ES2251010T3 - Dispositivo de distribucion de dos fases de corriente descendente. - Google Patents
Dispositivo de distribucion de dos fases de corriente descendente.Info
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Abstract
UN DISPOSITIVO DE DISTRIBUCION LIQUIDO - VAPOR PARA USO EN VASIJAS DE FLUJO DESCENDENTE CONCURRENTE DE DOS FASES COMPRENDE UN NIVEL, UNA BANDEJA HORIZONTAL FABRICADA E INSTALADA PARA SER ESENCIALMENTE ESTANCA EN LAS UNIONES DE LA BANDEJA Y LAS PAREDES DE LA VASIJA, ESTANDO LA BANDEJA HORIZONTAL PERFORADA CON ORIFICIOS EQUIDIMENSIONALES, ESTANDO LOS ORIFICIOS DISTRIBUIDOS EN UNA PAUTA OPTIMIZADA SOBRE LA SUPERFICIE DE LA BANDEJA HORIZONTAL, ESTANDO PROVISTA CADA PERFORACION A TRAVES DE LA BANDEJA HORIZONTAL CON UN TUBO DE SUBIDA DE VAPOR.
Description
Dispositivo de distribución de dos fases de
corriente descendente.
La presente invención consiste en un dispositivo
de bandeja de distribución de líquido que mejora la distribución de
líquido sobre la zona transversal de un recipiente situado a
continuación de la bandeja. Asimismo, el dispositivo contacta
estrechamente las fases líquidas y de vapor para lograr un
equilibrio térmico y de composición. El dispositivo normalmente se
usa en un reactor de tratamiento con hidrógeno.
La mayoría de los diseños conocidos de
dispositivos de distribución de líquido se pueden clasificar en una
de cuatro categorías. La primera es una serie de cubetas y
vertederos de superficie para subdividir sistemáticamente el líquido
en varias corrientes antes de que contacte con la base. Con
frecuencia este tipo se usa en contactores de líquido o absorbedores
de contracorriente. Un ejemplo de este tipo se describe en la
patente estadounidense Nº 5.192.465.
Un segundo tipo de dispositivo de distribución de
líquido es una bandeja horizontal perforada. La misma puede tener o
no vertederos con ranuras alrededor de las perforaciones. La bandeja
también puede tener chimeneas para el flujo de vapor. Este tipo de
dispositivo de distribución se puede usar para una distribución de
líquido desigual junto con una bandeja final de distribución de
líquido más sofisticada. Ejemplos de este tipo se describen en la
patente estadounidense Nº 4.836.989.
El tercer tipo común de dispositivo de
distribución de líquido es una bandeja de chimeneas. Este
dispositivo usa una serie de tuberías verticales dispuestas
normalmente en un patrón de separación constante cuadrado o
triangular sobre una bandeja horizontal. Normalmente, las tuberías
verticales tienen agujeros en los laterales para el paso del
líquido. Las partes superiores de las tuberías verticales están
abiertas para permitir que el vapor corra a través del centro de las
chimeneas. Algunos diseños usan chimeneas especiales con tubos de
bajada de vapor para soportar gran parte del flujo de vapor. Este
tipo se conoce gracias a la patente estadounidense Nº 4.126.540 y a
la patente estadounidense Nº 3.353.924.
El cuarto tipo de dispositivo de distribución de
líquido es una bandeja de campana de burbujeo. Este dispositivo usa
una serie de campanas de burbujeo colocadas en un patrón de
separación constante sobre una bandeja horizontal.
La campana de burbujeo es una campana centrada
concéntricamente en una tubería vertical. Los laterales de la
campana tienen ranuras para el flujo de vapor. El líquido fluye por
debajo de la campana y, junto con el vapor, asciende por la zona
anular y, posteriormente, desciende a través del centro de la
tubería vertical, como se describe en la patente estadounidense Nº
5.158.714.
El dispositivo de la presente invención se
denomina "bandeja de distribución de elevación de vapor". Está
apoyada horizontalmente en el recipiente. La bandeja puede ser una
placa maciza o seccionada. Independientemente de si es maciza o
seccionada, todos los bordes de la bandeja están provistos de juntas
o si no están sellados para proporcionar una superficie básicamente
sin fugas.
La bandeja está perforada con agujeros separados
uniformemente a través de su superficie. Los agujeros pueden ser
redondos, cuadrados, rectangulares o con cualquier otra forma
geométrica. Los agujeros están separados óptimamente en un patrón
simétrico cuadrado, triangular, radial o de otra forma. Si la
bandeja horizontal está seccionada, los agujeros de perforación
pueden estar colocados óptimamente en cada sección de la bandeja. En
todos los casos, se usa un patrón optimizado para proporcionar un
espacio prácticamente uniforme entre todas las perforaciones y para
proporcionar, a la zona de bandeja horizontal, una proporción
prácticamente uniforme de zona de agujeros de perforación a través
de toda la bandeja horizontal.
Cada perforación está equipada con un dispositivo
en forma de "U" invertida denominado un "tubo de elevación de
vapor". Los tubos de elevación de vapor están acoplados a la
bandeja de tal manera que son estancos.
En la parte inferior de la bandeja, se establece
un borde de goteo para cada perforación. Esto se logra extendiendo
el tubo de elevación de vapor a través de la bandeja, acoplando una
pieza independiente a la bandeja, extrudiendo la bandeja hacia abajo
o mediante cualquier otro medio equivalente.
En las reivindicaciones se definen las formas de
realización anteriores, así como otras formas de realización de la
invención.
La Fig. 1 muestra una primera forma de
realización del tubo de elevación de vapor de la presente
invención.
Las Figs. 2 a 5 muestran formas de realización
alternativas del tubo de elevación de vapor de la presente
invención.
El concepto de diseño del tubo de elevación de
vapor se muestra en la Fig. 1. Un brazo (tubo de flujo descendente
1) de la "U" invertida tiene la abertura 4 entre los brazos. De
ese modo, el dispositivo proporciona una trayectoria de flujo a
través de la bandeja: entrada a través del extremo del brazo corto,
flujo vertical a través del brazo corto, cambio de dirección en la
parte superior de la "U" invertida, flujo descendente a través
del brazo largo y descarga a través del extremo abierto del brazo
largo por debajo de la bandeja.
Una ranura vertical 5 está tallada, en el lateral
del brazo corto opuesto al brazo más largo. La parte superior de la
ranura está en la parte inferior de la abertura interna entre los
brazos o por debajo de ésta. Alternativamente, se podrían tallar dos
o más ranuras en los laterales del brazo corto adyacentes al brazo
más largo u opuestos al mismo.
En funcionamiento, se establecerá un nivel de
líquido en la bandeja. El nivel de líquido del tubo de elevación de
vapor estará por encima de la parte inferior del brazo corto, pero
por debajo de la parte superior de la ranura del brazo corto. El
vapor pasará a través de la ranura del brazo corto creando una caída
de presión entre el interior y el exterior del tubo de elevación de
vapor. Debido a la menor presión dentro del tubo de elevación de
vapor, el nivel de líquido será mayor en el interior que en el
exterior del tubo de elevación de líquido. El vapor y el líquido se
mezclarán en el brazo más corto elevando el vapor el líquido para
que ascienda y fluya por la pared de conexión entre el brazo más
corto y el más largo. El líquido se liberará parcialmente, mientras
fluye por la pared de conexión y descenderá por el brazo más corto.
En la abertura de debajo de la bandeja, el líquido y el vapor se
liberarán aún más drenando el líquido por el borde de goteo.
En las Figs. 2, 3, 4 y 5 se muestran versiones
alternativas del diseño de tubo de elevación de vapor. En la Fig. 1,
los brazos de la "U" invertida tienen secciones transversales
cuadradas o rectangulares. En la Fig. 2, el dispositivo comprende un
único tubo redondo 6 con un deflector vertical 7 para formar los
brazos corto y largo. En la Fig. 3, el dispositivo comprende una
pareja de tubos redondos no concéntricos, 8 y 9. El brazo largo es
el tubo de menor diámetro 9 mientras que el brazo corto es el
espacio anular 10 del interior del tubo largo 8. En la Fig. 4, se
usa un dispositivo en forma de "M" siendo los brazos exteriores
el equivalente de los brazos cortos y siendo el brazo central el
equivalente del brazo largo. Esta versión se usaría en los casos en
los que existen grandes cargas de líquido y vapor. La Fig. 5 es el
mismo concepto básico que la Fig. 4 con la excepción de que el brazo
central es un tubo redondo. En todas las versiones, se ha ilustrado
la parte superior como si fuera una placa plana. La parte superior
también podría ser redonda, abombada, en pico o con cualquier otra
geometría.
La versión preferente del tubo de elevación de
vapor es el diseño que se muestra en la Fig. 5. Esta versión se
puede diseñar para que funcione con un amplio intervalo de cargas de
vapor-líquido, mantiene las relaciones geométricas
necesarias para la funcionalidad y se puede fabricar de manera
económica y eficaz.
El dispositivo conocido de distribución de tipo
cubeta es mecánicamente complejo y muy sensible a la regularidad de
la superficie. En función del diseño de las superficies de
transición entre las cubetas, la calidad de la distribución también
puede ser susceptible al ensuciado.
El diseño conocido de placa perforada es similar
al diseño de chimenea. Se prefiere el diseño de chimenea dado que se
puede diseñar para un intervalo mayor de cargas de líquido/vapor y
es menos susceptible al ensuciado.
La ventaja de un dispositivo de tubo de elevación
de vapor, según la invención, respecto al diseño de tipo chimenea es
el intervalo de reducción posible, considerablemente mayor con el
tubo de elevación de vapor. Cuando disminuye el flujo de líquido,
una chimenea diseñada de manera adecuada o bien se debe poder
alargar o bien debe tener agujeros más pequeños perforados en el
lateral. Debido a las tolerancias de fabricación, al cuidado de la
instalación y a la desviación debida a la carga en funcionamiento,
no todos los dispositivos de distribución estarán al mismo nivel en
el recipiente. En cierto nivel de reducción, algunos agujeros
estarán cubiertos de líquido y otros no. Esto tiene como resultado
una distribución de líquido desigual sobre la superficie de debajo
de la bandeja. Con un diseño adecuado, el dispositivo de tubo de
elevación de vapor reducirá la diferencia de flujo de líquido entre
los tubos de elevación de vapor a diferentes alturas mejor de lo que
se puede lograr con un diseño de tipo chimenea. Una ventaja
adicional del tubo de elevación de vapor respecto al diseño de tipo
chimenea es el mayor contacto de las fases líquidas y de vapor. El
contacto estrecho que se produce en la parte de flujo ascendente del
tubo de elevación de vapor proporciona una mayor aproximación al
equilibrio térmico y de composición que la que se lograría con la
bandeja de
chimenea.
chimenea.
El concepto del dispositivo de tubo de elevación
de vapor es similar al del dispositivo de campana de burbujeo, sin
embargo tiene varias ventajas. Dado que el dispositivo de tubo de
elevación de vapor es más pequeño, se pueden colocar más en una
bandeja de distribución para lograr una mejor distribución del
líquido. Además, dado que los patrones de espaciado normales tienen
una separación cuadrada o triangular, normalmente hay espacios en la
extensión de distribución de líquido próxima a la pared del
recipiente. Con un espaciado menor, el tamaño de dichos espacios es
menor. La eficacia de humedecimiento total debajo de la bandeja es
mejor con una separación más pequeña que con una separación mayor.
La bandeja de diseño de campana de burbujeo se limita a un espacio
relativamente grande y se han probado medidas adicionales para
mejorar el flujo de líquido desde la campana, por ejemplo, la placa
de corte que se describe en la patente de Shih. El hecho de aumentar
la cantidad de campanas de burbujeo con espacio reducido aumentaría
la cantidad de puntos de distribución, pero afectaría negativamente
a la relación de flujo del líquido/vapor a través de cada campana.
El uso de más campanas de burbujeo exigiría fabricar las campanas de
burbujeo más pequeñas o bien con ranuras más pequeñas o bien con
menos ranuras. No es práctico usar ranuras más pequeñas dado que
existe un tamaño mínimo de ranura a efectos de ensuciado. No es
conveniente usar menos ranuras dado que puede llevar a una
canalización del vapor en el espacio anular y a un contacto menos
eficaz con la fase líquida. Una ventaja adicional del dispositivo de
tubo de elevación de vapor es que su sencillez hace que sea más
fácil y menos caro de fabricar en el tamaño óptimo que establecen
las condiciones de procesamiento.
En muchos procedimientos en los que se usará esta
bandeja, por ejemplo, reactores de tratamiento con hidrógeno, con el
tiempo y durante las operaciones de reducción, puede haber muchas
variaciones en los ritmos y en las propiedades físicas de la fase
líquida y de vapor. Debido a las tolerancias de fabricación y al
cuidado de la instalación, habrá variaciones inevitables en la
regularidad de superficie de la bandeja de distribución. Los
líquidos que caen en la bandeja de distribución desde un
distribuidor de entrada o mezclador de zona de enfriamiento se
pueden distribuir de manera irregular y podría tener como resultado
gradientes de altura de líquido a través de la bandeja, debido a
salpicaduras, a ondas o a carga hidráulica. Un diseño de
distribuidor de líquido optimizado, que usa el concepto de tubo de
elevación de vapor, puede proporcionar una mejor distribución de
líquido por debajo de la bandeja de lo que se puede obtener con los
diseños optimizados de distribuidores con cubetas, de bandejas de
distribución con placas perforadas, de bandejas de distribución de
tipo chimenea o de bandejas de distribución con campanas de
burbujeo
concéntricas.
concéntricas.
Normalmente, las bandejas de distribución de
líquido de esta invención se usarán en reactores de tratamiento con
hidrógeno. Obteniendo una distribución uniforme de los reactivos
líquidos sobre toda la zona transversal del reactor, todo el
catalizador que se encuentra en un nivel determinado se humedece
uniformemente. Por lo tanto, todos los catalizadores que se
encuentra en un nivel de terminado actúan con el mismo rendimiento,
lo que aumenta el rendimiento global del reactor. Adicionalmente,
una distribución uniforme del líquido mantiene perfiles uniformes de
temperatura radial a través del reactor. Esto tiene como resultado
la reducción al mínimo de las temperaturas máximas del reactor que,
con el tiempo, reducen el ritmo de coquización y de desactivación
del catalizador. Por consiguiente, el reactor actúa de manera más
eficaz y con una longitud de ciclo mayor. El valor se logra con
reducidos requisitos del catalizador, con una capacidad de
procesamiento superior y/o con longitudes de ciclo mayores. El
dispositivo funcionará con cualquier contactor o reactor de flujo
descendente bifásico. Las aplicaciones normales serían en
hidrotratamiento, en hidrocraqueo, en saturación aromática, en
desparafinado catalítico y en reactores de hidroacabado.
Se ha analizado el resultado de la distribución
del distribuidor de elevación de vapor frente a la campana de
burbujeo tradicional (patente estadounidense Nº 3.218.249, Ejemplo
IV) a presión atmosférica, a temperatura ambiente y con agua y
aire.
La campana de burbujeo usada en esta prueba se
muestra en la patente estadounidense anterior. Las dimensiones
fueron las siguientes: el elevador era un tubo de acero con un
diámetro exterior de 79 mm, un grosor de pared de 2,11 mm y una
altura de 180 mm. La campana estaba hecha de un tubo de acero con un
diámetro interior de 111 mm, con un grosor de pared de 2,11 mm y una
altura de 129 mm con el extremo superior cerrado por una placa de
acero plana. Se proporcionaron separadores en el espacio anular
entre el elevador y la campana. Cada campana estaba provista de
siete ranuras separadas por igual, con una anchura de 6,4 mm y una
altura de 64 mm. La altura vertical desde la parte superior del
elevador hasta la pared interior de la campana era de 19 mm.
El tubo de elevación de vapor usado en la prueba
se muestra en la Fig. 4.
La prueba se llevó a cabo en una instalación de
pruebas con dos distribuidores idénticos montados en una placa de
bandeja. Los dos distribuidores se montaron desnivelados 10 mm. Se
introdujo agua y aire en la bandeja en proporciones controladas. El
agua que salía de cada uno de los distribuidores se recogió
simultáneamente en dos recipientes durante un período de tiempo
determinado. Se pesó el contenido de los recipientes a fin de
observar el flujo del distribuidor en la posición baja y el flujo
del distribuidor en la posición alta.
La sensibilidad del flujo de líquido desde un
distribuidor hasta el nivelado de la bandeja se definió como:
(1)Sensibilidad: 2x
\frac{W^{bajo} - W^{alto}}{W^{bajo} + W^{alto}} x
100%
en la
que:
W^{bajo} es el peso del líquido recogido del
distribuidor en la posición baja.
W^{alto} es el peso del líquido recogido del
distribuidor en la posición alta.
Se modificó el flujo de agua y de aire a la
bandeja a fin de simular las condiciones reales de carga de
vapor/líquido de un reactor de tratamiento con hidrógeno. En un
reactor de tratamiento con hidrógeno el flujo de vapor/líquido varía
de unidad a unidad en función de la composición del petróleo, del
ritmo de purificación del gas y de la composición y de la presión y
temperatura de funcionamiento del reactor. En el experimento se
simularon tres casos típicos de carga de vapor/líquido: un caso de
carga alta de líquido, un caso de carga media de líquido y un caso
de carga baja de
líquido.
líquido.
Asimismo, respecto a un reactor específico el
flujo de vapor/líquido será diferente para un funcionamiento a
temperatura baja del reactor y con un catalizador nuevo (Comienzo
del proceso: SOR) que para un funcionamiento a temperatura elevada
del reactor y con un catalizador desactivado (Final del proceso:
EOR). Asimismo, en la prueba se simuló este efecto.
Ambos tipos de distribuidor se analizaron con las
cargas de agua/aire que se presentan en la Tabla 1 que aparece a
continuación:
\vskip1.000000\baselineskip
Carga alta de líquido | Carga media de líquido | Carga baja de líquido | |
H_{seca}/H | 0,63 | 0,63 | 0,63 |
Q_{a}^{SOR}/ Q_{w}^{SOR} | 32,1 | 91,7 | 183,5 |
Q_{a}^{EOR}/ Q_{w}^{EOR} | 91,7 | 183,5 | 642,2 |
Q_{a}^{EOR}/ Q_{a}^{SOR} | 1,30 | 1,34 | 1,30 |
en la
que:
- H_{seca} es la altura vertical media de las ranuras que no está cubierta de líquido, en mm.
- H es la altura total de la ranura, en mm.
- Q_{a}^{SOR} es el flujo de aire volumétrico usado en el experimento para simular las condiciones de SOR del reactor, en m^{3}/hr.
- Q_{a}^{EOR} es el flujo de aire volumétrico usado en el experimento para simular las condiciones de EOR del reactor, en m^{3}/hr.
- Q_{w}^{SOR} es el flujo de agua volumétrico usado en el experimento para simular las condiciones de SOR del reactor, en m^{3}/hr.
- Q_{w}^{EOR} es el flujo de agua volumétrico usado en el experimento para simular las condiciones de EOR del reactor, en m^{3}/hr.
El resultado de la distribución, medido en
términos de sensibilidad de flujo de líquido respecto a un cambio de
nivel de 10 mm, según lo define la ecuación (1), se presenta en la
Tabla 2 respecto a la campana de burbujeo tradicional y en la Tabla
3 respecto al distribuidor de elevación de vapor.
\vskip1.000000\baselineskip
Sensibilidad | Carga alta de líquido | Carga media de líquido | Carga baja de líquido |
SOR | 19,3 | 5,6 | 23,1 |
EOR | 8,1 | 10,0 | 15,7 |
MEDIA | 13,7 | 7,8 | 19,4 |
Sensibilidad | Carga alta de líquido | Carga media de líquido | Carga baja de líquido |
SOR | 1,8 | 0,9 | 0,8 |
EOR | 3,2 | 3,0 | 9,3 |
MEDIA | 2,5 | 2,0 | 5,1 |
Como se observa los tubos de elevación de vapor
tienen un resultado de distribución bastante mejor que el
distribuidor de campana de burbujeo. Por término medio, la
sensibilidad del flujo de líquido respecto al nivel es,
aproximadamente, 4 veces superior para el distribuidor de campana de
burbujeo que para el distribuidor de elevación de vapor.
Claims (10)
1. Un dispositivo de distribución de
líquido-vapor para uso en recipientes de flujo
descendente simultáneo bifásico, dispositivo de distribución de
líquido-vapor que comprende:
una bandeja horizontal, a nivel, fabricada e
instalada de manera que básicamente no hay fugas en las uniones de
la bandeja y de la pared del recipiente,
estando perforada dicha bandeja horizontal con
agujeros de igual tamaño y
estando distribuidos los agujeros separados
uniformemente sobre la superficie de la bandeja horizontal, estando
equipada cada perforación, a través de la bandeja horizontal, con un
tubo de elevación de vapor, que comprende uno o dos brazos alargados
de flujo ascendente y un brazo alargado de flujo descendente creando
una o dos zonas de flujo ascendente, una zona de transición y una
zona de flujo descendente, teniendo cada brazo de flujo descendente
la misma forma transversal geométrica que los agujeros y estando
acoplados a la bandeja horizontal por medios para hacer un cierre
hermético a prueba de fugas y el uno o los dos brazos de flujo
ascendente del tubo de elevación de vapor tienen una o más ranuras
talladas en su lateral,
caracterizado porque el uno o los dos
brazos de flujo ascendente del tubo de elevación de flujo están
encajados a todo lo largo del brazo de flujo descendente de manera
que cada brazo de flujo ascendente no es concéntrico respecto al
brazo de flujo descendente.
2. El dispositivo de distribución de
vapor-líquido de la reivindicación 1, en el que el
tubo de elevación de vapor es un dispositivo en forma de una
"M" o de una "U" invertida.
3. El dispositivo de distribución de
vapor-líquido de la reivindicación 1, en el que la
parte inferior del brazo de flujo descendente se extiende a través
de la bandeja horizontal para proporcionar un borde de goteo.
4. El dispositivo de distribución de
vapor-líquido de la reivindicación 2, en el que los
brazos de flujo descendente tienen la misma altura en todos los
puntos de la bandeja horizontal.
5. El dispositivo de distribución de
vapor-líquido de la reivindicación 2, en el que la
altura de la ranura terminará a la altura de la parte superior del
brazo de flujo descendente o por debajo de ésta.
6. El dispositivo de distribución de
vapor-líquido de la reivindicación 2, en el que la
parte inferior de la parte de zona de flujo ascendente termina por
encima del nivel de la bandeja horizontal de manera que no se impide
que el líquido fluya en la parte inferior del brazo de flujo
ascendente.
7. El dispositivo de distribución de
vapor-líquido de la reivindicación 1, en el los
agujeros de la bandeja horizontal tienen un área de entre 1 cm^{2}
y 25 cm^{2}.
8. El dispositivo de distribución de
vapor-líquido de la reivindicación 1, en el que la
zona total de agujeros de perforación es de entre el 4% y el 33% de
la zona de superficie de la bandeja horizontal.
9. El dispositivo de distribución de
vapor-líquido de la reivindicación 1, en el que la
zona transversal de flujo ascendente respecto a la proporción del
perímetro es superior a 4 mm para reducir los efectos de la pared y
de la caída de presión por rozamiento.
10. El dispositivo de distribución de
vapor-líquido de la reivindicación 2, en el que los
brazos de flujo ascendente o de flujo descendente tienen secciones
transversales cuadradas o rectangulares.
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