ES2235063T3 - Sistema para extraer y rectificar una mezcla fluida. - Google Patents
Sistema para extraer y rectificar una mezcla fluida.Info
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Abstract
Sistema para extraer y rectificar una mezcla fluida, que comprende un cambiador de calor con canales cerrados en todos los lados con extremo de entrada y extremo de salida para una sección de extractor y una sección de rectificador, estando ajustado un compresor entre las entradas de dicha sección de extractor y sección de rectificador, estando hecho dicho cambiador de calor de una serie de placas adyacentes entre las cuales se delimitan de forma alternada canales cerrados en todos los lados para dicha sección de extractor o sección de rectificador, y extendiéndose dichos canales de una manera esencialmente vertical y estando construidos de manera que todo el contenido líquido en su interior pueda moverse hacia la parte inferior de dicha sección, caracterizado porque la sección transversal de flujo de los canales de dicha sección disminuye desde el extremo de entrada hasta el extremo de salida.
Description
Sistema para extraer y rectificar una mezcla
fluida.
La presente invención se refiere a un sistema
para extraer y rectificar una mezcla fluida, que comprende un
cambiador de calor con canales cerrados en todos los lados con
extremo de entrada y extremo de salida para una sección de extractor
y una sección de rectificador, estando ajustado un compresor entre
las entradas de dicha sección de extractor y sección de
rectificador, estando hecho dicho cambiador de calor de una serie de
placas adyacentes entre las cuales se delimitan de manera alterna
canales cerrados en todos los lados para dicha sección de extractor
o sección de rectificador, y extendiéndose dichos canales de una
forma esencialmente vertical y estando construidos de manera que
todo el líquido contenido en su interior pueda moverse hacia la
parte inferior de dicha sección.
Se describe un sistema de este tipo en el
documento US 5 592 832. En este documento se describe el proceso
denominado columna de destilación de calor integrado. Éste es un
proceso donde se ajusta un compresor entre la sección de extractor y
la sección de rectificador. Además, tiene lugar un intercambio de
calor directo entre la sección de rectificador y la sección de
extractor, es decir, hay transferencia de calor directa desde la
sección de rectificador a la sección de extractor en un cambiador de
calor de carcasa y tubo. Como resultado, el condensador y la caldera
pueden hacerse de un tamaño relativamente pequeño. De esta manera,
puede mejorarse la eficacia respecto a una destilación convencional.
La diferencia de presión generada como se describe en el documento
US 5 592 832 se asocia con una diferencia correspondiente en la
temperatura de operación, como resultado de lo cual el calor puede
transferirse directamente desde la sección de rectificador a la
sección de extractor.
Se usa un sistema de este tipo, por ejemplo, para
separar hidrocarburos que tienen puntos de ebullición próximos entre
sí tales como, por ejemplo, propano y propeno. La mezcla se
suministra a la parte superior de la sección de extractor y, por un
lado, cae a través de la sección de extractor y, por otro lado, se
bombea por el compresor hasta la entrada de la sección de
rectificador, que está en la parte inferior de la sección de
rectificador dispuesta verticalmente. Opcionalmente, en las diversas
secciones puede estar presente un empaquetamiento. Durante la
operación hay corrientes de gas y líquido relativamente grandes en
la parte superior de la sección de extractor y corrientes
minoritarias de gas y líquido en la parte inferior. La situación se
invierte para la sección de rectificador. Hay grandes corrientes de
gas y líquido en la parte inferior, es decir, la entrada, y
corrientes minoritarias de gas y líquido en la parte superior.
Como resultado de esta disposición, es posible
usar de manera útil calor con un valor relativamente alto procedente
de la sección de rectificador en la sección de extractor. Esto
contrasta con los procesos anteriores donde se recuperaba calor que
tenía un valor relativamente bajo exclusivamente en el condensador y
donde se suministraba calor con un valor relativamente alto
exclusivamente a la caldera. Como resultado de esto puede aumentarse
el rendimiento del proceso.
En la Patente de Estados Unidos Nº 5 592 832 se
describe un cambiador de calor de tipo placa/aleta con dos grupos de
zonas de paso para rectificar y extraer. Este cambiador de calor
está compuesto por varias placas/aletas que se extienden
verticalmente dispuestas en paralelo unas al lado de las otras. En
el documento EP 0 726 085 Al se describe también un proceso de
columna de destilación de calor integrado (HIDiC), que describe una
columna de destilación de calor integrado que tiene un cambiador de
calor multitubular con una sección transversal variable de los
tubos.
Un objetivo de la presente invención es
proporcionar un sistema con el que se puede poner en práctica un
cambiador de calor de una manera muy compacta. La transferencia de
calor y de masa puede optimizarse como resultado de la construcción
compacta.
Este objetivo se consigue con un sistema como el
descrito anteriormente, ya que la sección transversal de flujo de
los canales de dicha sección disminuye desde el extremo de entrada
al extremo de salida.
Considerando las corrientes de líquido y gas
presentes en una sección en diversas localizaciones en estados
diferentes, de acuerdo con la invención la sección transversal de
flujo de los canales de una o ambas secciones se construye de manera
que se vaya haciendo más pequeña desde la entrada hacia la salida.
Después de todo, la corriente de gas y líquido disminuye hacia la
salida, como resultado de lo cual se necesita un volumen menor.
Colocando los canales de la sección de rectificador y la sección de
extractor uno al lado del otro es posible hacer un uso óptimo del
espacio entre las placas. Sin embargo, con esta disposición es
necesario tomar medidas para cerrar herméticamente unas secciones
con respecto a otras.
Si se usa el principio de contracorriente, es
decir, la salida está por debajo de la entrada en la sección de
extractor mientras que la salida está por encima de la entrada en la
sección de rectificador, puede llevarse a cabo la convergencia de
los canales adyacentes de manera que los ejes de los mismos
permanezcan paralelos.
De acuerdo con otra realización preferida, el
cambio de sección transversal de los canales relacionados se obtiene
cambiando la distancia entre dos paredes opuestas del cambiador de
calor. Las otras paredes (placas finales) del cambiador de calor son
paralelas entre sí.
Puede producirse un cambiador de calor compacto
de este tipo por cualquier método conocido en el estado de la
técnica. De acuerdo con una realización ventajosa, los canales se
practican en las placas como rebajes y, en particular, se realizan
en las mismas por ataque químico. Además es posible hacer canales en
una o más placas y unir estas placas entre sí de alguna manera
conocida en el estado de la técnica. En particular, se usa unión por
difusión para este fin.
Los cambiadores de calor compactos tienen un área
superficial de intercambio de calor más grande por unidad de volumen
que los cambiadores de calor de carcasa y tubo. Como resultado, la
instalación en cuestión puede hacerse más compacta y las diferencias
de temperatura pueden limitarse, pudiendo reducirse como resultado
de esto la diferencia de presión y, por lo tanto, pudiendo usarse un
compresor más pequeño y menos caro y aumentando el
rendi-
miento.
miento.
De acuerdo con otra realización ventajosa, es
posible recubrir las placas o las partes añadidas descritas
anteriormente, por ejemplo, con un material catalizador o introducir
dicho material catalizador u otro reactivo en forma granular en los
canales en cuestión.
Los cambiadores de calor compactos pueden
prepararse fácilmente a partir de una construcción modular, como
resultado de lo cual pueden realizarse fácilmente modificaciones
para ajustarse a las condiciones cambiantes. Además, es posible
ajustar la proporción entre el área superficial de transferencia de
calor y el área superficial de transferencia de masa, que es crítica
para un buen diseño, de una manera particularmente sencilla
ajustando la geometría del cambiador de calor compacto. Esto se
aplica en particular para la realización descrita anteriormente, en
la que las aletas, que se extienden por ejemplo con una forma
ondulada, se disponen entre las placas paralelas. Ajustando el
número y/o la separación, puede influirse en la proporción entre la
transferencia de calor y la transferencia de masa.
El sistema descrito anteriormente puede usarse
para extraer/rectificar una amplia diversidad de tipos de
substancias. Los diversos aspectos no se restringen a hidrocarburos
o propano/propeno.
El cambiador de calor compacto puede construirse
de una amplia diversidad de maneras. En general, cada canal vertical
dispondrá de una entrada para líquido y una salida para gas por
encima de la superficie de intercambio de calor y una entrada de gas
y una salida de líquido por debajo de la superficie de intercambio
de calor. Además, estas entradas y salidas de cada canal deben
disponerse de manera que puedan estar conectadas a las partes
correspondientes de otros canales con ayuda de un cajetín o
colector. La separación entre la corriente de gas y líquido no tiene
lugar necesariamente en cada canal, sino que también puede
realizarse fuera del mismo. Lo que es importante es que el medio
entrante se distribuya uniformemente por los diversos canales de
manera que pueda proporcionarse un intercambio de calor y una
transferencia de masa óptimos. Si fuera apropiado, pueden tomarse
medidas especiales para este fin. Esto se aplica tanto a la salida
de gas y entrada de líquido como a la entrada de gas y salida de
líquido.
La invención se explicará con más detalle a
continuación haciendo referencia a las realizaciones ilustrativas
mostradas en los dibujos. En los dibujos:
la fig.1 muestra el funcionamiento general del
concepto HIDiC;
la fig. 2 muestra un cambiador de calor compacto
construido como cambiador de calor de placa/aleta;
las figs 3a y 3b muestran la forma de los canales
en un cambiador de calor compacto particular; y
la fig. 4 muestra una alternativa para la
construcción de las figs 2 y 3.
En la fig. 1 se muestra el diagrama de un método
para separar dos componentes. La mezcla a separar se suministra a
una sección de extractor S en 1. El producto gaseoso se suministra
mediante una tubería al compresor 2 y se comprime de una manera no
mostrada con más detalle y se suministra a la sección de
rectificador R. El producto líquido producido en esta sección se
devuelve a la tubería 1. Se suministra gas al condensador 3.
El líquido que se produce en la sección de
extractor S se suministra a una caldera 4, y después se descarga
parcialmente como producto de cola. La transferencia de calor desde
la sección de rectificador a la sección de extractor se indica
mediante las flechas 5. Se entenderá que es importante permitir que
tenga lugar esta transferencia de calor de una manera tan eficaz
como sea posible.
De acuerdo con la invención, esto puede
conseguirse con los denominados cambiadores de calor compactos.
En la fig. 2 se proporciona un ejemplo de uno de
estos cambiadores de calor, indicándose un cambiador de calor
compacto en su totalidad por 10. Este cambiador de calor está
compuesto por canales alternos 11 y 12. Hay aletas 13 y 14,
respectivamente, que se extienden de una manera serpenteante en cada
uno de los canales. Estas aletas están dispuestas de manera que los
canales siempre se extienden verticalmente. Las placas 15 y 16,
respectivamente, se localizan siempre entre los canales 11 y 12.
Como resulta evidente a partir del dibujo, el
área transversal de cada canal cambia de la parte inferior a la
parte superior. Los canales 11 son parte de la sección de extractor
y tienen un área transversal que aumenta desde la parte inferior a
la parte superior. Los canales 12 son parte de la sección de
rectificador y tienen un área transversal que disminuye desde la
parte inferior a la parte superior. Hay un flujo en contracorriente
en ambos tipos de canales, fluyendo el gas hacia arriba y el líquido
hacia abajo. Las placas finales de los canales, que son
perpendiculares a las placas 15 y 16 de transferencia de calor, son
paralelas entre sí. Los canales 11 y 12 pueden disponer de rellenos
alternativos, tales como rellenos estructurados, en lugar de aletas,
para mejorar la transferencia de masa. Los especialistas en la
técnica de destilación conocen bien diversos tipos de relleno
estructurado, basado en malla de gasa o alambre o placas
onduladas.
No se han incluido los colectores en este
dibujo.
En las figs 3a y b se muestran las placas 24 y
25, que están dispuestas en contacto entre sí y en las que se han
hecho los canales 26 y 27, respectivamente. Como puede observarse,
estos canales son de construcción convergente/divergente. La figura
3a se refiere a la sección de extractor donde la sección transversal
disminuye hacia la parte inferior porque en esta localización está
presente una corriente de líquido y gas relativamente pequeña. La
figura 3b muestra una sección de rectificador donde los canales
están construidos precisamente justo al revés. En lugar de ser
cónicos, los canales pueden hacerse también escalonados o con
dimensión de sección transversal variable de cualquier otra
manera.
Los canales pueden rellenarse opcionalmente con
un relleno que contiene un reactivo o catalizador.
En las figs 4a y b se muestran variantes para
cambiar la sección transversal de los canales. En estas figuras, a
diferencia de la fig. 3, las placas no están dispuestas en paralelo.
Éste es preferiblemente un cambiador de calor de tipo placa/aleta.
En la fig. 4a las placas están inclinadas entre sí (como en la fig.
2) y en la fig. 4b las placas son de construcción escalonada.
Aunque la invención se ha descrito anteriormente
haciendo referencia a unas pocas realizaciones de un cambiador de
calor compacto, los especialistas en la técnica entenderán que son
posibles modificaciones adicionales. Se hace referencia a
cambiadores de calor compactos tales como los descritos en
"Learning from experience with compact heat exchangers" de
Prof. David Reay, publicado por el Centro para el Análisis y
Diseminación de Tecnologías Energéticas Demostradas. Además, se hace
referencia a la publicación titulada "Compact heat exchangers"
de J.E. Hesselgreaves, Pergamon, 2001. Los cambiadores de calor
pueden tener muchas formas diferentes. Dichas variantes están dentro
del alcance de la presente invención. Puede mencionarse como ejemplo
una realización en la que dos placas paralelas se enrollan juntas y
que se indica con configuración espiral. El compresor puede
diseñarse dependiendo del proceso. Se aplica lo mismo con respecto
al tamaño y presencia del condensador y/o caldera 3 y 4,
respectivamente, como se muestra en la fig.1.
Claims (10)
1. Sistema para extraer y rectificar una mezcla
fluida, que comprende un cambiador de calor con canales cerrados en
todos los lados con extremo de entrada y extremo de salida para una
sección de extractor y una sección de rectificador, estando ajustado
un compresor entre las entradas de dicha sección de extractor y
sección de rectificador, estando hecho dicho cambiador de calor de
una serie de placas adyacentes entre las cuales se delimitan de
forma alternada canales cerrados en todos los lados para dicha
sección de extractor o sección de rectificador, y extendiéndose
dichos canales de una manera esencialmente vertical y estando
construidos de manera que todo el contenido líquido en su interior
pueda moverse hacia la parte inferior de dicha sección,
caracterizado porque la sección transversal de flujo de los
canales de dicha sección disminuye desde el extremo de entrada hasta
el extremo de salida.
2. Sistema de acuerdo con la reivindicación 1,
donde dicha sección transversal de flujo cambia gradualmente.
3. Sistema de acuerdo con la reivindicación 1 o
2, donde dicha sección transversal de flujo disminuye
escalonadamente.
4. Sistema de acuerdo con una de las
reivindicaciones anteriores, donde dichos canales comprenden rebajes
en una placa.
5. Sistema de acuerdo con la reivindicación 4,
donde dichos canales se han creado por ataque químico de dicha
placa.
6. Sistema de acuerdo con una de las
reivindicaciones anteriores, donde los canales están delimitados por
secciones de placa puestas unas sobre otras, habiéndose ajustado
unas secciones de placa sobre otras mediante unión por difusión.
7. Sistema de acuerdo con una de las
reivindicaciones anteriores, donde el extremo de salida de dicha
sección de rectificador está conectado a un condensador.
8. Sistema de acuerdo con una de las
reivindicaciones anteriores, donde el extremo de salida de dicha
sección de extractor está conectado a una caldera.
9. Sistema de acuerdo con una de las
reivindicaciones anteriores, donde dicho cambiador de calor es un
cambiador de calor de contracorriente y las secciones transversales
tanto de la sección de extractor como de la sección de rectificador
disminuyen desde la entrada al extremo de salida de la misma.
10. Sistema de acuerdo con la reivindicación 9,
donde el eje de los canales de la sección de extractor es paralelo
al eje de los canales de la sección de rectificador.
Applications Claiming Priority (2)
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