ES2335627T3 - Dispositivo de transferencia de masa mejorado. - Google Patents

Abstract

Plato de transferencia de masa que tiene una pluralidad de perforaciones en el mismo y una dirección de flujo a través del plato hasta pasar las perforaciones y, pasando por encima de cada perforación, un elemento puente que comprende una primera y una segunda pata de soporte conectadas por un elemento tapadera sólido orientado en la dirección de flujo en las proximidades de la perforación y suficientemente ancho para cubrir completamente la perforación, estando los patas de dicho elemento puente fijadas al plato para pasar por encima de la perforación y anclar el elemento puente en su lugar, siendo la primer pata de soporte un elemento sólido ubicado por encima de la perforación el la dirección de flujo y teniendo una anchura al menos un 5% más ancha que la anchura mayor de la perforación transversal a la dirección de flujo y estando la segunda pata de soporte ubicada por debajo de la perforación, en el que la anchura de la segunda pata de soporte es más estrecha que la anchura de la primera pata de soporte en al menos un 10% y en el que el elemento tapadera es al menos un 10% más ancho que la anchura de la perforación asociada transversal a la dirección de flujo en el punto directamente por debajo de éste.

Description

Dispositivo de transferencia de masa mejorado.

Antecedentes de la invención

Esta invención se refiere a equipos de procesos químicos en el que un líquido se pone en contacto con un contraflujo de gas. Esto puede ser por una variedad de fines, como extraer un componente de la corriente de líquido o absorber un componente en un flujo de líquido. Más genéricamente, esta invención se refiere a un equipamiento diseñado para facilitar la transferencia de masa y/o calor entre fases.

El tipo de equipamiento al que se refiere específicamente esta invención utiliza platos de flujo transversal de fraccionamiento conectados mediante tubos de bajada. En tal equipamiento se proporciona una torre con una pluralidad de platos de flujo transversal dispuestos en general horizontalmente dentro de la torre. Cada torre tiene una cubierta perforada y al menos un canal, llamado tubo de bajada, en el que un líquido que fluye por la cubierta puede ser recogido y colocado en el canal en el plato inferior. Durante el uso, un gas o vapor se introduce en la base de la torre y pasa por encima a través de perforaciones en las cubiertas de los platos de fraccionamiento. Mientras tanto se introduce un líquido en la parte superior de la torre y se infiltra hacia abajo pasando por los platos de fraccionamiento y por debajo de los tubos de bajada hasta el plato inferior.

Al llegar al plato, el líquido fluye por el plato, en lo que aquí se describe como la "dirección de flujo", que indica la dirección en que el líquido va a fluir cuando el plato está funcionando en óptimas condiciones de diseño. El plato está provisto de una pluralidad de perforaciones a través de las que el gas burbujea continuamente a una presión que, en condiciones de funcionamiento normales, impide que el líquido pase a través de la perforación. Estas perforaciones, junto con las tapaderas asociadas, son referidas como "válvulas" y están diseñadas para permitir un contacto de transferencia de masa eficiente entre el gas y el líquido. Estas válvulas se clasifican en dos grupos principales: fijas y móviles. Las válvulas fijas no tienen partes móviles y las móviles están adaptadas para responder a la presión del gas que fluye hacia arriba abriendo o cerrando la válvula. La presente invención se refiere a estas válvulas fijas.

En un diseño de proceso ideal, se debe evitar que el líquido pase a través de las válvulas en los platos mediante la presión de gas que pasa a través de las perforaciones en una dirección ascendente. Este es un proceso muy bien equilibrado ya que, si la presión es demasiado alta, el gas tendrá un tiempo de tránsito menor dentro de la torre y un contacto menos eficiente con el líquido a medida que fluye por los platos y por debajo de la torre. La velocidad alta del gas también puede provocar que gotas de líquido sean llevadas al plato superior, reduciendo así la eficacia de la separación como resultado de un back-mixing. Por otra parte, si el caudal de gas es demasiado bajo, el líquido penetrará por las válvulas en los platos, (conocido como "supuración") y cortocircuita los patrones de flujo que están destinados a maximizar los contactos líquido/gas.

Algunos diseños de válvulas móviles permiten realmente que la válvula se cierre si la presión baja demasiado. Tales válvulas, sin embargo, pueden causar problemas si se queden cerradas o solo abiertas parcialmente. También son expansivas. Otros diseños de válvulas (fijas) simplemente colocan una tapadera sobre una perforación en la cubierta del plato para prevenir que el líquido caiga en la perforación a una velocidad suficiente para penetrar incluso cuando la presión está en los niveles del diseño.

En una válvula típicamente móvil, una perforación (por ejemplo, un orificio redondo) se estampa en el material del plato. A continuación típicamente se cubre por la forma estampada exterior (un disco de metal en el ejemplo), soportado por patas o quizás en una cuba donde la válvula tiene que abrirse y cerrarse con la presión del gas. Cuando la tapadera está soportada en patas que se mueven dentro de la perforación de tal modo que la tapadera está adaptada para levantarse o caer con la presión, a menudo ocurre que, cuando se produce una vibración excesiva, toda la válvula se escapa del plato y a continuación se queda permanentemente abierta. También pueden producirse problemas si la válvula se queda abierta o cerrada.

En una construcción de válvula fija típica, la tapadera está hecha del material del plato. Esto se realiza normalmente cortando un par de aberturas y reformando la superficie del plato hacia arriba para crear una perforación y una tapadera para la perforación al mismo tiempo. Tal construcción de válvula fija se describe en las patentes US 5 468 425 y US 3 463 464. Como se apreciará, en tales construcciones de válvula fija, las dimensiones o la abertura dictan las dimensiones de la tapadera que, debido a las deformaciones o el proceso de corte, apenas cubrirá, o no cubrirá completamente, la abertura. Además, no es posible crear aberturas con formas ventajosas que sean diferentes a las de la tapadera: Por ejemplo, es imposible proporcionar una abertura redonda mediante la técnica de deformación estándar o, utilizando el material retirado cuando la abertura se corta, una tapadera cuadrilátera cubrirá completamente la tapadera. También es imposible dimensionar el orificio para crear un efecto Venturi perforando el material del plato desde la parte superior para crear un orificio relativamente estrecho en la parte trasera que se abre en un canal más ancho en la parte superior de la superficie del plato. Se ha hallado que los efectos Venturi a menudo son características deseables de las válvulas fijas.

La desventaja de tales procedimientos de la técnica anterior es que la forma de la perforación dicta la forma de la tapadera. Por tanto, hay limitaciones que son inherentes al proceso de producción. La presente invención proporciona un modo de realizar dispositivos de contracción de transferencia de masa en los que las formas de las perforaciones y la tapadera pueden manipularse para producir óptimas ventajas del proceso y la eficiencia del funcionamiento del dispositivo.

La presente invención proporciona un dispositivo de contracción de transferencia de masa que puede instalarse fácilmente y que proporciona un medio altamente efectivo para contraer el líquido que fluye por encima y alrededor de la válvula con el gas que fluye por encima de la válvula. Igual de importante es un diseño tal en el que el tamaño y la forma de las perforaciones y las tapaderas pueden optimizarse independientemente para una aplicación específica. Además, no hay partes móviles en la válvula que puedan adherirse o dejar de funcionar de forma apropiada y pueden dimensionarse para que se ajusten a cualquier perforación.

Descripción general de la invención

La presente invención proporciona un plato de fraccionamiento que tiene una pluralidad de perforaciones en el mismo y una dirección de flujo por el plato hasta pasar las perforaciones y, pasando por encima de cada perforación, un elemento puente que comprende una primera y una segunda pata de soporte conectadas por un elemento tapadera sólido orientado en la dirección de flujo en las proximidades de la perforación y suficientemente ancho para cubrir completamente la perforación, estando las patas de dicho elemento puente fijadas al plato para pasar por encima de la perforación y anclar el elemento puente en su lugar, siendo la primer pata de soporte un elemento sólido ubicado por encima de la perforación el la dirección de flujo y teniendo una anchura al menos un 5% más ancha, y preferiblemente al menos un 10% o un 20% más ancha, que la anchura mayor de la perforación transversal a la dirección de flujo y estando la segunda pata de soporte ubicada por debajo de la perforación, en el que la anchura de la segunda pata de soporte es más estrecha que la anchura de la primera pata de soporte en al menos un 10% y el elemento tapadera es al menos un 10% más ancho que la anchura de la perforación asociada transversal a la dirección de flujo en el punto directamente por debajo de éste.

La segunda pata de soporte también puede ser un elemento sólido, aunque no es una característica esencial. Puede por ejemplo comprender una pluralidad de elementos de soporte verticales que juntos constituyen la segunda pata del elemento puente. La anchura total de la segunda pata de soporte, constituida igualmente, es preferiblemente al menos un 20% más estrecha que la de la primera pata de soporte.

La pata del elemento de puente que está ubicada por debajo en la dirección de flujo se proporciona preferiblemente con una o más aberturas que pasan a través de la pared. Estas pueden proporcionarse mediante agujeros cortados en un elemento sólido o pueden crearse en efecto teniendo la pata comprendida en dos o más elementos verticales separados por un espacio o espacios que proporcionan la abertura (s). Durante el uso, una porción de gas fluyendo hacia arriba a través de las perforaciones pasa a través de las aberturas para minimizar cualquier oportunidad de que el líquido se mantenga retenido adyacente a la superficie de la pata. También es posible proporcionar, en lugar de o además de tales aberturas, que la anchura de la pata se reduzca hasta que sea más estrecha que la dimensión más ancha del orificio en los ángulos rectos a la dirección de flujo. Esto tiene el mismo efecto de reducción de cualquier líquido retenido en la región de la pata por debajo.

Las patas del elemento puente terminan preferiblemente en apéndices que están adaptados para cooperar con ranuras cortadas dentro de la cubierta para anclar el elemento puente en su lugar. Los apéndices se curvan a continuación para prevenir la retirada del elemento puente. Alternativamente, se pueden proporcionar otros medios para alcanzar el mismo objetivo. Por ejemplo, los apéndices se pueden proporcionar con orificios alineados para acomodar una varilla que pasa a través de ambos, o cada apéndice puede girarse ligeramente en la parte inferior del plato de tal modo que los apéndices ya no estén alineados con las ranuras a través de las que pasan.

El elemento tapadera sólido que conecta las patas puede ser un solo plato horizontal o se puede proporcionar, al menos en la parte inferior, con un elemento saliente alineado a lo largo de la dirección de flujo. El propósito del saliente sería dirigir el flujo de gas que sale a través de la perforación hacia fuera de los lados. En otra realización, el elemento tapadera puede comprender una pluralidad de componentes que sirven conjuntamente para proteger la perforación del acceso del líquido que se acerca a la perforación desde abajo. Así, el elemento tapadera sólido, por ejemplo, puede comprender dos platos que forman conjuntamente una tapadera en forma de V (o V invertida), transversal a la dirección de flujo.

El elemento tapadera también se puede proporcionar con una abertura dimensionada de tal modo que un flujo de gas a través de la abertura es dirigido esencialmente de forma horizontal y en la dirección de flujo. La abertura puede crearse por ejemplo haciendo una hendidura en el elemento tapadera paralelo al plano de la primera pata de soporte y deformando el lado de la hendidura más cercano a la primer pata de soporte ascendente. En el uso, tal disposición resulta particularmente útil si la válvula está ubicada por debajo de un tubo de bajada de tal modo que un flujo de líquido cae directamente en el elemento tapadera. Tal abertura ayuda a iniciar el flujo de líquido en la dirección de flujo deseada.

El elemento tapadera puede ser horizontal, pero a menudo se prefiere que esté inclinado de tal modo que el extremo adyacente al primer elemento pata, que es una pata superior en cuanto a la dirección de flujo, es mayor que el extremo adyacente a la segunda o a la inferior. Esto tiene el efecto de crear una presión mayor en el extremo superior de la válvula y una presión inferior en el extremo inferior, motivando y potenciando el flujo en la dirección de flujo. El grado de la inclinación es un punto para la optimización dependiendo del volumen deseado y la velocidad del flujo de líquido en la dirección de flujo. Sin embargo, a menudo se prefiere que la primera pata de soporte sea al menos un 5% más larga, por ejemplo aproximadamente de 5 a 25% más larga, que la segunda pata de soporte.

La perforación en la cubierta del plato puede tener una forma conveniente y esta incluye redonda, elíptica y poligonal. Las perforaciones Venturi en las que se realiza la perforación cortándolas en una forma adecuada, normalmente redonda, y normalmente en la dirección hacia abajo, son particularmente ventajosas para utilizarse con los elementos puente de la presente invención.

En el uso, un líquido que fluye en la dirección de flujo a través de la cubierta se encuentra con el primer elemento pata de soporte. Dado que esta pata es sólida, el flujo de líquido se separa y se dirige a un lado de la perforación. A medida que pasa por un lado de la perforación, se encuentra con gas fluyendo en los ángulos rectos hacia la dirección de flujo del líquido. Esto hace un contacto gas/líquido muy eficiente. Las diferentes direcciones de flujo también hacen que sea improbable que se salga líquido por las perforaciones. Dado que el elemento tapadera es preferiblemente al menos un 10% mayor que la perforación en todos los puntos, el efecto de la dirección de flujo se aumenta y la posibilidad de supuración se reduce.

Las válvulas normalmente están dispuestas en filas escalonadas de tal modo que cada fila de válvulas a través de la dirección de flujo está escalonada respecto a las válvulas en las filas del frente de modo que descansan (respecto a la dirección de flujo) entre parejas de válvulas adyacentes en estas filas.

Dibujos

La figura 1 es una sección transversal de una válvula según la invención.

La figura 2 es una vista en planta de la válvula mostrada en la figura 1.

La figura 3 es un plato plano que puede doblarse para proporcionar la tapadera de válvula mostrada en las figuras 1 y 2.

La figura 4 es una sección transversal de una válvula según la invención que muestra patas de diferente longitud y una abertura de dirige el flujo en el elemento tapadera.

En los dibujos, la dirección de flujo es de derecha a izquierda.

Descripción detallada de la invención

La invención se describe ahora en referencia a los dibujos que están destinados a ilustrar la invención pero no a que se entienda que implican ninguna limitación esencial en el ámbito de la invención.

El dispositivo ilustrado en las figuras 1 y 2 comprende un elemento puente que abarca una perforación 6, en el plato 5, y comprendiendo la primera y la segunda pata 1 y 2 respectivamente, conectadas a un elemento tapadera 3. Los patas terminan en apéndices 4, que pasar por ranuras 7, cortadas en el plato, 5. Los apéndices por debajo del nivel del plato están doblados para prevenir la retirada del elemento puente. La figura 3 muestra un plato de metal plano estampado para proporcionar un elemento puente según la invención doblado a lo largo de líneas discontinuas para formar la primera y la segunda pata. La abertura 8 en la pata más estrecha de las dos (la pata inferior), está destinada a permitir un flujo de gas por la abertura para minimizar la construcción de líquido en la cara inferior de la pata.

En la figura 4, la pata 1 es más larga que la pata 2, de modo que el elemento cubierta 3, se inclina hacia abajo hacia la segunda pata. El elemento cubierta también tiene una ranura directora 9, formada cortando una hendidura en el elemento cubierta y deformando el lado de la hendidura adyacente a la primera pata hacia arriba.

En el uso, la primera pata del elemento puente está ubicada en ángulos rectos a la dirección de flujo. Así, el líquido que fluye a través del plato se encuentra con la cara de la primera pata y se desvía lateralmente y alrededor de la perforación. Esto disminuye la velocidad de flujo y asegura que el contacto de gas con líquido, diferente al gas que fluye por las aberturas en la segunda pata, sea esencialmente en ángulo recto.

Las patas mostradas en los dibujos tienen la misma altura, pero no es una característica esencial y de hecho, a menudo se prefiere que el elemento tapadera se incline hacia abajo hacia la segunda pata. Por ejemplo, puede ser ventajoso proporcionar que la primera pata sea más larga que la segunda para interceptar más flujo y minimizar el riesgo de que cantidades significantes del líquido mojen el elemento puente y pasen por las zonas de contacto de gas en un lado del elemento puente.

En funcionamiento, un plato tiene un gran número de perforaciones que suelen ser circulares, aunque pueden utilizarse otras formas como elíptica o incluso poligonal. Las ubicaciones preferidas de las perforaciones en el plato son en líneas a través de la dirección de flujo con líneas adyacentes escalonadas de tal modo que las perforaciones en una línea están entre parejas de perforaciones en las líneas en un lado a lo largo de la dirección de flujo. Esto asegura que los flujos se separen repetidamente y se combinen para asegurar que nada de flujo de líquido se desarrolle, es decir, que no sea contactado por el gas ascendente.

El rendimiento del dispositivo de contratación de transferencia de masa ilustrado en la figura 1 de los dibujos se comparó con una válvula móvil estándar de peso normalizado con las mismas dimensiones de perforación, en entornos de plato idénticos y bajo las mismas condiciones de flujo de líquido. La válvula móvil de la técnica anterior comprendía una tapadera plana mayor que la perforación y se proporcionaba con tres patas periféricas y espaciadas uniformemente, extendiéndose de forma perpendicular a la tapadera y por debajo de la superficie inferior del plato con topes en las extremidades inferiores para prevenir que la tapadera se levantara más allá de un punto predeterminado.

Resulta muy útil comprar el "punto de inundación" de cada dispositivo en un rango de caudales de gas. El punto de inundaciones se alcanza cuando la integridad de los flujos de líquido y gas se pierde y la torre se llena de líquido. Así, el punto de inundación define una extremidad del rango de funcionamiento permitido para un plato. El punto de inundación para el dispositivo según la invención se comparó con la válvula de la técnica anterior estándar en un rango de caudales de gas. El punto de inundación medido para los dos dispositivos se muestra en la tabla a continuación.

También es útil comparar los rendimientos en el extremo opuesto del rango de funcionamiento permitido, es decir, la caída de presión requerida a través del plato en caudales de gas bajos antes de que las válvulas de la técnica anterior se cierren y ya no permitan la mezcla o donde el supuración excesiva hace que el dispositivo según la invención sea ineficaz.

En la siguiente tabla se proporciona la relación del parámetro mencionado para el dispositivo de la invención en cuanto al mismo parámetro de la válvula móvil de la técnica anterior con el mismo caudal de líquido. En general, para DP, el más pequeño es mejor, y para Fp, el mayor es mejor. En general se apreciará que el rendimiento de la válvula de la invención es tan bueno, o mejor que la mejor válvula de la técnica anterior.

1

10

"El más bajo" y el "el más alto" se refieren a los parámetros de rendimiento indicados en los extremos opuestos del rango permitido de caudal de gas y la caída de presión para un caudal de líquido dado en la torre de prueba estandarizada utilizada en las evaluaciones.

A partir de los datos anteriores, se puede apreciar que en los caudales de gas y líquido más bajos, el dispositivo según la invención mostró en rendimiento más eficiente que la válvula de cierre convencional, dado que menores caídas de presión y caudales de gas fueron posibles para un funcionamiento eficiente.

Probablemente es más importante que el dispositivo según la invención funciona a velocidades mayores y con caídas de presión mucho más inferiores antes de alcanzar el punto de inundación.

En una segunda serie de pruebas, las mismas válvulas fijas de la invención utilizadas en la primera serie de comparaciones se compararon con válvulas fijas hechas por deformación del material del plato para formar un elemento puente trapezoidal con esencialmente las mismas dimensiones que el elemento puente de la presente invención como se muestra en los dibujos. Esta válvula se describe en la patente US 3 463 464. La diferencia es que la forma de la perforación de la válvula de la técnica anterior está dictada por la forma del elemento puente. Como en las comparaciones previas, la orientación y el espacio de las válvulas en el plato era el mismo y los materiales utilizados, y los gases y líquidos contactados también eran los mismos. Los resultados obtenidos fueron los siguientes:

2

3

Las ventajas de rendimiento anteriores se obtuvieron en pruebas en las que los dispositivos funcionaban en un modo sin problemas. Sin embargo, en realidad, las válvulas móviles de la técnica anterior cusan problemas frecuentemente debido a que se mantiene una posición abierta o cerrada. La ausencia de partes móviles junto con la retención de un rango operacional normal equivalente es una gran ventaja para los dispositivos de la invención, ya que los problemas con válvulas bloqueadas se eliminan totalmente.

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Referencias citadas en la descripción

Esta lista de referencias citadas por el solicitante está prevista únicamente para ayudar al lector y no forma parte del documento de patente europea. Aunque se ha puesto el máximo cuidado en su realización, no se pueden excluir errores u omisiones y la OEP declina cualquier responsabilidad al respecto.

Documentos de patente citados en la descripción

\bullet US P5468425 A [0007]

\bullet US 3463464 A [0007]

\bullet US P3463464 A [0035]

Claims (9)

1. Plato de transferencia de masa que tiene una pluralidad de perforaciones en el mismo y una dirección de flujo a través del plato hasta pasar las perforaciones y, pasando por encima de cada perforación, un elemento puente que comprende una primera y una segunda pata de soporte conectadas por un elemento tapadera sólido orientado en la dirección de flujo en las proximidades de la perforación y suficientemente ancho para cubrir completamente la perforación, estando los patas de dicho elemento puente fijadas al plato para pasar por encima de la perforación y anclar el elemento puente en su lugar, siendo la primer pata de soporte un elemento sólido ubicado por encima de la perforación el la dirección de flujo y teniendo una anchura al menos un 5% más ancha que la anchura mayor de la perforación transversal a la dirección de flujo y estando la segunda pata de soporte ubicada por debajo de la perforación, en el que la anchura de la segunda pata de soporte es más estrecha que la anchura de la primera pata de soporte en al menos un 10% y en el que el elemento tapadera es al menos un 10% más ancho que la anchura de la perforación asociada transversal a la dirección de flujo en el punto directamente por debajo de éste.

2. Plato de transferencia de masa según la reivindicación 1 en el que la primera pata de soporte es al menos un 10% más ancha que la anchura mayor de la perforación asociada en la dirección de flujo.

3. Plato de transferencia de masa según la reivindicación 1 en el que la primera pata de soporte es más larga que la segunda para de soporte de tal modo que el elemento tapadera se inclina hacia abajo en la dirección de flujo.

4. Plato de transferencia de masa según la reivindicación 1 en el que la primera y la segunda pata de soporte del elemento puente están provistas de extensiones en forma de apéndices que cooperan con aberturas en el plato para proporcionar medios de fijación para mantener el elemento puente en su lugar por encima de la perforación asociada.

5. Plato de transferencia de masa según la reivindicación 1 en el que la segunda pata de soporte está provista de aberturas que pasan por la segunda pata de soporte.

6. Plato de transferencia de masa según la reivindicación 1 en el que la primera y la segunda pata de soporte tienen la misma longitud.

7. Plato de transferencia de masa según la reivindicación 1 en el que las perforaciones son Venturis.

8. Plato de transferencia de masa según la reivindicación 1 en el que el elemento tapadera está provisto de una abertura diseñada para dirigir el gas que fluye a través del mismo esencialmente de forma horizontal en la dirección de flujo.

9. Plato de transferencia de masa según la reivindicación 1 en el que el elemento tapadera tiene una forma diferente a la forma de la perforación asociada.