ES2608895T3

ES2608895T3 - Guarnecido estructurado de alto rendimiento para columna de puesta en contacto de fluidos

Info

Publication number: ES2608895T3
Application number: ES13762166.0T
Authority: ES
Inventors: Ludovic Raynal; Raphaël GONNOT; Mickael MEJEAN; Pascal Alix
Original assignee: IFP Energies Nouvelles IFPEN
Current assignee: IFP Energies Nouvelles IFPEN
Priority date: 2012-09-11
Filing date: 2013-08-12
Publication date: 2017-04-17
Anticipated expiration: 2033-08-12
Also published as: CA2881773A1; EP2895262B1; US9333480B2; FR2995224B1; AU2013316951A1; CN104602804A; RU2015112989A; RU2643961C2; CA2881773C; BR112015004725B1; FR2995224A1; US20150238926A1; WO2014041269A1; CN104602804B; EP2895262A1; AU2013316951B2; BR112015004725A2

Abstract

Guarnecido estructurado de una columna de intercambio de fluido que define una superficie de intercambio para al menos una fase líquida destinada para ser puesta en contacto íntimo con al menos una fase gaseosa, estando el indicado guarnecido compuesto por un apilamiento de placas rectangulares que comprenden ondulaciones, estando cada placa inscrita entre dos planos paralelos (L1; L2), formando las indicadas ondulaciones una sucesión de canales que comprenden aletas (A) inscritas entre los indicados dos planos paralelos, estando cada una de las indicadas aletas constituida por al menos una banda (B) recortada en una de las indicadas placas, estando la anchura de la banda comprendida entre 1 y 15 mm, permaneciendo la banda solidaria de la placa por al menos un lado (E1; E2) y estando la banda deformada con el fin de crear un orificio que forma una discontinuidad sobre la superficie de la placa, y en el cual la dirección (D) de los canales de una placa forma un ángulo no nulo con relación a la dirección (D') de los canales de una placa adyacente, y en el cual las aletas de un canal tienen longitudes diferentes de las aletas de un canal próximo.

Description

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DESCRIPCION

Guarnecido estructurado de alto rendimiento para columna de puesta en contacto de fluidos.

La presente invencion se refiere al ambito de los equipos de puesta en contacto de fluidos.

Las columnas de puesta en contacto tienen por objeto poner en contacto fluidos con el fin de realizar transferencias de materia o de calor entre los fluidos. Este tipo de equipamiento de puesta en contacto de fluido es ampliamente utilizado para realizar operaciones de destilacion, de rectificacion, de absorcion, de intercambio de calor, de extraccion, de reaccion qmmica, etc.

Las columnas de puesta en contacto estan generalmente constituidas por un recinto cilmdrico provisto de elementos de puesta en contacto interno que favorece el intercambio entre los fluidos. En la columna, los fluidos pueden circular a co-corriente o a contra-corriente. En general, la columna permite poner en contacto mtimo una fase gaseosa ascendente con una fase lfquida descendente. Los elementos de puesta en contacto que aumentan la superficie de contacto entres los fluidos, pueden ser platos, guarnecidos estructurados, es decir la yuxtaposicion de varios elementos unitarios dispuestos de forma ordenada, por ejemplo hojas onduladas, o guarnecidos a granel, es decir apilamientos anarquicos de elementos unitarios, por ejemplo anillos, espirales.

Los guarnecidos estructurados pueden estar constituidos por hojas plegadas y dispuestas de forma organizada en forma de grandes bloques como se ha descrito por ejemplo en los documentos US 3.679.537 y US 4.296.050. Los guarnecidos a granel de nueva generacion estan generalmente constituidos por elementos metalicos provistos de perforaciones y porciones de arco de formas sofisticadas.

Los guarnecidos estructurados tienen la ventaja de ofrecer una gran area geometrica para un diametro representativo dado, en general el diametro hidraulico de los canales, por el contrario su area eficaz es inferior o proxima a su area geometrica. Al contrario, los guarnecidos a granel ofrecen valores de area geometrica bastante bajos con respecto a su tamano caractenstico, por el contrario, pueden desarrollar areas eficaces en la transferencia superiores a sus areas geometricas.

Se conoce por la solicitud de patente US 2010/0213625 un guarnecido que combina las ventajas de los guarnecidos estructurados y las ventajas de los guarnecidos a granel. Un guarnecido estructurado de este tipo esta construido de tal forma que se encuentren de nuevo las caractensticas de los guarnecidos a granel que inducen en particular separaciones de lfquido de la superficie del guarnecido y que permiten desarrollar un area eficaz sustancialmente superior a su area geometrica. Este guarnecido (figura 1) esta compuesto por un apilamiento de placas (figura 2, 3A y 3B) que comprenden ondulaciones, estando cada placa inscrita entre dos planos paralelos distantes por un valor comprendido entre 5 y 50 mm. Las ondulaciones forman una sucesion de bordes positivos (cima de un canal, CA2) y negativos (cavidad de un canal CA1) que comprenden aletas inscritas entre los indicados dos planos paralelos. Las aletas estan formadas por recorte y deformacion de una banda B. Esta banda B es recortada segun cortes C1 y C2. Los cortes C1 y C2 forman un angulo de 90° con relacion a la direccion principal de los canales. La banda B permanece solidaria de la placa a nivel de sus extremos E1 y E2. La banda B esta deformada con el fin de adaptarse a una forma triangular sustancialmente simetrica a su forma inicial, con relacion al plano meridiano P. La anchura L de una banda B es aproximadamente igual a la distancia que separa dos bandas contiguas a lo largo de un canal (entre 1 y 15 mm). La direccion (D) de los bordes de una placa forma un angulo no nulo con relacion a la direccion (D') de los bordes de una placa adyacente. Las posiciones de dos placas consecutivas son tales que las direcciones principales de los bordes de cada una de las dos placas vanan de 60 a 90o.

La figura 4 y la figura 5 muestran respectivamente dos casos posibles de contacto entre dos placas consecutivas. Se califica de buen contacto entre dos placas, cuando este contacto se produce entre un borde positivo de una placa y una detencion negativa de una placa adyacente. En la figura 4, existe correspondencia entre dos zonas sin aberturas y se produce un buen contacto entre las placas de forma que las mismas no corran el riesgo de interpenetrarse. En la figura 5, existe correspondencia entre por una parte una zona sin abertura (placa inferior) y por otra parte una zona con abertura (placa superior); no existe por consiguiente buen contacto entre las placas de forma que las mismas pueden interpenetrarse, de modo que un montaje satisfactorio no es posible con una puesta en practica compatible con una produccion industrial.

La probabilidad de malos contactos se ilustra en la figura 6. Esta figura corresponde a una vista en 2D de dos placas superpuestas. Se observa que para algunas zonas de buenos contactos (drculos con lmeas de trazo interrumpido), existe un gran numero de malos contactos (drculos con lmeas de trazo continuo). En el montaje de bloques de guarnecidos industriales, las numerosas placas constitutivas de un bloque se mantienen ajustadas las unas contra las otras y el hecho de no tener suficientemente punto de contacto resulta en un no respeto del espesor total del bloque, existen zonas de imbricacion de las placas nefastas para la circulacion, y otras zonas de una distanciamiento demasiado grande que deja la posibilidad de contorneado (derivacion) de gas o de lfquido.

Con el fin de mantener los rendimientos del guarnecido, es indispensable asegurar un buen montaje de las placas entre sf, es decir un montaje sin imbricacion.

As^ el objeto de la invencion se refiere a un guarnecido que combina las ventajas de los guarnecidos estructurados y las ventajas de los guarnecidos a granel, tal como el guarnecido descrito en el documento US 2010/0213625, en el cual el numero de buenos contactos se maximiza mediante una diferencia de longitud de las aletas entre un canal y su canal proximo.

5 De forma general, la invencion se refiere a un guarnecido estructurado de una columna de intercambio de fluido que define una superficie de intercambio para al menos una fase lfquida destinada para ser puesta en contacto mtimo con al menos una fase gaseosa, estando el indicado guarnecido compuesto por un apilamiento de placas rectangulares que comprenden ondulaciones, estando cada placa inscrita entre dos planos paralelos (L1; L2), formando las indicadas ondulaciones una sucesion de canales que comprenden aletas (A) inscritas entre los 10 indicados dos planos paralelos, estando cada una de las indicadas aletas constituida por al menos una banda (B) recortada en una de las indicadas placas, estando la anchura (L) de la banda comprendida entre 1 y 15 mm, permaneciendo la banda solidaria de la placa por al menos un lado (E1; E2) y estando la banda deformada con el fin de crear un orificio que forma una discontinuidad sobre la superficie de la placa, y en el cual la direccion (D) de los canales de una placa forma un angulo no nulo con relacion a la direccion (D') de los canales de una placa 15 adyacente, y en el cual las aletas de un canal tienen longitudes diferentes de las aletas de un canal proximo.

Segun la invencion, las aletas de un canal pueden tener una longitud comprendida entre 1 y 15 mm, y las aletas de un canal proximo una longitud mas grande comprendida entre 2 y 50 mm.

Segun un modo de realizacion, las aletas de un mismo canal tienen una misma longitud.

La invencion se refiere igualmente a una columna de puesta en contacto de fluido que comprende varios bloques 20 que incluyen guarnecidos estructurados segun la invencion, en la cual la indicada direccion de los canales de los guarnecidos esta orientada segun un angulo comprendido entre 10° y 75° con relacion al eje de la columna y en la cual los planos centrales del guarnecido estructurado de uno de los indicados bloques forman un angulo comprendido entre 20o y 90o con relacion a los planos centrales de los bloques adyacentes.

La invencion se refiere igualmente a una aplicacion de una columna de puesta en contacto segun la invencion en el 25 secado de gas, en la desacidulacion de un gas natural, en la descarbonatacion de los humos, en el tratamiento de los gases de cola de un procedimiento Claus o en la destilacion.

Otras caractensticas y ventajas de la invencion se comprenderan mejor y apareceran claramente con la lectura de la descripcion dada a continuacion haciendo referencia a los dibujos entre los cuales:

- La figura 1 representa un guarnecido compuesto por un apilamiento de placas onduladas que comprenden

30 aletas.

- La figura 2 esquematiza una forma de placa ondulada representada sin las aletas.

- Las figuras 3A y 3B muestran una banda recortada en un canal de una placa ondulada.

- La figura 4 muestra un caso de buen contacto entre dos placas consecutivas.

- La figura 5 muestra un caso de mal contacto entre dos placas consecutivas.

35 - La figura 6 ilustra la probabilidad de malos contactos y buenos contactos entre dos placas consecutivas.

- La figura 7 ilustra una vista en 3D de una placa de guarnecido segun la invencion.

- La figura 8 representa una vista por encima de una placa segun la invencion, con aberturas largas en las crestas (bordes positivos que aparecen con lmeas de trazo denso) y aberturas cortas en las cavidades (bordes negativos que aparecen con lmeas de trazo fino).

40 - La figura 9 representa una vista por encima de dos placas de guarnecido segun la invencion, una por

encima de la otra con evidencias de los buenos contactos (zonas rodeadas por drculos).

Las figuras 2, 3A y 3B representan una lamina o placa ondulada rectangular que constituye la base del guarnecido estructurado segun la invencion. Las ondulaciones estan enmarcadas entre dos planos paralelos L1 y L2 relativamente proximos. La distancia h que separa L1 de L2 puede estar comprendida entre 5 mm y 50 mm, de 45 preferencia superior a 10 mm, y de preferencia comprendida entre 10 mm y 30 mm. El plano meridiano P divide el espacio entre L1 y L2 en dos partes iguales. En las figuras 2, 3A y 3B, las ondulaciones tienen forma de triangulo y estan repartidas a uno y otro lado del plano meridiano P: una parte de las ondulaciones esta situada por un lado del plano P, la otra parte de las ondulaciones esta situada por el otro lado del plano P. Las ondulaciones forman una sucesion de canales que se extienden en la direccion marcada por la flecha D. En la figura 2, el canal CA1 esta 50 situado por debajo del plano P. El canal CA2 contiguo al canal CA1 esta situado por encima del plano P. De preferencia, se eligen ondulaciones que generen canales que toquen los planos L1 y L2, sin salir del espacio delimitado por estos dos planos. Asf, las laminas onduladas ocupan una superficie maxima en la parte plana definida por los planos L1 y L2. Un canal comprende bien sea un borde positivo (CA2) o un borde negativo (CA1).

Se pueden utilizar de diferentes formas de ondulacion de las placas para realizar un guarnecido estructurado segun 55 la invencion. Por ejemplo, se pueden utilizar placas que presenten ondulaciones de forma sinusoidal. Se pueden realizar ondulaciones que no sean simetricas, por ejemplo un encadenamiento de semidrculos y de triangulos. Se pueden igualmente utilizar placas que comprendan ondulaciones irregulares y aleatorias.

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Las ondulaciones que forman una sucesion de bordes positivos (cima de un canal) y negativos (cavidad de un canal) comprenden aletas inscritas entre los dos planos paralelos. Cada una de las aletas esta constituida por al menos una banda recortada en una de las placas, encontrandose la anchura de la banda comprendida entre 1 y 15 mm, permaneciendo la banda solidaria de la placa por al menos un lado y estando la banda deformada con el fin de crear un orificio que forme una discontinuidad en la superficie de la placa. La direccion (D) de los bordes de una placa forma un angulo no nulo con relacion a la direccion (D') de los bordes de una placa adyacente.

Las posiciones de dos placas consecutivas son tales que las direcciones principales de los bordes de cada una de las dos placas vanan de 60 a 90°.

Con el fin de mejorar los rendimientos de este tipo de guarnecido, es indispensable asegurar un buen montaje de las placas entre sf, es decir un montaje sin imbricacion. Para ello, se modifican las placas con el fin de maximizar el numero de buenos contactos entre dos placas, es decir contactos que se producen entre un borde positivo de una placa y un borde negativo de una placa adyacente.

Segun la invencion, las aletas de un canal tienen longitudes diferentes de las aletas de un canal proximo, como lo ilustran la figura 7 y la figura 8.

Por ejemplo, se pueden utilizar grandes aberturas en los bordes positivos, y pequenas aberturas en los bordes negativos.

Las pequenas aberturas tienen una extension comprendida entre 1 y 15 mm, y de preferencia entre 2 y 10 mm.

Las grandes aberturas tienen una longitud comprendida entre 2 y 50 mm, y de preferencia entre 5 y 25 mm.

Las caractensticas del canal son tales que se desarrollan entre 50 y 800 m2/m3 y de preferencia entre 150 y 500 m2/m3 de area geometrica.

La figura 7 representa una vista en 3D de una placa de guarnecido segun la invencion.

La figura 8 representa una vista por encima de una placa segun la invencion, con aberturas largas sobre las crestas (bordes positivos) y aberturas cortas en las cavidades (bordes negativos).

La figura 9 representa una vista por encima de dos placas de guarnecido segun la invencion, una por encima de la otra (solo las aberturas inferiores de la placa superior y solo las aberturas superiores de la placa inferior estan representadas). Los drculos evidencian los puntos de buen contacto (contacto entre un borde positivo de una placa y un borde negativo de una placa adyacente).

Las laminas onduladas provistas de aletas estan apiladas con el fin de formar un guarnecido estructurado. De preferencia, la direccion de los canales de una hoja ondulada esta desplazada con relacion a la direccion de los canales de las laminas adyacentes, por ejemplo por un angulo comprendido entre 20o y 90° de preferencia por un angulo con un valor sustancialmente proximo a los 90o.

Para una placa ondulada de altura H y de longitud L, la altura H fija la altura de los bloques de guarnecido, la misma es generalmente de aproximadamente 20 cm pero puede estar comprendida entre 2 cm y 1 m, de preferencia entre 10 cm y 30cm. La longitud L es variable y va en funcion del diametro de la columna en la cual el guarnecido esta instalado, variando este diametro tfpicamente 5 cm hasta 15 m. Para columnas industriales clasicas, es decir con un diametro superior a 1 metro, las longitudes estan de preferencia comprendidas entre 0,5 y 3 m y de preferencia entre 1 y 2 m.

El guarnecido segun la invencion puede ser realizado para el secado de gas, la desacidulacion de un gas natural, la descarbonatacion de los humos y el tratamiento de los gases de cola de un procedimiento Claus.

En estas aplicaciones, el gas a tratar se pone en contacto con una solucion absorbente lfquida en una columna de puesta en contacto. Esta columna comprende varios bloques que incluyen guarnecidos estructurados segun la invencion, en la cual la direccion de los canales de guarnecidos esta orientada segun un angulo comprendido entre 10o y 75o con relacion al eje de la columna y en la cual los planos centrales del guarnecido estructurado de uno de los indicados bloques forman un angulo comprendido entre 20o y 90o con relacion a los planos centrales de los bloques adyacentes.

El guarnecido segun la invencion puede ser realizado para la destilacion, particularmente para la destilacion de fracciones de hidrocarburos. En esta aplicacion, el guarnecido segun la invencion esta situado en una columna provista de al menos una alimentacion de carga y de dos tomas, una fase pesada y una fase ligera.

Claims

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REIVINDICACIONES

1. Guarnecido estructurado de una columna de intercambio de fluido que define una superficie de intercambio para al menos una fase Uquida destinada para ser puesta en contacto mtimo con al menos una fase gaseosa, estando el indicado guarnecido compuesto por un apilamiento de placas rectangulares que comprenden ondulaciones, estando cada placa inscrita entre dos planos paralelos (L1; L2), formando las indicadas ondulaciones una sucesion de canales que comprenden aletas (A) inscritas entre los indicados dos planos paralelos, estando cada una de las indicadas aletas constituida por al menos una banda (B) recortada en una de las indicadas placas, estando la anchura de la banda comprendida entre 1 y 15 mm, permaneciendo la banda solidaria de la placa por al menos un lado (E1; E2) y estando la banda deformada con el fin de crear un orificio que forma una discontinuidad sobre la superficie de la placa, y en el cual la direccion (D) de los canales de una placa forma un angulo no nulo con relacion a la direccion (D') de los canales de una placa adyacente, y en el cual las aletas de un canal tienen longitudes diferentes de las aletas de un canal proximo.
2. Guarnecido segun la reivindicacion 1, en el cual las aletas de un canal tienen un extension comprendida entre 1 y 15 mm, y las aletas de un canal proximo una longitud mas grande comprendida entre 2 y 50 mm.
3. Guarnecido segun una de las reivindicaciones anteriores, en el cual las aletas de un mismo canal tienen una misma longitud.
4. Columna de puesta en contacto de fluido que comprende varios bloques que incluyen guarnecidos estructurados segun una de las reivindicaciones anteriores, en la cual la indicada direccion de los canales de los guarnecidos esta orientada segun un angulo comprendido entre 10° y 75° con relacion al eje de la columna y en la cual los planos centrales del guarnecido estructurado de uno de los indicados bloques forman un angulo comprendido entre 20o y 90o con relacion a los planos centrales de los bloques adyacentes.
5. Aplicacion de una columna de puesta en contacto segun la reivindicacion 4 en el secado de gas, en la desacidulacion de un gas natural, en la descarbonatacion de los humos, en el tratamiento de los gases de cola de un procedimiento Claus o en la destilacion.