BR112021001246B1 - Trocador de calor e material. - Google Patents

Abstract

Este trocador (100) compreende: membranas substancialmente paralelas e verticais (30), permeáveis ao vapor e impermeáveis a um líquido, essas membranas delimitando zonas, cada uma das referidas zonas pertencendo alternadamente a um primeiro tipo de zona e a um segundo tipo de zona; as zonas do referido primeiro tipo compreendem na porção superior um bico de pulverização (20) configurado para vaporizar um líquido ao longo de um plano (R) substancialmente paralelo às membranas, e na porção inferior um primeiro coletor (50), independente e separado das zonas do segundo tipo; um primeiro tubo (10) suprindo os bicos de pulverização (20) das zonas (Z20) do referido primeiro tipo com um líquido.

Description

Fundamentos da Invenção

[001] A invenção se refere a um trocador de calor e material.

[002] São conhecidos na técnica anterior trocadores de calor e material, em particular, são trocadores que usam o contato direto entre um líquido pulverizado e um gás. Este tipo de trocador permite uma troca eficaz de calor e de material, mas tem uma grande desvantagem ligada ao arrastamento de gotas de líquido no fluxo de gás. Este arrastamento de gotas constitui um risco quando o líquido é tóxico ou corrosivo.

[003] Também são conhecidos os trocadores que permitem uma troca indireta na qual o fluxo é separado por membranas permeáveis ao vapor e impermeáveis ao líquido. A implementação de tais trocadores é delicada, devido à pressão estática do líquido fluindo no tubo formado pelas membranas. Esta pressão pode causar problemas de vedação e requer membranas tendo propriedades mecânicas particulares contraditórias com a permeabilidade ao vapor, o que as torna ineficazes e caras de fabricar.

[004] A invenção propõe um trocador de calor e material que não tem as desvantagens dos da técnica anterior.

Objeto e sumário da invenção

[005] A invenção se refere a um trocador incluindo: - membranas substancialmente paralelas e verticais, permeáveis ao vapor e impermeáveis a um líquido, essas membranas delimitando zonas, cada uma dessas zonas pertencendo alternadamente a um primeiro tipo de zona ou a um segundo tipo de zona; - as zonas do primeiro tipo incluindo na porção superior um bico de pulverização configurado para pulverizar um líquido ao longo de um plano substancialmente paralelo às membranas, e na porção inferior um primeiro coletor de líquido, independente e separado das zonas do segundo tipo, e - um primeiro tubo disposto para suprir os bicos de pulverização das zonas do primeiro tipo com o referido líquido.

[006] Em uma forma de realização particular da invenção, as membranas são de polipropileno ou de poliamida.

[007] De acordo com a invenção, o líquido pode ser uma solução aquosa mais ou menos rica em sal ou sem sal.

[008] Em uma primeira forma de realização, o trocador de acordo com a invenção inclui uma passagem que permite a circulação de um gás nas zonas do segundo tipo.

[009] Em uma disposição particular desta primeira forma de realização, o trocador de acordo com a invenção inclui uma ventoinha que permite melhorar a circulação do gás nas zonas do segundo tipo.

[010] A invenção também se refere a um método para usar um trocador de acordo com esta primeira forma de realização, este método incluindo: - uma etapa de circular um gás relativamente quente e úmido nas zonas do segundo tipo; - uma etapa de circular um líquido relativamente frio e rico em sal no primeiro tubo, sendo este líquido pulverizado pelos bicos de pulverização nas zonas do primeiro tipo; e - uma etapa de coletar um líquido aquecido e diluído no primeiro coletor.

[011] A invenção se refere a um outro método para usar um trocador de acordo com a primeira forma de realização da invenção, este método incluindo: - uma etapa de circular um gás relativamente frio nas zonas do segundo tipo; - uma etapa de circular um líquido relativamente quente e pobre em sal no primeiro tubo, sendo este líquido pulverizado pelos bicos de pulverização nas zonas do primeiro tipo; e - uma etapa de coletar um líquido resfriado e concentrado no primeiro coletor.

[012] Nestes dois métodos, os bicos de pulverização dispersam o líquido a uma pressão idêntica à do gás nas zonas do primeiro tipo. O gás que circula nas zonas adjacentes do segundo tipo é aquecido e saturado de vapor quando o líquido é mais quente que o gás e quando sua pressão de vapor é maior que a do gás.

[013] No caso inverso, se o líquido for mais frio que o gás e sua pressão de vapor for menor que a do gás, o gás é resfriado e sua concentração de vapor é reduzida.

[014] O líquido, (ou solução) após a troca, resfriado e concentrado ou aquecido e diluído, é coletado em um coletor disposto de forma que não haja contato entre o líquido e o gás.

[015] Em uma segunda forma de realização do trocador de acordo com a invenção: - as zonas do segundo tipo incluem na porção superior um bico de pulverização configurado para vaporizar um líquido ao longo de um plano substancialmente paralelo às membranas, e na porção inferior um coletor, independente e separado das zonas do primeiro tipo; e - um segundo tubo suprindo os bicos de pulverização das zonas do segundo tipo com um líquido.

[016] Nesta segunda forma de realização, a troca de massa e de calor ocorre entre dois líquidos separados pelas membranas.

[017] A invenção também se refere a um método para usar um trocador de acordo com esta segunda forma de realização. Este método inclui: - uma etapa de circular um líquido relativamente frio e pobre em sal no primeiro tubo, sendo este líquido pulverizado pelos bicos de pulverização nas zonas do primeiro tipo; - uma etapa de circular um líquido relativamente quente e rico em sal no segundo tubo, sendo este líquido pulverizado pelos bicos de pulverização nas zonas do segundo tipo; - uma etapa de coletar um líquido aquecido e diluído no primeiro coletor na porção inferior das zonas do primeiro tipo; e - uma etapa de coletar um líquido resfriado e concentrado no segundo coletor na porção inferior das zonas do segundo tipo, sendo este segundo coletor separado do primeiro coletor para evitar a mistura dos líquidos coletados.

[018] Nesta forma de realização, a solução quente e diluída é concentrada, rendendo seu calor e algum vapor para a segunda solução fria, que é aquecida e diluída.

[019] Geralmente, a invenção propõe assim um trocador de calor e massa entre um líquido e um gás ou entre dois líquidos através de uma membrana, sendo a troca de calor e massa devida a uma diferença de temperatura e uma diferença de pressão de vapor entre os dois fluidos. A permeabilidade da membrana ao vapor do solvente líquido permite a transferência do vapor entre os dois fluidos.

[020] Assim, as expressões “quente”, “frio”, “diluído”, “concentrado”, “rico em sal”, “pobre em sal” devem ser entendidas em um sentido relativo, para expressar as diferenças entre o estado dos fluidos em ambos os lados das membranas para permitir as trocas de calor e massa entre as zonas do primeiro e do segundo tipo, e não em um sentido absoluto.

[021] A invenção pode ser usada em particular para: - concentração ou diluição de uma solução por evaporação ou condensação de vapor sem interstício na pressão total em qualquer lado de uma membrana permeável ao vapor de solvente; - desidratação ou umidificação de um gás por troca com uma solução fria e concentrada ou uma solução quente e diluída sem entrar em contato com a solução.

Breve descrição dos desenhos

[022] Outras características e vantagens da presente invenção aparecerão na seguinte descrição de uma determinada forma de realização, dada a título de exemplo não limitativo, com referência aos desenhos anexos, nos quais: - a figura 1 mostra um trocador em conformidade com uma primeira forma de realização da invenção; - a figura 2 mostra um trocador em conformidade com uma segunda forma de realização da invenção; e - as figuras 3 e 4 mostram um trocador em conformidade com uma terceira forma de realização da invenção. Primeira forma de realização

[023] A Figura 1 mostra um trocador 100 em conformidade com uma primeira forma de realização da invenção. Ele pode ser usado para refrescar e desumidificar o ar quente e úmido (por exemplo 25°C e 60% UR) que circula nas zonas Z30 delimitadas por membranas 30 permeáveis ao vapor d’água. Uma ventoinha 40 pode ser usada para soprar o ar quente.

[024] Na forma de realização descrita aqui, uma zona Z20 com um bico de pulverização 20 sobre ela está localizada em cada lado de cada zona de circulação de ar Z30. Estes bicos de pulverização 20 são supridos por um tubo 10 no qual circula um líquido frio (tipicamente 15°C) e rico em sal. Os bicos de pulverização 20 pulverizam o líquido substancialmente em uma folha plana R paralela às membranas 30.

[025] Nesta forma de realização da invenção, como nas descritas a seguir, a pressão de suprimento de líquido a montante dos bicos pode ser da ordem de 2 bar.

[026] Quando o líquido rico em sal é pulverizado pelos bicos de pulverização 20 nas zonas Z20, o ar compreendido nestas zonas Z20 rende a sua umidade que é absorvida pelo sal. Ele torna-se mais frio e seco que o ar nas zonas Z30.

[027] O ar nas zonas Z30 esfria e sua umidade migra em direção às zonas Z20 através das membranas 30, conforme mostrado pelas setas horizontais. O líquido nas zonas Z20 é diluído; ele é recuperado em um coletor 50 disposto de modo que o líquido coletado não entre em contato com as zonas Z30.

[028] Nesta forma de realização: - quanto mais o líquido pulverizado pelos bicos de pulverização 20 é concentrado com sal, mais se favorece a desumidificação do ar quente e úmido nas zonas Z30; e - quanto mais frio o líquido pulverizado pelos bicos de pulverização 20, mais se favorece o resfriamento do ar que circula nas zonas Z30.

Segunda forma de realização

[029] A Figura 2 mostra um trocador 200 em conformidade com uma segunda forma de realização da invenção. Ele pode ser usado para resfriar e concentrar um líquido quente e pobre em sal, ou até mesmo sem sal.

[030] Na forma de realização aqui descrita, este líquido (a 35°C, por exemplo) é pulverizado pelos bicos de pulverização 21 nas zonas Z21 delimitadas por membranas 30 permeáveis ao vapor d’água, os bicos de pulverização sendo supridos por um tubo 11. Os bicos de pulverização 21 pulverizam o líquido substancialmente em uma folha plana R paralela às membranas 30.

[031] Como na primeira forma de realização, as zonas Z21 são separadas por zonas Z30 nas quais o ar circula. Mas, nesta forma de realização, o ar nessas zonas Z30 é mais frio do que o líquido pulverizado nas zonas Z21. O ar nas zonas Z30 está, por exemplo, à temperatura ambiente, por exemplo a 24°C.

[032] Nas zonas Z21, o ar, em contato com o líquido quente pulverizado, é aquecido e carregado com umidade. O líquido esfria e é concentrado. Ele é coletado em um coletor 51 disposto de modo que o líquido coletado não entre em contato com as zonas Z30.

[033] O vapor d’água migra das zonas Z21 para as zonas Z30 através das membranas 30, conforme mostrado pelas setas horizontais. Nas zonas Z30, o ar é aquecido e é carregado de umidade.

[034] Esta segunda forma de realização da invenção permite com vantagem o resfriamento do líquido abaixo da temperatura do ar que circula nas zonas Z30, graças ao fenômeno da evaporação, até atingir a temperatura de bulbo úmido.

Terceira forma de realização

[035] As Figuras 3 e 4 mostram uma terceira forma de realização da invenção. Ele pode ser usado para dessalinizar um líquido.

[036] Nesta forma de realização, o trocador 300 inclui: - um tubo 10 suprindo os bicos de pulverização 20 com um líquido frio pobre em sal, ou mesmo sem sal, sendo este líquido pulverizado pelos bicos de pulverização 20 nas zonas Z20; e - um tubo 11 suprindo os bicos de pulverização 21 com um líquido quente concentrado em sal, sendo este líquido pulverizado pelos bicos de pulverização 21 nas zonas Z21.

[037] As zonas Z20 e Z21 são alternadas e separadas por membranas 30 permeáveis ao vapor d’água. Em cada uma das zonas, os bicos de pulverização 20, 21 pulverizam o líquido em uma folha plana R substancialmente paralela às membranas.

[038] Nas zonas Z21, o ar em contato com o líquido quente é aquecido e é carregado de umidade. O vapor d’água migra em direção às zonas Z20 através das membranas 30.

[039] Nas zonas Z20, o ar é aquecido e é carregado com vapor d’água devido à migração do vapor d’água proveniente das zonas Z21, conforme mostrado pelas setas horizontais.

[040] Nas zonas Z20, o ar rende seu calor ao fluxo de líquido frio e pobre em sal, aumentando a quantidade de água. O líquido quente e diluído é coletado em um coletor 50 disposto de modo que este líquido não entre em contato com as zonas Z21.

[041] Nas zonas Z21, a quantidade de água é reduzida devido à migração, e o líquido rico em sal é concentrado. O líquido frio e concentrado é descarregado por tubos em forma de U que conduzem através das aberturas 61 para um coletor 51 disposto de modo que este líquido não entre em contato com as zonas Z20.

[042] Esta forma de realização permite concentrar o líquido rico em sal introduzido no tubo 11. Ele pode ser utilizado para operações de dessalinização.

[043] Nesta terceira forma de realização da invenção, o trocador 300 tem uma estrutura 7 à qual as membranas 30 são afixadas. Os coletores 50 e 51 possuem ombros nos quais essas membranas 30 são inseridas, evitando assim qualquer contato entre os diferentes líquidos.

[044] Um arranjo deste tipo também pode ser usado nos trocadores 100 e 200 descritos anteriormente com referência às figuras 1 e 2 para evitar o contato entre o líquido nos coletores 50, 51 e o ar que circula nas zonas Z30.

Outra forma de realização de uso da invenção

[045] Como mencionado anteriormente, na forma de realização da figura 1, a solução recuperada no coletor 50 é diluída pelo vapor d’água que migrou das zonas Z30 através da membrana 30.

[046] É necessário, para poder reutilizá-lo na entrada do tubo 10, remover a água nele adicionada.

[047] Para realizar esta operação, é possível encabeçar a solução diluída recuperada no coletor 50 e injetá-la no tubo 11 do trocador da figura 2 de modo a reduzir a sua temperatura e concentrá-la.

Claims (6)

1. Trocador (100, 200, 300) caracterizado por incluir: - membranas substancialmente paralelas e verticais (30), permeáveis ao vapor e impermeáveis a um líquido, as ditas membranas delimitando zonas, cada uma das ditas zonas pertencendo alternadamente a um primeiro tipo de zona e a um segundo tipo de zona; - as zonas do referido primeiro tipo incluindo na porção superior um bico de pulverização configurado para pulverizar um líquido ao longo de um plano substancialmente paralelo às referidas membranas, e na porção inferior um primeiro coletor, independente e separado das zonas do segundo tipo; - um primeiro tubo que supre um líquido aos bicos de pulverização (20, 21) das zonas (Z20, Z21) do primeiro tipo.

2. Trocador (100, 200) de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por incluir uma passagem que permite a circulação de um gás nas zonas (Z30) do segundo tipo.

3. Método para usar um trocador (100) conforme definido na reivindicação 2, caracterizado por incluir: - uma etapa de circular um gás relativamente quente e úmido nas zonas (Z30) do segundo tipo; - uma etapa de circular um líquido relativamente frio e rico em sal no referido primeiro tubo (10), o referido líquido sendo pulverizado pelos referidos bicos de pulverização (20) nas zonas (Z20) do referido primeiro tipo; e - uma etapa de coletar um líquido aquecido e diluído no referido primeiro coletor (50).

4. Método para usar um trocador (200) conforme definido na reivindicação 2, caracterizado por incluir: - uma etapa de circular um gás relativamente frio nas zonas (Z30) do segundo tipo; - uma etapa de circular um líquido relativamente quente e pobre em sal no referido primeiro tubo (11), o referido líquido sendo pulverizado pelos referidos bicos de pulverização (21) nas zonas (Z21) do referido primeiro tipo; e - uma etapa de coletar um líquido resfriado e concentrado no referido primeiro coletor (51).

5. Trocador (300) de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por: - as zonas do referido segundo tipo incluírem na porção superior um bico de pulverização configurado para vaporizar um líquido ao longo de um plano substancialmente paralelo às referidas membranas (30), e na porção inferior um segundo coletor, independente e separado das zonas do referido primeiro tipo; o dito trocador também incluir: - um segundo tubo suprindo os bicos de pulverização (20, 21) das zonas (Z20, Z21) do referido segundo tipo com um líquido.

6. Método para usar um trocador (300) conforme definido na reivindicação 5, caracterizado por incluir: - uma etapa de circular um líquido relativamente frio e pobre em sal no referido primeiro tubo (10), o referido líquido sendo pulverizado pelos referidos bicos de pulverização (20) nas zonas (Z20) do referido primeiro tipo; - uma etapa para circular um líquido relativamente quente e rico em sal no referido segundo tubo (11), o referido líquido sendo pulverizado pelos referidos bicos de pulverização (21) nas zonas (Z21) do referido segundo tipo; - uma etapa de coletar um líquido aquecido e diluído no primeiro coletor (50) na porção inferior das zonas (Z20) do primeiro tipo; e - uma etapa de coletar um líquido resfriado e concentrado no segundo coletor (51) na porção inferior das zonas (Z21) do segundo tipo.