ES2251010T5 - Dispositivo de distribución de dos fases de corriente descendente. - Google Patents
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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
ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN
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.
RESUMEN DE LA INVENCIÓN
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.
BREVE DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS
La Fig. 1 muestra una primera forma de realización del tubo de elevación de vapor de la presente invención.
DESCRIPCIÓN DETALLADA DE LA FORMA DE REALIZACIÓN PREFERENTE
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.
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.
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.
Ejemplo
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 111mm, 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.
La sensibilidad del flujo de líquido desde un distribuidor hasta el nivelado de la bandeja se definió como:
5 Sensibilidad: 2 x Wbajo – Walto x 100% (1)
Wbajo + Walto
en la que:
Wbajo es el peso del líquido recogido del distribuidor en la posición baja.
Walto es el peso del líquido recogido del distribuidor en la posición alta.
10 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
15 alta de líquido, un caso de carga media de líquido y un caso de carga baja de 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.
20 Ambos tipos de distribuidor se analizaron con las cargas de agua/aire que se presentan en la Tabla 1 que aparece a continuación:
Tabla 1: Condiciones de prueba
- Carga alta de líquido
- Carga media de líquido Carga baja de líquido
- Hseca/H
- 0,63 0,63 0,63
- Qa SOR/ Qw SOR
- 32,1 91,7 183,5
- Qa EOR/ Qw EOR
- 91,7 183,5 642,2
- Qa EOR/ Qa SOR
- 1,30 1,34 1,30
- en la que:
- 25
- Hseca 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.
- Qa SOR
- es el flujo de aire volumétrico usado en el experimento para simular las condiciones de SOR del reactor, en m3/hr.
- 30
- Qa EOR es el flujo de aire volumétrico usado en el experimento para simular las condiciones de EOR del reactor, en m3/hr.
- Qw SOR
- es el flujo de agua volumétrico usado en el experimento para simular las condiciones de SOR del reactor, en m3/hr.
- Qw EOR
- es el flujo de agua volumétrico usado en el experimento para simular las condiciones de
EOR del reactor, en m3/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.
- 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
Tabla 3: Resultados correspondientes al distribuidor de elevación de vapor
- 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 (2)
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 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 en el que el tubo de elevación de vapor es un dispositivo en forma de una “M” o de una “U” invertida 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.
2.- El dispositivo de distribución de vapor-líquido de la reivindicación 1, en el que los brazos de flujo descendente tienen la misma altura en todos los puntos de la bandeja horizontal. 3.- 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. 4.- 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.
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