ES2218725T3 - Torre de refrigeracion. - Google Patents

Abstract

UNA TORRE DE ENFRIAMIENTO CRIOGENICA (10) EN LA QUE UN LIQUIDO DE PROCESADO, DEL CUAL SE HA DE ELIMINAR EL CALOR, SE SUMINISTRA AL INTERIOR DE UNA TORRE QUE TIENE UNA SERIE DE PLACAS (40) SITUADAS, APILADAS VERTICALMENTE UNAS ENCIMA DE OTRAS, EN POSICIONES OPUESTAS ALTERNADAS E INCLINADAS HACIA ABAJO, FORMANDO ANGULO CON RELACION AL EJE VERTICAL DE LA TORRE. SE SUMINISTRA AL INTERIOR DE LA TORRE UN MEDIO DE ENFRIAMIENTO CRIOGENICO. EL LIQUIDO DE PROCESADO FORMA UNA PELICULA SOBRE LA SUPERFICIE SUPERIOR DE LA PLACA (40) Y CAE, POR EL EXTREMO ANTERIOR, HASTA LA PLACA INMEDIATA INFERIOR. MIENTRAS PERMANECE EN UNA PLACA (40) EL LIQUIDO DEL PROCESO EXTENDIDO SOBRE LA PELICULA PROPORCIONA UNA MAYOR ZONA EN LA SUPERFICIE PARA REACCIONAR CON EL MEDIO DE ENFRIAMIENTO PARA EFECTUAR LA TRANSFERENCIA DE CALOR. SE PUEDE REGULAR EL ANGULO DE INCLINACION DE LAS PLACAS (40) PARA CONTROLAR EL TIEMPO DE PERMANENCIA DEL LIQUIDO DEL PROCESO EN LA TORRE (10).

Description

Torre de refrigeración.

Ámbito del invento

Este invento se refiere a una torre de refrigeración, que comprende las características del preámbulo de la reivindicación 1.

Dicha torre de refrigeración se conoce por el documento DE-C-40 813.

Fundamento del invento

Existen aplicaciones de procesos en las cuales debe eliminarse rápidamente el calor de un líquido viscoso en proceso (tal como una disolución, una emulsión o una suspensión) a temperaturas del ambiente o a bajas temperaturas. Para reacciones altamente exotérmicas, a veces es necesario conducir la reacción a temperaturas muy bajas para evitar una reacción embalada. También, se prefiere frecuentemente, por motivos de selectividad, una gama baja de temperaturas de reacción porque la selectividad para (proporción de formación de) subproductos indeseables es, con frecuencia, lo más baja posible a bajas temperaturas. A esas bajas temperaturas, se reduce la fuerza de conducción de transferencia de calor, lo que hace más difícil la disipación del calor. La transferencia de calor en líquidos viscosos se impide también por la viscosidad del líquido. El problema de la transferencia rápida de calor de mezclas reaccionantes, que sean viscosas las dos y mantenidas a baja temperatura, es así, pues, compuesto.

Cuando se utiliza un equipo convencional de intercambio de calor para eliminar calor de un líquido en proceso, el agente refrigerante tiene que estar sensiblemente más frío que el líquido para proporcionar un gradiente de temperatura suficiente para la transferencia de calor. Cualquier incremento de la viscosidad del líquido de proceso durante el proceso (por ejemplo, una reacción) complicará aún más el problema de proporcionar suficiente mezcladura para la eliminación de calor por el agente refrigerante. En ciertos tipos de reacciones, pueden generarse subproductos indeseables o una reacción embalada si la transferencia de calor no es suficiente.

Una reacción de polimerización es ejemplo de una aplicación durante la cual la viscosidad del líquido en proceso (o, más generalmente, la mezcla de reacción) continúa aumentando durante la reacción, por ejemplo, de 0,7 cps (centiposes) a alrededor de 100.000 cps. En un proceso convencional de polimerización, es habitualmente necesario utilizar un gran volumen de disolvente como diluyente, para mantener la viscosidad de la solución en proceso a un nivel aceptablemente bajo, para que se lleve a cabo el proceso, y para que tenga lugar una transferencia de calor aceptable. Si no se utiliza un gran volumen de disolvente, la tasa de polimerización ha de mantenerse muy baja de modo que el monómero sin reaccionar pueda actuar como diluyente del producto.

Se produce un número de polímeros y elastómeros por medio de polimerización catiónica en vez de por métodos de radicales libres o de compuestos de coordinación. Pocos procesos de radicales libres pueden llevarse a cabo con efectividad a temperaturas por debajo de la temperatura ambiente. Incluso cuando puedan generarse los radicales libres, la proporción de su propagación a través del fluido de reacción es muy baja. Por otra parte, la polimerización catiónica puede proseguir a baja temperatura y la vida de especies iónicas es larga. Por ello, para una reacción de polimerización catiónica, el tiempo de estancia del líquido en proceso en el reactor y el tamaño del reactor son sensiblemente más bajos que lo que serían, si se hubiese empleado, por ejemplo, un proceso de polimerización de radicales libres. Un ejemplo no limitativo de una reacción de polimerización catiónica, que ilustra problemas de transferencia de calor del tipo anterior, es la polimerización de goma de butílica utilizando tricloruro de aluminio como catalizador. La reacción exotérmica prosigue instantáneamente tan pronto como el monómero se mezcla con el catalizador. La reacción se conduce normalmente a una temperatura de -65ºC para evitar una reacción embalada. Se ha de utilizar un gran volumen de disolvente o de monómero, que ha de separarse entonces del producto (y ser recuperado) después de la reacción.

Por consiguiente, sería deseable y ventajoso ser capaz de proporcionar un equipo, que pueda mantener una elevada proporción de transferencia de calor a pesar de la viscosidad creciente de una fase líquida, tal como una mezcla de reacción para incrementar eficientemente no sólo la transferencia de calor, sino para reducir también el requerimiento de disolvente o de monómero sin reaccionar en los procesos precedentes y otros similares.

Otro tipo de situación, en la que sería deseable la rápida transferencia de calor, se encuentra fuera del contexto de las reacciones exotérmicas y/o de las reacciones, que acaban en una masa de reacción o un líquido en proceso de elevada viscosidad. Por ejemplo, el calor producido mezclando diferentes componentes también puede causar problemas que requieran una transferencia rápida de calor. Por ejemplo, cuando se mezcla ácido sulfúrico con una corriente acuosa para un ajuste del pH, el aumento de temperatura del calor de mezcla puede llevar a la solución a la ebullición. Este problema es particularmente agudo durante el procesado de un número sustancial de intermedios farmacéuticos, porque el aumento de temperatura durante la mezcla de ingredientes puede producir subproductos indeseables. Para mantener un tiempo de mezcla razonable, es deseable enfriar la temperatura del fluido en proceso tan pronto como sea posible. Cuando la reacción se lleva a cabo a temperaturas muy frías, tal como por debajo de 0ºC, es difícil proporcionar una tasa muy elevada de transferencia de calor.

El enfoque más convencional utilizado para solventar el problema de eliminación de calor en varios tipos de líquidos implica el uso de refrigeradores mecánicos provistos de un fluido de transferencia de calor, que se mantiene a muy baja temperatura y circulando por serpentines refrigerantes, que se instalan dentro del reactor. No obstante, un refrigerador mecánico típico, que utiliza freón, tiene un límite de temperatura, que rara vez puede ser más frío de -100ºC. Para proporcionar una suficiente fuerza motriz de transferencia de calor con este equipo para ciertas aplicaciones, tales como las reacciones rápidas de polimerización catiónica, la temperatura del fluido de transferencia de calor ha de ser incluso más baja, por ejemplo, de -100ºC a -150ºC. Se usa con frecuencia etileno en un tipo de refrigerador de recompresión de vapor, pero es explosivo cuando se mezcla con el aire. La requerida baja temperatura limita así, pues, la elección del fluido de transferencia de calor. Además, incluso cuando el fluido de transferencia de calor puede alcanzar la deseada baja temperatura, la tasa de refrigeración se puede limitar por el tamaño y el área superficial de la camisa refrigerante y de los serpentines refrigerantes.

Un enfoque alternativo utilizado consiste en rociar o inyectar nitrógeno criogénico directamente en el líquido en proceso. Para líquidos en proceso de baja viscosidad, esto evita la limitación de la proporción de refrigeración presentada por el área superficial de las superficies de refrigeración puesto que la transferencia de calor tiene lugar directamente entre el nitrógeno criogénico y el líquido en proceso. No hay limitación práctica de temperatura del fluido de transferencia de calor puesto que el nitrógeno criogénico puede estar tan frío como -185ºC.

No obstante, ninguno de los enfoques de la técnica anterior resuelve los problemas asociados con un líquido en proceso de elevada viscosidad. El primer problema es que la eficiencia de la transferencia de calor es mucho más baja en un líquido de elevada viscosidad que en uno que tenga baja viscosidad. El segundo problema es que la mezcla a granel es difícil en un líquido viscoso, acabando el mezclado inadecuado en puntos fríos y calientes. El tercer problema es que decrece la difusibilidad térmica con un incremente en la viscosidad del líquido, haciendo casi imposible un rápido enfriamiento de la temperatura.

En sistemas de la técnica anterior en los que se inyecta nitrógeno líquido directamente en un líquido en proceso de elevada viscosidad, la eficiencia de la transferencia de calor o la utilización de refrigerante es muy mala. Cuando la viscosidad del fluido en proceso es elevada, por ejemplo, mayor de 100 cps, la tensión superficial y la viscosidad del fluido excederá de la energía de ruptura de las burbujas de nitrógeno líquido. Esto hace que las burbujas de nitrógeno se fusionen en grandes burbujas, que transfieren el calor mucho menos eficientemente a causa de su menor relación de superficie a volumen. Las burbujas de nitrógeno grandes aumentan también rápidamente a lo largo del fluido en proceso y son expulsadas a través de la parte alta del recipiente, acabando en tiempos de transferencia de calor inaceptablemente cortos. Como consecuencia de ello, no sólo es muy baja la cantidad de transferencia de calor de un fluido criogénico a un líquido viscoso, sino que también la utilización de refrigerante es muy mala.

El nitrógeno líquido hierve a -185ºC. Cuando el intercambio de calor tiene lugar ente el nitrógeno líquido en evaporación y el líquido de proceso circundante, es necesaria una mezcla a granel adecuada para elevar inmediatamente la temperatura del fluido criogénico superenfriado. Normalmente, se realiza esto por medio de un agitador en una autoclave. No obstante, se sabe que el coeficiente de transferencia a granel disminuye con viscosidad creciente del fluido en proceso en el recipiente, en el que tiene lugar la mezcla. El resultado es una distribución de temperatura poco uniforme, es decir, puntos calientes y puntos fríos. Tampoco la agitación puede ser una alternativa viable en ciertos casos, si una temperatura no uniforme (incluso una desviación de unos pocos grados del deseado punto de referencia) puede crear grandes cantidades de subproductos de reacción indeseables (por ejemplo, cuando las reacciones que tienen lugar son sensibles a la temperatura).

El enfriamiento rápido de temperatura supone un problema independientemente de la viscosidad del caldo de líquido en proceso. El rociado de nitrógeno líquido en un líquido en proceso reactivo no consigue un enfriamiento rápido de temperatura. La cantidad máxima de nitrógeno líquido que se puede inyectar por unidad de tiempo en un volumen de fluido en proceso es limitada. Según se vaporiza el nitrógeno líquido, se expande más de 700 veces en volumen. Demasiado nitrógeno vaporizado puede fluidificar eventualmente el fluido en proceso e incluso proyectar todo fuera del reactor.

Se presentan problemas adicionales cuando la viscosidad del líquido en proceso cambia de una reacción a otra, e incluso en el curso de una reacción. Los sistemas de la técnica anterior se pueden optimizar para un conjunto de condiciones de reacción, pero no tienen flexibilidad para adaptarse a un nuevo conjunto de condiciones.

Por último, los precios del nitrógeno líquido varían de un lugar a otro. Para procesos de manufactura a gran escala, el nitrógeno líquido no es frecuentemente económico. Los principales componentes del coste asociados con el uso de nitrógeno líquido son el coste de compresión para licuar nitrógeno y el coste de distribución. Para reducir el coste de compresión, se puede reemplazar el nitrógeno líquido por un gas criogénico frío, tal como gas nitrógeno, que se comprime en un menor grado, es decir, sin alcanzar temperatura de licuación, pero suficientemente frío para la transferencia de calor. El coste de compresión puede ser, por consiguiente, sustancialmente reducido en la mayor parte de los casos. El coste del gas criogénico frío puede ser menos de la mitad que el del nitrógeno líquido. No obstante, tal uso del gas criogénico frío más económico presenta otros inconvenientes en los sistemas de la técnica anterior. Ello es porque un gas criogénico frío tiene, al menos, dos veces el volumen comparado con el del nitrógeno líquido (vaporizado). Eso, combinado con la menor capacidad de transferencia de calor, acaba rápidamente en la fluidificación del líquido en proceso. Por ello, los sistemas de la técnica anterior no son capaces de obtener un beneficio económico mediante el uso de gas criogénico frío.

Objetos del invento

Es por ello, un objeto del presente invento proporcionar una torre de refrigeración con mayor eficiencia de intercambio de calor, que pueda realizar el intercambio de calor para fluidos de viscosidades diferentes e incluso variables oscilando de bajo a alto.

De acuerdo con el invento, este objeto se resuelve por medio de las características de la reivindicación 1. Realizaciones particulares del invento se definen en las reivindicaciones subordinadas.

Breve descripción del invento

El presente invento es una torre de refrigeración tal como se define en la reivindicación 1, cuyo preámbulo se basa en el documento DE-C-40813. En particular, el presente invento se refiere a un aparato para refrigerar un líquido en proceso, incluyendo pero no limitándose a líquidos en proceso, que tienen una elevada viscosidad así como a aquellos cuya viscosidad cambia durante un proceso de reacción. El invento utiliza una torre de refrigeración, que tiene una pluralidad de platos apilados uno encima de otro, cada uno de ellos inclinado hacia abajo formando un ángulo ajustable con respecto al eje vertical, con la inclinación de cada plato dispuesta en dirección opuesta a los platos inmediatamente adyacentes. El líquido en proceso se introduce en la torre y cae en cascada en una trayectoria de un plato al siguiente plato inferior básicamente a lo largo de toda la altura de la torre. Un medio refrigerante criogénico, un líquido o gas frío, también se introduce en la torre.

El líquido en proceso es fracturado en finas capas que fluyen sobre los platos inclinados. Esto aumenta el área superficial de contacto, es decir, el área superficial del líquido en proceso disponible para la transferencia de calor con el fluido criogénico o el gas criogénico frío, e incrementa la eficiencia del intercambio de calor. El tiempo de contacto del líquido-gas del fluido en proceso para la transferencia de calor se puede controlar ajustando el ángulo de inclinación de los platos. Por consiguiente, el aparato se puede usar para conseguir el intercambio eficiente de calor para diferentes tipos y viscosidades de líquidos, e incluso para fluidos en proceso cuya viscosidad cambia durante un proceso particular, tal como una mezcla de reacción.

Breve descripción de los dibujos

Figura 1 es una vista en alzado de la torre y del sistema de refrigeración de forma esquemática;

Figura 2 es una vista superior de uno de los platos;

Figura 2A es un alzado lateral del plato de la figura 2; y

Figura 3 es una vista en alzado de otra realización de la torre de refrigeración.

Descripción detallada de la realización preferida

Tal como se utiliza aquí, "líquido en proceso" o "líquido que está siendo procesado" significa cualquier sustancia líquida, disolución, suspensión, lechada, emulsión o caldo u otra mezcla en reacción, que comprenda una fase líquida sin limitación que necesite transferencia de calor.

En relación con la figura 1, la torre 10 de refrigeración es un reactor u otra cámara de procesado de líquidos de un tamaño adecuado, tal como se desee, que tenga una parte 12 superior cerrada y un fondo 14 de forma generalmente cónica con una salida 16 para el fluido enfriado. Se proporciona preferiblemente una ventana 19 a través de la cual se puede ver el interior de la torre. La torre 10 puede ser de cualquier material adecuado compatible con el contenido de los líquidos en proceso, que han de participar en el proceso de intercambio de calor. Si se desea, la pared interior de la torre puede forrarse de un material no reactivo. También, se puede proporcionar aislamiento adecuado alrededor de la parte exterior de la torre.

El líquido, que se está procesando, se suministra desde una fuente adecuada, por ejemplo, desde una bomba 20, a través de un conducto 22 a una entrada 24 en la parte 12 superior de la torre, a través de la cual el líquido, que está siendo procesado, se introduce en la torre. Preferiblemente, existe un cabezal 26 rociador de distribución para distribuir más homogéneamente el líquido, que está siendo procesado, en el interior de la torre.

Se monta una pluralidad de platos 40 en un conjunto 46 de barra de soporte y guía, y que se extiende formando un ángulo hacia abajo con respecto al eje vertical de la torre. Deseablemente, los platos 40 son todos básicamente de la misma construcción y están apilados uno sobre otro con el ángulo de inclinación alternando en direcciones opuestas. En otras palabras, el extremo inferior de cada plato, descrito más abajo, está por encima del extremo superior del próximo plato inferior. Cada plato 40 se extiende sólo parcialmente transversalmente al interior de la torre y los platos están parcialmente escalonados de modo que la película de líquido, que se está procesando y que se introduce en la parte superior de la torre pueda fluir a través de un plato y caer por su frente sobre el extremo posterior del plato próximo inferior. El conjunto 46 permite que se ajuste el ángulo de los platos en conjunto. Los platos 40 están hechos de un material adecuado como plástico o metal, según los requerimientos de temperatura y de no reaccionar con el contenido de la torre.

Las figuras 2 y 2A muestran los detalles de un plato 40 como se ha configurado para una torre de un interior circular. Cada uno de los platos tiene básicamente la misma construcción. El plato 40 es de forma generalmente circular con un sector 41 cortado que proporciona el extremo inferior abierto desde el cual cae el líquido en proceso de un plato al plato próximo inferior cuando están en la torre. El plato tiene un orificio 47 central, a través del cual pasa un conducto para el gas refrigerante, como se ha descrito más abajo.

El plato tiene también una pluralidad de orificios 49, mostrados ilustrativamente en número de cuatro, a través de los cuales pasan las varillas para el conjunto 46 de soporte y ajuste. Moviendo las varillas del conjunto 46, se ajustan los ángulos de inclinación de los platos en conjunto. Para conseguirlo, se puede asegurar, por ejemplo, una orejeta de bisagra a una varilla del conjunto adyacente a un orificio 49, y la otra orejeta de bisagra se asegura a la superficie de la torre del respectivo plato. Se puede proporcionar cualquiera otra disposición adecuada, por ejemplo, una en la que la inclinación de cada plato se pueda ajustar individualmente.

La superficie superior de cada plato tiene una sección central de una pluralidad de ranuras 42 paralelas hechas por mecanizado o ataque químico. Las ranuras 42 se extienden transversalmente al plato en la dirección en que se desee para tener el flujo de líquido a través del plato y que salga por su extremo 41 inferior. El líquido cae entonces en la parte posterior del plato inferior siguiente en la torre. A cada lado de la sección central, que comprende ranuras 42, hay una sección que comprende ranuras 43 que son generalmente transversales a las ranuras 42. Los extremos de las ranuras 43 transversales comunican con las ranuras 42 para llevar el líquido desde las ranuras 43 a las ranuras 42 de la sección central. Esta configuración acaba dirigiendo el líquido desde la sección central de un plato al plato inferior próximo y evita que el líquido fluya hacia afuera por el costado de un plato. Como alternativa al diseño de ranuras mostrado en la figura 2, las ranuras 43 se puede cortar formando una figura de abanico, estando el "origen" del abanico en el centro del plato. En el caso de un tanque rectangular (no mostrado), se usarían platos rectangulares y las ranuras 42 se extenderían en la dirección de la inclinación del plato. Otras disposiciones adicionales de las ranuras del plato serán evidentes para los expertos en la técnica.

Se ha proporcionado un deflector 48 sobresaliente verticalmente en el borde de la parte posterior del plato (es decir, la parte que ha de estar más próxima a la pared interior de la torre), para evitar que el líquido se canalice hacia la pared lateral de la torre cuando el líquido está fluyendo desde un plato al plato inferior próximo.

El propósito de cada plato 40 y de sus ranuras 42 y 43 es dispersar el líquido, que está siendo procesado, (especialmente si el líquido es viscoso) en una película sobre la superficie superior del plato y conservar el líquido disperso según fluye de un plato al inferior siguiente. Es decir, las ranuras dirigen el flujo del líquido. Debido a la tensión superficial, el líquido no fluirá en una película uniforme, o lámina, hacia abajo por un juego de platos suave formando un ángulo. Para líquidos más viscosos, las ranuras 42 y 43 se hacen preferiblemente anchas y poco profundas, y para líquidos menos viscosos, se hacen más estrechas y profundas. Las dimensiones de las ranuras se seleccionan para mantener la película del líquido viscoso tan delgadas como sea posible. Ranuras más profundas acaban en película más gruesa y reducen la eficiencia de la transferencia de calor.

El suministro principal de agente refrigerante (por ejemplo, nitrógeno líquido) en la realización descrita, se facilita desde una fuente 30 convencional, que tiene las válvulas 31 de control habituales en un conducto 32. El nitrógeno líquido fluye a través del tubo central de un tubo 34 de transferencia de doble pared y es inyectado a través de una tobera 35 principal (que puede ser de un tipo convencional adecuado) hasta el fondo de la torre de refrigeración. Una sonda 39 de control de temperatura es colocada en el líquido refrigerado recogido en el fondo de la torre.

El punto de inyección de nitrógeno líquido está situado preferiblemente debajo de la superficie 38 del líquido en proceso refrigerado recogido, lo cual es desable porque la capacidad de calor del líquido en proceso es mucho más elevada que la fase de vapor dentro de la torre de refrigeración, que puede consistir típicamente en vapores orgánicos y/o agua y el gas nitrógeno vaporizado. Además, la mezcla turbulenta del nitrógeno líquido con un líquido de elevada capacidad de calor evitará que la tobera 35 de inyección de nitrógeno líquido se congele con el hielo. El nitrógeno líquido inyectado fluye hacia arriba a través del líquido en proceso refrigerado del fondo del tanque, se vaporiza y circula a través del interior de la torre, donde está disponible para entrar en contacto con el líquido en proceso y refrigerarlo en los platos 40. La eficiencia de intercambio de calor no está limitada por los tamaños de las burbujas producidas durante la reacción. El tiempo de contacto entre el líquido que, está siendo procesado, y el agente refrigerante depende de la cantidad de fluido criogénico o gas frío de la torre y no de la velocidad de las burbujas que se elevan a través del líquido.

Un gas protector, que en la realización descrita es un gas nitrógeno a temperatura ambiente de una fuente adecuada, se suministra por un conducto 50 al tubo exterior del tubo 34 de transferencia de nitrógeno líquido de doble pared. El gas protector de nitrógeno mantiene la temperatura de la tobera 35 por encima del punto de congelación del líquido en proceso.

Se suministra gas nitrógeno de reserva desde una fuente adecuada por un conducto 52 al tubo central del tubo 34 de transferencia de doble pared para mantener la presión dentro de la tobera 35. El gas nitrógeno de reserva del conducto 52 se ajusta previamente a una presión más baja que la del suministro principal de nitrógeno líquido del conducto 32. Cuando el nitrógeno líquido de la fuente 30 principal se cierra, o se reduce su presión, el gas de reserva del conducto 52 comenzará a fluir a la presión más baja ajustada previamente. Esto preserva el líquido, que se está procesando, de entrar en la tobera 35. Puesto que el nitrógeno líquido hierve a -195ºC, el interior de la tobera 35 permanece extremadamente fría incluso cuando el suministro 30 de nitrógeno líquido se interrumpe. El gas de reserva evita que cualquier fluido en proceso entre en la tobera 35, que se congelará instantáneamente y obturará la tobera.

Se muestran orificios 60 de inyección practicados a lo largo de la pared lateral de la torre y que son abastecidos de nitrógeno líquido desde una fuente 62. Los orificios 60 son opcionales. Cada orificio 60 tiene preferiblemente una tobera con una abertura muy pequeña para proporcionar un rocío cónico divergente de nitrógeno líquido. La proporción de flujo de las toberas de los orificios 60 es relativamente pequeña en comparación con la de la tobera 35 principal del fondo del tanque. Esto es porque la humedad orgánica o acuosa vaporizada de la torre tiene una tendencia mucho mayor a congelarse en un orificio 60 a la intemperie que en la tobera 35 principal sumergida en el líquido. Por consiguiente, los orificios 60 laterales son opcionales y no se utilizan habitualmente, a menos que se necesite una proporción de refrigeración muy elevada (tal como en aplicaciones de enfriamiento rápido de temperatura).

Durante el funcionamiento de la torre, el líquido en proceso es suministrado desde la fuente 20 y se inyecta en la parte superior de la torre a través de la tobera 26 sobre el plato 40 inclinado hacia abajo más alto de la torre. El líquido fluye sobre dicho plato y sale por su frente (es decir, más abajo) y cae sobre el plato siguiente más bajo. Este flujo hacia abajo continúa de plato en plato por toda la altura de la torre. Cada plato 40 divide el líquido que recibe y lo esparce en una capa delgada, o película, produciendo una gran área superficial para la transferencia de calor con el gas refrigerante (nitrógeno líquido vaporizado), que está circulando dentro de la torre. El líquido cae desde el plato 40 más bajo al fondo de la torre, después de haber sido enfriado durante su trayectoria hacia abajo de plato en plato. El líquido frío recogido se elimina a través de la salida 16.

Como debería resultar evidente, el líquido en proceso tiene un largo tiempo de permanencia en la torre, según marcha de plato en plato, en comparación con el flujo que pasa directamente a lo largo de ella. Así, pues, el líquido es esparcido sobre las superficies de los platos para proporcionar una gran área superficial para la interacción con el líquido refrigerante. Ambos factores incrementan la eficiencia refrigerante del sistema.

El ángulo de los platos se puede ajustar previamente antes del proceso o se puede ajustar durante el proceso. Es decir, el ángulo de inclinación de los platos 40 se ajusta de acuerdo con la viscosidad del líquido a ser refrigerado y/o el tiempo de permanencia deseado (aunque, como es bien conocido, el tiempo de permanencia se puede controlar también con la proporción de flujo y el número de platos 40 proporcionado). Los platos inclinados determinan, sin embargo, principalmente el tiempo de permanencia del líquido de proceso dentro de la torre. Si el ángulo de inclinación no está suficientemente pendiente, un líquido viscoso se quedará en los platos y bloqueará eventualmente el flujo del nitrógeno vaporizado. Si el ángulo está demasiado empinado, el líquido en proceso no tendrá suficiente tiempo para la transferencia de calor. Los platos 40 permitirán que el sistema compense el efecto adverso de la elevada viscosidad para la transferencia de calor, haciendo inclinarse menos empinadamente el ángulo del plato y, por consiguiente, incrementando el tiempo de permanencia de la película de líquido en cada plato. Así, pues, en casos donde la viscosidad del líquido se incremente (o disminuya) durante el tiempo, en el que el líquido está en la torre, los ángulos de inclinación de los platos 40 pueden ser variados progresivamente para acomodarse a la viscosidad cambiante.

Para que la torre funcione apropiadamente con un líquido de viscosidad elevada, se debe permitir al refrigerante que barra la superficie del líquido, pero no burbujear a través del mismo. Si el refrigerante burbujea a través del líquido en proceso, la formación de espuma puede ser excesiva para un líquido viscoso. La formación de espuma no es deseable porque anegará la torre y el fluido en proceso puede ser expulsado fuera de la torre por el refrigerante en vaporización. Por eso, no se deben usar bandejas convencionales de recogida y burbujeo utilizadas en torres de transferencia a granel, porque el líquido viscoso permanecería en superficies planas dispuestas horizontalmente por un tiempo demasiado largo. La torre refrigerante criogénica del invento no tiene tales superficies planas o cribas burbujeantes. Por eso, es especialmente adecuada para disoluciones viscosas refrigerantes y mezclas reactantes.

Cuando se usa nitrógeno líquido como fluido refrigerante, se vaporiza y el volumen se expande más de 700 veces. La distancia entre los platos 40 se hace suficientemente grande como para permitir que un gran volumen de gas fluya entre los platos. Ajustando la distancia entre los platos, se puede acomodar también una demanda cambiante de proporción de refrigerante desde una refrigeración muy lenta hasta un enfriamiento rápido, resultando un gran cambio en proporción de flujo volumétrico de nitrógeno vaporizado (es decir, los platos sirven también para "impedir" el flujo de gas refrigerante).

Los siguientes ejemplos ilustran la eficiencia de una torre refrigerante criogénica hecha de acero inoxidable y que tiene las dimensiones: dos pies de diámetro, diez pies de altura. La torre tiene dieciocho platos 40 hechos de TEFLÓN, siendo las ranuras 42 y 43 de 6,35 mm (1/4 de pulgada) de profundidad y usando nitrógeno líquido como refrigerante:

Ejemplo 1

Fluido de proceso	Agua
Tasa de flujo	16,05 l/min (4,24 gpm)
Temperatura del fluido entrante	56ºC
Temperatura del fluido saliente	30ºC
Tasa de consumo de nitrógeno líquido	139,7 kg/h (308 lb/hr)
Temperatura del nitrógeno líquido	-195ºC
Temp.. de escape del nitr. vaporizado	48ºC
Temperatura de aproximación	8ºC
Tasa de flujo de escape	122,1 standard m^{3}/h (4.313 scf/hr)

Ejemplo 2

Fluido de proceso	Agua
Tasa de flujo	20,02 l/min (5,29 gpm)
Temperatura del fluido entrante	33ºC
Temperatura del fluido saliente	10ºC
Tasa de consumo nitrógeno líquido	177,4 kg/h (391 lb/hr)
Temperatura del nitrógeno líquido	-195ºC
Temp. de escape del nitr. vaporizado	28ºC
Temperatura de aproximación	5ºC
Tasa de flujo de escape	154,8 standard m^{3}/h (5.468 scf/hr)

Ejemplo 3

Fluido de proceso	Solución de insulina
Viscosidad del fluido	1.000 cps
Tasa de flujo de fluido	22,7 l/min (6 gpm)
Temperatura del fluido entrante	75ºC
Temperatura de fluido saliente	15ºC
Tasa de consumo de nitróg. líquido	491,2 kg/h (1.083 lb/hr)
Temperatura del nitrógeno líquido	-195ºC
Temp. de escape del nitr. vaporizado	66ºC
Temperatura de aproximación	9ºC
Ptasa de flujo de escape	428,9 standard m^{3}/h (15.146 scf/hr)

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Cada uno de los ejemplos de más arriba muestra que la torre de refrigeración criogénica es muy eficiente en transferir calor del líquido en proceso al nitrógeno líquido. Lo que se muestra por la caída de temperatura muy grande para el líquido de proceso por la baja temperatura de la aproximación, es decir, la diferencia de temperatura entre el líquido en proceso entrante y el nitrógeno vaporizado que escapa. La temperatura de aproximación es menor de 10ºC.

Además de ser un sistema de transferencia de calor, la torre de refrigeración criogénica puede ser también un reactor. La figura 3 muestra tal disposición, en la que se utilizan los mismos signos de referencia para los mismos componentes mostrados en la figura 1.

En el aparato de la figura 3, se ha instalado un transportador 70 helicoidal, que tiene una paleta 71 agitadora en su extremo inferior, en el centro de la torre de refrigeración y es accionada por el árbol 73 de salida de un motor 72. El transportador 70 helicoidal se extiende a través de los orificios centrales de cada uno de los platos 40 y puede manejar líquido altamente viscoso. La solución líquida reaccionante, que ha de ser procesada, se suministra en el fondo del transportador helicoidal. El agente refrigerante, aquí nitrógeno líquido ilustrativamente, u otro gas o líquido criogénico, se suministra desde un generador (no mostrado) por un conducto 74 a una tobera 76 interior a la torre. La tobera 76 está por encima del nivel 38 superficial superior del líquido refrigerado, que se recoge en el fondo de la torre.

El líquido viscoso en proceso es transportado hacia arriba por el transportador 70 helicoidal hasta la parte superior de la torre y es depositado en el plato 40 inclinado más alto. Como se ha descrito en relación con el sistema de la figura 1, el líquido en proceso fluye hacia debajo de plato en plato por la torre, se esparce en una película delgada en cada uno de los platos 40 y entra en contacto con el gas refrigerante para que tenga lugar la transferencia de calor. La salida 16 del fondo de la torre puede cerrarse de modo que el líquido enfriado, que fluye al fondo de la torre, vuelva a mezclarse con el caldo de líquido en proceso reaccionante para continuar el ciclo hasta que se haya alcanzado la temperatura deseada para el líquido en proceso.

La figura 3 muestra también el gas criogénico frío, que es inyectado directamente en el espacio entre el plato 40 inclinado más bajo y la superficie del líquido en proceso. Puede hacerse esto porque la transferencia de calor es sustancialmente más eficiente en la sección de los platos inclinados que en el depósito de líquido del fondo de la torre. Además, el gas criogénico frío requeriría menos capacidad de calor del ambiente para empapar inmediatamente el refrigerante al inyectarlo. Es decir, el nitrógeno líquido a -193ºC, un líquido criogénico, desprenderá todo su calor latente de vaporización cuando entre en contacto con el fluido en proceso. El calor latente de vaporización puede ser más que el calor sensible total. Por consiguiente, una gran masa de fluido en proceso ha de estar disponible para absorber la refrigeración. De otro modo, se produciría congelación. El gas frío criogénico, por otro lado, sólo puede operar de 5 a 10 grados por debajo de la temperatura deseada de proceso y por encima del punto de congelación del fluido en proceso. Por ello, la congelación ya no sería un problema. Se prefiere que el líquido criogénico sea inyectado por debajo de la superficie líquida, tal como se muestra en la figura 1. Se prefiere que el gas criogénico frío sea inyectado por encima de la superficie líquida, tal como en la figura 3, aunque se puede inyectar por encima o por debajo de la superficie líquida.

Otros tipos de bandejas o bateas fijas se pueden utilizar en vez de los platos inclinados para un rápido enfriamiento de una solución. Sin embargo, no sería tan eficiente para manejar líquidos viscosos puesto que una bandeja o batea fija no permitiría un cambio de tiempo de permanencia del líquido, que fluye hacia abajo de la torre. La inundación es un fenómeno general que ocurre cuando un líquido viscoso no fluye hacia debajo de la torre con suficiente rapidez. Por otro lado, la transferencia de calor es inadecuada si el líquido fluye hacia abajo demasiado deprisa.

La torre de refrigeración del invento puede manejar una relación mucho más elevada de gas para líquido en proceso que un equipo convencional de refrigeración. La proporción de flujo de líquido a través de la torre puede ser muy baja mientras que un mayor volumen de gas criogénico frío pueda inyectarse en la torre. Se pueden utilizar mayores volúmenes de gases, ajustando (aumentando) el espaciado entre los platos inclinados. A causa de esta capacidad, se puede utilizar el nitrógeno líquido criogénico o gas nitrógeno criogénico (u otro líquido o gas criogénico) generado en el lugar, en vez de nitrógeno líquido suministrado. Sin condensar el nitrógeno completamente a un estado líquido, se puede reducir sustancialmente el coste de la energía de refrigeración. Además, se puede ahorrar la energía de compresión suministrando el gas criogénico frío incluso a temperaturas más bajas. Sin embargo, el volumen de gas, que pasa a través del sistema, ha de ser incrementado en consonancia, Por consiguiente, la torre de refrigeración del invento puede aprovechar la ventaja del gas criogénico frío más económico, generado in situ, para líquido viscoso. La torre del invento se puede utilizar también para calentar una mezcla reaccionante u otro líquido en proceso empleando un agente gaseoso calentador en lugar de un agente criogénico.

Claims (7)

1. Torre de refrigeración para proporcionar intercambio de calor para un líquido en proceso, que comprende: una torre (10); una entrada (24) para inyectar un agente refrigerante al interior de la torre; y una pluralidad de platos (40) apilados dentro de dicha torre espaciadamente en vertical uno encima del otro, inclinados hacia abajo formando un ángulo con respecto al eje vertical de la torre e inclinándose alternativamente en direcciones opuestas, recibiendo un plato el líquido en proceso por su superficie superior y esparciendo el líquido en proceso en una película delgada sobre él, fluyendo el líquido en proceso sobre un plato y cayendo de un plato a la superficie superior de un plato inferior para formar una película sobre él, contactando el agente refrigerante las películas de líquido en proceso sobre los platos para intercambiar calor y depositándose el líquido refrigerado en el fondo de la torre; caracterizada porque la superficie superior de un plato (40) tiene una pluralidad de ranuras (42, 43) sobre ella para ayudar a esparcir la película de líquido en proceso sobre ella, donde un primer grupo de dicha pluralidad de ranuras (42) está alineado hacia abajo en la dirección de la inclinación del plato y se extiende hasta la parte frontal desde la cual el líquido en proceso fluye hacia afuera para caer al plato inferior siguiente, y un segundo grupo de dicha pluralidad de ranuras (43) forma un ángulo y comunica con dicho primer grupo de dicha pluralidad de ranuras.

2. Torre de refrigeración según la reivindicación 1, que comprende además una placa (48) deflectora levantada en la parte del plato (40) opuesta a aquélla por la que cae el líquido del plato.

3. Torre de refrigeración según la reivindicación 1 ó 2, que comprende además un conjunto (46) en el que están montados dichos platos (40) para ajustar el ángulo de inclinación de los platos y el espaciado entre los platos.

4. Torre de refrigeración según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores en la que el líquido en proceso es inyectado en la torre (10) desde una entrada (24) de la parte (12) superior de la torre.

5. Torre de refrigeración según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que comprende además un transportador (70) en la torre para transportar el líquido en proceso hacia arriba para depositarlo en un plato superior de la torre.

6. Torre de refrigeración según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores en la que dicho agente refrigerante es nitrógeno líquido y se inyecta en el líquido recogido en el fondo de la torre.

7. Torre de refrigeración según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores en la que dicho agente refrigerante es un gas refrigerante que se inyecta en la torre (10) en un punto por encima del líquido recogido en el fondo de la torre.