ES2224259T3 - Relleno para columnas de separacion y procedimiento de uso. - Google Patents

Abstract

UN REVESTIMIENTO DE SEPARACION DE FLUIDOS PARA COLUMNAS O TORRES DE DESTILACION Y DE FRACCIONAMIENTO, COMPRENDE VARIOS ELEMENTOS DE REVESTIMIENTO CONECTADOS, ADECUADAMENTE EN FORMA DE OCTAGONOS CONECTADOS, QUE TIENEN PAREDES LATERALES CONTINUAS (16) CON UN EXTREMO SUPERIOR Y UN EXTREMO INFERIOR QUE TERMINA EN UNA BASE (14), CON UNA ABERTURA DE VAPOR Y UN ESTRANGULADOR (18) BAJO LA ABERTURA. LAS PAREDES LATERALES DEFINEN ABERTURAS ENTRE ELEMENTOS DE REVESTIMIENTO CONTIGUOS, Y ESTAN CONECTADAS ENTRE SI PARA DEFINIR UN VOLUMEN DE CONTACTO BAJO LA BASE, Y HAY CORTES DE SALIDA DE LIQUIDO (34) EN LAS PAREDES LATERALES DENTRO DE TUBOS DE DESCENSO, QUE TIENEN PAREDES LATERALES CON SUS PARTES SUPERIORES DENTRO DE LAS ABERTURAS ENTRE ELEMENTOS DE REVESTIMIENTO CONTIGUOS, CON ABERTURAS EN LAS PARTES INFERIORES DE LOS TUBOS DE DESCENSO, QUE SUMINISTRAN LIQUIDO DENTRO DE LOS ELEMENTOS DE REVESTIMIENTO SUBYACENTES.

Description

Relleno para columnas de separación y procedimiento de uso.

La presente invención se refiere a un relleno de separación de fluido que es útil como material de relleno para columnas o torres de destilación y fraccionamiento. Más específicamente, la presente invención se refiere a un relleno de separación de fluido que proporciona contenido de líquido y vapor de corrientes paralelas dentro del contexto total del procedimiento actual de separación.

Se han efectuado diversas investigaciones con respecto a la optimización de los diseños para columnas o zonas de destilación y fraccionamiento, es decir, una columna o zona de contacto en la que las fases líquida y vapor se ponen en contacto a contracorriente para efectuar la separación de una mezcla de fluido, como por ejemplo, por contacto de las fases vapor y líquida en una serie de bandejas o placas horizontales espaciadas verticalmente montadas dentro de la columna. Las investigaciones de diseño se han centrado principalmente en el diseño de estructuras de bandeja diferentes para mejorar el rendimiento del procedimiento de separación total. Se han hecho intentos, también, para diseñar materiales de relleno superiores a colocar dentro de la columna para mejorar el procedimiento de separación.

El procedimiento de destilación, como se conoce tradicionalmente en la técnica, es un método para separar los componentes individuales de una mezcla utilizando las diferencias en su presión de vapor. En particular, en la industria química, se han desarrollado una variedad de diseños de bandeja para aumentar el rendimiento de la transferencia de masa. Las mejoras en el diseño de columnas de destilación condujeron al uso de diferentes tipos de relleno para llenar las partes interiores de tales columnas de destilación. Por ejemplo, el relleno ahora en uso incluye relleno de tela metálica, relleno de chapa metálica, relleno cerámico, relleno de vidrio y relleno de resina sintética.

Se han desarrollado muchos tipos de relleno para uso en columnas de destilación y fraccionamiento. En general, estos materiales de relleno facilitan el contacto entre las corrientes de líquido y vapor, haciendo que exista una distribución más uniforme de líquido y vapor sobre la superficie del relleno. Las primeras formas de relleno estructurado incluyen relleno Stedmen, descrito en la patente de EE.UU. número 2.047.444. En general, el relleno estructurado hace referencia al relleno en el que los miembros individuales tienen una orientación específica unos con relación a otros y al eje de la columna o de la torre. Se usa en la industria, también, relleno aleatorio, tal como el de monturas Raschig.

Un tipo de relleno que se usa ampliamente consiste en una pluralidad de placas corrugadas que contactan entre sí y que están dispuestas en relación paralela con el eje de columna. Las placas corrugadas de este tipo se pueden construir de diferentes tipos de material, tales como chapa metálica y tejido de alambre. Cuando las placas corrugadas están hechas de chapa metálica, se impide la distribución uniforme de líquido sobre las placas, puesto que el líquido tiende a encauzarse a lo largo de los canales plegados. Para mejorar la distribución de líquido sobre las placas corrugadas, se conoce cómo usar aberturas en las placas, de manera que una porción del líquido que circula a lo largo de un primer lado de la placa se desvía al lado opuesto de la misma cuando encuentra una abertura. Un ejemplo de tal placa se describe en la patente de EE.UU. número 4.296.050, a Meier. Un relleno de columna hecho con corrugaciones y superficies texturadas para comportamiento mejorado especialmente bajo condiciones de caudal reducido se describe en la patente de EE.UU. número 5.132.056, a Lockett et al. Un diseño de placa corrugada mejorada para conseguir una densidad superior de placas dentro de un área transversal dada de la columna para conseguir una transmisión mejorada de masa y/o calor entre las corrientes de líquido y vapor que circulan dentro de la columna se expone en la patente de EE.UU. número 5.413.741. Otros tipos de relleno además de las bandejas de superficie corrugada y texturada incluyen relleno que consiste en elementos de relleno individuales. El rendimiento en el uso de tales elementos de relleno se considera, generalmente, que se aumenta disponiendo los elementos en un orden aleatorio, tal como el enseñado en la patente de EE.UU. número 4.376.081, a Leva, que describe un elemento que tiene una base con un contorno superficial generado por la rotación de una curva bidimensional, que tiene curvatura inversa, un intervalo angular aproximado de desde 10 hasta 180º alrededor de una línea recta que se encuentra dentro del plano de la curva. La base del elemento de relleno está provista además de ranuras y lengüetas dependientes. Un relleno de columna de destilación en forma de un cuerpo esférico construida montando un par de miembros semiesféricos de la misma forma y estructura, en la que cada uno de los miembros semiesféricos incluye un miembro adecuado de aberturas recortadas formadas en su porción superficial, se muestran en la patente de EE.UU. número 4.159.817, a Ikawa.

El documento US-A-4.290.980 describe un relleno celular para un intercambiador de masa de gas/líquido a contracorriente. El relleno tiene la forma de celdillas con aberturas en sus partes inferiores formadas por el redondo curvado de las partes inferiores de las paredes laterales. El gas pasa generalmente hacia arriba por el relleno desde la parte superior de un celdilla a través de la abertura en la parte inferior de la celdilla superior, mientras el líquido pasa hacia abajo a través de la abertura en la parte inferior de la celdilla superior, hacia dentro de la celdilla inferior.

El documento US-A-4.490.310 describe un relleno formado por capas apiladas de elementos, teniendo cada elemento en su extremo inferior una boquilla formada por solapamiento de los extremos de las partes inferiores de las paredes laterales opuestas. El extremo superior de al menos una pared lateral está provisto de una curva arqueada dirigida hacia dentro. El gas pasa generalmente hacia arriba a través de una columna llena del relleno, mientras que el líquido pasa generalmente hacia abajo. La conformación de la parte interior de los elementos da como resultado que los líquidos sean arrastrados por el gas para circular en una dirección de corrientes paralelas dentro del elemento.

Se necesitan mejoras en el diseño de columnas de destilación y fraccionamiento para aumentar el rendimiento o capacidad del procedimiento de separación total y reducir por ello los costes de funcionamiento y/o fijos. Los diseños mejorados, aprovechan, preferiblemente, todo el volumen dentro de la columna para uso en el procedimiento de separación y utilizan las ventajas tanto de las bandejas como de los elementos de relleno en combinación.

Un relleno de separación de fluido que es útil como material de relleno para columnas de destilación, columnas de fraccionamiento, y similares, es proporcionado por la presente invención. El relleno de separación de fluido proporciona una capacidad aumentada de separación utilizando más eficazmente el espacio disponible dentro de la columna. Además, bajo caudales de vapor apropiados, el relleno de la presente invención proporciona un contacto de corrientes paralelas entre los fluidos de vapor y líquido en el contexto del procedimiento total a contracorriente.

El relleno de separación de fluido, en una realización, comprende una pluralidad de elementos de relleno conectados que tienen una base y una pared lateral continua con un extremo superior y un extremo inferior. El extremo inferior de la pared lateral termina en la base y el extremo superior define una región plana superior de elementos de relleno. Las paredes laterales definen, así, un volumen de contacto que está encima de la base y debajo de la región plana superior de elementos de relleno. Hay al menos una, y preferiblemente varias, aberturas para vapor en la base a través de la que los vapores pueden entrar en el volumen de contacto. También, hay al menos una, y preferiblemente varias, rendijas para líquido situadas en las paredes laterales, definiendo las rendijas para líquido una abertura en la pared lateral a través de la que puede circular líquido. Los elementos de relleno están conectados de tal modo que las paredes laterales de los elementos de relleno adyacentes contactan entre sí hasta cierto punto, pero no totalmente, y, así, las paredes laterales definen también una abertura entre los elementos de relleno adyacentes.

Los elementos de relleno están conectados para formar una fila o plano de elementos de relleno dentro de la columna. Otras distintas de tales filas están encajadas en la parte superior de otra cualquiera para llenar una sección de la columna con los elementos de relleno.

Hay una pluralidad de bajantes en comunicación de flujo con los elementos de relleno para disponer medios de transporte de líquido entre las diversas filas de elementos de relleno. Las bajantes tienen lados laterales con una porción superior y una porción inferior. La porción superior está situada dentro de la abertura entre los elementos de relleno adyacentes y, en realizaciones preferidas, la porción superior se forma directamente de los lados de los elementos de relleno. La porción inferior se extiende por debajo de la base de los elementos de relleno y tiene un extremo de porción inferior. Hay al menos una lumbrera situada próxima al extremo de porción inferior que define una abertura en las paredes laterales de la bajante a través de la que puede circular líquido. Una vez encajadas las diversas filas de elementos de relleno, las bajantes se alinean de manera que están situadas dentro del volumen de contacto y centradas, preferiblemente, en o cerca del medio del volumen de contacto, de un elemento de relleno sobre la siguiente fila verticalmente inferior.

En las realizaciones preferidas, las aberturas para vapor están situadas próximas a las paredes laterales del elemento de relleno y entre la porción inferior de la bajante y las paredes laterales del elemento de relleno. Se prefiere, también, situar las rendijas para líquido en puntos próximos al extremo superior de las paredes laterales.

La geometría de los elementos de relleno y de las bajantes se puede variar para diferentes usos. Sin embargo, se prefiere que las paredes laterales de los elementos de relleno tengan forma de octógono. En tal disposición de octógono, las paredes laterales definen aberturas cuadradas entre elementos de relleno adyacentes y esas aberturas cuadradas se pueden usar como la porción superior de las bajantes.

En funcionamiento, el vapor dentro de la columna circula hacia arriba a través de los elementos de relleno conectados por el interior y encajados. El vapor circula desde una fila de elementos de relleno hasta la siguiente por medio de las aberturas para vapor en la base de los elementos de relleno. El líquido circula desde una fila de elementos de relleno hasta la siguiente por medio de las bajantes, lo que deposita el líquido sobre la base del elemento de relleno. El líquido contacta, así, con el vapor dentro del volumen de contacto en el interior del elemento de relleno. Bajo caudales de vapor apropiados, el vapor arrastra el líquido y lo lleva hacia arriba a través del volumen de contacto. En las realizaciones preferidas, las lengüetas para vapor están situadas de manera que conducen el vapor y el flujo de líquido arrastrado de forma rotatoria hacia arriba a través del volumen de contacto. Cerca de la parte superior del elemento de relleno, el vapor y el líquido son separados, con el líquido saliendo del elemento de relleno por medio de la rendija para líquido y el vapor circulando hacia arriba a través de una abertura para vapor en la siguiente fila de elementos de relleno.

También, la presente invención proporciona por ello un procedimiento mejorado para fraccionar, destilar, y similares, comprendiendo la mejora proporcionar una columna vertical que tiene paredes laterales circundantes y alimentar unos fluidos primero y segundo a la columna, en el que el primer fluido está en su estado vapor y el segundo fluido está en su estado líquido dentro de la columna. Los fluidos primero y segundo se conducen entonces para que circulen a través de diversas capas apiladas de elementos de relleno conectados, como se ha descrito anteriormente. Los fluidos son conducidos, también, para que circulen a través de una pluralidad de bajantes de líquido, como se ha descrito anteriormente. En el procedimiento, los vapores presentes dentro de la columna circulan hacia arriba desde una capa de elementos de relleno hasta la siguiente a través de las aberturas para vapor, y el líquido presente dentro de la columna circula hacia abajo desde una capa de elementos de relleno hasta la siguiente pasando a través de la rendija para líquido y a través de las bajantes, por lo que el líquido y el vapor contactan entre sí en forma de corrientes paralelas dentro del volumen de contacto de los elementos de relleno.

Breve descripción de los dibujos

La figura 1 es una vista de una pluralidad de elementos de relleno y bajantes de la presente invención.

La figura 2 es una vista de frente de un elemento de relleno de la presente invención.

La figura 3 es una vista en corte transversal tomada por la línea 3-3 a partir de la figura 2 de la base de un elemento de relleno de la presente invención.

La figura 4 es una vista desde arriba de un elemento de relleno de la presente invención.

La figura 5 es una vista de frente de un elemento de relleno de la presente invención.

La figura 6 es una vista de un encaje y un apilamiento de dos filas de elementos de relleno y bajantes asociadas del relleno de separación de fluido de la presente invención.

La figura 7 es una vista de frente de dos filas de elementos de relleno encajados y apilados con bajantes asociadas del relleno de separación de fluido de la presente invención.

Descripción detallada de la invención

La presente invención está dirigida a relleno mejorado de separación de fluido, útil como material de relleno para columnas o torres de destilación y fraccionamiento. Tales columnas separan un material de alimentación en al menos dos componentes debido a sus presiones de vapor distintas. Estas columnas funcionan, generalmente, por el contacto a contracorriente de una corriente de vapor que sube con una corriente de líquido que baja. Se puede mejorar la separación de masa disponiendo un contacto de corrientes paralelas entre las fases vapor y líquida dentro de secciones discretas de la columna. El relleno de separación de fluido de la presente invención está diseñado exclusivamente para conseguir tal contacto de corrientes paralelas bajo condiciones apropiadas.

El relleno de separación de fluido está constituido por capas apiladas de agrupaciones ordenadas de elementos de relleno que contactan y encajan uno sobre otro. Dentro del elemento de relleno es donde el líquido desde la capa de encima y el vapor desde la capa de debajo entran en contacto, se mezclan y experimentan la transferencia de masa. Los elementos de relleno tienen una base, o suelo, y unas paredes laterales que se alzan desde la base y definen, así, un volumen de contacto en el interior del elemento de relleno. La base del elemento de relleno está cerrada, excepto en que se prevén aberturas en la base para permitir que el vapor circule a través de y entre en el volumen de contacto en el interior del elemento de relleno. Se sitúan lengüetas para vapor encima de las aberturas, y las lengüetas para vapor están orientadas de tal modo como para conducir el flujo del vapor de manera rotatoria a través del volumen de contacto. Los elementos de relleno se diseñan y se disponen de manera que un número significativo de las paredes laterales que no están en contacto con la pared lateral de otro elemento de relleno forme la porción superior de las bajantes para que el líquido entre en el volumen de contacto de un elemento de relleno en el siguiente nivel verticalmente inferior de elementos de relleno. A caudales de vapor suficientemente altos, el líquido es arrastrado por el vapor y empujado hacia arriba en dirección a la pared lateral del elemento de relleno por las lengüetas para vapor. A medida que el líquido rota hacia arriba de las paredes laterales, es conducido a las bajantes circulando a través de una rendija en la pared lateral. Desde estas rendijas, el líquido desciende a través de la bajante a la siguiente capa de relleno inferior. De tal modo, se establece un contacto de corrientes paralelas del líquido y el vapor dentro del volumen de contacto del elemento de relleno y dentro del modo total a contracorriente de separación.

La descripción del relleno de separación de fluido se puede entender más fácilmente por referencia a las figuras. La figura 1 muestra una realización del relleno de separación de fluido de la presente invención que emplea una geometría octogonal para el diseño del elemento de relleno. Esta vista muestra la disposición de seis elementos de relleno 12. Los elementos de relleno 12 están constituidos por una base 14 y unas paredes laterales 16. La base 14 contiene una pluralidad de lengüetas 18 que, preferiblemente, se extienden hacia arriba entrando en el elemento de relleno 12. Las lengüetas 18 conducen el vapor que entra por la base 14 a través de la abertura 15 (véase la figura 3) hacia las paredes laterales 16. En la intersección entre los elementos de relleno 12 hay mostradas dos bajantes 20, que se extienden hacia arriba entre las paredes laterales 16 de los elementos de relleno 12 (no mostrados). Las bajantes 20 tienen unas paredes laterales 21 que se extienden por debajo de los elementos de relleno 12 y definen, así, una porción inferior 22 de la bajante 20, y estas paredes laterales 21 terminan en la parte inferior 26 de la bajante 20 en una sección 24 cerrada. Las bajantes 20 tienen, preferiblemente, una pluralidad de lumbreras 28 para líquido próximas a su parte inferior 26 para distribuir eficientemente el líquido sobre la base 14 del siguiente nivel verticalmente inferior de elementos de relleno 12.

Un elemento de relleno 12 único se muestra en la figura 2. De nuevo, y por consistencia en esta memoria y en toda la descripción básica de la invención, la geometría octaédrica para el diseño del elemento de relleno 12 se usará para su descripción. La interconexión entre diversas capas de elementos de relleno se puede entender más fácilmente usando la misma geometría para la descripción del relleno de separación de fluido. De nuevo, la base 14 y las paredes laterales 16 se muestran definiendo el elemento de relleno 12. Las paredes laterales 16 terminan en sus extremos superiores 30. Los extremos superiores 30 de las paredes laterales 16 definen un plano de la región superior del elemento de relleno. El área en el interior del elemento de relleno 12 definido por el espacio entre la base 14 y el plano de la región superior, formado por los extremos superiores 30 de las paredes laterales 16, es el volumen de contacto (no marcado).

El vapor entra en el elemento de relleno 12 por una abertura 15 (mostrada en la figura 3), que está preferiblemente hecha de la sección recortada de la base 14 que forma las lengüetas 18 para vapor, como se muestra en la realización representada en la figura 2. Las lengüetas 18 en la figura 2 se muestran sobresaliendo hacia arriba de la base 14 entrando en el volumen de contacto. Las lengüetas 18 se usan para conducir el flujo del vapor que sube hacia las paredes laterales 16 de forma rotatoria. El ángulo entre las lengüetas 18 y la base 14, la longitud de las lengüetas 18 y la forma de las mismas se pueden variar, todos ellos, para alterar la dirección del flujo del vapor. Las lengüetas 18 no tienen que estar físicamente unidas con la base 14, aunque se prefiere por facilidad de fabricación.

El líquido entra en el volumen de contacto dentro de un elemento de relleno por medio de una bajante 20 que está conectada a la siguiente capa verticalmente superior de elementos de relleno. La porción inferior de la bajante, definida por las paredes laterales 21 de la misma, se muestra en la figura 2 simplificada. El líquido entra en el elemento de relleno 12 en un punto próximo a, y con preferencia directamente sobre, la base 14 por la lumbrera 28. Un retenedor vertical 39 de sellado de líquido se puede usar, opcionalmente, para sellar las lumbreras 28 y para impedir que el vapor circule hacia arriba de la bajante; mostrándose aquí el retenedor vertical 39 como una pared baja que rodea las paredes laterales 21 de la bajante y crea, así, una cavidad en la que se constituye una altura de líquido, con el líquido que se derrama sobre la parte superior del retenedor vertical 39 durante el funcionamiento. El líquido es arrastrado, así, por el vapor que sube, que entra en el elemento de relleno 12 por la abertura 15, y conducido por la lengüeta 18, y el líquido sube a través del elemento de relleno 12 a lo largo de las paredes laterales 16. El elemento de relleno 12 tiene rendijas 32, mostradas aquí como recortes en las paredes laterales y sobresaliendo hacia dentro del volumen de contacto, que definen una abertura 34 en las paredes laterales 16 para eliminar el líquido que sube desde el elemento de relleno 12 y permitir que el líquido circule por gravedad hasta el siguiente nivel inferior de elementos de relleno por medio de la bajante 20 (no mostrada).

El flujo del vapor a través del elemento de relleno 12 se ilustra en la figura 3, que es una vista en corte transversal tomada por la línea 3-3' en la figura 2. Como se puede ver a partir de la figura 2, el vapor sube hasta los extremos superiores 30 de las paredes laterales 16 y es separado allí del líquido, que se desplaza a través de la abertura 34 hacia dentro de una bajante. El vapor circula contra la cara inferior exterior de la base 14 de un elemento de relleno que es parte de la siguiente capa verticalmente superior de elementos de relleno. El vapor entra en este nivel superior de elementos de relleno por las aberturas 15 (figura 3), que están situadas, preferiblemente, debajo de las lengüetas 18. Es deseable además situar las abertura 15 y las lengüetas 18 próximas a las paredes laterales 16, para asegurar que la mezcla de líquido/vapor contacta con las paredes laterales para una transferencia de masa mejorada, y en vista del hecho de que la bajante 20 (no mostrada) está colocada, preferiblemente, cerca del centro del elemento de relleno 12.

Las lengüetas 18, como se ha descrito anteriormente, pueden tener diversas formas, y en la figura 3 el borde delantero 19 de las lengüetas 18 se muestra con diversas geometrías, y los lados 13 de las lengüetas 18 puede ser, también, de diferentes geometrías. Además, las aberturas 15, por las que el vapor entra en el elemento de relleno 12, pueden ser de cualquier geometría, como se muestra en la figura 3. El flujo de vapor está representado por las líneas 17. El volumen de contacto 36 se muestra, también, en la figura 3.

El líquido entra desde el elemento de relleno 12 en una bajante que está resaltada en la figura 4, es una vista desde arriba del elemento de relleno 12. Las rendijas 32 se muestran penetrando en el volumen de contacto 36, pero podrían, también, sobresalir hacia fuera en dirección a la bajante. Las rendijas 32, tales como las mostradas en la figura 4, se pueden hacer a cualquier ángulo, \theta, respecto de la pared lateral 16. Las rendijas 32 se podrían diseñar, también, como rejillas o cualquier otro tipo de abertura en la pared lateral 16 para mejorar la entrada del líquido en la bajante. Las rendijas 32 definen las aberturas 34 a través de las que circula líquido, como está representado por las líneas 38.

Las rendijas 32 mostradas en la figura 4 están funcionalmente presentes para proporcionar a las aberturas 34 en las paredes laterales 16 la eliminación del líquido del elemento de relleno 12. El líquido eliminado entra entonces en una bajante 20 (no mostrada). A ese respecto, las rendijas 32 pueden ser recortes hechos hacia dentro de las paredes laterales 16. Tal diseño de la rendija 32 se muestra en la figura 5, en la que las rendijas 32 son secciones recortadas de las paredes laterales 16, que definen, así, la abertura 34 para que el líquido salga. Las rendijas 32 pueden adoptar cualquier tipo de forma geométrica, tal como la de los cuadrados, los rectángulos, los círculos, las rejillas, etc., como se ilustra en la figura 5. Se prefiere situar las rendijas 32 en un punto próximo a la parte superior del elemento de relleno 12 para un contacto aumentado entre el líquido y el vapor. En realidad, en la figura 2, la rendija 32 se muestra como que ha sido cortada de parte de los extremos superiores 30 de las paredes laterales 16. Sin embargo, pueden estar situadas en un punto debajo de los extremos superiores 30 de las paredes laterales, como se muestra en la figura 5. Preferiblemente, el borde inferior 31 de la rendija 32 estará situado en un punto al menos a medio camino verticalmente hacia arriba de la pared lateral 16, más preferiblemente, en un punto al menos al 75% verticalmente hacia arriba de la pared lateral 16.

Los elementos de relleno 12 están combinados de forma encajada para montar el relleno 60 de separación de fluido de la presente invención. El encaje de los elementos de relleno está representado en la figura 6. En este caso, se muestra la unión de dos niveles de elementos de relleno. El nivel superior 40 de elementos de relleno se ha de insertar en el nivel inferior 50 de elementos de relleno antes de usarlo dentro de la columna de separación. Las bajantes 20 desde el nivel superior 40 están formadas, en su sección superior, por las paredes laterales 16 de los elementos de relleno 12. Las bajantes 20 se extienden más allá del nivel superior 40, como se muestra por las paredes laterales 21 de la misma que forman la porción inferior 22 de la bajante 20. Esta porción inferior 22 de la bajante 20 está insertada en el volumen de contacto 36 de un elemento de relleno 12 situado en el nivel inferior 50.

El flujo del líquido y el vapor a través del relleno 60 de separación de fluido de la presente invención se ilustra en la figura 7. El vapor que sube circula a través de las aberturas en la base 14 y está conducido por las lengüetas 18 para vapor hacia las paredes laterales 16 de los elementos de relleno 12, como se muestra por las líneas 72. El líquido que baja circula a través de las bajantes 20 (mostrado en trazos en las paredes laterales 21 de la bajante interna) como se muestra por las líneas 74. El líquido que baja sale de las bajantes 20 por las lumbreras 28 como se muestra por las líneas 78 (como se ha descrito, se puede usar un retenedor vertical 39, como se muestra en la figura 2, para sellar las lumbreras 28 frente al vapor 72). Como se muestra en el elemento central de relleno en la fila inferior, el líquido se acumula sobre la base 14 del elemento de relleno 12, como se muestra por la masa líquida 80, y por ello es arrastrado por los vapores que suben, mostrados por las líneas 72, formando, así, un fluido de ambas fases, como se muestra por las líneas 77, que circula en una dirección rotatoria hacia arriba a lo largo de las paredes laterales 16. El fluido que circula hacia arriba se separa entonces cerca de la parte superior del elemento de relleno, mientras el líquido circula a través de las aberturas 34 creadas por las rendijas 32, como se muestra por las líneas 76, y circula entonces a través de una bajante 20 hasta el siguiente nivel inferior de elementos de relleno. El vapor circula a través de la base de la siguiente capa de elementos de relleno, como se muestra por la línea 72.

Como se puede entender, el relleno de separación de la presente invención se forma dentro de una columna o torre encajando filas de elementos de relleno conectados, junto con las bajantes asociadas, en la parte superior de una capa previa de los elementos de relleno y de las bajantes asociadas. Las filas de elementos de relleno abarcan, preferiblemente, todo el área transversal interna de la columna, aunque cerca de las paredes laterales de la columna, el diseño del relleno puede tener que ser alterado para adaptarse a la pared de columna.

Como se puede entender, el encaje de los elementos de relleno 12 de la manera que se muestra en la figura 7 da como resultado un contacto eficaz aumentado entre las fases líquida y vapor para mejorar la transferencia total de masa entre las dos fases. El apilamiento y encaje de los diversos niveles de elementos de relleno utilizan el volumen dentro de la columna más eficientemente que sólo los diseños de bandeja e, incluso, que los diseños de bandeja con relleno, ya que ambos requieren espacio inactivo para subsistir entre las bandejas verticalmente espaciadas. Los elementos de relleno de la presente invención conservan los rendimientos proporcionados por los diseños de bandeja usuales, porque hay todavía contacto entre el líquido y el vapor dentro de un elemento de relleno muy semejante al de una bandeja, excepto en que en la presente invención el contacto está mejorado debido al contacto de corrientes paralelas que se puede obtener. Además, hay bajantes para transportar el líquido a niveles inferiores y agujeros en la cara inferior de la base de los elementos de relleno a través de los que puede subir el vapor. De tal modo, los elementos de relleno de la presente invención utilizan los rendimientos obtenibles de ambos diseños de bandeja y de relleno en un sistema.

La geometría de los elementos de relleno se ha descrito en esta memoria como siendo aquella de un diseño de octógono, que es la realización preferida debido a su percibida facilidad de fabricación y rendimiento en uso. Sin embargo, esta geometría se puede cambiar a cualquiera de un diverso número de geometrías para conseguir los fines indicados de los diseños de relleno de la presente invención. En particular, los diseños de relleno de la presente invención funcionan para proporcionar primero un elemento de relleno que sea, esencialmente, un recipiente individual en el que están en contacto el líquido y el vapor y en el que, bajo condiciones de flujo de vapor apropiadas, el contacto es en forma de corrientes paralelas dentro del volumen de contacto. Estos elementos de relleno tienen un agujero en la cara inferior de la base de los elementos de relleno a través del que puede subir el vapor y unas lengüetas encima de esos agujeros para conducir el flujo del vapor. Los elementos de relleno tienen, también, la porción inferior de una bajante desde el nivel superior de elementos de relleno que vacía el líquido desde ese nivel superior sobre la base del elemento de relleno donde se mezcla con el vapor que sube, y bajo condiciones de flujo de vapor apropiadas, es arrastrado por el vapor para contacto de corrientes paralelas en el volumen de contacto en el interior del elemento de relleno. Los elementos de relleno contienen además una rendija en sus paredes laterales, próxima a la parte superior de las mismas, para permitir que el líquido entre en una bajante. La segunda función de los diseños del relleno de la presente invención es disponer bajantes en comunicación de flujo, y conectadas generalmente a las paredes laterales del nivel superior de elementos de relleno para transportar el líquido desde las rendijas para líquido hasta la base del elemento de relleno en la capa inferior. Así, los expertos en la técnica pueden comprender fácilmente que diversas geometrías, tanto para el diseño de las paredes laterales del elemento de relleno como para las bajantes -tanto la porción superior como la porción inferior de las bajantes- se pueden utilizar como medios para conseguir estas funciones.

Por ejemplo, la geometría de las paredes laterales para los elementos de relleno se puede cambiar a una disposición hexagonal utilizando bajantes triangulares. Tal diseño daría como resultado, sin embargo, que algunas de las bajantes triangulares formadas por un revestido del plano fueran, en algunos casos, superfluas y, así, este diseño es menos eficiente que el diseño octogonal preferido. Alternativamente, se podría usar un diseño decagonal para que las paredes laterales de los elementos de relleno revistan el plano, formando, así, bajantes cuadradas, que podrían lograr el rendimiento del flujo rotatorio de corrientes paralelas dentro del volumen de contacto del elemento de relleno en el nivel inferior.

La geometría de las bajantes se puede alterar entre la porción superior y la porción inferior de las mismas. La porción superior se define como esa porción que es de la misma extensión que el nivel superior de elementos de relleno desde los que el líquido entra en la bajante. La porción inferior se define como la porción que es de la misma extensión que el nivel inferior de elementos de relleno en los que entra el líquido fuera de la bajante. En diseños preferidos, la geometría de la porción superior de la bajante está impuesta por el diseño de las paredes laterales de los elementos de relleno. Sin embargo, la porción inferior se puede hacer de cualquier geometría y se diseña, preferiblemente, para mejorar el flujo rotatorio dentro del volumen de contacto. Por ejemplo, en el diseño decagonal de los elementos de relleno, la forma de las bajantes cuadradas para la porción superior de la bajante se podría cambiar, por ejemplo, a un diseño circular, para la porción inferior de la bajante.

La altura y las longitudes de las paredes laterales de los elementos de relleno se pueden alterar, por supuesto, para optimizar la separación de masa de la aplicación particular. Generalmente, sin embargo, se considera que la separación se puede llevar a la práctica eficientemente usando elementos de relleno que tienen alturas de desde aproximadamente 2,5 hasta 25 cm, preferiblemente, desde aproximadamente 5 hasta 15 cm. La anchura de los elementos de relleno, definida como el lado más largo del elemento de relleno, será generalmente desde aproximadamente 0,6 cm hasta aproximadamente 7,6 cm, preferiblemente, desde aproximadamente 1,3 cm hasta 7,6 cm.

El relleno de separación de fluido de la presente invención se puede utilizar en diversas unidades de tratamiento de separación de masa. Las preferidas, sin embargo, son para columnas de destilación y fraccionamiento. Estas columnas están orientadas verticalmente y tienen paredes laterales circundantes con forma generalmente cilíndrica. Los fluidos a separar se introducen generalmente como líquidos, o en la misma corriente, o como partes de múltiples corrientes de alimentación, y dentro de la columna, uno de los fluidos se trata en su estado vapor mientras el otro fluido está en su estado líquido. El relleno puede ser insertado en las columnas o como una unidad prefabricada de una pluralidad de niveles previamente encajados de elementos de relleno, o como niveles individuales de elementos de relleno que se pueden montar de forma encajada en el lugar de la columna.

En caso de funcionamiento de caudal reducido, en el que la presión de vapor es insuficiente para proporcionar la fuerza elevadora necesaria para arrastrar el líquido, el relleno de separación de fluido de la presente invención se puede todavía hacer funcionar. En tal modo de caudal reducido, el relleno de la presente invención funciona como a una bandeja de flujo doble, o placa de tamiz. En tal situación, las bajantes no serían funcionales, sin embargo, debido a la carga disminuida en la columna, la pérdida del volumen de columna debido a las bajantes no sería significativa de la separación total.

Claims (10)

1. Un relleno (60) de separación de fluido, útil como material de relleno para columnas de destilación y fraccionamiento a fin de proporcionar funcionamiento en un modo de corrientes paralelas dentro del procedimiento total a contracorriente, que comprende:

(a) una pluralidad de elementos de relleno (12) conectados, que comprenden:

(1) una base (14)

(2) una pared lateral (16) continua que tiene un extremo superior (30) y un extremo inferior, terminando el extremo inferior en la base, definiendo el extremo superior una región plana superior del elemento de relleno, y definiendo las paredes laterales un volumen de contacto (36) encima de la base y debajo de la región plana superior del elemento de relleno;

(3) al menos una abertura (15) para vapor en la base a través de la que los vapores pueden entrar en el volumen de contacto;

(4) al menos una lengüeta (18) para vapor situada encima de la al menos una abertura para vapor;

(5) al menos una rendija (32) para líquido situada en la pared lateral, definiendo la rendija para líquido una abertura (34) en la pared lateral a través de la que puede circular líquido;

por lo que los elementos de relleno están conectados de tal modo que las paredes laterales de los elementos de relleno adyacentes contactan entre sí hasta cierto punto y las paredes laterales definen, también, una abertura entre elementos de relleno adyacentes;

(b) una pluralidad de bajantes (20) para líquido, que comprenden:

(1) unas paredes laterales (21) de la bajante, que tienen una porción superior y una porción inferior (22), estando situada la porción superior dentro de la abertura entre elementos de relleno adyacentes, y extendiéndose la porción inferior por debajo de la base de los elementos de relleno y teniendo un extremo (24) de porción inferior;

(2) al menos una lumbrera (28) de la bajante, situada próxima al extremo (24) de la porción inferior de la bajante, definiendo la lumbrera una abertura en las paredes laterales de la bajante, a través de la que puede circular líquido, en la que la lumbrera se comunica con un volumen de contacto de un relleno de separación de fluido encajado en la parte inferior en proximidad a la base del relleno de separación de fluido encajado en la parte inferior.

2. El relleno de separación de fluido de la reivindicación 1, en el que el relleno comprende una pluralidad de capas (40, 50) de los elementos de relleno conectados, por lo que las capas de los elementos de relleno conectados están dispuestas de manera que la bajante que tiene su porción superior formada a partir de las paredes laterales de los elementos de relleno tiene su porción inferior situada en el volumen de contacto de un elemento de relleno en una segunda fila de elementos de relleno situada directamente debajo de la primera fila.

3. El relleno de separación de fluido de la reivindicación 1, en el que las paredes laterales de los elementos de relleno forman un octógono y en el que los elementos de relleno comprenden además una pluralidad de aberturas para vapor en la base y una pluralidad de rendijas para líquido situadas en la pared lateral y en el que, además, las paredes laterales de los elementos de relleno adyacentes definen, también, una abertura de cuatro lados entre elementos de relleno adyacentes y en el que, además, la porción superior de las paredes laterales de la bajante son de la misma extensión que las paredes laterales de los elementos de relleno que forman las aberturas de cuatro lados.

4. El relleno de separación de fluido de las reivindicaciones 1 y 2, en el que la al menos una abertura para vapor está situada próxima a la pared lateral.

5. El relleno de separación de fluido de las reivindicaciones 1 y 2, en el que la al menos una rendija para líquido está situada próxima al extremo superior (30) de la pared lateral.

6. El relleno de separación de fluido de las reivindicaciones 1 y 2, en el que la porción superior de la bajante está formada por las paredes laterales de los elementos de relleno.

7. El relleno de separación de fluido de las reivindicaciones 1 y 2, en el que dichas paredes laterales de los elementos de relleno forman un octógono.

8. El relleno de separación de fluido de las reivindicaciones 2 y 3, en el que la abertura para vapor está situada en un punto entre la pared lateral y el extremo de la porción inferior de la bajante de una capa de relleno encajada en la parte superior.

9. El relleno de separación de fluido de las reivindicaciones 1 a 3, en el que las lengüetas para vapor están situadas de manera que conducen flujo de vapor a través de las aberturas para vapor hacia las paredes laterales.

10. Un procedimiento para fraccionar, destilar o similar, que comprende alimentar unos fluidos primero y segundo a una columna vertical que tiene paredes laterales circundantes y que contiene el relleno de separación de fluido de las reivindicaciones 2 a 9, en el que el primer fluido está en su estado vapor y el segundo fluido está en su estado líquido dentro de la columna, y que comprende además conducir dichos fluidos para que circulen a través de la pluralidad de bajantes para líquido, por lo que los vapores presentes dentro de dicha columna circulan hacia arriba desde una primera capa de elementos de relleno hasta la siguiente, dentro de dichas aberturas para vapor, y el líquido presente dentro de dicha columna circula hacia abajo desde una primera capa de elementos de relleno hasta la siguiente, pasando a través de dicha rendija para líquido y a través de las bajantes, y por lo que el líquido y el vapor contactan entre sí en forma de corrientes paralelas dentro del volumen de contacto de los elementos de relleno.