ES2281792T3 - Dispositivo mezclador y procedimiento de mezcla que usa este dispositivo. - Google Patents

Abstract

Dispositivo mezclador, especialmente para su uso como reactor de funcionamiento continuo, compuesto por, al menos, dos árboles giratorios (11, 14), en el que sobre cada árbol (11, 14) se han dispuesto, al menos, dos hileras de palas enfrentadas (12a, ..., 13 a, ..., 13m) y cada hilera de palas (12a, ..., 13 a, .... 13m) está compuesta, al menos, por dos palas independientes, y de forma que las palas están fijadas sobre el árbol (11, 14) con un ángulo de incidencia Beta respecto al eje longitudinal del árbol (11, 14), caracterizado porque las palas están curvadas en sí mismas de forma que las palas (12a, .... 13 a, .... 13m) presentan en el punto de fijación al árbol (11, 14) el ángulo de incidencia Beta y en el diámetro exterior DA el ángulo de incidencia Beta, porque el ángulo de incidencia Beta en el diámetro exterior DA es, como máximo, tan grande como el ángulo de incidencia Beta en el diámetro Dw del árbol, porque el ángulo de incidencia Beta del diámetro Dw en el árbol (11, 14) disminuye de forma continua según aumenta el diámetro y alcanza en el diámetro exterior DA el ángulo Beta más pequeño.

Description

Dispositivo mezclador y procedimiento de mezcla que usa este dispositivo.

La invención se refiere a un dispositivo mezclador así como a un procedimiento de mezcla correspondiente para su uso como reactor de funcionamiento continuo.

Estos reactores de funcionamiento continuo se usan para el procesamiento, por ejemplo, de residuos de destilación de petróleo, residuos de refinerías, asfalto o plásticos, mezclándolos con un portador de calor granulado caliente y calentándolos a la temperatura deseada.

Normalmente, los dispositivos mezcladores de este tipo constan, al menos, de dos hélices, que se engranan horizontalmente, y que se construyen con diferentes longitudes y diámetros, según las necesidades. Para conseguir ciertas propiedades como elevar la velocidad de conversión o de reacción, o maximizar el beneficio del producto y la calidad del producto, se varía el dispositivo mezclador respecto al tiempo de permanencia del sólido a la temperatura del reactor o a la presión del sistema.

En el documento DE-B-1189368 se describe una homogeneizadora con artesa cilíndrica simple o doble dispuesta en horizontal, en la que se han colocado árboles primarios provistos de palas de empuje axiales en el o los ejes cilíndricos. Además, a ambos lados longitudinales de la artesa en toda la longitud de la artesa se han previsto, al menos, abombamientos semicilíndricos, que discurren paralelos al eje de la artesa y en cuyo eje se ha colocado un árbol lateral, provisto de palas elevadoras radiales, desplazadas 90º respecto a las palas de empuje axiales; dicho árbol lateral presenta juegos de paletas dispuestas entre las palas elevadoras radiales y el árbol lateral que, por un lado, alcanzan hasta la pared interior del abombamiento y, por otro lado, se engranan en el círculo de giro de las palas elevadoras del árbol primario. El árbol lateral se acciona con un número mayor de revoluciones que el árbol primario y en sentido contrario a éste. Gracias a esta disposición, se produce una ventilación efectiva y un mejor efecto de unión.

En el documento DE-B-1255098 se describe un dispositivo para la isomerización térmica o dismutación de sales alcalinas de ácidos bencenocarboxílicos, compuesto por un depósito de reactor, provisto de una entrada y una salida, en forma de, al menos, dos cilindros paralelos que se solapan entre sí, estando provistos cada uno de los cilindros de un árbol concéntrico y estando equipados estos árboles con una pluralidad de paletas agitadoras del tipo de escalera de caracol, separadas axialmente entre sí por anillos distanciadores y en el que las paletas presentan la forma de planchas extendidas, desplazadas 30º una respecto a la otra, cuyos círculos de punta solapan a los de paletas agitadoras de los árboles colindantes.

En los documentos DE-A-19724074 y DE-A-19959587, se describe un procedimiento para reutilizar residuos de aceite en el que se introduce un coque caliente portador de calor en el mezclador y los residuos de aceite que se han de procesar en otro conducto. El coque portador de calor presenta temperaturas en el intervalo de 500º a 700ºC, y es mezclado con el residuo de aceite mediante, al menos, dos hélices horizontales que se engranan de tal manera que surge una película de aceite de espesor homogéneo en las partículas del coque. Ésta es calentada con mucha rapidez hasta alcanzar la temperatura de reacción y reacciona formando gases, vapores de aceite y coques. Los gases y los vapores abandonan el mezclador hacia arriba, tras un corto periodo de permanencia de 1 a 10 segundos, a través de un canal de aspiración.

La mezcla de sólidos que contiene el coque, que ha recorrido el mezclador y que ha llegado hasta la salida, es aspirada hacia abajo para continuar su procesado, a un recipiente tampón para su posterior desgasificación.

Al mezclar de esta forma, se intenta alcanzar un tiempo de permanencia tan homogéneo como sea posible de todas las partículas del sólido, es decir, circulación a pistón. Esto significa que las partículas que se encuentran en las cercanías del árbol son transportadas con la misma velocidad axial que las partículas que se encuentran en el contorno exterior de la hélice. Al mismo tiempo, se intenta ajustar el tiempo de permanencia de tal manera que el insumo líquido al final del mezclador se transforme completamente en gases, vapores y coques.

En virtud del perfil de velocidad entre los árboles y la pared de la carcasa convencionales y de la mezcla axial no deseada, relacionada con ello, en estos mezcladores las partículas tienen diferentes tiempos de permanencia en el trayecto de mezcla.

El tiempo de permanencia se puede variar adaptando la longitud del reactor, el número de revoluciones del árbol o también la inclinación de las hélices. Para aprovechar la mayor parte posible del tiempo de permanencia para la reacción, se intenta reducir el tiempo de mezcla, es decir, el tiempo necesario para mezclar completamente el portador de calor y el insumo líquido. Idealmente, ya al introducir los medios, al comienzo del trayecto de mezcla, tiene lugar una mezcla completa. Pero esto no se ha podido conseguir hasta ahora. Según el estado de la técnica conocido, la mezcla completa de un insumo líquido tiene lugar únicamente una vez que ha recorrido la mitad de la longitud del reactor. Para aumentar el tiempo de permanencia, un reactor más largo sería una solución extremadamente cara, dado que los árboles y las hélices están hechos de acero altamente termorresistente y tienen un diámetro exterior de 0,8 a 3 m así como una longitud de 6 a 15 m. Para influir sobre el tiempo medio de permanencia y la distribución del tiempo de permanencia, se puede variar la inclinación y la disposición geométrica de las hélices mezcladoras. La velocidad del sólido en el mezclador depende de la inclinación y la forma de la hélice mezcladora. En general, a mayor inclinación de la hélice mezcladora disminuye la velocidad axial de las partículas del sólido y aumenta el tiempo de permanencia.

Partiendo de este estado de la técnica, la invención se basa en el objetivo de mejorar el dispositivo mezclador actual, de forma que, dada una longitud del reactor predeterminada, se aumente el tiempo de permanencia, y se transporte el material que se ha de procesar con una velocidad tan similar como sea posible, independientemente de su separación del eje de giro.

Según la invención, el objetivo se cumple en el dispositivo mezclador citado al principio, por el hecho de que se han dispuesto, al menos, dos hileras de palas enfrentadas sobre cada árbol, y cada hilera de palas está compuesta por de 2 a 20 palas independientes, y que las palas están fijadas sobre el árbol con un ángulo de incidencia \alpha respecto al eje longitudinal del árbol, estando las palas curvadas en sí mismas, de tal forma que las palas presentan el ángulo de incidencia \alpha en el punto de fijación al árbol, y el ángulo de incidencia \beta en el diámetro exterior. Gracias a que se usa una hilera de palas independientes, en lugar de una hélice continua, se consigue una mezcla especialmente efectiva. Mediante una curvatura de las palas gracias a la cual según aumenta el diámetro se da un ángulo de incidencia diferente respecto al eje longitudinal del árbol, se puede homogeneizar la velocidad axial de las partículas que se han de mezclar a lo largo de toda la sección transversal del reactor.

Dado que el ángulo de incidencia \beta, en el diámetro exterior D_{A} de las palas, se mantiene menor que el valor habitual hasta el momento de aprox. 2 \cdot \alpha, la velocidad de corriente axial se hace más homogénea y se acerca, en un caso ideal, a una circulación a pistón. Gracias a ello, se produce una distribución más estrecha del tiempo de permanencia.

Si el ángulo de incidencia de las palas disminuye de forma continuada desde el punto de base sobre el árbol D_{w}, hasta el diámetro exterior D_{A}, se reduce la velocidad axial de las partículas en el diámetro exterior D_{A}, que se han de mezclar, en relación con la velocidad axial en el diámetro D_{w} del árbol. Bajo la condición de que el diámetro exterior D_{A} sea el doble de grande que el diámetro D_{w} (D_{A} = 2 D_{w}), se alcanza la misma velocidad axial a lo largo de todo el corte transversal del reactor si el ángulo de incidencia \beta en el diámetro exterior D_{A} es la mitad de grande que el ángulo de incidencia \alpha en el diámetro D_{w} del árbol. Mediante una múltiple interrupción de la hélice, se aumenta el efecto cizallador en el transporte del sólido a través del mezclador. La intensidad de mezcla aumenta y, con ello, la mezcla completa no tiene lugar una vez alcanzada la mitad de la longitud del reactor sino mucho antes. Con una misma longitud del reactor se alcanza un mayor tiempo de permanencia para la reacción química, de forma que en los nuevos equipos disminuye la longitud del reactor o alternativamente se aumenta el tiempo de reacción y, con ello, se puede hacer descender la temperatura de
reacción.

Con ayuda de los dibujos, se explican con ejemplos posibilidades de configuración de los árboles mezcladores.

Muestran:

la fig. 1 un diagrama de circulación del procedimiento

la fig. 2 una sección a través de un dispositivo mezclador según el estado de la técnica

la fig. 3 un árbol aislado de un dispositivo mezclador según la invención

la fig. 4 una vista en planta desde arriba sobre el lado frontal izquierdo del árbol según la fig. 3

la fig. 5 una vista detallada de la fig. 3

la fig. 6 una representación de las velocidades radiales y axiales que actúan en una pala.

En el mezclador (1) de la fig. 1 se introduce, por ejemplo, el coque caliente portador de calor a través del conducto (2) y el residuo de aceite que se ha de procesar a través del conducto (3). El mezclador (1) presenta en el presente caso, al menos, dos hélices horizontales que se engranan entre sí, mezcla los materiales introducidos y los transporta hacia el canal de salida (8). Los gases y vapores pueden abandonar el dispositivo mezclador a través del canal de aspiración (4) hacia la condensación (5). Desde la condensación (5), se aspiran por separado los gases a través del conducto (6) y el aceite del producto por el conducto (7). La mezcla de sólidos que contiene el coque, que ha recorrido el dispositivo mezclador (1), es conducida hacia un recipiente (9) a través del canal de salida (8). El coque seco puede ser aspirado desde este recipiente (9) a través del conducto (10) y volver a comenzar el procedimiento. En lugar de volver a procesar el residuo de aceite con el coque portador de calor, el dispositivo mezclador también puede, por supuesto, usarse para reutilizar asfalto, plásticos, carbones, turba o biomasa, mediante lo cual se puede modificar toda la configuración del equipo.

La fig. 2 muestra una representación en sección de un dispositivo mezclador (1) según el estado de la técnica. En este dispositivo mezclador (1) se han conformado dos árboles (11, 14), que engranan entre sí como árboles huecos que giran en el mismo sentido. Cada árbol (11, 14) presenta dos hélices (12, 13, 15, 16), que se extienden sin interrupción en toda la longitud del árbol. Las dos hélices de un árbol están dispuestas desplazadas en 180º.

La fig. 3 muestra uno de, al menos, dos árboles usados según la invención. En el árbol (11) se ha dispuesto una pluralidad de palas independientes (12a, 12b, 12c, ... 12m) en hélice, una detrás de otra, en lugar de una hélice continua. Sobre el árbol (11), una segunda hilera de palas independientes (13a, 13b,
13c, ... 13m) está asignada desplazada 180º a una primera hilera de palas independientes (12a, 12b,
12c, ... 12m). En esta representación, cada hilera de palas está compuesta por 12 palas independientes. Con la descripción de disposición en forma de tornillo o hélice, es posible cualquier disposición de las palas, homogénea o desigual, en la que las palas (12a a 12m, 13a a 13m) se pueden disponer en fila alrededor del árbol (11), y en la que es posible un rodamiento sin problemas de los árboles (11, 14) entre sí. La cantidad de palas se puede variar en función de la longitud del reactor, las proporciones de diámetro del árbol a la pala y las curvaturas de las palas ligadas a ello. Igualmente, la viscosidad o el tamaño de las partículas de los medios que se han de mezclar tienen su influencia, dado que la distancia de las palas entre sí puede influir sobre el tiempo de mezcla. Como en el caso de las roscas, es posible una disposición de las palas en una o varias hileras.

En la fig. 4 está representada una vista en planta desde arriba sobre el lado frontal izquierdo del árbol de la fig. 3. Por razones de sencillez, aquí sólo se han representado respectivamente seis palas (12a, 12b, 12c, ... 12f) y (13a, 13b, 13c, ... 13f) de una hilera de palas. Como diámetro D_{w} se denomina el diámetro del árbol (11) en el punto de fijación de las palas y como diámetro D_{A} el diámetro exterior del árbol (11) en las palas.

La fig. 5 muestra un detalle "A" de la fig. 3 aumentado, con los ángulos de incidencia de una pala (12a) independiente. Con el ángulo \alpha se denomina el ángulo de incidencia de la pala en el árbol. Al ángulo \alpha se le ha designado el diámetro D_{w} de la fig. 4. El ángulo \beta es el ángulo de incidencia de la pala (12a) en el diámetro exterior D_{A.} Con ello, es posible influir, mediante diferentes ángulos de incidencia de las capas, sobre la velocidad axial de los medios, sobre la sección transversal del dispositivo mezclador. Bajo la condición de que el diámetro exterior D_{A} sea el doble de grande que el diámetro D_{w}, la velocidad axial de los medios que se han de mezclar en el diámetro exterior D_{A} es, bajo un ángulo de incidencia de igual tamaño (\alpha = \beta), el doble de grande que en el diámetro D_{w} del árbol (11). Si el ángulo de incidencia \beta de la pala en el contorno exterior es menor que el ángulo de incidencia \alpha en el punto de fijación de la pala, la velocidad axial en el diámetro exterior D_{A} desciende a, aprox. la mitad del valor original. Mediante la variación del ángulo de incidencia \alpha y \beta, en relación con los diámetros D_{w} y D_{A}, la velocidad axial de las partículas se puede homogeneizar a través de la sección transversal del mezclador, gracias a lo cual se produce una distribución más estrecha del tiempo de permanencia. La corriente axial se acerca, con ello, a la circulación a tapón deseada.

Esto se ilustra, de nuevo, en la fig. 6. Para hacerlo más sencillo, se supone de nuevo que el diámetro exterior D_{A} del árbol (11) en las palas es el doble de grande que el diámetro D_{w} del árbol (11) en el punto de fijación de las palas \rightarrow D_{A} = 2 D_{w}.

Con D_{w} = 1,0 m y unas revoluciones constantes de 20 revoluciones por minuto, la velocidad periférica de las partículas en el punto de fijación de las palas asciende a V_{w} = 1,05 m/s. Con ello, ésta es también la velocidad radial V_{wr} = 1,05 m/s. Con un ángulo de incidencia \alpha = 16º de la pala en el punto de fijación al árbol, resulta una velocidad axial de las partículas de V_{wa} = 0,3 m/s.

Con D_{A} = 2,0 m y las mismas revoluciones de 20 revoluciones por minuto, la velocidad periférica de las partículas en el diámetro exterior de las palas asciende a V_{A} = 2,09 m/s. Con ello, ésta es también la velocidad radial V_{Ar} = 2,09 m/s. Con un ángulo de incidencia \beta = 8º de la pala en el diámetro exterior D_{A} del árbol, resulta la misma velocidad axial de las partículas de V_{Aa} = 0,3 m/s. Naturalmente, también se puede conseguir la misma velocidad axial de las partículas a través de la sección transversal del mezclador, con otras proporciones de diámetro y otros ángulos de incidencia.

Lista de números de referencia

\dotable{\tabskip\tabcolsep#\hfil\+#\hfil\tabskip0ptplus1fil\dddarstrut\cr}{
 1 \+ Mezclador\cr  2 \+ Conducto\cr  3 \+ Conducto\cr  4 \+ Canal
de aspiración  \hskip2cm \cr  5 \+ Condensación\cr  6 \+
Conducto\cr  7 \+ Conducto\cr  8 \+ Canal de salida\cr  9 \+
Recipiente\cr  10 \+ Conducto\cr  11 \+ Árbol\cr  12 \+ Hélice\cr 
12 a 12m \+ Palas\cr  13 \+ Hélice\cr  13a a 13m \+ Palas\cr  14 \+
Árbol\cr  15 \+ Hélice\cr  16 \+
Hélice.\cr}

Claims (3)

1. Dispositivo mezclador, especialmente para su uso como reactor de funcionamiento continuo, compuesto por, al menos, dos árboles giratorios (11, 14), en el que sobre cada árbol (11, 14) se han dispuesto, al menos, dos hileras de palas enfrentadas
(12a, ..., 13 a, ..., 13m) y cada hilera de palas (12a, ..., 13 a, .... 13m) está compuesta, al menos, por dos palas independientes, y de forma que las palas están fijadas sobre el árbol (11, 14) con un ángulo de incidencia \alpha respecto al eje longitudinal del árbol (11, 14), caracterizado porque las palas están curvadas en sí mismas de forma que las palas (12a, .... 13 a, .... 13m) presentan en el punto de fijación al árbol (11, 14) el ángulo de incidencia \alpha y en el diámetro exterior D_{A} el ángulo de incidencia \beta, porque el ángulo de incidencia \beta en el diámetro exterior D_{A} es, como máximo, tan grande como el ángulo de incidencia \alpha en el diámetro D_{w} del árbol, porque el ángulo de incidencia \alpha del diámetro D_{w} en el árbol (11, 14) disminuye de forma continua según aumenta el diámetro y alcanza en el diámetro exterior D_{A} el ángulo \beta más pequeño.

2. Dispositivo mezclador según la reivindicación 1, caracterizado porque para un diámetro exterior D_{A} de la pala el doble de grande que el diámetro del árbol D_{w} en el punto de fijación de las palas (12a, ..., 13 a, ..., 13m), el ángulo de incidencia \beta en el diámetro exterior D_{A} tiene un tamaño de aproximadamente la mitad del ángulo de incidencia \alpha en el diámetro D_{w} en el árbol (11, 14).

3. Procedimiento para la mezcla y reacción continuada de insumos líquidos o sólidos con portador de calor sólido granulado como, por ejemplo, coque u otro sólido apropiado en un dispositivo mezclador según la reivindicación 1 y 2, caracterizado porque la velocidad axial de los medios en el diámetro D_{w} del árbol (11, 14) es igual que en el diámetro exterior D_{A}.