ES2263441T3 - Un dispositivo para la acumulacion y distribucion de liquido en una columna. - Google Patents

Abstract

Dispositivo para la acumulación y distribución de líquido en una columna, con al menos un acumulador laminar (200) y un sistema de distribución ¿ desagüe (300) dispuesto por debajo de éste, donde en el acumulador laminar, o en cada uno de ellos, están integrados, además de una lámina (204), un canal principal (202), un canal secundario (204) y un disgregador de corrientes (212) que separa ambos canales, donde los dos canales están orientados en horizontal en un extremo inferior de la lámina y donde unos orificios de salida del líquido (214, 216, 332) están dispuestos en el sistema de distribución ¿ desagüe, y también en ambos canales, en una combinación que da como resultado una igualación hidrodinámica para un líquido que se pretende distribuir.

Description

Un dispositivo para la acumulación y distribución de líquido en una columna.

La invención se refiere a un dispositivo para la acumulación y la distribución de líquido en una columna. Aquí se encuentran en la columna varias empaquetaduras desordenadas u ordenadas, cada una de ellas en una rejilla de soporte, debajo de la cual se ubica el dispositivo para la acumulación y distribución de líquido.

En columnas de transferencia de masa de este tipo la empaquetadura o el cuerpo de relleno están apoyados por una rejilla de soporte, donde el líquido gotea a través de esta rejilla de soporte y es recogido por un acumulador de líquido, donde se mezcla y se dirige hacia su nueva distribución o redistribución o a la extracción de líquido.

El ámbito de aplicación es preferiblemente la técnica de transferencia de materia, como la absorción y la desorción en sistemas fluidos, la destilación y la rectificación, así como el control técnico de la reacción en capas de catalizador. Desde hace algunos años es habitual la utilización de cuerpos de relleno o empaquetaduras no ordenados, y en particular de empaquetaduras estructuradas u ordenadas. La eficacia de éstos depende en gran medida de la humectación regular de su superficie con líquido de reflujo y del mantenimiento de una relación igual de líquido - vapor - masa por encima de la sección transversal. Con una alimentación y distribución desigual del líquido, y con la consiguiente humectación desigual, se produce una maldistribución (distribución deficiente) dentro de las capas del cuerpo de relleno, por ejemplo en forma de flujo de canal. Esto limita muy considerablemente la eficacia y la función de la columna de intercambio.

Por este motivo se dispone, por encima de una sección de empaquetadura, un distribuidor de líquido, que deberá distribuir por la sección transversal de la columna, con la mayor homogeneidad posible, el líquido que fluye hacia abajo.

Se conoce un gran número de dispositivos de acumulación y distribución para líquidos que intentan, con un gasto más o menos considerable, conseguir la necesaria distribución regular del líquido en las columnas de transferencia de masa descritas. Los distribuidores de este tipo se conocen, por ejemplo, por un artículo de P. Bomio et al., Chem. Tech., 43. Jg., Heft 11/12, 1991 y se denominan allí distribuidores tubulares, distribuidores de elementos o distribuidores de canal. Estos tipos de distribuidores de líquido presentan canales de distribución dirigidos en sentido horizontal, alimentados por al menos un canal principal que discurre por lo general en perpendicular a los canales de distribución. En un distribuidor tubular los canales de distribución están cerrados en el lado superior, y en un distribuidor de elementos o de canal están abiertos por arriba. Los distribuidores de elementos o de canal trabajan con una cierta altura de nivel en los canales. La presión hidrostática asociada a ésta regula la cantidad de líquido que gotea a través de elementos de descarga especiales hacia la sección de empaquetado situada por debajo. La altura de nivel aumenta más o menos en relación cuadrática con la carga de líquido. Dado que los canales recubren una gran parte de la sección transversal de la columna, un distribuidor de este tipo incluye grandes cantidades de líquido de una composición determinada. Esto incide sobre la inercia del distribuidor, y por tanto de la columna en su totalidad, frente a modificaciones rápidas de la composición del líquido suministrado.

La descripción básica del funcionamiento de estos dispositivos de acumulación y de distribución conocidos muestra igualmente sus desventajas.

El líquido que fluye de una sección de empaquetadura es recogido y reunido por un acumulador de líquidos. A través de una construcción tubular o de cubas el líquido se lleva desde el acumulador de líquidos hacia el canal principal o los canales secundarios del distribuidor.

La alimentación tiene lugar a través de una admisión relativamente grande, por lo general central, o de varias admisiones relativamente grandes. Las turbulencias y velocidades de flujo del líquido derivadas de esta modalidad de construcción son muy grandes en las admisiones de distribuidores de este tipo y se tienen que reducir mediante componentes adicionales. Para ello en el canal principal se deberán incorporar medios apropiados, como un canal de distribución previa o un tranquilizador de admisión. El transporte del líquido tiene lugar en una etapa o en varias etapas, en una realización cerrada o abierta, aunque siempre de forma tal que el líquido fluye siguiendo la gravedad. Aquí nos encontramos con el problema de que el flujo en dirección longitudinal de los canales de distribución provoca una distribución de líquido irregular. Dependiendo de la distancia que separe la entrada del líquido de la salida del líquido en un canal, el líquido fluye a través del orificio de salida con una velocidad de salida diferente.

Se ha podido comprobar, además, que los puntos débiles de las columnas de transferencia de masa en relación con las modificaciones de carga rápidas se encuentran en los acumuladores y en los distribuidores de líquidos. Son especialmente importantes aquellos distribuidores y acumuladores dispuestos entre secciones de empaquetadura y cuyo cometido es procurar una distribución lo más regular posible del líquido de reflujo por la sección transversal de la columna. Por ejemplo, se necesita un tiempo largo hasta que se consigue una nueva situación estacionaria asociada a una altura de nivel mayor o menor en los distribuidores. El motivo radica en que hasta el ajuste de la nueva situación estacionaria se tiene que modificar la concentración de volúmenes de líquido grandes.

Por otra parte hemos de constatar que los dispositivos existentes hasta la fecha para la reunión y mezclado completo de todo el líquido de reflujo después de su captación en el acumulador, y para la subsiguiente nueva distribución o redistribución en varias etapas hasta llegar a su distribución fina en los puntos de goteo, resultan muy costosos desde el punto de vista de la construcción.

La distribución gruesa en varias etapas, utilizada a menudo, del líquido de reflujo en su totalidad mediante admisiones, canales principales y canales secundarios implica un número relativamente grande de fuentes de distribución errónea del líquido. Son fuentes de error, por ejemplo, la conducción irregular de la corriente mediante aceleración y retardo continuo del líquido, y la nivelación insuficiente durante el
montaje.

En el caso de los dispositivos conocidos se necesitan mayores diferencias de altura geodésicas para acelerar y retardar varias veces, de forma suficiente, los grandes volúmenes de líquido. De este modo la altura de construcción de los dispositivos conocidos es relativamente grande.

Por otra parte, los dispositivos para la distribución gruesa provocan una marcada heterogeneidad de la corriente de gas y de vapor, lo que incide sobre el grado de eficacia de la columna en su totalidad.

Por el estado actual de la técnica se conoce además que, con el fin de reducir la altura de construcción de las columnas de transferencia de masa, es posible renunciar a instalaciones para la mezcla específica de líquido escurrido y recogido. Un dispositivo para la acumulación y la redistribución de líquido según el preámbulo de la invención ha sido descrito en la patente US 5.464.573. El dispositivo que se da a conocer en la patente renuncia a instalaciones específicas para la mezcla del líquido recogido, con la desventaja decisiva de que, en caso de una distribución desigual del líquido se produce en el plano horizontal una compensación de líquidos, con las corrientes a ella asociadas. Los efectos ya descritos de las turbulencias para la distribución del líquido en los dispositivos distribuidores convencionales se refuerzan incluso si, sencillamente, se prescinde de las etapas de acumulación y distribución previa, y la consecuencia es una salida irregular del líquido del distribuidor.

La invención se plantea a partir de ahora el objetivo de desarrollar un dispositivo para la acumulación y distribución de gas y líquido en columnas de transferencia de masa, que permite una alimentación de líquido muy homogénea por la sección transversal de la columna con una altura de construcción escasa y, además, una adaptación rápida a modificaciones de carga durante su funcionamiento.

Un dispositivo conforme a la invención está configurado de tal modo que el acumulador de líquido, el distribuidor de gas o de vapor y el distribuidor de líquido están combinados entre sí en un único
dispositivo.

El líquido de reflujo recogido por un acumulador modificado conforme a la invención no se reúne selectivamente y se mezcla intensivamente con el fin de igualar la composición, sino que de forma sorprendente se ha podido observar que el objetivo de la invención se resuelve distribuyendo el líquido directamente en el acumulador y con una regularidad tal que se consigue una igualación hidrodinámica con una escasa diferencia de alturas geodésicas.

Se consigue una igualación hidrodinámica si en unos orificios de salida del líquido del mismo tipo y ubicados en puntos separados la dirección, la velocidad y la altura de nivel de las corrientes de líquido que se encuentran sobre ellos son iguales.

La intensidad de las corrientes de igualación y la cantidad de líquido que participa en la igualación hidrodinámica están sometidas al influjo de la mala distribución hidrodinámica al final de la sección de empaquetadura que se encuentra por encima del dispositivo de acumulación y distribución. El dispositivo acumulador - distribuidor dispone de disgregadores de corriente, que conducen las corrientes de igualación horizontales de tal modo que éstas no pueden ejercer un influjo perturbador sobre la nueva distribución del líquido de reflujo. El dispositivo está configurado de tal modo que el líquido fluye preferiblemente, con una velocidad de corriente escasa, directamente desde el punto de recogida hasta el punto de goteo más cercano.

Como ventajas fundamentales de la invención cabe mencionar que se consigue una alimentación de líquido muy homogénea desde el punto de vista de la dinámica de fluidos, con una calidad de distribución elevada por reducirse las de turbulencias de corriente innecesarias, con el resultado de una elevada densidad de puntos de goteo con una altura de construcción escasa. Las corrientes de igualación necesarias son notablemente menores que las corrientes que se producen en las actuales construcciones de acumuladores - distribuidores.

Por otra parte disminuye el contenido de líquido estacionario (holdup) en relación con un dispositivo de acumulación - distribución convencional debido a un menor número de etapas de distribución, y el transporte de líquido horizontal se reduce en gran medida. Así pues, para los canales de distribución se pueden diseñar anchuras de canal menores.

Una mejora del comportamiento de cambio de carga está provocada por el menor tiempo de permanencia del líquido en el dispositivo de acumulación - distribución y por la reducción del contenido de líquido estacionario.

Resulta ventajosa también la reducción del peso total del dispositivo y el recorte de los gastos del montaje en comparación con los dispositivos de acumulación - distribución convencionales.

En lugar de reducir la altura de construcción de la columna se puede aumentar en un momento posterior el número de etapas de separación, en las columnas existentes, si se aprovecha la posibilidad de montar empaquetaduras adicionales después de la sustitución del dispositivo de acumulación - distribución convencional por uno nuevo, conforme a la invención.

A continuación se explica con más detalle la invención y otras particularidades, con la ayuda de los ejemplos de realización representados en los esquemas.

Las figuras muestran:

Figura 1 la ilustración esquemática de la forma de construcción habitual hasta la fecha, columna de empaquetadura con dispositivo independiente de acumulación y distribución,

Figura 2 la representación esquemática de una columna de empaquetadura con un dispositivo independiente de acumulación y distribución conforme a la invención,

Figura 3 la vista en perspectiva, desde arriba, de una estación redistribuidora según la invención, consistente en un acumulador y un distribuidor de líquido, parcialmente seccionado,

Figura 4 ejemplo de realización del desarrollo conforme a la invención de un dispositivo de acumulación - distribución en vista esquemática,

Figura 5 a/b/c diferentes ejemplos de la realización de los canales principales y secundarios del acumulador laminar,

Figura 6 ejemplo de realización de un tranquilizador de admisión en vista ampliada.

Figura 7 ejemplo de realización de un sistema de distribución - desagüe.

En la figura 1 se representa la ilustración esquemática de una estación de redistribución convencional 10. En ella se puede ver la sección de columna 12, el lecho de empaquetadura superior 14, el lecho de empaquetadura inferior 16 y la estación de redistribución ubicada entre éstos. Esta última está formada por un dispositivo acumulador 20 y un dispositivo distribuidor 30 completamente independiente. A través de al menos un tubo de caída 26, extendido y dirigido hacia abajo, se conduce el líquido desde el dispositivo acumulador 20 hasta la admisión, normalmente en posición central, del distribuidor previo 32 o del distribuidor 34. A continuación el líquido, con ayuda de al menos una etapa de distribución, deberá alimentar de forma regular el lecho de empaquetadura inferior 16.

La figura 2 es la representación esquemática de una estación de redistribución 100 con un dispositivo de acumulación y distribución 123 conforme a la invención. La representación incluye la sección de columna 12, como en la figura 1, y un lecho de empaquetadura superior e inferior 14 y 16.

Se puede observar claramente la reducción del espacio situado entre los lechos de empaquetadura superior e inferior en comparación con la figura 1.

La figura 3 muestra detalles de un dispositivo de acumulación - distribución 123 compacto, que se compone de un acumulador laminar 200 con canales secundarios 210 integrados y un sistema de distribución - desagüe 300 dispuesto por debajo de éstos, preferiblemente con un canal anular 340.

Los canales principales 202 del acumulador laminar 200 están dispuestos en horizontal, en paralelo entre sí, y su longitud varía, de modo que llegan hasta la sección de la columna. Las llamadas láminas 204 del acumulador laminar 200 son chapas de cantos plegados en ángulo, que se desvían respecto del eje vertical de la columna o que están sujetas en el borde superior de los canales principales 202. Su superficie proyectada recubre la superficie de sección transversal de la columna casi libre situada entre los canales principales 202, y conduce de este modo el líquido que gotea desde el lecho de empaquetadura superior 14 hacia los canales principales 202 del acumulador. En su extremo superior las láminas 204 tienen un trozo pequeño del canto plegado en dirección oblicua hacia abajo, y conducen una parte del líquido recogido hacia el canal principal contiguo. Cada canal principal 202 del acumulador contiene un disgregador de corriente 212, por ejemplo en forma de una chapa o perfil, con orificios definidos por cálculo hidráulico y con una sección oblicua u horizontal. Este disgregador de corriente 212 es un componente del canal secundario 210 y delimita a éste respecto del canal principal. El aflujo del líquido desde el canal principal 202 hacia el canal secundario 210 tiene lugar a través de orificios de salida del líquido 214 definidos por cálculo hidráulico. El líquido abandona el canal secundario 210 a través de otros orificios de salida del líquido 216 definidos por cálculo hidráulico, y llega al sistema de distribución - salida 300.

Si las cantidades de líquido descargadas de los diferentes canales secundarios 210 difieren, se produce también una igualación hidrodinámica en los canales de distribución 330. Se puede disponer preferiblemente un canal anular 340 de modo que a través de él todos los canales de distribución 330 estén unidos entre sí. El líquido fluye y se distribuye entonces regularmente según el principio de los vasos comunicantes. Los canales distribuidores 330 disponen de un sistema de desagüe, que presenta orificios de salida de líquido 332 definidos por cálculo hidráulico. A través de estos orificios de salida de líquido 332 el líquido alimenta de forma regular el lecho de empaquetadura inferior.

El acumulador laminar 200 está separado del canal principal 210 por un disgregador de corriente 212. Por disgregador de corriente se entiende aquí una construcción que divide el medio que fluye en una dirección en dos corrientes parciales con diferente dirección, por ejemplo, en una corriente que sigue siendo horizontal y una con un componente de dirección vertical. El disgregador de corriente 212 se dispone preferiblemente de tal modo que durante el funcionamiento se encuentra por debajo de la superficie del líquido que previamente se recoge en el correspondiente canal principal 202 y que posteriormente se remansa o fluye. Provoca una resistencia a la corriente en dirección vertical. De esta forma se crean dos secciones transversales de corriente. En la superior, el canal principal 202, el líquido es transportado en sentido horizontal, y en el canal inferior, el canal secundario 210, se produce sólo una corriente en la dirección de los orificios de salida del líquido 216. Al reducirse la velocidad de corriente horizontal provocada por la mala distribución inmediatamente por encima de los orificios de salida del líquido 216 se consigue una clara mejora de la calidad de la distribución.

La figura 4 muestra el detalle ampliado de un dispositivo de acumulación - distribución 123 compacto y distinto al anterior, que se compone de una especie de acumulador laminar 200 con canales secundarios integrados 210 y está provisto de un canal anular 240 y de un sistema de distribución - desagüe 300 dispuesto por debajo de éste. Los canales principales 202 del acumulador laminar 200 están dispuestos en horizontal, en paralelo entre sí, y su longitud varía, de modo que llegan hasta el canal anular 240, que está dispuesto en el lado interior de la sección de columna. Todos los canales principales 202 del acumulador están conectados de este modo al canal anular 240 y por tanto unidos entre sí a través de éste. El canal anular 240 permite la igualación de las cantidades de líquido en un nivel en todos los canales principales 202.

La figura 5 a/b/c muestra, en detalle aumentado, formas de realización del canal principal 202, del disgregador de corriente 212 y del canal secundario 210. El líquido abandona el canal secundario 210 a través de otros orificios de salida de líquido 216 definidos por cálculo hidráulico. Los orificios de salida de líquido 216 pueden estar realizados como agujeros ciegos convencionales 216 a, como agujeros laterales sencillos 216 b ó como agujeros laterales con tubos de derivación 216 c (véase la figura 5 c). Derivan el líquido hacia el sistema de distribución - desagüe abierto dispuesto por debajo. Los elementos constructivos situados entre los orificios de salida de líquido 216 y el sistema de distribución - desagüe son tranquilizadores de admisión 302, ventajosos pero no necesarios (véase también la figura 6). Estos elementos impiden la aparición de turbulencias de corriente intensas, no deseadas, provocadas por el aflujo del líquido en el canal distribuidor. Los tranquilizadores de admisión 302 están dispuestos inmediatamente por debajo de los orificios de salida de líquido 216 del canal secundario 210.

La figura 6 muestra en detalle un ejemplo de realización de un tranquilizador de admisión 302. Está formado por un tubo de inmersión 304 de paredes delgadas con una sección transversal preferiblemente circular, cuyo diámetro interior es mayor que el orificio de salida del líquido del canal secundario que se encuentra por encima. El tubo de inmersión 304 sobresale, por ejemplo, entre un 50 y un 90% de su longitud L_{304} en una cubeta 306 de paredes estrechas. El diámetro D_{306} de la cubeta 306 es mayor, al menos por el factor v2, que el del tubo de inmersión 304, preferiblemente no mayor que la mitad de la anchura del canal B_{330}. La cubeta 306 está abierta hacia arriba, su fondo 308 está cerrado y su superficie de revestimiento está completamente cerrada o bien realizada con perforaciones sólo en la zona del borde superior. Entre el tubo de inmersión 304 y la cubeta 306 se puede disponer una rejilla de tamiz 312 y/o una rejilla de paleta directriz 314. El líquido llega al tubo de inmersión 304 y desde allí a la cubeta 306. El fondo 308 obliga al líquido que fluye hacia abajo a cambiar su dirección. A través de la rejilla de tamiz 312 las turbulencias grandes se dividen en pequeñas, que se extinguen más rápidamente. La corriente de líquido dirigida hacia arriba equivale entonces casi a la corriente de una fuente, relativamente débil y regular. Una rejilla de paleta directriz 314 es de utilidad para una orientación regular de la corriente de líquido. El líquido fluye a continuación con poca profundidad por encima del borde de la cubeta 306, hacia el canal distribuidor 330.

La figura 7 muestra un detalle ampliado de un ejemplo de realización para un sistema de distribución y desagüe 300. Se representa un canal distribuidor 330 de paredes delgadas con tubería interior 334 y con una protección 336 dispuesta en sentido vertical, que sirve como disgregador de corriente y divide el canal distribuidor 330 en casi dos cámaras. El líquido llega desde el canal secundario o desde el tranquilizador de admisión a la primera cámara con la anchura B_{1}. Dicha cámara está formada por la presa 336 y, por ejemplo, la pared lateral derecha del canal distribuidor 330. En esta zona el líquido se puede distribuir regularmente en horizontal y fluye entonces a través de un orificio, definido por cálculo hidráulico, con la altura H hacia la segunda cámara con la anchura B_{2}, en dirección a los tubos 334.

Los tubos 334 poseen orificios de salida de líquido 332, a través de los cuales el líquido desagua hacia el lecho de empaquetadura situado por debajo.

Claims (14)

1. Dispositivo para la acumulación y distribución de líquido en una columna, con al menos un acumulador laminar (200) y un sistema de distribución - desagüe (300) dispuesto por debajo de éste, donde en el acumulador laminar, o en cada uno de ellos, están integrados, además de una lámina (204), un canal principal (202), un canal secundario (204) y un disgregador de corrientes (212) que separa ambos canales, donde los dos canales están orientados en horizontal en un extremo inferior de la lámina y donde unos orificios de salida del líquido (214, 216, 332) están dispuestos en el sistema de distribución - desagüe, y también en ambos canales, en una combinación que da como resultado una igualación hidrodinámica para un líquido que se pretende distribuir.

2. Dispositivo según la reivindicación 1, caracterizado porque el acumulador laminar (200) forma, con el canal principal (202) y el canal secundario (210), y también con el disgregador de corrientes (212), una unidad constituida sobre un material plano mediante elementos de superficie dispuestos en ángulo, unos respecto de otros.

3. Dispositivo según la reivindicación 1, caracterizado porque el disgregador de corrientes (212) está configurado de tal modo que la entrada de líquido procedente del canal principal (202) al canal secundario (210), a través de los orificios de salida de líquido (214), tiene lugar desde arriba o desde abajo.

4. Dispositivo según una de las reivindicaciones 1 a 3, caracterizado porque varios acumuladores laminares (200), dispuestos en paralelo entre sí, cubren toda la superficie de la sección transversal de una columna de transferencia de masa.

5. Dispositivo según una de las reivindicaciones 1 a 4, caracterizado porque varios canales principales (202) del acumulador laminar (200) están unidos entre sí a través de un canal anular del acumulador (240).

6. Dispositivo según una de las reivindicaciones 1 a 4, caracterizado porque la salida de líquido (216) del canal secundario (210) hacia el sistema de distribución - desagüe (300) tiene lugar a través de un tranquilizador de admisión (302).

7. Dispositivo según una de las reivindicaciones 1 a 4, caracterizado porque la salida de líquido (216) del canal secundario (210) desemboca en una cámara del sistema de distribución - desagüe (300), que se encuentra entre una pared lateral (330) del sistema de distribución - desagüe y una presa (336).

8. Dispositivo según la reivindicación 7, caracterizado porque el tranquilizador de admisión (302) está formado por un tubo de inmersión (304) dispuesto en el centro de una cubeta (306), donde la sección transversal del tubo de inmersión (304) es mayor que el orificio de salida de líquido (216) del canal secundario (210), que se encuentra por encima.

9. Dispositivo según la reivindicación 7, caracterizado porque el tubo de inmersión (304) sobresale hacia dentro, entre un 50 y un 90% de su longitud L_{304}, en una cubeta (306) de paredes estrechas.

10. Dispositivo según la reivindicación 9, caracterizado porque la superficie de sección transversal de la cubeta (306) tiene un tamaño como mínimo doble de la sección transversal del tubo de inmersión (304).

11. Dispositivo según la reivindicación 9, caracterizado porque, con una sección transversal de forma circular del tubo de inmersión (304) y de la cubeta (306), el diámetro (D_{306}) de la cubeta (306) es mayor, al menos por el factor v2, que el diámetro del tubo de inmersión (304), y preferiblemente no mayor que la mitad de la anchura del canal (B_{330}).

12. Dispositivo según la reivindicación 9, caracterizado porque la cubeta (306) tiene por debajo un fondo (308) y está abierta hacia arriba.

13. Dispositivo según la reivindicación 9, caracterizado porque por encima de la superficie total de la sección transversal de la cubeta (306), o sólo entre el tubo de inmersión (304) y la cubeta (306) está colocada una rejilla de tamiz (312).

14. Dispositivo según la reivindicación 9 y 10, caracterizado porque se dispone una rejilla de paleta directriz (314) al menos entre la superposición de la cubeta (306) y el tubo de inmersión (304).