BRPI1009475B1 - Método e aparelho para a purificação de fluidos - Google Patents

Description

(54) Título: MÉTODO E APARELHO PARA A PURIFICAÇÃO DE FLUIDOS (51) Int.CI.: B01J 19/32 (30) Prioridade Unionista: 18/03/2009 EP 09155550.8, 18/03/2009 EP 09158653.7 (73) Titular(es): SULZER CHEMTECH AG (72) Inventor(es): ILJA AUSNER; MARKUS DUSS

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Relatório Descritivo da Patente de Invenção para MÉTODO E APARELHO PARA A PURIFICAÇÃO DE FLUIDOS.

A invenção refere-se a um método para a purificação de fluidos, o que é realizado, de preferência, em um aparelho para a purificação de fluidos, como em uma coluna de absorção ou em uma coluna de dessorção. O aparelho contém um empacotamento estruturado cuja perda de pressão é reduzida. O empacotamento é adequado, em particular, para aplicações de absorção com sistemas aquosos como absorção de CO₂ a partir de coluna de gás.

O princípio de empacotamentos estruturados tem sido usado por décadas na absorção (cf. K. Sattler Thermische Trennverfahren [Thermal Separation Processes], VCH Verlag, Weinheim 1995), já que pode-se economizar, com isso, a energia a ser introduzida e a altura da construção da coluna de absorção.

Os empacotamentos estruturados são feitos em uma modalidade comercial como folhas de metal dobradas dispostas uma após a outra, cuja estrutura tem canais inclinados que se cruzam continuamente. Estes canais influenciam positivamente os fluxos da fase gasosa e da fase líquida dentro do empacotamento e facilitam a transferência de massa entre as fases. Ou seja, a fase gasosa e a fase líquida são colocadas em contato nos canais do empacotamento e, assim, a transferência de massa entre as fases é facilitada.

Para aumentar a capacidade de separação de um empacotamento estruturado, a superfície do empacotamento estruturado é usualmente ampliada, o que é conseguido, usualmente, por meio de um número mais alto de camadas e/ou geometrias de canal mais compactas. A superfície total resulta do cálculo como a soma das superfícies geométricas das camadas de empacotamento. No entanto, essas medidas resultam em um aumento da queda de pressão no empacotamento estruturado. Entretanto, segue disso que menos superfície de empacotamento tem que ser proporcionada para a redução da queda de pressão, por meio do que a capacidade de separação, que é a eficiência do empacotamento, deteriora. Além disso, é pos2/28 sível proporcionar mais canais cruzados abertos. Mais canais cruzados abertos significam que o ângulo de inclinação dos canais é selecionado para que seja menor com relação à direção principal de fluxo. Isso significa que é preciso encontrar um valor ótimo entre a queda de pressão e a melhor capacidade de separação possível em dependência da aplicação.

No entanto, os canais cruzados têm um número mais alto de pontos de contato, o que pode ter um efeito positivo em algumas aplicações, mas também um efeito negativo em outras aplicações.

Em aplicações com fluxos de líquidos com boa molhagem, como em processos de retificação com fluidos orgânicos, os pontos de contato têm o efeito de que um fluxo de líquido impactante é dividido e é defletido para os lados dos canais. A distribuição transversal do líquido, deste modo, é amplificada e a eficiência é aumentada. Além do mais, os pontos de contato têm o efeito de que o fluxo de gás corre principalmente na direção dos canais e não em paralelo à direção principal de fluxo, pelo que a transferência de massa no lado do gás pode ser melhorada.

Zonas mortas podem se formar em torno dos pontos de contato, em que o líquido participa na troca de material até um grau menor do que o líquido remanescente que está localizado no empacotamento estruturado. Este fenômeno já é conhecido de US 6.378.332 B1, em que é descrito um empacotamento para retificação criogênica, o qual se destina a reduzir a ocorrência de tais zonas mortas. A solução, de acordo com US 6.378.332 B1, está na redução do número de pontos de contato entre as camadas de empacotamento alternadamente entre dobras altas e planas de cada camada de empacotamento individual. No entanto, são contemplados sistemas neste aspecto, cujas pequenas tensões superficiais resultam em uma molhagem ideal da superfície total, isto é, as zonas além dos pontos de contato ainda são molhadas com líquido. Segue disso que a área de troca de material efetivamente disponível difere apenas no caso ideal pela superfície de contato que é requerida pelos pontos de contato. Consequentemente, apenas os pontos de contato resultam em uma perda de área de troca de material efetivamente disponível. A área de troca de material efetivamente dispo3/28 nível é definida como aquela parte da superfície total que é molhada pelo fluido menos volátil, na maioria dos casos, um líquido.

Assim, é conhecido um processo de retificação de US 6.378.332 B1 em que um empacotamento estruturado é usado, o qual tem uma estrutura de canais cruzados, ou seja, é feito de folhas de metal corrugadas ou dobradas as quais são colocadas uma sobre a outra no sentido transversal. Folhas de metal adjacentes entram em contato uma com a outra ao longo dos picos de corrugação ou ao longo das bordas. Um líquido mais volátil pode fluir entre as folhas de metal dobradas em contrafluxo a um líquido menos volátil, podendo acontecer uma troca de material. É mostrado um processo em US 6.378.332 B1 quê reduz o número de pontos de contato entre duas folhas de metal adjacentes. É feita provisão para esta finalidade para variar a altura dos picos de corrugação ou bordas tal que apenas alguns dos picos de corrugação ou bordas de cada folha de metal tenha a altura máxima. Assim, as folhas de metal só entram em contato uma com a outra na altura máxima ao longo dos picos ou bordas de corrugação.

Também foi proposto em diferentes documentos, prever elementos intermediários que são dispostos entre duas camadas de empacotamento adjacentes, tal que uma distância seja obtida entre camadas de empacotamento adjacentes, veja por exemplo, EP1063009 ou EP1216752. Estes elementos intermediários são elementos de placa planos de tamanho grande que podem ter influência considerável sobre o fluxo do gás e/ou líquido e têm probabilidade de causar uma queda de pressão maior.

A transferência de massa é decisivamente influenciada pela área de troca de material nos sistemas controlados por líquido. Isso se aplica em particular quando reações químicas acontecem na fase líquida. EP 0 671 963 B1 propõe, para esta finalidade, combinar as camadas de empacotamento ainda mais firmemente para acomodar mais camadas de empacotamento por unidade de volume do que o normalmente habitual. O consumo mais alto de material e a maior perda de pressão são, por sua vez, desvantagens neste aspecto.

Surpreendentemente, descobriu-se agora que empacotamentos

4/28 que têm menos pontos de contato, que são dispostos diferentemente e que, por um lado, diminuem a perda de pressão no lado do gás, e, por outro lado, reduzem a superfície total, têm um efeito positivo sobre a capacidade de absorção nos sistemas controlados por líquido, em particular quando acontecem reações químicas na fase líquida.

Sendo assim, tal estrutura de empacotamento será usada, de preferência, em sistemas controlados por líquido e vantajosamente em sistemas para a absorção de CO₂ a partir de fluxos de gás. Neste sistema, a transferência de massa é decisivamente influenciada por uma reação química na fase líquida. Este CO₂ aparece em gases de exaustão que ocorrem, por exemplo, em usinas geradoras. O CO₂ é separado do fluxo de gás de exaustão em um sistema de absorção a jusante por meio de absorção, é comprimido e subsequentemente armazenado no subterrâneo, por exemplo. É necessário um empacotamento estruturado para a absorção que gere tão pouca queda de pressão quanto possível e adicionalmente tenha uma alta capacidade de separação.

Logo, é o objetivo da invenção reduzir a perda de pressão dentro do empacotamento, já que, deste modo, é possível economizar energia para gerar o fluxo de gás. No entanto, a redução da perda de pressão pode não acontecer às custas da área da troca de material. Assim, é um objetivo proporcionar um arranjo de empacotamento em um aparelho de troca de material que seja caracterizado por uma melhor utilização da superfície total com uma perda de pressão inferior e menos uso de material.

Estes objetivos são satisfeitos por um aparelho para a purificação de fluidos que inclui um aparelho de troca de material que contém um fluido mais volátil e um fluido menos volátil que contém um empacotamento estruturado, com o empacotamento estruturado contendo uma primeira camada de empacotamento e uma segunda camada de empacotamento, com a primeira camada de empacotamento e a segunda camada de empacotamento tendo corrugações, com canais abertos sendo formados pelas corrugações, com os canais da primeira camada cruzando os canais da segunda camada de empacotamento, sendo possível fazer passar pelos canais um

5/28 fluxo de fluido menos volátil, tal que o canal possa ser molhado pelo fluido menos volátil, como uma película, sendo que o fluido mais volátil está localizado dentro da película, com uma purificação do fluido mais volátil ou do fluido menos volátil podendo acontecer por meio de uma troca de material entre o fluido mais volátil e o fluido menos volátil. A primeira camada de empacotamento está em contato, por toque, com a segunda camada de empacotamento via elementos espaçadores, por meio do que os elementos espaçadores são uma parte da primeira ou da segunda camada de empacotamento.

De preferência, os elementos espaçadores são feitos como barras. Se tais elementos espaçadores forem proporcionados, o espaçamento de camadas de empacotamento adjacentes pode aumentar, em particular quando as barras estão localizadas em ápices que contornam os canais abertos. Um ápice pode ser entendido como um pico de corrugação ou como uma borda, ou seja, como uma ponta que é formada por duas superfícies laterais adjacentes de um canal. Quando o espaçamento entre as camadas de empacotamento aumenta, menos camadas de empacotamento podem ser dispostas no aparelho de troca de material se o volume total captado pelo empacotamento não for mudado. Segue disso, no entanto, que a superfície total do empacotamento diminui.

Essa afirmação se aplica, admitidamente, à superfície total. No entanto, tem sido mostrado que essa afirmação não pode ser transferida para a área de troca de material para aplicações específicas. A troca de material acontece em uma pluralidade de etapas que acontecem sequencialmente para a purificação de um fluido mais volátil, em particular, de um gás. Os componentes contidos no gás que tenham que ser separados, são transportados para a interface do líquido por meio de difusão. Subsequentemente, os componentes têm que passar através da interface e ser captados no líquido. Em particular, uma reação química também pode acontecer no líquido, tal que os componentes permaneçam ligados no líquido e possam ser descarregados com o líquido. Se a velocidade de difusão ou a cinética da reação no líquido levar mais tempo, em comparação com as etapas prece6/28 dentes, esta velocidade de difusão ou a cinética da reação representam o fator limitante para a troca de material total. É necessário proporcionar uma área dê troca de material para o líquido que seja tão grande quanto possível, tal que a troca de material possa ser melhorada. A transferência de massa no lado do gás que é deteriorada devido ao número reduzido de pontos de interseção, não desempenha qualquer papel decisivo para as aplicações mencionadas controladas por líquido.

Outro objetivo da invenção é selecionar o arranjo dos pontos de contato tal que exista uma mudança favoravelmente mínima da troca de material devido aos pontos de contato.

Os elementos espaçadores são dispostos, em particular, na região marginal da primeira camada de empacotamento no aparelho de acordo com qualquer uma das modalidades anteriores. A região marginal é, em particular, uma tira, que se estende diretamente perto da borda da camada de empacotamento. Esta tira tem um comprimento que é correspondente ao comprimento da camada de empacotamento.

O comprimento da camada de empacotamento deve ser definido como a extensão da camada de empacotamento na direção horizontal sob a condição de uma instalação vertical da camada de empacotamento no aparelho de troca de material. A altura da camada de empacotamento deve ser definida como a extensão da camada de empacotamento na direção vertical sob a condição de uma instalação vertical da camada de empacotamento no aparelho de troca de material. Para um aparelho de troca de material com eixo não vertical, o comprimento da camada de empacotamento deve ser definido como sua extensão em um plano normal ao eixo do aparelho de troca de material e sob a altura da camada de empacotamento, entende-se sua extensão na direção do eixo do aparelho de troca de material.

A tira que forma a região marginal tem um comprimento que corresponde ao comprimento da camada de empacotamento ou uma altura, que corresponde à altura da camada de empacotamento. Adicionalmente, a tira tem uma largura que é definida como a distância normal até a borda da camada de empacotamento.

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A largura depende do ângulo sob o qual as corrugações da camada de empacotamento estão dispostas com relação ao eixo do aparelho de troca de material. A tira tem uma largura de no máximo duas vezes a altura de um elemento espaçador h, de preferência, uma largura h de no máximo 1,5 vez a altura do elemento espaçador h, onde h é derivada do comprimento de um elemento espaçador, conforme a seguir:

h = a cos (φ)

Ao contrário da técnica anterior, de acordo com a qual deseja-se uma distribuição uniforme dos pontos de contato, mas o número de pontos de contato é reduzido, esta distribuição uniforme dos pontos de contato sobre a superfície total é totalmente dispensada com a invenção. Se os poucos pontos de contato forem colocados juntos mais compactamente, a restrição de fluxo efetua um contrafluxo além dos pontos de contato, pelo que a área não molhada além do ponto de contato é surpreendentemente reduzida. Sendo assim, resultam poucos pontos de contato com menos superfície não molhada e na soma, uma razão máxima entre a área de troca de material e a superfície total.

De acordo com uma modalidade vantajosa do aparelho, os elementos espaçadores estão localizados em cada uma das camadas de empacotamento. Neste caso, todas as camadas de empacotamento têm a mesma estrutura, o que reduz o esforço e/ou custo de fabricação. As camadas de empacotamento podem ser fabricadas continuamente nesta forma em que uma banda é continuamente dobrada e no meio tempo, os elementos espaçadores também são produzidos. A banda dobrada dotada de elementos espaçadores é cortada nas dimensões desejadas. As partes da banda cortadas no tamanho produzem as camadas de empacotamento, com cada segunda camada de empacotamento sendo virada, tal que surge um arranjo no sentido transversal de camadas de empacotamento quando elas são colocadas uma sobre a outra adjacentes entre si.

Vantajosamente, os elementos espaçadores são dispostos um debaixo do outro ou perto um do outro com um alinhamento vertical das camadas de empacotamento. Os elementos espaçadores, em particular, for8/28 mam uma fileira de pontos de contato que se estende verticalmente ou horizontalmente.

Outro objetivo da invenção é, consequentemente, proporcionar um empacotamento estruturado que tenha maior estabilidade com o mesmo número ou com um número menor de pontos de contato. As corrugações têm uma altura constante de corrugação para melhorar a estabilidade.

O aparelho é particularmente preferivelmente usado em uma coluna de absorção ou coluna de dessorção.

Um método para a purificação de fluidos em um aparelho de troca de material que contém um empacotamento estruturado inclui as etapas de: fornecer um fluido menos volátil ao aparelho de troca de material; distribuir o fluido menos volátil fornecido sobre a superfície total; fornecer um fluido mais volátil no aparelho de troca de material em uma região de entrada de fluido; distribuir o fluido mais volátil na região de entrada de gás sobre a superfície total, com o fluido mais volátil fluindo em contrafluxo ao líquido; coletar o fluido mais volátil que sai do empacotamento em uma região de saída de fluido, com o empacotamento estruturado contendo uma primeira camada de empacotamento e uma segunda camada de empacotamento, com a primeira camada de empacotamento e a segunda camada de empacotamento tendo corrugações com uma altura constante de corrugação com canais abertos sendo formados pelas corrugações, com os canais da primeira camada de empacotamento cruzando os canais da segunda camada de empacotamento, com o fluido mais volátil fluindo através dos canais a partir da região de entrada de fluido na direção da região de saída de fluido, com o fluido menos volátil circundando o fluido mais volátil que flui através dos canais e fluindo ao longo das paredes do canal. A primeira camada de empacotamento está em contato de toque com a segunda camada de empacotamento via elementos espaçadores, tal que acontece uma troca de material entre o fluido mais volátil e o fluido menos volátil sobre a área de troca de material formada pelos canais.

A purificação acontece por meio da troca de material, o que depende da velocidade na qual os componentes a serem removidos do fluxo

9/28 do fluido mais volátil são captados pelo fluido menos volátil quando o fluido mais volátil deve ser purificado ou que depende da velocidade na qual os componentes a serem removidos do fluido menos volátil são liberados do fluido menos volátil quando o fluido menos volátil deve ser purificado, ou seja, acontece a retificação.

O fluido mais volátil é, em particular, um gás; o processo pode, por exemplo, ser usado para a purificação de um gás contendo CO₂. O fluido menos volátil é um líquido em que uma reação química pode acontecer.

Uma molhagem máxima por líquido da superfície total é tornada possível no aparelho de troca de material por meio do uso de elementos espaçadores e por meio de um arranjo dos pontos de contato.

O empacotamento estruturado é feito, de preferência, de camadas de empacotamento cujas dobras são todas uniformemente altas. Uma alta estabilidade do empacotamento é produzida, a qual é, em particular, de especial importância em colunas com um grande diâmetro. O número dos pontos de contato entre as camadas de empacotamento individuais é realizado de acordo com a invenção por meio da introdução de elementos espaçadores entre as camadas de empacotamento. Estes elementos espaçadores podem ser feitos como barras que são feitas, por exemplo, de fios ou de tiras de folha de metal estreitas que são aplicadas às camadas de empacotamento dobradas em pontos específicos e, deste modo, separam as camadas de empacotamento uma da outra a um intervalo definido e em pontos definidos.

Os elementos espaçadores podem ser produzidos por estampagem profunda ou estampagem a partir do metal da camada de empacotamento ou em que as camadas de corrugação e as depressões tipo vale entre as posições desejadas dos elementos espaçadores são deformadas tal que a altura da dobra seja menor.

Os elementos espaçadores são aplicados em pontos definidos, por exemplo, na borda superior e borda inferior da camada de empacotamento. Quando as camadas de empacotamento individual são colocadas uma sobre uma a outra, os canais só tocam nos elementos espaçadores em

10/28 uma região marginal na borda superior e borda inferior da camada de empacotamento e, assim, efetuam uma redução considerável dos pontos de contato, assim como uma maximização da área de troca de material com uma estabilidade simultânea das camadas de empacotamento individuais.

A invenção será explicada a seguir com referência aos desenhos, em que:

a figura 1 é uma vista de um aparelho, de acordo com a invenção, incluindo uma pluralidade de camadas de empacotamento;

a figura 2a é uma representação seccional através de duas camadas de empacotamento adjacentes de acordo com a figura 1;

a figura 2b é uma vista de duas camadas de empacotamento adjacentes com corrugações;

a figura 3 é uma representação de uma camada de empacotamento convencional enquanto indica o caminho de fluxo do fluido menos volátil;

a figura 4 é uma representação dos pontos de interseção de acordo com a solução de US 6.378.332;

a figura 5 é uma representação dos pontos de interseção de uma primeira modalidade da invenção;

a figura 6 é uma representação dos pontos de interseção de outra modalidade da invenção;

a figura 7 é uma representação de uma variante da disposição dos elementos espaçadores, de acordo com a invenção;

a figura 8a é uma representação com relação às dimensões dos elementos espaçadores;

a figura 8b é uma representação de relações trigonométricas com relação à modalidade da figura 8a;

a figura 9a é uma ilustração da deformação do empacotamento, de acordo com a técnica anterior, sob carga transversal;

a figura 9b é uma ilustração da deformação do empacotamento de acordo com a invenção, sob carga transversal;

a figura 10 é uma representação de um sistema de absorção;

11/28 a figura 11 é uma comparação de um empacotamento com e sem elementos espaçadores para uma absorção com transferência de massa controlada no lado do líquido.

A figura 1 mostra um aparelho 1 de acordo com a invenção, que inclui algumas camadas de empacotamento de um empacotamento estruturado 7 que formam um corpo de empacotamento. Um meio para troca de material entre duas fases fluidas é entendido como um empacotamento estruturado 7. O empacotamento estruturado 7 é usado em um aparelho de troca de material 2. O aparelho de troca de material pode ser feito, em particular, como uma coluna 5.

O empacotamento estruturado 7 é feito de uma pluralidade de camadas de empacotamento que estão em uma relação geométrica regularmente repetitiva entre si. O espaçamento de camadas de empacotamento adjacentes pode ser selecionado como um exemplo para esta relação geométrica. De acordo com a relação geométrica, os espaçamentos de camadas de empacotamento adjacentes entre si pode adotar periodicamente o mesmo valor, tal que aparece uma estrutura da soma das camadas de empacotamento, o que é caracterizado pelos mesmos ou pelo menos periodicamente os mesmos espaçamentos. A periodicidade é encontrada no empacotamento estruturado total, pelo que o empacotamento tem uma estrutura regular. A estrutura pode ser feita, em particular, como corrugações.

Ao contrário disso, empacotamentos de corpo com volume preenchido são feitos de corpos com volume preenchido, ou seja, de elementos com a mesma estrutura geométrica com cada corpo com volume preenchido sendo capaz de ter qualquer espaçamento desejado a partir de corpos com volume preenchido adjacentes, tal que não é possível reconhecer uma periodicidade destes espaçamentos. Os corpos com volume preenchido são introduzidos na coluna como preenchimento. Eles formam um amontoado sobre uma base da coluna. O amontoado é caracterizado pela disposição aleatória dos corpos individuais com volume preenchido.

As camadas de empacotamento, de acordo com a figura 1, são feitas de elementos com parede fina que têm corrugações. A seção de cor12/28 rugação é caracterizada por uma sequência periodicamente repetitiva de partes elevadas, ou seja, de picos de corrugação e depressões tipo vale, ou seja, vales de corrugação. Essas corrugações podem ser feitas, em particular, como uma dobra com uma seção em ziguezague com bordas convergindo agudamente. As camadas de empacotamento são dispostas com relação uma à outra tal que as corrugações de duas camadas de empacotamento adjacentes são inclinadas a um ângulo à direção principal de fluxo. As corrugações de camadas de empacotamento adjacentes são dispostas no sentido transversal com relação uma à outra.

A figura 2a mostra duas camadas de empacotamento adjacentes 10, 100 do empacotamento estruturado 7, de acordo com a figura 1. Uma primeira camada de empacotamento 10 é disposta adjacente a uma segunda camada de empacotamento 100. A primeira camada de empacotamento 10 e a segunda camada de empacotamento 100 podem, em particular, incluir um elemento de folha de metal ou de pano de metal; alternativamente a isso, no entanto, elas também podem incluir elementos de material plástico ou cerâmico. Neste aspecto, um elemento pode incluir a camada de empacotamento total, mas também formar apenas uma parte sua. O elemento pode ter a forma de uma placa que inclua corrugações, em particular, uma seção em ziguezague ou corrugações com picos arredondados e fundos de vale. O elemento pode ter revestimentos de plástico ou cerâmico para aumentar a resistência da camada de empacotamento contra influências químicas, como corrosão ou influências térmicas, como temperatura, ou influências mecânicas, como pressão.

A primeira camada de empacotamento 10 e a segunda camada de empacotamento 100 na figura 2a são mostradas em uma vista que mostra um detalhe da primeira superfície 8 do empacotamento 7. A primeira superfície 8 do empacotamento 7 é disposta substancialmente normalmente à direção principal de fluxo 6. A direção de fluxo é chamada a direção de fluxo principal 6 em que um fluido mais volátil, em particular um gás, flui ascendentemente, ou seja, na direção da parte superior da coluna 5, na coluna 5 sem instalações. Alternativamente a isso, a direção oposta também pode ser

13/28 definida como a direção de fluxo principal. Neste caso, a direção de fluxo principal corresponde à direção em que um fluido menos volátil, que é usualmente um líquido, flui através da coluna sem instalações, que está em queda livre. No empacotamento, a direção de fluxo desvia localmente da direção principal de fluxo desde que o fluxo é defletido pelas camadas de empacotamento do empacotamento.

A primeira camada de empacotamento 10 do empacotamento estruturado 7 tem corrugações, com uma pluralidade de canais abertos 12, 14, 16 sendo formados pelas corrugações. Os canais incluem um primeiro vale de corrugação 22, um primeiro pico de corrugação 32 e um segundo pico de corrugação 42. O primeiro pico de corrugação 32 e o segundo pico de corrugação 42 limitam o primeiro vale de corrugação 22. O primeiro pico de corrugação 32 e o segundo pico de corrugação 42 têm um primeiro ápice 33 e um segundo ápice 43. Um elemento espaçador 44, que se estende na direção do segundo ápice 43 e que é feito como uma barra,é formado no segundo ápice 43 do segundo pico de corrugação 42. O primeiro pico de corrugação 22 tem um fundo de vale 23. O elemento espaçador 44 tem uma borda 45 que tem um espaçamento normal maior 27 a partir do fundo do vale 23 do vale de corrugação 22 do que o segundo ápice 43 do segundo pico de corrugação 43 a partir do fundo do vale 23 do vale de corrugação 22. O mesmo se aplica à borda 35 do elemento espaçador 34.

O espaçamento normal entre o primeiro ápice 33 do primeiro pico de corrugação 32 e o fundo do vale 23 do primeiro vale de corrugação 22, é chamado altura de corrugação 28. A altura de corrugação 28 é, assim, menor do que o espaçamento normal 27. Em uma camada de empacotamento de acordo com esta invenção, a altura do vale 28 é, em particular, substancialmente constante, ou seja, está na faixa das tolerâncias usuais que ficam na região de 0,5 mm.

Uma barra 34 também pode ser disposta no primeiro ápice 33. Uma barra 24 também pode ser disposta seletivamente sobre o primeiro fundo de vale 23.

A segunda camada de empacotamento 100 do empacotamento

14/28 estruturado 7 tem corrugações, com uma pluralidade de canais abertos 112, 114, 116 sendo formados pelas corrugações. Os canais incluem um primeiro vale de corrugação 122, um primeiro pico de corrugação 132 e um segundo pico de corrugação 142. O primeiro pico de corrugação 132 e o segundo pico de corrugação 142 limitam o primeiro vale de corrugação 122. O primeiro pico de corrugação 132 e o segundo pico de corrugação 142 têm um primeiro ápice 133 e um segundo ápice 143. Uma barra 134, que se estende na direção do primeiro ápice 133, é formada no primeiro ápice 133 do primeiro pico de corrugação 132. Uma barra 144, que se estende na direção do segundo ápice 143, é formada no segundo ápice 143 do segundo pico de corrugação 142. O primeiro pico de corrugação 122 tem um fundo de vale 123. A barra 134 tem uma borda 133 e a barra 144 tem uma borda 145 que tem um espaçamento normal maior a partir do fundo do vale 123 do vale de corrugação 122 do que o segundo ápice 143 do segundo pico de corrugação 142 a partir do fundo do vale 123 do vale de corrugação 122. Ao menos uma parte do ápice pode ser feita como uma borda. Ao menos alguns dos vales de corrugação podem ser feitos em formato de V. O espaçamento normal entre o fundo do vale e o ápice é essencialmente o mesmo para todos os picos de corrugação da camada de empacotamento de acordo com a figura 2a.

A figura 2b mostra duas camadas de empacotamento adjacentes de um empacotamento estruturado tendo corrugações de acordo com o qual os ápices não formam qualquer borda aguda, mas, ao invés disso, são feitos como partes arredondadas. É feita referência à descrição da figura 2a.

A figura 3 mostra a influência das disposições dos pontos de contato sobre a área de troca de material, por exemplo, a camada de empacotamento 10 do empacotamento mostrado na figura 2a ou figura 2b. A figura 3a, neste aspecto, mostra uma disposição de acordo com a técnica anterior. A camada de empacotamento 10 cobre a camada de empacotamento 100 que não é visível porque está atrás dela no plano do desenho. O primeiro ápice 33, o segundo ápice 43, assim como o fundo do vale 23, disposto entre eles, são mostrados da camada de empacotamento 10, à guisa de e15/28 xemplo. Os primeiro e segundo ápices 33, 43 e o fundo do vale 23 formam bordas dobradas. Os ápices 33, 43 ficam no fundo do vale 123, que pertence à camada de empacotamento 100. Cada uma das camadas de empacotamento 10 e das camadas de empacotamento 100 naturalmente contém, respectivamente, uma pluralidade de outros ápices e fundos de vale que não são designados com qualquer detalhe a mais, já que não diferem dos ápices designados e dos fundos de vale. Na figura 3, as linhas que pertencem aos ápices dos picos de corrugação são feitas mais espessas do que as linhas que pertencem aos fundos de vale. Além do mais, uma longa linha pontilhada é proporcionada para os ápices dos picos de corrugação da segunda camada de empacotamento 100 e uma linha pontilhada curta para os fundos de vale da camada de empacotamento 100. Os pontos de contato 48, que são marcados por um círculo na figura 3, surgem nos pontos onde um fundo de vale da camada de empacotamento 10 e um ápice da camada de empacotamento 100 se encontram. Os pontos de contato 48 são distribuídos uniformemente sobre a superfície total nas duas camadas de empacotamento mostradas 10, 100.

É possível ver da figura 3 que os pontos de contato são dispostos muito próximos entre si, onde resulta um número muito alto de pequenas zonas 46 não molhadas pelo fluido menos volátil e, assim, uma porção relativamente pequena de área de troca de material com relação à superfície total. Na figura 3, apenas uma única zona 46 é mostrada; as setas 47 simbolizam o fluxo do fluido menos volátil.

A figura 4 mostra o caso em que os pontos de contato são reduzidos, por exemplo, por uma dobra das camadas de empacotamento, como é proposto em US 6.378.332 B1. Consideravelmente menos zonas não molhadas 46, mas por sua vez também maiores, resultam devido ao fluxo do fluido menos volátil simbolizado por meio de setas 47. Em resumo, resulta uma pequena parte de área de troca de material na superfície total. O formato geométrico das camadas de empacotamento, de acordo com a figura 4, será olhado em detalhes na figura 9.

A figura 5 mostra uma disposição dos pontos de contato 48 entre

16/28 duas camadas de empacotamento adjacentes 10, 100, de acordo com a invenção. A camada de empacotamento 100 é disposta atrás da camada de empacotamento 10. É feita referência à figura 3 com relação à representação. O número de pontos de contato é reduzido com relação à superfície da camada de empacotamento 10. Os pontos de contato não estão distribuídos, em particular, uniformemente sobre a superfície total.

A camada de empacotamento 10 inclui um primeiro contorno marginal 50, assim como um segundo contorno marginal 60, com o primeiro contorno marginal 50 sendo disposto substancialmente paralelo ao segundo contorno marginal 60. Com um alinhamento vertical da camada de empacotamento, o contorno marginal 50 se estende por uma interface superior e o segundo contorno marginal 60 se estende por uma interface inferior. A camada de empacotamento 10 inclui, adicionalmente, um primeiro contorno marginal 51 e um segundo contorno marginal 61. O primeiro contorno marginal 51 e o segundo contorno marginal 61 se estendem, com um alinhamento vertical da camada de empacotamento em um empacotamento, adjacente à parede interna do aparelho de troca de material, em particular a coluna, ou ao longo de uma borda do segmento, com outro segmento de empacotamento sendo adjacente no aparelho de troca de material grande. No aparelho de troca de material com grandes diâmetros, por exemplo, de 1 m e mais, foi aprovada com sucesso a simplificação de produção e montagem para dividir o empacotamento em segmentos de empacotamento. Um segmento de empacotamento só se estende sobre uma parte da superfície da seção transversal do aparelho de troca de material. Uma pluralidade destes segmentos de empacotamento são dispostos próximos um do outro tal que a soma dos segmentos de empacotamento cobre a superfície da seção transversal total do aparelho de troca de material. Os pontos de contato 48 são dispostos na proximidade do primeiro e/ou segundo contorno 50, 51, 60, 61. Os pontos de contato, de preferência, têm elementos espaçadores. Estes elementos espaçadores podem ser feitos como uma endentação ou como uma barra. Uma pluralidade de elementos espaçadores, que podem ter a mesma estrutura como um dos elementos espaçadores 34, 44, de acordo

17/28 com a figura 2a ou figura 2b, é disposta na proximidade do primeiro contorno marginal 50, 51.

Alternativamente ou adicionalmente, uma pluralidade de elementos espaçadores 24 podem ser dispostos na proximidade do segundo contorno marginal 60, 61. Os elementos espaçadores também podem estar localizados naturalmente na proximidade de pelo menos um de cada primeiro e segundo contornos marginais.

Na figura 6, outra variação é mostrada em que os pontos de contato não estão dispostos perto um do outro, mas um sobre o outro. Aqui também um fluxo líquido ao longo dos pontos de contato efetua uma minimização das áreas não molhadas entre os pontos de contato.

A disposição horizontal dos pontos de contato, de acordo com a figura 5, tem a vantagem de que as zonas não molhadas não podem se formar atrás dos pontos de contato inferiores perto da margem porque o líquido é retido na borda, entre dois empacotamentos dispostos acima um do outro. É geralmente vantajoso posicionar os pontos de contato na proximidade do contorno marginal 50, 51, 60, 61 porque aqui o molhamento já é desfavorável devido a outras influências interferentes. Se, por outro lado, os pontos de contato estiverem posicionados no interior da camada de empacotamento, outra parte da superfície total é pobremente molhada, o que, de outra maneira, permanecería sem interferência.

É mostrada uma vista de uma camada de empacotamento 10, de acordo com a invenção, na figura 7. A camada de empacotamento 10 é adicionalmente mostrada na projeção na figura 7. O empacotamento estruturado associado 1 inclui a primeira camada de empacotamento 10 e uma segunda camada de empacotamento 100, com a segunda camada de empacotamento 100 tendo, de preferência, corrugações como a primeira camada de empacotamento 10. A primeira camada de empacotamento 10 e a segunda camada de empacotamento 100 são dispostas de tal modo que os canais da primeira camada de empacotamento 10 cruzam os canais da segunda camada de empacotamento 100. A primeira camada de empacotamento 10 está em contato com toque com a segunda camada de empacotamento 100,

18/28 via pelo menos uma barra 24, 44. As barras são dispostas em cada uma das primeira e segunda camadas de empacotamento 10, 100. As barras são dispostas, de preferência, como na figura 5 ou figura 6. A segunda camada de empacotamento 100 não é mostrada graficamente na figura 7 por razão de simplicidade. As barras da primeira camada de empacotamento 10 estão em contato de toque com as barras da segunda camada de empacotamento 100. As barras 44, que são dispostas na proximidade do primeiro contorno marginal 50, são, de preferência, dispostas de tal modo que elas são feitas como partes elevadas em um primeiro lado 11 da camada de empacotamento 10. As barras 24, que são dispostas na proximidade do segundo contorno marginal 60, são feitas como porções elevadas em um segundo lado 13 da camada de empacotamento 10. O primeiro lado 11 da camada de empacotamento 10 é disposto oposto ao segundo lado 13 e forma uma respectiva superfície da camada de empacotamento.

As barras podem, em particular, ser dispostas abaixo uma da outra com um alinhamento vertical das primeira e segunda camadas de empacotamento 10,100. Alternativamente ou em combinação com isso, as barras podem ser dispostas perto uma da outra com um alinhamento vertical das primeira e segunda camadas de empacotamento.

Outros elementos espaçadores que não têm que ser feitos como barras ou não exclusivamente como barras, também podem ser dispostos ao longo de um ápice das camadas de empacotamento 10, 100. Tal elemento espaçador pode ser formado por qualquer porção elevada desejada que se projete sobre a altura de dobra normal. A altura de dobra é entendida como o espaçamento entre um pico de corrugação e um vale de corrugação adjacente. Se o vale de corrugação tiver uma curvatura finita em seu ápice, o espaçamento é definido como o espaçamento normal das duas tangentes ao ponto de ápice dispostas paralelas entre si. Se a curvatura for infinita, ou seja, o ápice é agudo e o ponto mais alto, deste modo, não tem tangente claramente definida, um plano é colocado através do ponto mais alto que contém todos os pontos do ápice de um lado da camada de empacotamento. Do mesmo modo, um plano é colocado através do ponto mais baixo de um

19/28 vale de corrugação que contém todos os pontos do vale de corrugação e de outros vales de corrugação. Os dois planos devem ser paralelos entre si. Segue disso que a altura da dobra é o espaçamento normal entre os dois planos. Tais elementos espaçadores se estendem sobre uma parte do ápice ou da borda. Os elementos espaçadores podem ser fabricados por estampagem profunda a partir da matéria-prima para a camada de empacotamento, por exemplo, a partir de uma folha de metal de empacotamento, ou podem ser formados colocando-se um elemento em formato de cordão, por exemplo, um elemento de fio ou um elemento de barra, ao longo da borda superior. Os elementos espaçadores são vantajosamente aplicados a um lado nos ápices dos picos de corrugação ou dos vales das dobras. Os elementos espaçadores são aplicados, de preferência, ao longo da região marginal oposta ou da mesma região marginal 50, 60.

A vantagem deste arranjo é que pode ser fabricada uma matéria-prima sem-fim. Tal matéria-prima pode ser feita de material de faixa, por exemplo, como uma folha de metal em formato de placa. Subsequentemente, partes com comprimento específico são cortadas do material de faixa. Estas partes são convertidas em corrugações, por exemplo, por meio de um processo de dobramento. Alternativamente a isso, é usado material de faixa que já tenha corrugações. A parte cortada até o comprimento e tendo as corrugações, forma então a camada de empacotamento. Um procedimento de estampagem profunda pode ser superposto a essas corrugações durante o processo de dobramento tal que os elementos espaçadores sejam fabricados por meio de estampagem profunda durante o procedimento de dobramento. Alternativamente, é possível um processo de produção em que as regiões entre as barras são dobradas diferentemente ou são prensadas um pouco para baixo tal que elas tenham uma altura diferente das barras. Uma primeira camada de empacotamento 10 e uma segunda camada de empacotamento 100 são colocadas, por sua vez, uma sobre a outra de modo correspondente virando-se todas as segundas corrugações. Uma respectiva fileira de elementos espaçadores está localizada entre todas as camadas de empacotamento na proximidade dos contornos marginais superior e inferior

20/28 e/ou na proximidade dos contornos marginais laterais.

A figura 8 ilustra a determinação do comprimento de um elemento espaçador estampado a fundo sobre um ápice 33, 43 das corrugações da primeira camada de empacotamento 10. Os ápices 33, 43 são dispostos inclinados a um ângulo φ (phi) à direção principal de fluxo 6 e têm um espaçamento b₀ a partir do primeiro ápice 33 até o segundo ápice 43. O espaçamento bo pode ser, em particular, constante neste aspecto. O espaçamento bo é adicionalmente encontrado entre o primeiro fundo de vale 23 e o segundo fundo de vale 26. Na figura 8, o primeiro fundo de vale 23 coincide com o primeiro vale de corrugação 22 e o segundo fundo de vale 26 coincide com o segundo vale de corrugação 25. O comprimento de um elemento espaçador 24, 34, 44 é designado por a na figura 8. O comprimento a é a extensão longitudinal do elemento espaçador na direção do ápice associado. O comprimento a é selecionado, de preferência, tal que cada ápice da primeira camada de empacotamento 10 tenha um ponto de interseção com um ápice da segunda camada de empacotamento adjacente 100 precisamente onde um elemento espaçador está localizado. O elemento espaçador da camada de empacotamento 10 está em contato de toque com um ponto de contato do ápice da segunda camada de empacotamento 100. O ponto de contato pode, mas não tem que ser, parte de um elemento espaçador da segunda camada de empacotamento 100.

a = bo/sin^)

Esta relação foi obtida assumindo-se que o ângulo de inclinação phi (φ) da primeira camada de empacotamento tem a mesma grandeza que o ângulo de inclinação da segunda camada de empacotamento.

A figura 8 está baseada nesta hipótese. O comprimento do elemento espaçador só precisa ter uma dimensão suficiente para que cruze precisamente um elemento espaçador da segunda camada de empacotamento ou seu pico de corrugação. Consequentemente, se o ponto de interseção A for disposto no ponto final do primeiro elemento espaçador, o ponto de interseção B está só um pouco fora do comprimento a do segundo elemento espaçador. Como esta diferença infinitesimal não pode ser mostrada

21/28 em um desenho, dois pontos de interseção foram desenhados para o primeiro pico de corrugação da segunda camada de empacotamento na figura 8b.

Se a segunda camada de empacotamento for movida horizontalmente para a esquerda com relação à posição das camadas de empacotamento na figura 8b, o ponto de interseção A migra ao longo do comprimento do elemento espaçador até a extremidade do elemento espaçador disposto oposto ao ponto A.

No caso mostrado, a segunda camada de empacotamento é disposta tal que ocorra o caso de borda em que um ponto de interseção com o elemento espaçador está presente no ponto A, mas realmente nenhum ponto de interseção com o elemento espaçador está presente no ponto B. Como o ângulo de inclinação das duas camadas de empacotamento adjacente 10, 100 tem a mesma grandeza, o espaçamento AB ao longo do ápice do pico de corrugação da segunda camada de empacotamento corresponde, do mesmo modo, ao comprimento do elemento espaçador a.

Sendo assim, o triângulo ABC com os comprimentos de lado x, a, a é um triângulo isósceles. Adicionalmente, resulta que o ângulo abrangido entre os dois lados a remonta a precisamente 2 φ. B_o, o comprimento de onda, que é o espaçamento normal entre dois ápices adjacentes de picos de corrugação da primeira camada de empacotamento, é desenhando também. Este triângulo tem que ter um ângulo reto e inclui o ângulo 2φ na borda B.

Resulta assim a relação desejada para a, enquanto se usa o ângulo de inclinação φ e o comprimento de onda b₀.

a = bo/sin (2φ)

A altura do elemento espaçador, de preferência, está no intervalo de 10 a 30% da altura da camada tal que resultam folgas entre as camadas de empacotamento individuais apenas deste intervalo de valores. As folgas remontam a um mínimo de 1,5 mm para sistemas aquosos. Folgas menores podem ser desvantajosas, já que o líquido, em particular água, pode ficar aprisionado entre duas bordas adjacentes, pode permanecer lá e pode formar uma ponte líquida.

Na figura 9a, é mostrada a camada de empacotamento, de a22/28 cordo com um formato de construção conhecido que tem dobras de diferentes alturas para a redução dos pontos de contato. A desvantagem deste formato de construção é que, em cargas no lado superior e no lado inferior, com as setas 20, 21 indicando a direção de força, a camada de empacotamento é comprimida. As dobras incluem um primeiro ápice 65 e um segundo ápice 85, assim como um vale de corrugação 75 disposto entre elas. Os primeiro e segundo ápices 65, 85, podem estar em contato com um vale de corrugação 75 disposto de modo intermediário, não mostrado. Um vale de corrugação intermediário 66 e um pico de corrugação intermediário 67, que formam uma dobra, são dispostos entre o primeiro ápice 65 e o fundo do vale 75. O vale de corrugação intermediário 66 tem um fundo de vale intermediário 68 e o pico de corrugação intermediário 67 tem um ápice intermediário 69. O espaçamento normal 70 entre o fundo de vale intermediário 68 e o ápice intermediário 69 é menor do que o espaçamento normal 71 entre o ápice 65 e o fundo de vale 75. O espaçamento normal 70 é aproximadamente metade do espaçamento normal 71 na modalidade mostrada na figura 9a. Uma dobra de meia altura é assim formada pelo vale de corrugação intermediário 66 e pelo pico de corrugação intermediário 67. A dobra de meia altura serve como uma zona de dobra e pode ser deformada. Por um lado, nenhum corpo de empacotamento estável pode ser construído por essa deformação; por outro lado, a observação de uma altura de camada fixa do empacotamento não é possível. A altura de camada corresponde ao espaçamento normal definido previamente 71.

Este problema pode ser evitado por um formato de construção de acordo com a invenção. Como mostra a figura 9b, uma camada de empacotamento com elementos espaçadores em cada dobra, pode ser comprimida muito menos e assim, a camada de empacotamento pode ser exposta a cargas mais altas no lado superior e no lado inferior. Isso permite o projeto de corpos de empacotamento estáveis e assegura uma altura de camada substancialmente constante.

A figura 10 mostra um sistema de absorção 90. O sistema de absorção 90 inclui dois aparelhos de troca de material, um absorvedor 91 e

23/28 um desabsorvedor 92 que são feitos, em particular, como colunas. Um ou mais componentes de um fluxo de gás são separados no absorvedor 91 no sistema de absorção. Para esta finalidade, é usado um solvente líquido ou absorvente. No desabsorvedor 92, o solvente ou absorvente é purificado a partir dos componentes captados.

Tanto a absorção quanto a retificação são processos de separação para separar um ou mais componentes de um fluxo de alimentação existente 93. A retificação é usada para separar misturas líquidas com base em diferentes pontos de ebulição dos componentes individuais, sendo que a retificação deve ser entendida como a destilação contínua que, em particular, inclui uma pluralidade de estágios de separação. Na absorção, por outro lado, um ou mais componentes são separados a partir de um fluxo de gás com a ajuda de um solvente ou absorvente adequado 94 e assim, são separados do fluxo de gás. O produto suspenso do absorvedor 91 é, deste modo, um fluxo de gás purificado 95. O produto de fundo 96 no absorvedor 91 é um absorvente ou solvente carregado com o componente ou componentes. Por razões econômicas, energéticas ou ecológicas, pode ser sensato purificar o absorvente ou solvente e fornecê-lo novamente ao absorvedor como solvente ou absorvente purificado 94. A purificação do absorvente ou solvente acontece no desabsorvedor 92. O absorvente ou solvente carregado, que é o produto de fundo 96 do absorvedor, forma o fluxo de alimentação do desabsorvedor. Este fluxo de alimentação é fornecido ao desabsorvedor como um líquido de acordo com a figura 10. O desabsorvedor 92 pode conter um ou mais empacotamentos, de acordo com qualquer uma das modalidades precedentes. O solvente ou absorvente é evaporado ao menos parcialmente no reservatório, finalidade para a qual é proporcionado um evaporador de reservatório 98. O absorvente ou solvente evaporado no evaporador contém os componentes a serem separados durante a ascensão na coluna a partir do fluxo de alimentação do absorvente ou solvente carregado que flui na direção do reservatório. Um fluxo com parte gasosa 99, que é enriquecido com os componentes a serem separados, aparece deste modo no desabsorvedor. Estes componentes a serem separados podem ser separados do

24/28 fluxo de parte gasosa 99, seja termicamente, ou seja, por condensação, ou via outras etapas de separação a jusante.

Alternativamente ou em adição a isso, o aparelho de expansão pode ser proporcionado se o desabsorvedor tiver que ser operado a uma pressão mais baixa do que o absorvedor ou aparelho de compressão se o desabsorvedor tiver que ser operado a uma pressão mais alta do que o absorvedor.

A transferência de massa entre o gás e o líquido acontece geralmente com base em uma queda de temperatura a partir do reservatório até a parte superior em ambas as direções na retificação. O fluido com um ponto de ebulição mais alto condensa a partir da fase gasosa e é recolhido no líquido e o fluido com ponto de ebulição inferior evapora da fase líquida para a fase gasosa. Na absorção, a transferência de massa só acontece em uma direção; o gás é absorvido pelo líquido aqui.

A diferença entre a retificação e a absorção está no fato de que o fluxo de gás e o fluxo de líquido são acoplados um ao outro na retificação; na absorção, ao contrário, ambos os fluxos podem ser definidos independentemente um do outro: na retificação, uma quantidade específica de líquido é evaporada e ascende na coluna na direção da parte superior da coluna. Todo o vapor é condensado na parte superior da coluna e é conduzido de volta para a coluna como um fluxo de líquido contra pelo menos em parte. A quantidade de líquido máxima concebível seria, assim, a quantidade condensada máxima de vapor que chega na parte superior da coluna. Se mais líquido for evaporado no reservatório, mais líquido também pode fluir de volta. Ambos os fluxos são acoplados entre si neste aspecto e a transferência de massa depende decisivamente do fluxo de vapor. Assim, as aplicações da retificação são controladas no lado do gás, como uma regra.

Em contraste a isso, condições de operação diferentes podem ser definidas em aplicações de absorção com a ajuda de bombas e ventiladores: um grande fluxo absorvente pode ser colocado em contato com um fluxo de gás relativamente pequeno ou também vice-versa. Em adição, os absorventes podem ligar os componentes do gás a eles de diferentes manei25/28 ras: fisicamente, por meio de uma reação química ou tanto física quanto quimicamente. Neste aspecto, a seleção de um absorvente ou solvente para um componente de gás específico e as concentrações no gás e líquido são decisivas se a transferência de massa for controlada mais no lado do gás ou mais no lado do líquido.

Um protótipo de um empacotamento que contém elementos espaçadores foi fabricado para verificar a praticabilidade do empacotamento, de acordo com a invenção: algumas camadas de empacotamento foram removidas de um empacotamento convencional e o espaço que se tornou livre foi homogeneizado por elementos espaçadores inseridos da mesma espessura entre as outras camadas de empacotamento. Cada camada de empacotamento, deste modo, contém um espaçamento fixamente definido às duas camadas de empacotamento adjacentes, por meio do que resulta uma folga com uma largura definida entre todas as camadas de empacotamento. No caso examinado, a largura remonta a 1,5 mm. Em adição, o número de pontos de contato no protótipo reduz de 79.500 m'³ para 18.000 rri³ e a superfície total de 205 m²/m³ para 190 m²/m³. A redução da superfície total tem que ser acompanhada por uma redução na capacidade de separação ou eficiência do empacotamento, haja vista que outras medidas não constituem essa perda novamente. De acordo com US 6.378.322 B1, são possíveis modalidades que mostram um efeito de separação vantajoso na retificação a despeito da redução da superfície total.

O protótipo mencionado acima foi testado primeiro em uma aplicação de retificação. O empacotamento foi instalado para esta finalidade em uma coluna de teste tendo 250 mm de diâmetro interno e foi medido usando o sistema de teste clorobenzeno/etilbenzeno. O documento de teste foi previamente presumido: devido à superfície da seção transversal mais aberta que aparece devido às folgas, a perda de pressão no empacotamento reduz levemente em comparação a um empacotamento sem elementos espaçadores. A redução da superfície total, por outro lado, resulta em uma redução na capacidade de separação. O empacotamento com elementos espaçadores tem menos estágios de separação por metro (NTSM: número de estágios

26/28 teóricos por metro) do que sem os elementos espaçadores. Os pontos abaixo do ponto de carregamento, neste exemplo abaixo do fator F 3Pa^0,5, são decisivos para a comparação. O fator F é uma medida para a velocidade média do gás na coluna vazia multiplicada pela raiz a partir da densidade do gás. O fator F é proporcional à energia cinética do gás. O ponto de carregamento é entendido como um ponto de interação gás-líquido maior.

Os valores NTSM correspondentes remontam a 1,6/m para o empacotamento com elementos espaçadores e 1,7/m para o empacotamento sem elementos espaçadores. O valor NTSM é uma característica para a capacidade de separação. Quanto mais alto o valor NTSM, maior a capacidade de separação do empacotamento. A capacidade de separação, consequentemente, não foi melhorada com relação à superfície total.

Estas descobertas atuais indicam, consequentemente, que o empacotamento, de acordo com a invenção, com pontos de contato reduzidos e espaçamentos maiores entre as camadas de empacotamento, reduz, admitidamente, a perda de pressão, mas adicionalmente também resulta em uma redução na capacidade de separação na retificação. Consequentemente, tal empacotamento não tem uso na retificação e, assim, difere fundamentalmente do empacotamento apresentado em US 6.378.322 B1, que é obviamente vantajoso para retificação.

Surpreendentemente, descobriu-se em outras tentativas, que existem sistemas de massa para os quais o empacotamento, de acordo com a invenção, produz uma melhora na capacidade de separação por superfície total. O foco principal neste aspecto está nos sistemas com uma grande tensão superficial - usualmente sistemas aquosos - que, como uma regra, tendem a um baixo molhamento da superfície total. As soluções aquosas estão sendo cada vez mais usadas na absorção, sendo que as ditas soluções aquosas apenas molham a superfície disponível completamente como uma película líquida a fluxos de volume muito alto devido à alta tensão superficial. Um baixo molhamento da superfície total do empacotamento, por outro lado, resulta em uma redução na capacidade de separação. Um empacotamento estruturado deve, consequentemente, ter as seguintes propriedades em uma

27/28 aplicação absorvente: baixa perda de pressão no empacotamento e provisão de uma superfície total que seja tão grande quanto possível, com ela tendo que ser molhada tão completamente quanto possível pelo líquido.

A hipótese pela qual uma redução nos pontos de contato resulta em uma capacidade de absorção melhorada é, consequentemente, conforme segue: devido às baixas propriedades de molhamento dos líquidos usados, são formadas zonas além dos pontos de contato na camada de empacotamento que não são molhadas pelo líquido. Assim, a superfície total não pode ser molhada completamente pelo líquido. O líquido é impedido de fluir nos pontos de contato, é retido e defletido para os lados. Um fenômeno similar também pode ser observado quando a água flui por uma superfície plana como um filme e o fluxo é repentinamente perturbado por um objeto introduzido (por exemplo, um dedo colocado no plano). O fluxo de filme se abre atrás do objeto e uma superfície seca, não molhada, aparece, a qual só é molhada novamente quando o objeto é removido do fluxo.

O sistema de massa examinado é um sistema aquoso controlado no lado do líquido. CO₂ que está no ar ambiente, é absorvido e é quimicamente ligado por lixívia cáustica. A reação química no líquido acontece tão rápido neste aspecto que a absorção, a principio, está restrita à interface da fase de gás e fase líquida. Isso significa que a parte de área de troca de material na superfície total tem importância decisiva aqui. Todos os outros mecanismos só desempenham um papel subordinado.

Com correlações adequadas (cf. Duss et al.: Effective Interfacial Area and Liquid Hold-up of Nutter Rings at High Liquid Loads, Chemical Engineering & Technology 24(7), 2001 pp. 716-723), a área de troca de material efetivamente disponível pode ser determinada diretamente a partir dos resultados de medição obtidos. Como mostra a figura 11, o empacotamento com elementos espaçadores e um número reduzido de pontos de contato, resulta em uma área de troca de material maior do que o empacotamento sem elementos espaçadores e com um grande número de pontos de contato, a despeito da superfície total menor. Isso significa que a capacidade de separação nos sistemas de massa controlados no lado do líquido pode re28/28 almente ser melhorada por meio de uma redução dos pontos de contato e um arranjo adequado dos pontos de contato. A perda de pressão pode igualmente ser reduzida pelo uso de elementos espaçadores e a quantidade de material pode ser diminuída porque um número menor de camadas de empacotamento é necessário. A curva inferior da figura 11 mostra a área de troca de material para um empacotamento estruturado comercial do tipo Mellapak ™ com uma carga crescente do aparelho de troca de material com menos fluido volátil, com a carga L sendo inserida no eixo x em m³/m². A curva superior da figura 11 mostra, na comparação, a área de troca de material com relação à superfície total para um empacotamento estruturado de acordo com a invenção. Resulta para todos os pontos medidos considerados que a razão acima é maior usando um empacotamento com elementos espaçadores do que para um empacotamento sem elementos espaçadores.

Tais sistemas são usados principalmente na preparação absorvente de gases de exaustão em que componentes problemáticos devem ser removidos do fluxo de gás de exaustão com a ajuda de soluções aquosas reativas. A absorção de CO₂ ambientalmente prejudicial dos gases de exaustão da planta de energia com a ajuda de absorventes aquosos que podem conter substâncias básicas orgânicas ou inorgânicas como MEA ou potassa, é um exemplo aqui.

Em tais sistemas de massa, o empacotamento com um número reduzido de pontos de contato mostra uma redução significativa da queda de pressão, assim como, surpreendentemente, um aumento na capacidade de separação com relação aos empacotamentos comparáveis com um grande número de pontos de contato e sem folgas entre as camadas de empacotamento.

Assim, o empacotamento é muito adequado para ser usado em particular na absorção de CO₂ dos gases de exaustão de plantas de energia usando soluções aquosas básicas.

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Claims (21)

1. REIVINDICAÇÕES

   1. Aparelho para a purificação de fluidos, incluindo um aparelho de troca de material que contém um fluido mais volátil e um fluido menos volátil, o qual contém um empacotamento estruturado em que o empacota5 mento estruturado contém uma primeira camada de empacotamento (10) e uma segunda camada de empacotamento (100), em que a primeira camada de empacotamento (10) e a segunda camada de empacotamento (100) têm corrugações, em que canais abertos (12, 14, 16, 112, 114, 116) são formados pelas corrugações, os quais são limitados por ápices (33, 43, 133, 143)

   10 dispostos respectivamente entre eles, em que os canais (12, 14, 16) da primeira camada de empacotamento (10) cruzam os canais (112, 114, 116) da segunda camada de empacotamento, em que se passa fluxo pelos canais (12, 14, 16, 112, 114, 116) do fluido menos volátil tal que o canal tem capacidade de ser molhado pelo fluido menos volátil, em que é formada uma pe15 lícula do fluido menos volátil sobre a superfície do canal, em que pode ser realizada uma purificação no fluido mais volátil ou no fluido menos volátil por uma troca de material entre o fluido mais volátil e o fluido menos volátil, caracterizado pelo fato de que a primeira camada de empacotamento (10) está em contato de toque com a segunda camada de empacotamento (100) via

   20 elementos espaçadores (24, 34, 44, 134, 144), por meio do que os elementos espaçadores são uma parte da primeira ou segunda camada de empacotamento (10, 100), e são feitos como barra que se estende respectivamente em direção a um dos ápices (33, 43, 133, 143).
2. 2. Aparelho, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo

   25 fato de que os elementos espaçadores estão localizados nos ápices (33, 43,

   133, 143) que limitam os canais abertos (12, 14, 16, 112, 114, 116).
3. 3. Aparelho, de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado pelo fato de que os elementos espaçadores (24, 34, 44) estão dispostos em uma região marginal da primeira ou segunda cama30 da de empacotamento (10, 100).
4. 4. Aparelho, de acordo com a reivindicação 3, caracterizado pelo fato de que a região marginal compreende uma tira que se estende diretaPetição 870180024261, de 26/03/2018, pág. 9/16

   2/4 mente próxima à borda da camada de empacotamento (10, 100).
5. 5. Aparelho, de acordo com a reivindicação 4, caracterizado pelo fato de que a tira tem um comprimento que corresponde ao comprimento da camada de empacotamento (10, 100), por meio do que o comprimento da

   5 camada de empacotamento (10, 100) é a extensão da camada de empacotamento (10, 100) na direção horizontal sob a condição de uma instalação vertical da camada de empacotamento (10, 100) no aparelho de troca de material.
6. 6. Aparelho, de acordo com a reivindicação 4, caracterizado pelo 10 fato de que a tira tem um comprimento que corresponde ao comprimento da camada de empacotamento (10, 100), por meio do que o comprimento da camada de empacotamento (10, 100) é a extensão da camada de empacotamento (10, 100) em um plano normal ao eixo do aparelho de troca de material.

   15
7. 7. Aparelho, de acordo com a reivindicação 4, caracterizado pelo fato de que a tira tem uma altura que corresponde à altura da camada de empacotamento (10, 100) por meio do que a altura da camada de empacotamento (10, 100) é a extensão da camada de empacotamento (10, 100) em direção vertical sob a condição de uma instalação vertical da camada de

   20 empacotamento (10, 100) no aparelho de troca de material.
8. 8. Aparelho, de acordo com a reivindicação 4, caracterizado pelo fato de que a tira tem uma altura que corresponde à altura da camada de empacotamento (10, 100), por meio do que a altura da camada de empacotamento (10, 100) é a extensão da camada de empacotamento (10, 100) na

   25 direção do eixo do aparelho de troca de material.
9. 9. Aparelho, de acordo com qualquer uma das reivindicações 4 a 8, caracterizado pelo fato de que a tira tem uma largura de no máximo duas vezes a altura do elemento espaçador h.
10. 10. Aparelho, de acordo com qualquer uma das reivindicações 4 30 a 8, caracterizado pelo fato de que a tira tem uma largura de no máximo 1,5 vez a altura do elemento espaçador h.
11. 11. Aparelho, de acordo com qualquer uma das reivindicações

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    3/4 anteriores, caracterizado pelo fato de que os elementos espaçadores (134, 144) estão localizados na segunda camada de empacotamento (100).
12. 12. Aparelho, de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado pelo fato de que os elementos espaçadores são

    5 dispostos abaixo um do outro ou perto um do outro com um alinhamento vertical das primeira e segunda camadas de empacotamento (10, 100).
13. 13. Aparelho, de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado pelo fato de que as corrugações têm uma altura de corrugação substancialmente constante (28).

    10
14. 14. Aparelho, de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado pelo fato de que o aparelho de troca de material é um absorvedor (91).
15. 15. Aparelho, de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado pelo fato de que o aparelho de troca de material é

    15 um desabsorvedor (92).
16. 16. Método para a purificação de fluidos em um aparelho para a purificação de fluidos, incluindo um aparelho de troca de material como definido em qualquer uma das reivindicações 1 a 15, contendo um empacotamento estruturado, o método caracterizado por incluir as etapas: fornecer um

    20 fluido menos volátil ao aparelho de troca de material; distribuir o fluido menos volátil distribuído sobre a superfície total; fornecer um fluido mais volátil no aparelho de troca de material em uma região de entrada de fluido; distribuir o fluido mais volátil na região de entrada de gás sobre a superfície total, com o fluido mais volátil fluindo em contrafluxo ao líquido; coletar o fluido

    25 mais volátil que sai do empacotamento em uma região de saída de fluido, com o empacotamento estruturado contendo uma primeira camada de empacotamento e uma segunda camada de empacotamento, com a primeira camada de empacotamento e a segunda camada de empacotamento tendo corrugações com uma altura de corrugação constante, com canais abertos

    30 sendo formados pelas corrugações, com os canais da primeira camada de empacotamento cruzando os canais da segunda camada de empacotamento, com o fluido mais volátil fluindo através dos canais a partir da região de

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    4/4 entrada de fluido na direção da região de saída de fluido, com o fluido menos volátil circundando o fluido mais volátil que flui através dos canais e fluindo ao longo das paredes do canal, em que a primeira camada de empacotamento está em contato de toque com a segunda camada de empacotamento

    5 via elementos de espaçamento tal que acontece uma troca de material entre o fluido mais volátil e o fluido menos volátil via área de troca de material formada pelos canais.
17. 17. Método, de acordo com a reivindicação 16, caracterizado pelo fato de que a purificação acontece pela troca de material que depende da

    10 velocidade na qual os componentes a serem removidos do fluxo do fluido mais volátil são recolhidos pelo fluido menos volátil.
18. 18. Método, de acordo com a reivindicação 16, caracterizado pelo fato de que a purificação acontece pela troca de material que depende da velocidade na qual os componentes a serem removidos do fluido menos vo15 látil são liberados pelo fluido menos volátil.
19. 19. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores 16 a 18, caracterizado pelo fato de que o fluido mais volátil é um gás.
20. 20. Método, de acordo com a reivindicação 19, caracterizado pe20 lo fato de que o gás é um gás contendo CO2.
21. 21. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores 16 a 20, caracterizado pelo fato de que o fluido menos volátil é um líquido em que acontece uma reação química.

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