usado para fornecer superfícies de transferência de massa e/ou calor dentro de uma coluna. Existem muitos tipos diferentes de empacotamento estruturado, e a maioria inclui uma pluralidade de folhas de empacotamento estruturado corrugadas que são posicionadas em uma relação paralela e vertical e são unidas umas às outras para formar um módulo de empacotamento estruturado com passagens de fluido formadas ao longo das corrugações cruzadas das folhas adjacentes. O próprio módulo de empacotamento estruturado pode formar uma camada de empacotamento estruturado que preenche uma seção transversal interna horizontal da coluna, ou o módulo de empacotamento pode estar sob a forma de tijolos individuais que são posicionados de extremidade a extremidade e lado a lado para formar a camada de empacotamento estruturado. Múltiplas camadas de empacotamento estruturado são normalmente empilhadas uma em cima da outra com a orientação das folhas em uma camada girada em relação às folhas em camadas de empacotamento estruturado adjacentes.

[0005] É geralmente desejável maximizar a transferência de massa e de energia entre as fases de vapor e de líquido, conforme elas fluem através da camada de empacotamento estruturado; isso é tipicamente obtido mediante o aumento da área de superfície específica disponível para transferência de massa e de energia. No entanto, os fluidos que passam através de uma camada de empacotamento estruturado tendo uma área de superfície específica mais alta normalmente experimentarão uma maior queda de pressão, o que é indesejável de um ponto de vista operacional.

[0006] Existe, assim, uma necessidade para um empacotamento estruturado aprimorado, que seja capaz de obter uma redução na queda de pressão sem uma diminuição significativa da eficiência de transferência de massa e de energia. Isso permite ou que se produza um empacotamento com uma queda de pressão mais baixa e a mesma eficiência, ou que se aumente a área de superfície específica do empacotamento, aumentando assim a eficiência, sem aumentar significativamente a queda de pressão do empacotamento.

SUMÁRIO

[0007] Em um aspecto, a presente invenção se refere a um módulo de empacotamento estruturado que compreende uma pluralidade de folhas de empacotamento estruturado posicionadas de maneira paralela e vertical umas em relação às outras. Cada folha de empacotamento estruturado tem corrugações formadas de picos e vales alternados e paredes laterais de corrugação que se estendem entre os picos e vales adjacentes dentre os picos e vales. As folhas de empacotamento estruturado são construídas e dispostas de modo que as corrugações de cada uma das folhas de empacotamento estruturado se estendam em um ângulo oblíquo até as corrugações de cada folha adjacente dentre as folhas de empacotamento estruturado, e uma área de superfície específica das folhas de empacotamento estruturado no módulo de empacotamento estruturado é geralmente maior que 100 m2/m3. O módulo de empacotamento estruturado pode também incluir uma pluralidade de aberturas para permitir a passagem de fluido através das folhas de empacotamento estruturado. A abertura em cada uma das folhas de empacotamento estruturado é aberta para cada folha adjacente dentre as folhas de empacotamento e é substancialmente desimpedida. As aberturas são distribuídas em cada uma das folhas de empacotamento estruturado de modo que as paredes laterais de corrugação tenham uma densidade de áreas abertas formada pelas aberturas maior do que qualquer densidade de quaisquer áreas abertas que possam estar presentes nos picos e vales.

[0008] Em um outro aspecto, a presente invenção se refere a uma coluna de troca de calor ou de transferência de massa na qual é colocado o módulo de empacotamento descrito acima.

[0009] Em um outro aspecto, a presente invenção refere-se a um método para efetuar transferência de massa e/ou troca de calor entre fluidos que fluem através do módulo de empacotamento descrito acima.

BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS

[0010] Nos desenhos em anexo que fazem parte deste relatório descritivo, e nos quais números similares são usados para indicar componentes similares nas várias vistas:

[0011] a Figura 1 é uma vista em elevação lateral fragmentária de uma coluna de transferência de massa com o envoltório da coluna tomado em seção vertical para mostrar as camadas de empacotamento estruturado da presente invenção posicionadas em uma disposição empilhada dentro da coluna;

[0012] a Figura 2 é uma vista em perspectiva frontal fragmentária de uma porção de uma das camadas de empacotamento estruturado do tipo mostrado na Figura 1, mas mostrada em uma escala ampliada daquela mostrada na Figura 1 para ilustrar melhor uma primeira modalidade das folhas de empacotamento estruturado que formam a camada de empacotamento estruturado;

[0013] a Figura 3 é uma vista em perspectiva lateral fragmentária da porção da camada de empacotamento estruturado mostrada na Figura 2;

[0014] a Figura 4 é uma vista em perspectiva fragmentária de uma das folhas de empacotamento estruturado mostradas nas Figuras 2 e 3;

[0015] a Figura 5 é uma vista em perspectiva fragmentária de uma segunda modalidade de uma folha de empacotamento estruturado da presente invenção que é similar àquela mostrada na Figura 4, mas que tem aberturas posicionadas nos picos e vales das corrugações;

[0016] a Figura 6 é uma vista em perspectiva fragmentária de uma terceira modalidade de uma folha de empacotamento estruturado da presente invenção tendo duas fileiras de aberturas em cada parede lateral de corrugação;

[0017] a Figura 7 é uma vista em perspectiva fragmentária de uma quarta modalidade de uma folha de empacotamento estruturado da presente invenção tendo três fileiras de aberturas em cada parede lateral de corrugação;

[0018] a Figura 8 é uma vista em perspectiva fragmentária de uma quinta modalidade de uma folha de empacotamento estruturado da presente invenção tendo aberturas maiores e um raio de ápice de corrugação maior do que na modalidade mostrada na Figura 4;

[0019] a Figura 9 é uma vista em perspectiva fragmentária de uma sexta modalidade de uma folha de empacotamento estruturado da presente invenção tendo duas fileiras de aberturas e um raio de ápice de corrugação maior do que nas modalidades mostradas nas Figuras 1 a 8;

[0020] a Figura 10 é uma vista em perspectiva fragmentária de uma sétima modalidade de uma folha de empacotamento estruturado da presente invenção com alguns dos picos em ambos os lados da folha de empacotamento estruturado tendo tanto um raio de ápice de corrugação maior como espaçadores formados a partir das seções do ápice de raio original, não modificadas e menores;

[0021] a Figura 11 é uma vista em perspectiva fragmentária de uma oitava modalidade de uma folha de empacotamento estruturado da presente invenção que é similar à modalidade mostrada na Figura 10, mas com aberturas posicionadas na transição a partir das seções de raio de ápice maior para as seções de raio de ápice não modificadas e menores;

[0022] a Figura 12 é uma vista em perspectiva fragmentária de uma nona modalidade de uma folha de empacotamento estruturado da presente invenção que tem uma única fileira de aberturas em cada parede lateral de corrugação e com um número maior de aberturas menores do que na modalidade mostrada na Figura 4;

[0023] a Figura 13 é uma vista em planta fragmentária de uma folha plana na qual as aberturas foram formadas antes da frisagem para formar uma folha de empacotamento estruturado tendo uma única fileira de aberturas em cada parede lateral de corrugação; e

[0024] a Figura 14 é uma vista plana fragmentária de uma folha plana similar a Figura 13 mas mostrando uma fileira dupla de aberturas que estarão presentes em cada parede lateral de corrugação após a frisagem da folha.

DESCRIÇÃO DETALHADA

[0025] Referindo-se agora aos desenhos com mais detalhes, e inicialmente com referência à Figura 1, uma coluna de transferência de massa adequada para uso em processos de transferência de massa e de troca de calor é representada genericamente pelo numeral 10. A coluna de transferência de massa 10 inclui um envoltório externo vertical 12 que tem configuração geralmente cilíndrica, embora outras configurações, incluindo a poligonal, sejam possíveis e estejam dentro do escopo da presente invenção. O envoltório 12 tem qualquer diâmetro e altura adequados e é feito de um ou mais materiais rígidos que são, desejavelmente, inertes ou, de outro modo, são compatíveis com os fluidos e as condições presentes durante a operação da coluna de transferência de massa 10.

[0026] O envoltório 12 da coluna de transferência de massa 10 define uma região interna aberta 14 na qual ocorre a transferência de massa e/ou a troca de calor desejadas entre os fluxos de fluido. Normalmente, os fluxos de fluido compreendem um ou mais fluxos de vapor ascendentes e um ou mais fluxos de líquido descendentes. Alternativamente, os fluxos de fluido podem compreender fluxos de líquido tanto ascendentes como descendentes. Os fluxos de fluido são direcionados para dentro da coluna de transferência de massa 10 através de qualquer quantidade de linhas de alimentação (não mostradas) posicionadas em locais adequados ao longo da altura da coluna de transferência de massa 10. Um ou mais fluxos de vapor podem também ser gerados no interior da coluna de transferência de massa 10, ao invés de serem introduzidas na coluna 10 através das linhas de alimentação. A coluna de transferência de massa 10 incluirá também tipicamente uma linha aérea (não mostrada) para remover um produto ou subproduto de vapor e uma linha de retirada de fluxos de fundo para (não mostrada) para remover um produto ou subproduto líquido da coluna de transferência de massa 10. Outros componentes da coluna que estão normalmente presentes, como pontos de alimentação, linhas laterais, linhas de fluxo de refluxo, ebulidores, condensadores, injetores de vapor, distribuidores de líquidos, e similares, não são ilustrados nos desenhos porque acredita-se que não é necessária uma ilustração desses componentes para uma compreensão da presente invenção.

[0027] De acordo com a presente invenção, uma ou mais camadas de empacotamento estruturado 16 compreendendo folhas de empacotamento estruturado individuais 18 são posicionadas dentro da região interna aberta 14 e se estendem através da seção transversal interna e horizontal da coluna de transferência de massa 10. Na modalidade ilustrada, quatro camadas de empacotamento estruturado 16 são colocadas em uma relação verticalmente empilhada entre si, mas deve-se compreender que pode ser fornecido um número maior ou menor de camadas de empacotamento estruturado 16. Em uma modalidade, cada uma das camadas de empacotamento estruturado 16 é formada como um único módulo de empacotamento estruturado que se estende completamente através da seção transversal horizontal e interna da coluna 10. Em outra modalidade, cada camada de empacotamento estruturado 16 é formada como uma pluralidade de módulos de empacotamento estruturado individuais (não mostrados), chamados de tijolos, que são posicionados em uma relação de extremidade a extremidade e de lado a lado para preencher a seção transversal interna e horizontal da coluna de transferência de massa 10.

[0028] As camadas de empacotamento estruturado 16 são, cada uma, adequadamente suportadas dentro da coluna de transferência de massa 10, como em um anel de suporte (não mostrado) que é fixado ao envoltório 12, sobre uma camada de empacotamento estrutural adjacente dentre as camadas de empacotamento estruturado 16, ou por uma grade ou outra estrutura de suporte adequada. Em uma modalidade, a camada de empacotamento estruturado mais inferior 16 é suportada sobre uma estrutura de suporte e as camadas de empacotamento estruturado 16 sobrejacentes são empilhadas uma em cima da outra e são suportadas pela camada de empacotamento estruturado 16 mais inferior. Sucessivas camadas de empacotamento estruturado 16 são tipicamente giradas umas em relação às outras, de modo que as folhas de empacotamento estruturado individuais 18 em uma das camadas de empacotamento 16 são posicionadas em planos verticais que se estendem a um ângulo em relação à planos verticais definidos pelas folhas de empacotamento estruturado 18 individuais nas uma ou mais camadas adjacentes dentre as camadas de empacotamento 16. Esse ângulo de rotação é tipicamente de 45 ou 90 graus, mas podem ser outros ângulos se for desejado. A altura de cada elemento de empacotamento estruturado 16 pode ser variada, dependendo da aplicação específica. Em uma modalidade, a altura está dentro da faixa de cerca de 50 a cerca de 400 mm.

[0029] As folhas de empacotamento estruturado 18 em cada camada de empacotamento estruturado 16 são posicionadas de maneira vertical e paralela umas em relação às outras. Cada uma das folhas de empacotamento estruturado 18 é construída a partir de um material adequadamente rígido, como qualquer um dentre vários metais, plásticos ou cerâmicas, tendo resistência e espessura suficientes para suportar as condições de processamento experimentadas dentro da coluna de transferência de massa 10. Cada uma das camadas de empacotamento estruturado 18 apresenta uma superfície frontal e uma traseira, das quais a totalidade, ou uma porção, pode ser geralmente lisa e isenta de texturização de superfície, ou que pode incluir vários tipos de texturização, gofragem, sulcos ou ondulações. A configuração das superfícies das folhas de empacotamento 18 depende da aplicação específica na qual serão usadas as folhas de empacotamento 18, e pode ser selecionada de modo a facilitar o espalhamento e, assim, maximizar o contato entre os fluxos de fluido ascendentes e descendentes.

[0030] Passando adicionalmente às Figuras 2 a 4, cada uma das folhas de empacotamento estruturado 18 tem uma pluralidade de corrugações paralelas 20 que se estendem ao longo de uma porção, ou da totalidade, da folha de empacotamento estruturado 18 associada. As corrugações 20 são formadas por picos 22 e vales 24 alternados e paredes laterais de corrugação 26 que se estendem entre os picos e vales adjacentes dentre os picos 22 e vales 24. Os picos 22 em um lado frontal de cada folha de empacotamento estruturado 18 formam vales 24 em um lado oposto ou lado posterior da folha de empacotamento estruturado 18. Da mesma forma, os vales 24 nos lados frontais de cada folha de empacotamento estruturado 18 forma picos 22 no lado posterior da folha de empacotamento estruturado 18. Exemplos adicionais de folhas de empacotamento 18 corrugadas de acordo com várias modalidades da presente invenção são mostrados nas Figuras 5 a 12.

[0031] Nas modalidades ilustradas, as corrugações 20 de cada uma das folhas de empacotamento estruturado 18 se estendem ao longo de toda a altura e largura da folha de empacotamento estruturado 18 e são geralmente de uma seção transversal triangular ou senoidal. As folhas de empacotamento estruturado adjacentes dentre as folhas de empacotamento estruturado 18 em cada camada de empacotamento estruturado 16 são posicionadas em relação oposta umas às outras, de modo que o lado frontal de uma das folhas de empacotamento estruturado 18 fique voltado para o lado posterior da folha de empacotamento estruturado adjacente 18. As folhas de empacotamento estruturado 18 adjacentes são adicionalmente dispostas de modo que as corrugações 20 em cada uma das folhas de empacotamento estruturado 18 se estendam de maneira cruzada, ou com corrugação cruzada, em relação àquelas nas uma ou mais folhas adjacentes, dentre as folhas de empacotamento estruturado 18. Como resultado dessa disposição, as corrugações 20 em cada uma das folhas de empacotamento estruturado 18 se estendem em um ângulo oblíquo até as corrugações de cada folha adjacente dentre as folhas de empacotamento estruturado 18. Alguns, todos ou nenhum dos picos 22 das corrugações 20 do lado frontal de cada uma das folhas de empacotamento estruturado 18 pode estar em contato com os picos 22 no lado posterior da folha de empacotamento estruturado adjacente dentre as folhas de empacotamento estruturado 18.

[0032] As corrugações 20 são inclinadas em relação a um eixo geométrico vertical da coluna de transferência de massa 10 em um ângulo de inclinação que pode ser selecionado para as necessidades de aplicações específicas nas quais serão usadas as folhas de empacotamento estruturado 18. Podem ser usados ângulos de inclinação de aproximadamente 30°, aproximadamente 45° e aproximadamente 60°, bem como outros ângulos de inclinação que sejam adequados a um uso pretendido específico da camada de empacotamento estruturado 16.

[0033] Os picos 22, vales 24 e paredes laterais de corrugação 26 das corrugações 20 são normalmente formados em um processo de frisagem automatizado mediante a alimentação de uma folha plana, como mostrado nas Figuras 13 e 14, em uma prensa de frisagem. Os picos 22 e vales 24 são em geral formados como arcos curvos que podem ser definidos por um raio de ápice. Em geral, à medida que o raio de ápice aumenta, o arco de curvatura dos picos 22 e vales 24 aumenta e o comprimento das paredes laterais de corrugação 26 entre os picos 22 e vales 24 diminui inversamente, para uma dada área de superfície específica. As duas paredes laterais de corrugação 26 de cada corrugação 20 formam um ângulo de ápice. O raio de ápice, ângulo de ápice, altura de frisagem de empacotamento, e comprimento de pico 22 a pico 22 estão interligados, e podem ser variados para obter uma geometria e área de superfície específica desejadas. Em geral, conforme é reduzida a altura de frisagem, aumenta o número de folhas de empacotamento estruturado 18 contidas em cada camada (ou módulo) de empacotamento estruturado 16 e a área de superfície específica associada.

[0034] O raio de ápice, ângulo de ápice, e a altura de frisagem podem ser variados para aplicações específicas. Na presente invenção, eles são selecionados de modo que a área de superfície específica da camada de empacotamento estruturado 16 seja, em geral, maior que 100 m2/m3.

[0035] Cada uma das folhas de empacotamento estruturado 18 é fornecida com uma pluralidade de aberturas 28 que se estendem através da folha de empacotamento estruturado 18 para facilitar a distribuição de vapor e de líquido dentro da camada de empacotamento 16. Cada abertura 28 fornece uma área aberta para permitir a passagem de fluido através da folha de compactação associada 18. As aberturas 28 formadas em cada folha de empacotamento estruturado 18 são substancialmente desimpedidas já que elas se abrem para as uma ou mais folhas de empacotamento estruturado 18 e não são cobertas ou protegidas por elementos estruturais suportados pela folha de empacotamento estruturado 18 na qual as aberturas 28 são formadas as quais, de outra forma, restringem ou desviam o fluxo de fluido após ele passar através da abertura 28. Uma abertura 28 não é aberta à folha de empacotamento estruturado adjacente 18 nem é substancialmente desimpedida se uma veneziana ou outra tal estrutura for colocada parcialmente ou completamente sobre a abertura 28. Uma abertura 28 é aberta e substancialmente desimpedida apesar de cristas ou "saliências" de menor perímetro estarem presentes como um resultado de uma operação de punção que pode ser usada para formar as aberturas 28.

[0036] Quando as aberturas 28 são abertas para a folha de empacotamento estruturado adjacente 18 e são substancialmente desimpedidas nas camadas de empacotamento estruturado 16 que têm uma área de superfície específica, em geral, maior que 100 m2/m3, foi inesperadamente descoberto que disposições específicas das aberturas 28 reduzem significativamente a queda de pressão entre as bordas superior e inferior da camada de empacotamento estruturado 16, com eficiência de transferência de massa aprimorada ou pouco ou nenhum impacto negativo sobre a eficiência de transferência de massa da camada de empacotamento estruturado 16. Isso resulta em uma diminuição geral na queda de pressão por estágio de separação teórico e desempenho aprimorado da camada de empacotamento estruturado 16 durante os processos de transferência de massa que ocorrem dentro da coluna de transferência de massa 10.

[0037] Em geral, este resultado de desempenho e queda de pressão benéfico é obtido quando as aberturas 28 são distribuídas sobre as folhas de empacotamento estruturado 18 de modo que as paredes laterais de corrugação 26 têm uma maior densidade de áreas abertas definidas pelas aberturas 28 do que qualquer densidade das áreas abertas que podem estar presentes nos picos 22 e vales 24. Em uma modalidade, as aberturas 28 estão apenas presentes nas paredes laterais de corrugação 26. Em outra modalidade, algumas das aberturas 28 estão presentes nos picos 22 e vales 24 para interromper o fluxo de líquido ao longo dos vales 24 e facilitar sua distribuição ao longo das paredes laterais de corrugação 26 e a partir de um lado da folha de empacotamento estruturado 18 para seu lado oposto.

[0038] O aumento da área aberta coletiva ou total formada pelas aberturas 28 quando elas são posicionadas com uma grande densidade nas paredes laterais de corrugação 26 e a diminuição do tamanho das aberturas 28, que assim aumenta o número das aberturas 28, podem reduzir adicionalmente a queda de pressão por estágio teórico. Aprimoramentos adicionais podem ser obtidos colocando essas aberturas 28 em fileiras ou outros padrões que são, de preferência, alinhados em uma direção ao longo do comprimento longitudinal das corrugações 20. Outros aprimoramentos adicionais podem ser alcançados ao aumentar o raio de ápice e/ou ajustar o ângulo de ápice das corrugações 20.

[0039] Para evitar o aumento do acúmulo de líquido nos pontos de contato entre as folhas de empacotamento estruturado adjacentes 18 que poderia, de outro modo, resultar devido aos raios de ápice maiores em uma modalidade da presente invenção, como mostrado na Figura 8, e seria prejudicial para a eficiência da transferência de massa, as corrugações 20 sobre as folhas de empacotamento estruturado adjacentes dentre as folhas de empacotamento estruturado 18 em uma modalidade, podem ser separadas por meio de espaçadores 32 conforme mostrado nas Figuras 10 e 11. Em uma modalidade, estes espaçadores são formadas como seções de alguns ou todos dentre os picos 22 no lado frontal e/ou posterior das folhas de empacotamento estruturado 18 onde a maior modificação de raio de ápice não é aplicada e a altura da corrugação 20 e o raio de ápice inalterado e menor são retidos formando assim, picos 22 com raios de ápice duplos, conforme mostrado nas Figuras 10 e 11. Os espaçadores 32 são posicionados em locais separados ao longo de alguns ou todos dentre os picos 22 em ao menos um lado de todas ou algumas das folhas de empacotamento estruturado 18 e entram em contato com os picos opostos 22 da folha de empacotamento estruturado adjacente 18, impedindo, assim, o contato entre as folhas de empacotamento estruturado adjacentes 18 nas regiões que incorporam a maior modificação de raio de ápice. Em uma modalidade, os espaçadores 32 podem ser formados por porções deprimidas dos picos 22, inicialmente com os raios de ápice originais e menores conforme mostrado na Figura 4, para criar os picos 22 tendo os raios de ápice maiores conforme mostrado na Figura 10. Os espaçadores 32 são assim formados pelas seções não deprimidas que retêm os raios de ápice menores e não modificados e a altura da corrugação original 20.

[0040] As aberturas 28 podem ser posicionadas ao longo das paredes laterais de corrugação 26 em várias configurações. Em uma modalidade, as aberturas 28 podem estar presentes apenas nas paredes laterais de corrugação 26 das folhas de empacotamento 18 de modo que nenhuma abertura 28 esteja presente nos picos 22 ou vales 24. Em outra modalidade, um número suficiente de aberturas 28 pode estar situado nos picos 22 e vales 24 para interromper o fluxo de líquido ao longo dos picos 22 e vales 24 e permitir que ao menos parte desse líquido seja drenada de um lado para o outro lado da folha de empacotamento estruturado 18. Adicionalmente, uma maioria, ou todas, dentre as aberturas 28 posicionadas nas paredes laterais de corrugação 26 podem estar localizadas mais próximas à linha central longitudinal da parede lateral de corrugação 26 do que a um pico 22 ou vale 24. Como resultado desse posicionamento, a densidade das áreas abertas definidas pelas aberturas 28 mais perto da linha central é maior que a densidade das áreas abertas definidas pelas aberturas 28 mais perto dos picos 22 ou vales 24 em cada parede lateral de corrugação 26. Em algumas aplicações, descobriu-se que o aumento da densidade da área aberta definida pelas aberturas 28 mais perto da linha central da parede lateral de corrugação 26 reduz a queda de pressão com redução mínima na transferência de massa total, produzindo um aprimoramento geral em termos de queda de pressão por estágio teórico.

[0041] O posicionamento das aberturas 28 ao longo da parede lateral de corrugação 26 pode depender, ao menos em parte, do tamanho, da área aberta total, e do espaçamento global das aberturas 28. Em algumas aplicações, esses fatores podem ser ajustados para a folha de empacotamento estruturado 18 de modo a aumentar a área aberta total, enquanto minimiza o tamanho de abertura, de modo que o número total de aberturas 28 por unidade de área é maximizado. Descobriu-se que isso resulta em uma diminuição na queda de pressão por estágio teórico, indicando um aprimoramento desejável no desempenho da camada de empacotamento estruturado 16.

[0042] Em algumas aplicações, a dimensão plana máxima das aberturas 28 pode estar na faixa de cerca de 1 mm a cerca de 13 mm, cerca de 1,5 mm a cerca de 10 mm, cerca de 2 mm a cerca de 8 mm, ou cerca de 2,5 mm a cerca de 6 mm. A dimensão plana máxima de cada abertura 28 é medida ao longo da linha mais longa entre dois lados da abertura 28 que passa através do centro da abertura 28. Quando a abertura 28 tem um formato arredondado, a dimensão plana máxima é o diâmetro. Embora mostrado nas figuras do desenho como tendo um formato geralmente redondo, as aberturas 28 podem ter outros formatos, como um formato triangular, um formato oblongo, um formato oval, um formato retangular ou um formato quadrado. Esses e outros formatos estão dentro do escopo da invenção.

[0043] Em algumas aplicações, a área aberta de cada uma das aberturas 28 pode ser minimizada de modo que as aberturas individuais 20 têm uma área aberta de mais que cerca de 80 mm2, não mais que cerca de 50 mm2, ou não mais que cerca de 30 mm2, mas o número de aberturas por unidade de área pode ser maximizado de modo que a área aberta total de cada uma das camadas de empacotamento 18 está na faixa de cerca de 6 a cerca de 20 por cento, cerca de 8 a cerca de 18 por cento, cerca de 10 a cerca de 16 por cento, ou de cerca de 11 a cerca de 15 por cento, com base na área de superfície total da folha de empacotamento associada 18.

[0044] As aberturas 28 podem ser dispostas ao longo de cada uma das paredes laterais de corrugação 26 em uma ou mais fileiras espaçadas que se estendem em uma direção substancialmente paralela à direção da extensão longitudinal dos picos e vales. Conforme é melhor mostrado nas figuras 13 e 14, que mostram uma folha de empacotamento 18 antes de ser dobrada, as fileiras de aberturas 28 podem ser espaçadas umas em relação às outras, e se estendem em uma direção substancialmente paralela à direção de extensão das linhas de dobra da corrugação 30. Como resultado, as fileiras de aberturas 28 podem se estender em um ângulo oblíquo em relação às bordas da camada de empacotamento. O número total de fileiras presente em cada parede lateral de corrugação pode ser ao menos uma, ao menos duas, ou ao menos três fileiras, com a disposição específica variando dependendo da aplicação específica. As aberturas 28 não devem, de preferência, ser dispostas em um padrão aleatório com respeito às corrugações 20 e podem ou não ser paralelas às bordas da folha de empacotamento 18.

[0045] Quando as aberturas 28 estão dispostas em duas ou mais fileiras ao longo das paredes laterais de corrugação 26, as aberturas 28 nas fileiras adjacentes podem ser alinhadas uma com a outra (não mostrado), ou as aberturas 28 podem ser desalinhadas uma da outra em uma direção paralela à direção de extensão dos picos 22 e vales 24, conforme mostrado nas Figuras 6, 7 e 9. Em algumas aplicações, as aberturas 28 nas fileiras adjacentes podem ser desalinhadas uma da outra ao longo da linha central da parede lateral de corrugação 26. O espaçamento entre as aberturas adjacentes 28 pode variar dependendo da aplicação, e pode, por exemplo, estar na faixa de entre 1 mm a 20 mm, entre 2 mm a 15 mm, ou entre 3 mm e 10 mm, quando medido entre as bordas consecutivas das aberturas adjacentes.

[0046] Em uma modalidade, as camadas de empacotamento 18 podem ter um ângulo de ápice na faixa de 70° a 120°. Em outra modalidade, eles podem ter um ângulo de ápice de 80° a 115°. Em uma outra modalidade, eles podem ter um ângulo de ápice de 90° a 110°. Em várias modalidades, o raio de ápice pode estar na faixa de cerca de 1 mm a cerca de 15 mm, ou de cerca de 1,5 mm a cerca de 10 mm, ou de cerca de 2 mm a cerca de 8 mm.

[0047] Verificou-se ser geralmente desejável impedir o contato entre pelo menos algumas ou a maioria das corrugações 20 de cada folha de empacotamento estruturado 18 e aquelas nas folhas de empacotamento estruturado adjacentes 18 por uma distância maior ou igual a pelo menos a espessura do filme líquido que se destina a fluir ao longo das corrugações 20 para evitar o acúmulo de líquido indesejável nos pontos de contato em que as corrugações 20 de uma folha de empacotamento estruturado 18 entram em contato com as corrugações 20 de uma folha de empacotamento estruturado adjacente dentre as folhas de empacotamento estruturado 18 que seriam exacerbadas nas folhas de empacotamento estruturado 18 com raios de ápice maiores. Por exemplo, a distância entre os picos 22 no lado frontal de uma folha de empacotamento estruturado 18 e os picos 22 no lado posterior da folha de empacotamento estruturado adjacente 18 pode estar na faixa de 0,25 mm a 3 mm, entre 0,35 mm a 2,5 mm ou entre 0,45 mm a 2 mm. Esta redução no contato entre os picos de raio maior 22 das corrugações 20 pode ser alcançada pelos espaçadores 32, como aqueles formados pelas seções não deprimidas dos picos 22, como mostrado nas Figuras 10 e 11, que estão posicionados em locais espaçados ao longo de todos ou alguns dos picos 22 de um ou ambos os lados de todas as folhas ou folhas alternadas dentre as folhas de empacotamento estruturado 18. O comprimento e o espaçamento dos espaçadores 32 são selecionados de modo que eles entrem em contato com apenas alguns dos picos 22 ou espaçadores 32 nas folhas de empacotamento estruturado adjacentes 18 quando eles são montados dentro da camada de empacotamento estruturado 16. A fim de facilitar a deformação da folha plana durante a formação das corrugações 20 e dos espaçadores 32, algumas das aberturas 28 podem ser posicionadas nas transições entre as porções deprimidas dos picos 22 e os espaçadores 32, formando assim os picos 22 com raios de ápice duplos e aberturas 28 na transição de raios grandes para pequenos, conforme mostrado na Figura 11.

[0048] Em uso, uma ou mais das camadas de empacotamento estruturado 16 são montadas a partir das folhas de empacotamento estruturado 18 e são posicionadas dentro da região interna aberta 14 dentro da coluna de transferência de massa 10 para uso na facilitação da transferência de massa e/ou troca de calor entre os fluxos de fluido que fluem contra corrente dentro da região interna aberta 14. Quando os fluxos de fluido encontram as folhas de empacotamento estruturado 18 nas uma ou mais camadas de empacotamento estruturado 16, os fluxos de fluido se espalham sobre as superfícies das folhas de empacotamento estruturado 18 para aumentar a área de contato e, assim, a transferência de massa e/ou troca de calor entre os fluxos de fluido. Um fluxo de fluido, tipicamente um fluxo de líquido, desce ao longo da superfície inclinada das corrugações, enquanto outro fluxo de fluido, tipicamente um fluxo de vapor, é igualmente capaz de subir no espaçamento aberto entre as folhas de empacotamento estruturado 18 adjacentes e entrar em contato com o fluxo de fluido descendente para afetar a transferência de calor e/ou de massa. As aberturas 28 nas folhas de empacotamento estruturado 18 facilitam a distribuição de vapor dentro da camada de empacotamento estruturado 16 e também atuam como um distribuidor de líquido para controlar o padrão de líquido para ajudar na distribuição de líquido à medida que o líquido se move através das folhas de empacotamento estruturado 18 e para facilitar a passagem de líquido de um lado da folha de empacotamento para o outro. O tamanho, o formato e a distribuição das aberturas 28 aqui podem ser configurados especificamente conforme descrito acima para reduzir a queda de pressão entre as bordas superior e inferior das camadas de empacotamento estruturado 16 com um aumento surpreendente ou apenas uma redução mínima, se houver, na eficiência de separação, resultando assim em um desempenho geral melhorado da camada de empacotamento estruturado 16 na coluna de transferência de massa 10.

[0049] A invenção é ainda ilustrada por referência à tabela a seguir, mostrando resultados normalizados de simulações de dinâmica de fluidos computacional para folhas de empacotamento estruturado convencionais A a E e folhas de empacotamento estruturado inventivas 1 a 10 que incorporam várias características da presente invenção. As informações apresentadas na tabela são fornecidas a título de ilustração, e nada nas mesmas deve ser tomado como uma limitação ao escopo geral da invenção.

[0050] A partir do que foi anteriormente mencionado, será visto que esta invenção é bem adaptada para atingir todas as finalidades e todos os objetivos estabelecidos anteriormente neste documento, juntamente com outras vantagens que são inerentes à estrutura.

[0051] Será entendido que certos recursos e subcombinações são úteis e podem ser empregados sem referência a outros recursos e subcombinações. Isto é contemplado pelo e está no escopo da invenção.

[0052] Uma vez que muitas modalidades possíveis podem ser feitas da invenção sem se afastar do escopo da mesma, deve ser entendido que toda a matéria aqui apresentada ou mostrada nos desenhos anexos deve ser interpretada como ilustrativa e não em um sentido limitador.

Claims

1. Módulo de empacotamento estruturado, compreendendo: uma pluralidade de folhas de empacotamento estruturado (18) posicionadas de maneira paralela e vertical umas em relação às outras, sendo que cada folha de empacotamento estruturado (18) tem corrugações formadas (20) por picos (22) e vales alternados (24) e paredes laterais de corrugação (26) que se estendem entre os picos e vales adjacentes dentre os picos (22) e vales (24), sendo que as folhas de empacotamento estruturado (18) são construídas e dispostas de modo que as corrugações (20) de cada uma das folhas de empacotamento estruturado (18) se estendam em um ângulo oblíquo até as corrugações (20) de cada folha adjacente dentre as folhas de empacotamento estruturado (18), e uma área de superfície específica das folhas de empacotamento estruturado (18) no módulo de empacotamento estruturado é geralmente maior que 100 m2/m3; uma pluralidade de aberturas (28) nas folhas de empacotamento estruturado (18), para permitir a passagem de fluido através das folhas de empacotamento estruturado (18), sendo que as aberturas (28) em cada uma das folhas de empacotamento estruturado (18) estão abertas para cada folha adjacente dentre as folhas de empacotamento estruturado (18) e são desimpedidas, sendo que as aberturas (28) são distribuídas em cada uma das folhas de empacotamento estruturado (18) de modo que as paredes laterais de corrugação (26) tenham uma densidade de áreas abertas formadas pelas aberturas (28) maior do que qualquer densidade de qualquer uma das áreas abertas que possam estar presentes nos picos (22) e vales (24), CARACTERIZADO pelo fato de as ditas aberturas (28) são distribuídas de modo que uma maior densidade das ditas áreas abertas esteja presente mais perto das linhas centrais das ditas paredes laterais de corrugação (26) do que qualquer densidade de quaisquer áreas abertas que possam estar presentes mais perto dos ditos picos (22) e vales (24); e no qual o módulo de empacotamento estruturado inclui espaçadores (32) nos ditos picos (22) que entram em contato apenas com alguns dos picos (22) no lado voltado para o mesmo de uma folha adjacente dentre as folhas de empacotamento estruturado (18).

2. Módulo de empacotamento estruturado, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO por as ditas aberturas (28) estarem presentes apenas nas paredes laterais de corrugação (26).

3. Módulo de empacotamento estruturado, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO por as ditas aberturas (8) estarem dispostas em uma ou mais fileiras espaçadas que se estendem em uma direção genericamente paralela à direção da extensão longitudinal dos ditos picos (22) e vales (24).

4. Módulo de empacotamento estruturado, de acordo com a reivindicação 3, CARACTERIZADO por as corrugações de cada uma das ditas folhas de empacotamento terem um ângulo de ápice na faixa de 70° a 120°.

5. Módulo de empacotamento estruturado, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO por a área aberta de cada uma das ditas folhas de empacotamento estruturado (18) estar na faixa de 8 a 20 por cento, com base na área de superfície total da folha de empacotamento associada (18).

6. Módulo de empacotamento estruturado, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO por cada uma das ditas aberturas (28) ter uma dimensão plana máxima na faixa de 1 mm a 13 mm.

7. Módulo de empacotamento estruturado, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO por as ditas aberturas (28) terem um formato redondo.

8. Módulo de empacotamento estruturado, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO por os ditos espaçadores (32) serem formados como seções dos ditos picos (22) que têm um raio de ápice menor do que as seções deprimidas adjacentes dos ditos picos (22) que têm um raio de ápice maior.

9. Módulo de empacotamento estruturado, de acordo com a reivindicação 8, CARACTERIZADO por algumas das ditas aberturas (28) estarem posicionadas em transições das ditas seções deprimidas dos ditos picos (22) para as ditas seções dos ditos picos (22) tendo um raio de ápice menor.

10. Módulo de empacotamento estruturado, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO por algumas das ditas aberturas (28) estarem posicionadas nos ditos picos (22) e vales (24).

11. Módulo de empacotamento estruturado, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO por as ditas corrugações (20) terem um raio de ápice na faixa de 1 mm a 15 mm.

12. Módulo de empacotamento estruturado, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO por as ditas aberturas (28) estarem dispostas em uma ou mais fileiras que se estendem em uma direção genericamente paralela à direção da extensão dos ditos picos (22) e vales (24), sendo que a área aberta de cada uma das ditas folhas de empacotamento (18) está na faixa de 11 a 15 por cento, com base na área de superfície total da folha de empacotamento associada (18), e cada uma das ditas aberturas (28) tem uma dimensão plana máxima na faixa de 2 mm a 8 mm, sendo que as ditas corrugações (20) têm um ângulo de ápice na faixa de 70° a 120° e um raio de ápice na faixa de 1 mm a 15 mm, e sendo que ao menos uma porção das corrugações (20) das folhas de empacotamento adjacentes (18) são espaçadas umas em relação às outras.

13. Coluna de transferência de massa, CARACTERIZADA por compreender: um envoltório definindo uma região interna aberta; e ao menos um módulo de empacotamento estruturado conforme definido em qualquer uma das reivindicações de 1 a 12. dentro da dita região interna aberta (14).