ES2635324T3 - Procedimiento de intercambio de materia y relleno estructurado para una carga de líquido pequeña - Google Patents

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Abstract

Procedimiento de intercambio de materia, que comprende las etapas: suministrar un primer fluido y un segundo fluido a un aparato de intercambio de materia, en donde el aparato de intercambio de materia comprende un recipiente que tiene una zona de cabeza, una zona de base y una zona de intercambio de materia, en donde el primer fluido es puesto en contacto con el segundo fluido en al menos Ia zona de intercambio de materia, en donde la zona de intercambio de materia está dispuesta entre Ia zona de cabeza y Ia zona de base y Ia zona de intercambio de materia tiene un relleno estructurado que contiene una pluralidad de capas adyacentes unas con respecto a otras de un tejido que comprende filamentos de fibra de un material no metálico, que están configurados como hilos de trama, en donde entre los filamentos de fibra de material no metálico están dispuestos alambres de metal, caracterizado porque los hilos de trama presentan un espesor de hilado de al menos 100 g/1000 m, los hilos de trama comprenden al menos 20 hilos/25,4 mm y el aparato de intercambio de materia es accionado con una carga de líquido de como máximo 3 m3/m2/h .

Description

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DESCRIPCION
Procedimiento de intercambio de materia y relleno estructurado para una carga de Ifquido pequena
La presente invencion se refiere a un procedimiento de intercambio de materia y a un relleno estructurado, que es usado en el procedimiento de intercambio de materia para una carga de lfquido pequena. En particular, el aparato de intercambio de materia puede estar configurado como aparato de absorcion o columna de destilacion.
Los rellenos estructurados son usados como piezas montadas posteriormente en aparatos de intercambio de materia, tales como por ejemplo columnas de destilacion o columnas de absorcion. Los mismos sirven para mejorar el intercambio de materia entre gases y lfquidos, en particular en aplicaciones en las cuales la carga de lfquido es reducida y/o la tension superficial del lfquido es elevada. Un relleno estructurado esta construido tfpicamente a partir de elementos de pared delgada en una disposicion predefinida regular sobre la cual el lfquido se encuentra como gotas o pelfcula. Estos elementos de pared delgada estan dispuestos en el aparato de intercambio de materia de manera que a traves de los mismos pueda fluir un gas. El gas entra en contacto con el lfquido, que esta presente en la superficie de los elementos de pared delgada, cuando fluye a traves del aparato de intercambio de materia. Durante este contacto un componente enriquecido en el gas puede ser intercambiado en el lfquido o viceversa, es decir, puede tener lugar un intercambio de materia.
La cantidad de materia intercambiada por unidad de tiempo es proporcional a la superficie lfmite entre el gas y el lfquido. La superficie lfmite es mayor cuanto mayor es la proporcion de la superficie del relleno que se humecta por el lfquido.
Para el procedimiento de intercambio de materia, es decir, por ejemplo el procedimiento de destilacion o procedimiento de absorcion, se usan rellenos estructurados para generar la mayor superficie de intercambio de materia posible entre dos fluidos. Para esta finalidad un fluido fluye directamente sobre la superficie de relleno como lfquido y el otro fluido fluye en contracorriente como fase gaseosa en los canales del relleno formados por los elementos de pared delgada. Ambos fluidos estan en contacto directo uno con otro y en sus superficies de interfase intercambian energfa y/o materia entre sf Por este motivo resulta necesario para un optimo intercambio de materia y/o intercambio de energfa que el lfquido se encuentre sobre toda la superficie de relleno puesta a disposicion para formar una superficie interfase lo mas extensa posible.
Sin embargo, precisamente esta necesidad no es siempre satisfecha por ejemplo en todos los casos para cargas espedficas de lfquido reducidas. Una carga de lfquido reducida significa que precisamente se conduce justo lfquido a traves del aparato de intercambio de materia en tal medida que la superficie del relleno del relleno estructurado es humectada por el lfquido en el mejor de los casos como pelfcula, lo cual significa que toda la superficie de relleno del relleno forma una superficie interfase. El caudal volumetrico de lfquido por unidad de superficie de columna se entiende que es la carga de lfquido L. Particularmente en aplicaciones con cargas de lfquido muy pequenas en combinacion con lfquidos de baja capacidad de humectacion, los cuales tienen elevada tension superficial, lo cual significa por ejemplo para sistemas acuosos, suele ocurrir que solamente una fraccion de la superficie de relleno es humectada con el lfquido y, por lo tanto, se reduce drasticamente la superficie interfase para el transporte de energfa y de materia.
Una buena capacidad de humectacion esta dada por rellenos estructurados que tienen una estructura de canales cruzados de capas de tejido plisadas. Una estructura de canales cruzados de este tipo se describe a modo de ejemplo en el documento DE 1442714.
De acuerdo con el documento GB 451014 han resultado particularmente ventajosos los tejidos con materiales fibrosos que presentan una elevada capilaridad debido a la muy pequena separacion entre las fibras y por este motivo tienen una excelente capacidad de humectacion. Los materiales fibrosos de este tipo pueden estar compuestos, por ejemplo, de vidrio o basalto de acuerdo con el documento EP 531255 A1. Para garantizar la estabilidad mecanica de un relleno estructurado a partir de un material fibroso, las fibras son tejidas junto con otros materiales tales como alambres de acero o plastico, como se ilustra en el documento DE 1442714 o en DE 2434082 o tambien tensados sobre una correspondiente construccion en forma de marco, como se detalla en el documento DE 1769739.
Los rellenos de tejido tambien son usados de manera ventajosa para la aplicacion en sistemas acuosos. Por ejemplo, una pluralidad de rellenos a partir de tejidos de metal puro para la destilacion de un sistema acuoso se mencionan en el documento EP 2119713 A1. En el documento US 7411098 se proponen rellenos de tejido de metal para la destilacion acuosa.
Del documento EP-A- 1477224 se conoce un relleno de canales cruzados que esta construido a partir de un tejido de metal y que se opera con una carga de lfquido espedfica reducida. La carga de fluido espedfica se determina por la relacion de la carga de lfquido L respecto a la superficie espedfica a del relleno. La relacion de L/a se encuentra de acuerdo con el documento EP-A- 1477224 por debajo de un valor maximo de 10 l/mh. La superficie espedfica a esta definida como la relacion de la superficie del relleno con respecto al volumen que se ocupa por el relleno. La relacion L/a se denomina tambien carga de borde. Por regla general, una elevada carga de borde conduce a una buena humectacion de la superficie del relleno, puesto que una determinada cantidad de lfquido incide sobre una
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zona pequena de la superficie del relleno. Sin embargo, una pequena carga de borde tiene lugar para la misma carga de Kquido y zona mucho mas extensa de la superficie del relleno y en el caso normal conduce a una humectacion significativamente peor de la superficie del relleno puesta a disposicion.
Sin embargo, se ha podido mostrar que un relleno de este tipo a partir de un tejido de metal genera una pelfcula en forma de una banda estrecha sobre la superficie de relleno, lo cual significa que solamente una proporcion muy pequena de la superficie de relleno es humectada cuando la carga de lfquido es pequena y/o el lfquido tiene una elevada tension superficial, es decir, preferentemente una tension superficial mayor que 30 mN/m, en particular mayor que 50 mN/m.
El documento EP 0 416 649 A describe una capa de tejido para un relleno estructurado, de acuerdo con el cual las bandas con actividad capilar en la trama tienen un buen comportamiento de humectacion, es decir, el lfquido puede distribuirse mejor en direccion horizontal. Lo antedicho se obtiene por medio de hilos de trama a partir de material no metalico. El relleno o elementos de relleno de columna obtienen de acuerdo con el documento Ep 0 416 649 A una capacidad de autoseparacion y hacen innecesarios distribuidores de lfquido independientes. La capa de tejido de acuerdo con el documento EP 0 416 649 A nunca ha encontrado aplicacion comercial de acuerdo con busquedas llevadas a cabo por el solicitante. Por otro lado, se requiere en principio un distribuidor de lfquido para distribuir la fase lfquida uniformemente sobre el relleno, por lo cual las ventajas citadas en el documento Ep 0 416 649 A aparentemente no han podido demostrarse en la practica. Una comparacion de la invencion con la capa de tejido con la capa de tejido del documento EP 0 416 649 A no es, por lo tanto, posible debido a los motivos mencionados.
Un elemento de relleno para un reactor catalftico tambien esta ilustrado en el documento EP1 308 204 A1 que ilustra un relleno de canales cruzados. Una capa de tejido esta dispuesta entre capas adyacentes del relleno de canales cruzados. La capa de tejido sirve para llevar a cabo la catalisis y esta configurada como una capa intermedia. La capa intermedia puede presentar un perfil ondulado y configurar un relleno de canales cruzados junto con una capa adyacente, que sirve como relleno de soporte. Los hilos de urdimbre y los hilos de trama de esta capa intermedia pueden contener filamentos de fibra. El problema a resolver de acuerdo con el documento EP1 308 204 A1 ha sido proporcionar una capa por medio de la cual se puede llevar a cabo la catalisis, por lo cual no se requiere incrementar la capacidad de humectacion de la superficie del relleno. Para ello tendnan que estar previstas capas de tejido de configuracion similar, las cuales debenan ser dispuestas en forma proxima entre sf y que hagan contacto entre sf en puntos de contacto para influenciarse mutuamente. Esta influencia no es posible para un elemento de relleno de acuerdo con el documento EP1 308 204 A1, puesto que no se han previsto capas de tejido adyacentes. Las capas de tejido estan dispuestas entre membranas de forma estable, es decir, no estan dispuestas de manera adyacente unas con respecto a otras.
Por esta razon, el objeto de la presente invencion consiste en proporcionar un procedimiento de intercambio de materia, asf como un relleno estructurado para llevar a cabo el procedimiento de intercambio de materia, asf como un aparato de intercambio de materia que contiene este relleno estructurado, en donde la proporcion de la superficie de relleno humectada puede ampliarse por medio del relleno estructurado.
El objeto se soluciona por medio de un procedimiento de intercambio de materia, que comprende las siguientes etapas: suministrar un primer fluido y un segundo fluido a un aparato de intercambio de materia, en donde el aparato de intercambio de materia comprende un recipiente, que tiene una zona de cabeza, una zona de base y una zona de intercambio de materia, en donde el primer fluido es puesto en contacto con el segundo fluido en al menos la zona de intercambio de materia, en donde la zona de intercambio de materia esta dispuesta entre la zona de cabeza y la zona de base y la zona de intercambio de materia contiene un relleno estructurado que tiene una pluralidad de capas adyacentes unas con respecto a otras de un tejido, que comprende filamentos de fibra de un material no metalico, que estan configuradas como hilos de trama, en el que entre los filamentos de fibra de material no metalico estan dispuestos alambres de metal, en el que los hilos de trama presentan un espesor de hilado de al menos 100 g/1000 m y los hilos de trama comprenden al menos 20 hilos/25,4 mm. El aparato de intercambio de materia se opera con una carga de lfquido de como maximo 3 m3/m2/h, preferentemente con una carga de lfquido de como maximo 0,5 m3/m2h. Las capas adyacentes estan dispuestas unas al lado de otras. En particular, uno del primer o el segundo fluido presenta una tension superficial de al menos 30 mN/m, preferentemente de al menos 50 mN/m.
Segun el procedimiento de acuerdo con los anteriores ejemplos de realizacion, el fluido contiene agua, aminas, amidas, en particular dimetilformamida, alcoholes monohndricos o polihndricos, en particular alcoholes de acidos grasos, monoetilenglicol, dietilenglicol, trietilenglicol, tetraetilenglicol, monomeros de plasticos, en particular MDI (difenilmetano diisocianato), DMT (dimetil tereftalato) acidos carboxflicos, en particular acidos grasos, esteres, en particular esteres de acidos grasos o mezclas de al menos dos de los componentes previamente mencionados.
Un relleno estructurado para un aparato de materia de acuerdo con la presente invencion tiene una zona de cabeza y una zona de base. El relleno estructurado contiene una pluralidad de capas adyacentes unas con respecto a otras que configuran en cada caso una cara superior que esta enfrentada a la zona de cabeza y configuran en cada caso una cara inferior. La cara inferior esta enfrentada a la zona de base. La capa presenta un elemento de pared que se extiende entre la cara superior y la cara inferior. El elemento de pared esta configurado como un tejido que contiene filamentos de fibra de un material no metalico, que estan configurados como hilos de trama, presentando los hilos de trama un espesor de hilado de al menos 100 g/1000 m y los hilos de trama comprenden al menos 20 hilos/25,4 mm.
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De acuerdo con un ejemplo de realizacion preferente, al menos dos filamentos de fibra a partir de material no metalico estan dispuestos directamente unos al lado de otros. En particular, la superficie espedfica del relleno es de 0 m2/m3 hasta como maximo 500 m2/m3
Estan dispuestos alambres de metal entre los filamentos de fibra de material no metalico. Los hilos de trama pueden estar entretejidos por hilos de urdimbre, en donde al menos una parte de los hilos de urdimbre estan configurados como alambres de metal. Los filamentos de fibra de material no metalico pueden contener vidrio, basalto o un polfmero. Los alambres de metal contienen preferentemente acero inoxidable, titanio, hastelloy, duplex, tantalio o pueden tener un recubrimiento. El recubrimiento puede servir, en particular, para incrementar la resistencia a la corrosion.
El relleno estructurado de acuerdo con un ejemplo de realizacion preferente tiene una capa con una pared que presenta un perfil en forma ondulada, a traves del que esta configurada una pluralidad de canales abiertos que se extienden de la cara superior del relleno al lado inferior del relleno, en donde los canales comprenden un primer seno de onda, una primera cresta de onda y una segunda cresta de onda. La primera cresta de onda y la segunda cresta de onda delimitan el primer seno de onda. La primera y la segunda cresta de onda presentan un primer pico y un segundo pico.
El aparato de intercambio de materia contiene en particular un relleno estructurado de acuerdo con uno de los ejemplos de realizacion previamente mencionados. El aparato de intercambio de materia puede estar configurado en particular como un aparato de absorcion o como una columna de destilacion.
El aparato de intercambio de materia puede presentar una zona de cabeza, una zona de base y una zona de intercambio de materia dispuesta entre la zona de cabeza y la zona de fondo, en donde esta dispuesto un distribuidor de fluido en el aparato de intercambio de materia de manera que el primer fluido puede ser distribuido sobre la cara superior del relleno estructurado con el distribuidor de fluido, pudiendo aplicarse el primer fluido sobre las superficies de pared de las capas del relleno estructurado como pelfcula y, a ese respecto, puede ser puesto en contacto con un segundo fluido que fluye a contracorriente con respecto al primer fluido. El fluido contiene en particular agua, aminas, amidas, en particular dimetilformamida, alcoholes monotndricos o politudricos, en particular alcoholes de acidos grasos, monoetilenglicol, dietilenglicol, trietilenglicol, tetraetilenglicol, monomeros de plasticos, en particular MDI (difenilmetano diisocianato), DMT (dimetil tereftalato), acidos carboxflicos, en particular acidos grasos, esteres, en particular esteres de acidos grasos. El fluido tambien puede contener en particular mezclas de al menos dos de los componentes anteriormente mencionados. En este sentido el termino politndrico tambien comprende en particular el termino bivalente, es decir, tambien un diol.
Un relleno estructurado de acuerdo con una de los siguientes ejemplos de realizacion conduce a una explotacion mejorada de la superficie de relleno en comparacion con los tejidos de metal usados hasta ahora.
Puesto que los tejidos de metal puro solamente tienen una baja capilaridad, la capa contiene un tejido que contiene filamentos de fibra de un material no metalico que estan configurados como hilos de trama.
Adicionalmente, los tejidos de metal puros son significativamente mas costosos en cuanto a su adquisicion en comparacion con un relleno de tejido con al menos una proporcion de filamentos de fibra.
La invencion contiene un procedimiento de intercambio de material con un relleno estructurado de acuerdo con la invencion, fabricado a partir de un tejido compuesto por alambres de metal y filamentos de fibra, el cual en particular en aplicaciones de destilacion y de absorcion con cargas de lfquido extremadamente pequenas de como maximo 3 m3/m2h, preferentemente de como maximo 0,5 m3/m2h y sistemas acuosos conduce a un incremento de la superficie interfase y, por lo tanto, posibilita un mayor intercambio de energfa y/o un intercambio de materia mejorado en comparacion con rellenos estructurados convencionales. El relleno de tejido fnbrido es, en particular, ventajoso para aplicaciones en las cuales la carga de borde es menor que 10 l/mh, en particular menor que 2 l/mh. El valor lfmite inferior para la carga de borde se encuentra de manera ventajosa en al menos 0,2 l/mh.
A continuacion se explica la presente invencion haciendo referencia a los dibujos. Muestran:
la Figura 1 la Figura 2 la Figura 3 la Figura 4
la Figura 5
la Figura 6
un aparato de intercambio de materia que contiene un relleno estructurado de acuerdo con invencion un ejemplo de realizacion de un relleno estructurado de acuerdo con la invencion una representacion de la humectacion de un relleno estructurado convencional
una representacion de la humectacion de un relleno estructurado de acuerdo con la presente invencion
una representacion de la distribucion del lfquido del relleno de acuerdo con la invencion, en comparacion con un relleno del estado de la tecnica.
una comparacion del rendimiento de separacion del relleno de acuerdo con invencion con respecto al estado de la tecnica
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la Figura 7
una comparacion de un relleno de chapa, un relleno de tejido de metal y un relleno de tejido hnbrido para la absorcion de DMF
la Figura 8 una variante del relleno de acuerdo con la invencion
La Figura 1 ilustra un aparato de intercambio de materia que contiene un relleno estructurado 7. El relleno estructurado 7 comprende varias capas 10, 100 que configuran un cuerpo de relleno. Un medio para el intercambio de materia entre dos fases fluidas se entendera como relleno estructurado 7. El relleno estructurado 7 se usa en un aparato de intercambio de materia 2. El aparato de intercambio de materia puede estar realizado en particular como una columna 5, la cual puede usarse para una destilacion, rectificacion, absorcion o desorcion.
El aparato de intercambio de materia tiene una zona de cabeza y una zona de fondo. El relleno estructurado 7 contiene al menos una capa 10, 100 que configura una cara superior que esta enfrentada a la zona de cabeza y una cara inferior que esta enfrentada a la zona de fondo. La capa presenta un elemento de pared que se extiende entre la cara superior y la cara inferior.
Por regla general, el relleno estructurado 7 se compone de una pluralidad de capas 10, 100 que estan asociadas entre sf en una relacion geometrica regularmente repetitiva. La distancia entre capas adyacentes puede ser seleccionada como ejemplo para esta relacion geometrica. La distancia entre capas adyacentes puede tener periodicamente el mismo valor debido a la relacion geometrica de manera que de la sumatoria de las capas resulte una estructura que se caracteriza por las mismas distancias de separacion o al menos periodicamente iguales distancias de separacion. La periodicidad se encuentra en todo el relleno estructurado, por lo que el relleno obtiene una estructura regular. La estructura puede estar configurada en particular como perfil en forma ondulada.
Las capas 10, 100 de acuerdo con la Figura 1 se componen de elementos de pared delgada que presentan un perfil en forma ondulada. El perfil en forma ondulada se caracteriza por una secuencia que se sucede periodicamente de elevaciones, es decir, crestas de onda y valles de onda, es decir, senos de onda. Este perfil en forma ondulada puede estar configurado en particular como pliegue con un perfil en forma de zigzag con cantos inclinados unos con respecto a otros o con crestas de onda y/o valles de onda con un radio. Las capas se disponen unas con respecto a otras de manera que los perfiles en forma ondulada de dos capas adyacentes estan inclinados en un angulo con respecto a la direccion de flujo principal. Por este motivo, los perfiles en forma ondulada de las capas adyacentes 10, 100 estan dispuestos en forma cruzada unos con respecto a otros.
La primera capa 10 y la segunda capa 100 se componen en cada caso de un elemento de pared, que esta formado como tejido que contiene filamentos de material no metalico. Un elemento de pared de este tipo puede comprender a este respecto toda la capa o, si no, formar solo una parte de la misma. El elemento de pared puede presentar la forma de una placa plana. Como alternativa a ello, el elemento de pared puede comprender un perfil en forma ondulada, en particular un perfil en zigzag o un perfil en forma ondulada con crestas y fondos de valle redondeados.
La primera capa 10 y la segunda capa 100 estan representadas en la Figura 1 en una vista que muestra la cara superior 8 del relleno 7. La cara superior 8 del relleno esta dispuesta de manera esencialmente normal con respecto a la direccion de flujo principal 6. Con direccion de flujo principal 6 se denomina la direccion de flujo en la que fluye un fluido mas volatil, en particular un gas que fluye hacia arriba en la columna sin piezas montadas posteriormente, es decir, en direccion de la cabeza de la columna 5. La direccion opuesta a la direccion de flujo principal es la direccion en la cual fluye un fluido menos volatil, es decir, generalmente un lfquido que fluye a traves de la columna sin inserciones, es decir, en cafda libre. La direccion de flujo puede desviarse localmente de la direccion de flujo principal en el relleno, puesto que el flujo puede desviarse por las capas del relleno.
La primera capa 10 del relleno estructurado 7 presenta un perfil en forma ondulada, estando configurada una pluralidad de canales abiertos 12, 14 ,16 por el perfil en forma ondulada. Los canales comprenden un primer seno de onda 22, un primer pico de onda 32 y un segundo pico de onda 42. El primer pico de onda 32 y el segundo pico de onda 42 delimitan el primer seno de onda 22. El primer pico de onda 32 y el segundo pico de onda 42 presentan una primera cresta 33 y una segunda cresta 43. El primer seno de onda 22 presenta un fondo de valle 23. El primer seno de onda 22 presenta un fondo de valle 23, siendo la distancia normal desde la primera cresta 33 hasta el fondo de valle 23 del seno de valle 22 igual a la distancia normal desde la segunda cresta 43 hasta el fondo de valle 23 del seno de onda 22.
La distancia normal entre la primera cresta 33 del primer pico de onda 33 y el fondo del valle 23 del primer seno de onda 22 se denomina tambien altura de onda. La altura de onda es igual a la distancia normal. En una capa de acuerdo con el ejemplo de realizacion mostrado de la invencion, la altura de onda es esencialmente constante, es decir, se encuentra en el intervalo de las tolerancias habituales, que se encuentran en el intervalo de 0,5 mm.
La segunda capa del relleno estructurado 7 presenta un perfil en forma ondulada, en donde el perfil en forma ondulada esta configurado al igual que el perfil de la capa 10, pero esta inclinado con un angulo diferente con respecto a la direccion de flujo principal.
En la Figura 2 esta representado un recorte de un elemento de pared de una capa de un relleno estructurado de acuerdo con la invencion. Capas plisadas individuales en forma de laminillas forman una estructura de canales
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cruzados en donde son posicionadas unas al lado de otras como se ilustra en la Figura 1. La capa 10 se compone de alambres de metal en la una direccion de tejido y de filamentos de fibra de un material no metalico, por ejemplo de filamentos de fibra de vidrio o de basalto, en la otra direccion de tejido. Los alambres de metal son de manera ventajosa hilos de urdimbre, los filamentos de fibra forman de manera ventajosa los hilos de trama. A este respecto, los alambres de metal aseguran una suficiente capacidad de deformacion mecanica y estabilidad de las capas plisadas y los filamentos de fibra la elevada capilaridad, que conduce a la humectabilidad deseada.
Los hilos de trama presentan un espesor de hilado de al menos 100 g/1000 m, lo cual corresponde a 100 tex. Los hilos de trama para este espesor de hilado comprenden al menos 20 hilos/25,4 mm (= 1 pulgada).
Los filamentos de fibra del material no metalico pueden contener en particular filamentos de fibra de vidrio, basalto o de polfmeros. Adicionalmente a los filamentos de fibra de material no metalico, los alambres de metal pueden ser entretejidos para incrementar la resistencia de la capa contra influencias qmmicas, tales como por ejemplo corrosion, influencias termicas, tal por ejemplo temperatura, o influencias mecanicas, tal como por ejemplo presion. Los alambres de metal pueden presentar acero inoxidable, titanio, hastelloy, duplex, tantalio o un recubrimiento.
Para mejorar la capacidad de humectacion, al menos dos filamentos de fibra de material no metalico pueden estar dispuestos directamente uno al lado de otro. Tambien pueden estar dispuestos de manera ventajosa tambien tres, de manera particularmente preferente cinco filamentos de fibra directamente unos al lado de otros como se muestra en la Figura 2. Los alambres de metal pueden estar dispuestos a su vez entre una pluralidad de filamentos de fibra de material no metalico. Cuando estan dispuestos tres filamentos de fibra directamente unos al lado de otros, el relleno de tejido fnbrido esta configurado en particular como tejido de sarga de tres, y cuando cinco filamentos de fibra estan dispuestos directamente uno al lado de otro, el tejido tnbrido esta configurado en particular como tejido de sarga de cinco.
Los hilos de trama son entretejidos por los hilos de urdimbre, estando al menos una parte de los hilos de urdimbre configurados como alambres de metal. La orientacion de los hilos de trama se efectua preferentemente en direccion principal de flujo.
En funcion de lo bien que se humecte la capa de tejido, se hace evidente en un ensayo de humectacion con un gotero de agua, que esta representado en las Figuras 3 y 4: una capa no plisada con un mero tejido de metal y una capa no plisada de tejido de acuerdo con la invencion se tensan perpendicularmente y en el borde superior se aplica con un gotero a las mismas gotas de agua de manera selectiva. En este contexto no plisado significa que la capa tiene una superficie plana. Para esta capa de tejido de meros alambres de metal se ha podido constatar que las gotas de agua se mueven predominantemente sobre la superficie del tejido y no son absorbidas por dicho tejido, vease la Figura 3. La expansion del escurrimiento de las gotas es reducida y el ancho del escurrimiento de las gotas corresponde aproximadamente con el ancho en el punto de aplicacion de las gotas a lo largo de toda la trayectoria del escurrimiento de las gotas.
En contraposicion a ello, en la capa de tejido con filamentos de fibra, el escurrimiento de las gotas se expande sobre el tejido, como se ilustra en la Figura 4. Desde el punto de aplicacion de las gotas el agua se aspira hacia el tejido y se expande dentro y sobre el tejido. El escurrimiento no solamente tiene lugar sobre la superficie del tejido, sino predominantemente tambien tiene lugar en el interior del tejido. Para la aplicacion esta circunstancia significa una mayor superficie interfase y un tiempo de retencion incrementado del lfquido en el relleno.
Cuando el caudal volumetrico del lfquido aumenta, el lfquido en exceso fluye a lo largo de la correspondiente superficie exterior del tejido. En este sentido, el tiempo de retencion del lfquido sobre el tejido se reduce desde algunos minutos hasta unos pocos segundos. Por consiguiente, en particular para sistemas en los cuales la velocidad del intercambio de materia depende esencialmente de la velocidad de alojamiento en el lfquido, no puede tener lugar un intercambio de materia, o solo puede tener lugar en forma parcial, de manera que se requiere ya sea una mayor altura de relleno o bien se debe disponer una pluralidad de rellenos. Un sistema de este tipo tambien se denomina limitante del lfquido, puesto que es la velocidad de alojamiento del componente de intercambio en el lfquido la que determina la cantidad de materia intercambiada por unidad de tiempo.
La Figura 5 muestra la distribucion de un flujo de lfquido sobre la cara inferior de varias capas plisadas de un relleno estructurado para un tejido de metal y un tejido mixto con hilos de trama, que contienen filamentos de fibra de fibras de vidrio. En este sentido, una capa plisada se entiende una capa con un perfil en forma ondulada, al igual que se ha descrito en relacion con la Figura 1. El lfquido que fluye tiene preferentemente una elevada tension superficial, pudiendo ser el lfquido en particular agua. La distribucion del lfquido por la longitud del borde de la capa se muestra en la abscisa. La longitud del borde es el ancho de la capa, es decir, la extension de la capa en un plano que discurre en forma normal con respecto a la direccion principal de flujo, es decir, discurre en direccion del eje longitudinal del aparato de intercambio de materia.
La cantidad de agua que es recolectada y medida en una zona determinada de la longitud del borde se ha ilustrado sobre la ordenada. El punto de aplicacion del lfquido se encuentra aproximadamente en el centro de la abscisa.
Una lmea vertical muestra el lugar de la entrada del lfquido a la capa de relleno, es decir, de forma analoga al punto de aplicacion de las Figuras 3 o 4.
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La distribucion del Ifquido esta representada para el tejido de metal como una lmea continua, mientras que para el tejido hubrido la distribucion de lfquido esta representada como una lmea discontinua. El flujo de lfquido se desvfa por los canales inclinados de la estructura de canales cruzados, como se muestra en la Figura 3 o la Figura 5. De manera interesante, el lfquido experimenta sobre el tejido de metal solamente una desviacion con respecto a la direccion del flujo principal y ciertamente en la direccion de los canales abiertos de la capa plisada sobre la cual se ha aplicado el lfquido. Una transicion del flujo de lfquido a las capas adyacentes aparentemente no tiene lugar. La distribucion del lfquido se encuentra en una zona estrecha que corresponde al comportamiento de flujo mostrado en la Figura 3.
El lfquido sobre el tejido hubrido no se distribuye de acuerdo con una direccion preferida, teniendo lugar mas bien la distribucion relativamente de manera uniforme por la mitad izquierda y derecha del borde y de las inclinaciones de los canales vecinos en aproximadamente proporciones iguales. De ello se puede deducir la conclusion de que el lfquido experimenta una expansion mejorada debido a los filamentos de fibra. Los filamentos de fibra se humectan por el lfquido formandose una corriente de lfquido dentro de los filamentos de fibra, asf como sobre las superficies de la capa del relleno. Las capas adyacentes absorben el lfquido mas facilmente en los puntos de contacto. Por lo tanto, el lfquido puede pasar mas facilmente de una capa a una capa adyacente y por esta razon se distribuye mejor el lfquido por la capa.
El efecto de absorcion no esta presente en el relleno de tejido de metal. Por esta razon, en este tejido tiene lugar una peor distribucion del flujo de lfquido, lo que es confirmado por la distribucion unilateral del lfquido en la Figura 5 para el tejido de metal.
Otro ensayo se ha llevado a cabo en una columna de destilacion con 250 mm de diametro interior y varios metros de altura de relleno; el sistema de ensayo muy ampliamente conocido cis/trans-decalina (U. Onken, W. Arlt: “Recommended test mixtures for distillation columns”, The Institution of Chemical Engineers, 1990) es separado por destilacion a 10 mbar de presion en cabeza y reflujo total. La particularidad de esta baja presion en cabeza, respectivamente este elevado vado, es la aparicion de cargas de lfquido muy pequenas en el intervalo de como maximo 3 m3/m2h, preferentemente de como maximo 0,5 m3/m2h. Se ha encontrado para este intervalo un rendimiento de separacion claramente mejorado para el relleno de tejido con filamentos de fibra frente a los meros rellenos de tejido de igual geometna que la representada en la Figura 6. La Figura 6 muestra el numero de etapas de separacion por metro NTSM en funcion de la velocidad del fluido mas volatil dentro de la columna, lo cual es expresado por el factor F. El factor F esta dado por la rafz de la densidad del segundo fluido multiplicado por la velocidad, con la cual el segundo fluido fluye a traves del aparato de trasferencia de materia. En este sentido, el segundo fluido es el fluido mas volatil cuya direccion de flujo discurre de la zona de base a la zona de cabeza del aparato de intercambio de materia. La lmea continua muestra el numero de etapas de separacion por metro (NTSM) para un relleno estructurado, que esta configurado como mero tejido de metal, mientras que la lmea discontinua muestra el NTSM para un relleno estructurado de igual dimension geometrica y forma, que esta realizado como tejido con filamentos de fibra.
Tanto para el relleno de tejido de metal, asf como para el relleno de tejido con filamentos de fibra de un material no metalico, se aplica que para factores F menores se incrementa el numero de las etapas de separacion teoricas por metro.
El relleno de tejido con filamentos de fibra de un material no metalico se caracteriza por un elevado numero de etapas de separacion teoricas por metro. Con ello se demuestra que se logra un mayor rendimiento de separacion mediante este relleno estructurado.
Otro ejemplo de aplicacion es la seccion de lavado de un aparato de absorcion de CO2. Un aparato de absorcion de este tipo esta configurado tfpicamente como columna de absorcion. Frecuentemente se usan aminas en una columna de absorcion para la separacion de CO2 de las corrientes de gas de escape. Estas poseen ciertamente una baja presion de vapor, encontrandose sin embargo en pequenas concentraciones en el gas de escape liberado por CO2, de manera correspondiente a la presion de vapor de la amina usada. Para reducir esta descarga de aminas no deseada se instalan al final de tales columnas de absorcion las denominadas secciones de lavado, en las cuales la amina nuevamente se separa por lavado de la corriente de gas de escape con agua.
Tales secciones de lavado trabajan tfpicamente en un relleno estructurado a elevadas cargas de agua para causar una humectacion suficiente del relleno estructurado. El agua es conducida en un circuito para asegurar la elevada carga de agua. Este circuito tambien se denomina como recirculacion (bombear en circuito cerrado). El suministro de agua fresca debe mantenerse bajo de manera que se pueda mantener el balance de agua y no se produzcan grandes caudales de aguas residuales. A este respecto, el lfquido es recolectado en el extremo inferior del relleno estructurado, extrafdo como corriente lateral y en su mayor parte distribuido de nuevo uniformemente en el extremo superior del relleno estructurado por medio de distribuidores de lfquido al relleno estructurado. La corriente de gas no puede ser purificada a una concentracion de amina discrecionalmente pequena por la recirculacion del lfquido acuoso cargado con amina. Si se operara la seccion de lavado descrita exclusivamente con agua fresca, las cargas de lfquido resultantes senan tan pequenas que resultana una altura de relleno muy grande. Tambien se incremental la perdida de presion debido a la gran altura de relleno requerida, lo cual conducina a mayores costes de operacion en el caso de la aplicacion descrita.
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Estas secciones de lavado pueden ser ahora operadas en forma eficiente con cargas de Ifquido muy pequenas con un relleno estructurado de acuerdo con la presente invencion: ahora se conduce agua a traves del relleno estructurado en una medida tal para asegurar una humectacion suficiente. La carga de lfquido se encuentra entre 0,03 m3/m2h y 0,5 m3/m2h. Puesto que las aminas tienen una presion de vapor muy pequena y son muy solubles en agua, con una cantidad de agua reducida, libre de amina, se puede lograr, sin embargo, una concentracion de amina significativamente mas baja en la corriente de gas que sale que con la recirculacion descrita anteriormente. Adicionalmente la perdida de presion de la seccion de lavado se reduce a un mmimo debido al uso del relleno estructurado de acuerdo con la invencion. Ademas, se originan ahorros adicionales con respecto a los costes de inversion y de operacion, puesto que no se necesita bomba de circulacion y el lfquido no tiene que ser recolectado y extrafdo en el extremo inferior del relleno estructurado.
De acuerdo con otro ejemplo de realizacion preferente, la absorcion de dimetilformamida (DMF) a partir del aire se lleva a cabo en agua. Puesto que DMF es altamente soluble en agua, solamente se requieren pequenas cantidades de agua para la absorcion. El agua es puesta en contacto con un gas que contiene el DMF para llevar a cabo la absorcion. Cuando mayor es la superficie de contacto entre agua y gas, mas rapida puede ser intercambiado el DMF al agua desde el gas. Esta superficie de contacto corresponde a la superficie de intercambio de materia. La materia, en este caso DMF, se transporta sobre toda la superficie de intercambio de materia del gas al agua. La superficie de intercambio de materia es puesta tfpicamente a disposicion por el relleno estructurado. El agua se distribuye a lo largo del relleno estructurado configurando una pelfcula delgada, que cubre la superficie del relleno estructurado.
El resultado de esta medicion esta representado en la Figura 7, que muestra el numero de las unidades de transferencia por metro (NTUM) como funcion del factor de absorcion (A/m) para distintos tipos de rellenos. El factor de absorcion especifica la relacion entre el gradiente de la lmea de operacion A y la lmea de equilibrio m en el diagrama de equilibrio (diagrama x-y). En este sentido, el gradiente de la lmea de operacion A es calculado a partir de la relacion de la corriente molar del fluido menos volatil con respecto al flujo molar del fluido mas volatil.
Como tipos de relleno se denominan un relleno estructurado de acuerdo con la invencion, a continuacion denominado relleno de tejido hnbrido GlasG, un relleno de tejido de metal, denominado a continuacion MetallG, y un relleno de chapa, denominado a continuacion BlechP.
La siguiente tabla especifica las superficies espedficas a de los tipos de relleno usados:
Tipo
a [m2/m3] Construccion
GlasG □
250 Tejido con filamentos de fibra de vidrio
MetallG 0
450 Tejido de metal
BlechP A
250 Chapa
El grafico muestra que el relleno de tejido fnbrido presenta un rendimiento de absorcion similar a un relleno de tejido de metal. Este rendimiento del relleno de tejido hnbrido es logrado, sin embargo, con aproximadamente la mitad de la superficie especifica.
En comparacion, el relleno de chapa provee un numero reducido de etapas de separacion por metro o NTUM (numero de unidades de transferencia por metro) con la misma superficie especifica que el relleno de tejido hnbrido, pudiendo ser ello explicado por la menor humectacion del relleno de chapa.
De la relacion de la superficie especifica 2:1 para MetallG:BlechP se podna esperar que el numero de las etapas teoricas de separacion por metro debenan ser aproximadamente dos veces mas grande para el relleno de tejido de metal NTUM (MetallG) que el numero de etapas de separacion teoricas por metro NTUM (BlechP). El numero de etapas de separacion teorica por metro para el relleno de tejido de metal NTUM (MetallG) es sin embargo solamente 1,6 veces el numero de las etapas de separacion teoricas NTUM para el relleno de chapa (BlechP). Esto puede ser explicado por una menor explotacion de la superficie especifica que se debe a la menor carga de borde para el tejido de metal MetallG.
La carga de borde es mayor para el relleno de chapa BlechP que para un relleno de tejido de metal del tipo MetallG, siendo la carga de lfquido L la misma en ambos casos, sin embargo la superficie de BlechP es considerablemente menor que aquella de MetallG, lo cual tambien esta documentado en el estado de la tecnica mencionado en la introduccion.
De acuerdo con la teona NTUM (GlasG) debena ser el mismo que NTUM (BlechP), puesto que las superficies espedficas son identicas. Los resultados logrados de acuerdo con la Figura 7 muestran para NTUM, sin embargo, un factor de 1,5 entre estos rellenos. Puesto que este factor no puede ser explicado obviamente por la diferencia de la superficie especifica, la mejora se debena haber logrado a traves del uso de un tejido que incluye filamentos de fibra de material no metalico y por este motivo tiene una humectacion mejorada.
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Para el relleno de tejido hubrido de tipo GlasG, los filamentos usados como hilos de trama tienen un espesor de hilado segun se indica en la siguiente lista: fibras de vidrio (GF, 136 tex) que tienen un espesor de hilado de 136 g/1000 m o fibras de basalto (BF, 577 tex) 577g/1000m. La disposicion de los filamentos para la configuracion del tejido sera explicada en el siguiente listado:
De acuerdo con una primera variante, el tejido se compone de una fibra de vidrio (GF) con un espesor de hilado segun lo indicado mas arriba e incluye alambres de metal de acero inoxidable dispuestos periodicamente entre las fibras de vidrio, siendo el espesor de alambre de los alambres de metal de 0,16 mm. La densidad del tejido en esta disposicion importa 0,616 kg/m2 En este caso 70,6 hilos/25,4 mm (= 1 pulgada) son dispuestos en la direccion de urdimbre y 40,9 hilos/25,4 mm (= 1 pulgada) son dispuestos en la direccion de trama.
De acuerdo con la segunda variante, el tejido se compone de una fibra de basalto (BF) que tiene un espesor de hilo segun se ha indicado mas arriba, y alambres de metal de acero inoxidable dispuestos periodicamente entre las fibras de vidrio, en donde el espesor de alambres de los alambres de metal asciende a 0,16mm. La densidad del tejido asciende a 0,923 kg/m2 en esta disposicion. En este caso 70,6 hilos/25,4 mm (= 1 pulgada) estan dispuestos en la direccion de urdimbre y 25,7 hilos/25,4 mm (= 1 pulgada) estan dispuestos en la direccion de trama.
En forma sorprendente para un tejido que comprende al menos uno de los dos filamentos de fibra mencionados mas arriba se puede encontrar un numero de etapas de separacion teoricas por metro casi tan alto que para el relleno de tejido de metal (MetallG) con aproximadamente el doble de superficie espedfica.
Un ejemplo de realizacion particularmente ventajoso de un relleno de tejido hubrido se muestra en la Figura 8. Una capa del relleno de tejido hubrido mostrado en la Figura 8 tiene una zona de borde inferior, una zona media y una zona de borde superior. Las zonas de borde estan ubicadas en la cara superior y la cara inferior de la capa cuando la capa es insertada como parte componente del relleno estructurado en un aparato de intercambio de materia. Las zonas de borde estan configuradas de manera que el angulo con respecto a la direccion de flujo principal sea menor que en la zona media. En particular, el angulo se puede incrementar continuamente desde un valor mmimo hasta que sea alcanzado el angulo de inclinacion de los canales de la zona media con respecto a la direccion de flujo principal. La resistencia de flujo de las correspondientes zonas de borde es reducida con respecto a la zona media debido al diseno particular de las zonas de borde superior e inferior.
El valor mmimo del angulo puede ascender, en particular, a 0° de manera que la tangente en la curvatura del canal en el borde es paralela a la direccion de flujo principal.
En la Figura 8 tambien se muestran diferentes combinaciones de filamentos de material no metalico y alambres de metal. Por ejemplo, los filamentos de fibra 51, 52 pueden estar dispuestos en forma alternativa con respecto a los alambres de metal 50. En forma alternativa a lo anteriormente descrito, como ya se ilustrado en la Figura 2, los filamentos de fibra 53, 54, 55, 56, 57 pueden estar dispuestos en forma directamente adyacente. Tambien es posible disponer un numero menor que cinco de filamentos de fibra dispuestos en forma mutuamente adyacente, por ejemplo tres filamentos de fibra, denominados en la Figura 8 con 58, 59, 60, o dos filamentos de fibra, denominados en la Figura 8 con 61,62.
En resumen, se ha demostrado de esta manera que el relleno de tejido hubrido es muy adecuado para lfquidos que no se distribuyen tan facilmente sobre rellenos estructurados tfpicos. Ademas, el relleno de tejido hubrido es adecuado para aplicaciones con cargas de lfquido muy pequenas.

Claims (13)

  1. 5
    10
    15
    20
    25
    30
    35
    40
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    50
    REIVINDICACIONES
    1. Procedimiento de intercambio de materia, que comprende las etapas: suministrar un primer fluido y un segundo fluido a un aparato de intercambio de materia, en donde el aparato de intercambio de materia comprende un recipiente que tiene una zona de cabeza, una zona de base y una zona de intercambio de materia, en donde el primer fluido es puesto en contacto con el segundo fluido en al menos Ia zona de intercambio de materia, en donde la zona de intercambio de materia esta dispuesta entre la zona de cabeza y la zona de base y la zona de intercambio de materia tiene un relleno estructurado que contiene una pluralidad de capas adyacentes unas con respecto a otras de un tejido que comprende filamentos de fibra de un material no metalico, que estan configurados como hilos de trama, en donde entre los filamentos de fibra de material no metalico estan dispuestos alambres de metal, caracterizado porque los hilos de trama presentan un espesor de hilado de al menos 100 g/1000 m, los hilos de trama comprenden al menos 20 hilos/25,4 mm y el aparato de intercambio de materia es accionado con una carga de lfquido de como maximo 3 m3/m2/h .
  2. 2. Procedimiento de acuerdo con la reivindicacion 1, en donde el aparato de intercambio de materia es accionado con una carga de lfquido de como maximo 0,5 m3/m2/h.
  3. 3. Procedimiento de acuerdo con las reivindicaciones 1 o 2, en donde uno del primer fluido o del segundo fluido presenta una tension superficial de al menos 30 mN/m, preferentemente de al menos 50 mN/m.
  4. 4. Procedimiento de acuerdo con una de las reivindicaciones anteriores, en donde el fluido contiene agua, aminas, amidas, en particular dimetilformamida, alcoholes monohndricos o polihndricos, en particular alcoholes de acidos grasos, monoetilenglicol, dietilenglicol, trietilenglicol, tetraetilenglicol, monomeros de plasticos, en particular MDI (difenilmetano diisocianato), DMT (dimetil tereftalato), acidos carboxflicos, en particular acidos grasos, esteres, en particular esteres de acidos grasos o mezclas de al menos dos de los componentes.
  5. 5. Empaque estructurado para un aparato de intercambio de materia con una zona de cabeza y una zona de base, en donde el relleno estructurado contiene una pluralidad de capas adyacentes unas con respecto a otras que configuran en cada caso una cara superior, que esta enfrentada a la zona de cabeza, y una cara inferior, que esta enfrentada a la zona de base, en donde la capa presenta un elemento de pared que se extiende entre la cara superior y la cara inferior, el elemento de pared esta configurado como un tejido que contiene filamentos de fibra de un material no metalico, que estan configurados como hilos de trama, en donde entre los filamentos de fibra de material no metalico estan dispuestos alambres de metal, caracterizado porque los hilos de trama presentan un espesor de hilado de al menos 100 g/1000 m y los hilos de trama comprenden al menos 20 hilos/25,4 mm.
  6. 6. Empaque estructurado de acuerdo con la reivindicacion 5, en donde al menos dos filamentos de fibra de un material no metalico estan dispuestos directamente unos al lado de otros.
  7. 7. Empaque estructurado de acuerdo con las reivindicaciones 5 o 6, en donde la superficie espedfica del relleno es de 0 m2/m3 hasta como maximo 500 m2/m3.
  8. 8. Empaque estructurado de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 5 a 7, en donde los hilos de trama estan entretejidos por hilos de urdimbre, en donde al menos una parte de los hilos de urdimbre estan configurados como alambres de metal.
  9. 9. Empaque estructurado de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 5 a 8, en donde los filamentos de fibra de material no metalico comprenden vidrio, basalto o un polfmero.
  10. 10. Empaque estructurado de acuerdo con una de las reivindicaciones 6 a 9, en donde los alambres de metal contienen acero inoxidable, titanio, hastelloy, duplex, tantalio o presentan un recubrimiento.
  11. 11. Empaque estructurado de acuerdo con una de las reivindicaciones 5 a 10, en donde la pared de la capa presenta un perfil ondulado a traves del que esta configurada una pluralidad de canales abiertos, que se extienden de la cara superior del relleno a la cara inferior del relleno, en donde los canales comprenden un primer seno de onda, una primera cresta de onda y una segunda cresta de onda, en donde la primera cresta de onda y la segunda cresta de onda delimitan el primer seno de onda, en donde la primera y la segunda crestas de onda presentan un primer pico y un segundo pico.
  12. 12. Dispositivo de intercambio de materia, que contiene un relleno estructurado de acuerdo con una de las reivindicaciones 5 a 11.
  13. 13. Dispositivo de intercambio de materia de acuerdo con la reivindicacion 12, que esta configurado como aparato de absorcion o como columna de destilacion.
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