ES2651455T3 - Equipo de destilación del tipo de intercambio de calor - Google Patents

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ES2651455T3 ES10821870.2T ES10821870T ES2651455T3 ES 2651455 T3 ES2651455 T3 ES 2651455T3 ES 10821870 T ES10821870 T ES 10821870T ES 2651455 T3 ES2651455 T3 ES 2651455T3
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Masaru Nakaiwa
Toshihiro Wakabayashi
Akihiko Tamakoshi
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Abstract

Un equipo de destilación con integración de calor que comprende: una columna de rectificación (1) que incluye una sección con bandejas o una sección de lecho relleno (1b), que se usa como sección de rectificación; y una columna de agotamiento (2) situada a mayor altura que la columna de rectificación (1) y que incluye una sección con bandejas o una sección de lecho relleno (2b) usada como sección de agotamiento; un primer conducto (23) para conectar un extremo superior de columna (2c) de la columna de agotamiento (2) a un fondo de columna (1a) de la columna de rectificación (1); un compresor (4) instalado junto a una sección central del primer conducto (23) y configurado para comprimir vapor procedente del extremo superior de columna (2c) de la columna de agotamiento (2) e introducir luego el vapor comprimido en el fondo de columna (1a) de la columna de rectificación (1); caracterizado por un intercambiador de calor (8) situado en una etapa predeterminada de la columna de rectificación (1); una unidad de retirada de líquido (2d) situada en una etapa predeterminada de la columna de agotamiento (2) y configurada para retirar una parte de líquido desde la etapa predeterminada hacia el exterior de la columna de agotamiento (2); un segundo conducto (24) para introducir el líquido desde la unidad de retirada de líquido (2d) en el intercambiador de calor (8); y un tercer conducto (25) para introducir fluidos introducidos a través del segundo conducto (24) en el intercambiador de calor (8) y descargados luego del intercambiador de calor (8) en una etapa directamente por debajo de la unidad de retirada de líquido (2d), en que el intercambiador de calor (8), el segundo conducto (24) y el tercer conducto (25) están configurados para actuar como un condensador lateral en la columna de rectificación (1) y para actuar como un rehervidor lateral en la columna de agotamiento (2).

Description

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DESCRIPCION
Equipo de destilacion del tipo de intercambio de calor Campo tecnico
La presente invencion se refiere a un equipo de destilacion que lleva a cabo una operacion de destilacion ampliamente aplicada a muchos procesos industriales, y mas particularmente a un equipo de destilacion con integracion de calor.
Antecedentes de la tecnica
La separacion por destilacion es una operacion de unidad ampliamente aplicada a procesos industriales en general, pero consume una gran cantidad de energfa. En el campo industrial, por lo tanto, se han desarrollado estudios sobre sistemas de destilacion con ahorro de energfa. Tales estudios han llevado aparejado el desarrollo de una columna de destilacion con integracion de calor (a continuacion HIDiC, del ingles “Heat Integrated Distillation Column”) como equipo de destilacion que ahorra mucha energfa.
El documento US 5.687.762 da a conocer un proceso para la destilacion criogenica de aire alimentado para producir nitrogeno a alta presion de pureza diversa. El proceso usa una columna de alta presion, que opera a una presion para producir directamente el nitrogeno a la alta presion deseada, y una o varias columnas de menor presion que producen una parte del producto de nitrogeno a una menor presion. Al menos una parte del nitrogeno de menor presion es comprimida e introducida en la columna de alta presion en una posicion que esta por debajo de la posicion de retirada del nitrogeno a alta presion.
Como se muestra en la figura 1, un sistema basico de la columna HIDiC tiene una estructura en la que una seccion de rectificacion (unidad de alta presion) y una seccion de agotamiento (unidad de baja presion) estan previstas de modo que estan separadas una de otra. La presion de operacion de la seccion de rectificacion es establecida a un nivel mas alto que la de la seccion de agotamiento de modo que la temperatura de operacion de la seccion de rectificacion pueda ser mayor que la de la seccion de agotamiento. Esto permite una reduccion en la cantidad de calor que es suministrada a un rehervidor debido a que se produce transferencia de calor desde la seccion de rectificacion a la seccion de agotamiento cuando hay una superficie de intercambio de calor entre ellas. Calor de la seccion de rectificacion se mueve a la seccion de agotamiento, y por lo tanto puede reducirse la cantidad de calor que es retirada en un condensador. Como resultado de ello, puede conseguirse un equipo de destilacion con elevado ahorro de energfa.
Con el fin de poner en practica el concepto de columna HIDiC, ha sido propuesto un equipo de destilacion con una estructura de doble conducto, como se discute en el documento JP2004-16928A (a continuacion, Referencia de Patente 1).
Como se muestra en la figura 2, este equipo de destilacion, que incluye una camisa 51 y una pluralidad de unidades tubulares 52 instaladas dentro de la camisa 51, esta formado conectando cada unidad tubular 52 a la camisa 51 a traves de la placa tubular superior 53a y la placa tubular inferior 53b.
Cada unidad de tubo 52 tiene una estructura de doble conducto. El conducto interior 54 de la unidad tubular 52 es usado como una seccion de rectificacion mientras que el conducto exterior 55 que rodea una superficie exterior del conducto interior 54 es usado como una seccion de agotamiento. Los rellenos (rellenos estructurados) 54a y 55a estan colocados a lo largo del interior del conducto interior 54, y entre el conducto exterior 55 y el conducto interior 54. En cuanto a la unidad tubular 52 se hace referencia a la figura 3. La pluralidad de unidades tubulares 52 estan dispuestas de forma que las paredes exteriores 65 de los conductos exteriores 55 pueden entrar en contacto entre sf.
Con referencia nuevamente a la figura 2, la entrada de lfquido de la seccion de agotamiento 56 para suministrar alimentacion de lfquido al conducto exterior (seccion de agotamiento) 55 y la salida de vapor de la seccion de agotamiento 57 para descargar vapor desde el conducto exterior 55 estan dispuestas en la parte superior de la camisa 51.
Encima de la placa tubular superior 53a esta formado el canal 58a que comunica solo con el conducto interior (seccion de rectificacion) 54. Un extremo superior del conducto exterior 55 no esta conectado a la placa tubular superior 53a que hay que abrir.
La entrada de lfquido de la seccion de rectificacion 59 para suministrar lfquido (reflujo) al conducto interior 54 y la salida de vapor de la seccion de rectificacion 60 para descargar vapor desde el conducto interior 54 estan dispuestas en el canal superior 58a.
La entrada de vapor de la seccion de agotamiento 61 para suministrar vapor al conducto exterior 55 y la salida de lfquido de la seccion de rectificacion 62 para descargar lfquido desde el conducto exterior 55 estan dispuestas en una parte inferior de la camisa 51.
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Debajo de la placa tubular inferior 53b esta formado el canal 58b que comunica con el conducto interior 54. Un extremo inferior del conducto exterior 55 no esta conectado a la placa tubular inferior 53b que hay que abrir.
La entrada de vapor de la seccion de rectificacion 63 para suministrar vapor al conducto interior 54 y la salida de lfquido de la seccion de rectificacion 64 para descargar lfquido desde el conducto interior 54 estan dispuestas en en el canal inferior 58b.
En el equipo de destilacion anteriormente mencionado, la alimentacion de lfquido es suministrada a traves de la entrada de lfquido de la seccion de agotamiento 56, y es distribuida uniformemente al superior de los conductos exteriores 55 de las unidades tubulares 52. De la alimentacion lfquida suministrada al extremo superior de los conductos exteriores 55, el lfquido que desciende desde el conducto exterior 55 mientras es fraccionado en el conducto exterior 55, es suministrado al rehervidor instalado fuera de la columna a traves de la salida de lfquido de la seccion de agotamiento 62 y es rehervido. El vapor generado por el rehervidor entra nuevamente en la columna por la entrada de vapor de la seccion de agotamiento 61. El vapor procedente de la entrada de vapor de la seccion de agotamiento 61 es distribuido a una superficie inferior del conducto exterior 55 de cada unidad tubular 52 y asciende en cada conducto exterior 55. El lfquido que queda sin ser vaporizado es descargado como un producto del fondo de la columna.
El vapor que asciende desde el conducto exterior 55 mientras es fraccionado, fluye a un compresor a traves de la salida de vapor de la seccion de agotamiento 57. El vapor que pasa a traves del compresor entra en una seccion de rectificacion a traves de la entrada de vapor de la seccion de rectificacion 63. El vapor procedente de la entrada de vapor de la seccion de rectificacion 63 asciende desde la superficie inferior de cada conducto interior 54. El vapor que asciende a traves del conducto interior 54 mientras es fraccionado sale por una superficie exterior de cada conducto interior 54, y es suministrado al condensador fuera de la columna a traves de la salida de vapor de la seccion de rectificacion 60. El vapor procedente de la seccion de rectificacion es total o parcialmente condensado por el condensador. Cuando es necesario, una parte del lquido condensado es suministrado como reflujo al conducto interior 54 a traves de la admision de lfquido 59 de la seccion de rectificacion, mientras que el resto es descargado como producto destilado.
En esta configuracion, la transferencia de energfa se produce desde la seccion de rectificacion (conducto interior 54) a la seccion de agotamiento (conducto exterior 55). Por lo tanto, puede reducirse una cantidad de calor que es suministrada en el rehervidor y una cantidad de calor que es retirada en el condensador, y la eficiencia energetica puede ser muy alta.
Sin embargo, el equipo de destilacion con integracion de calor que tiene la seccion de rectificacion y la seccion de agotamiento formadas dentro de las estructuras de doble conducto como se discute en la Referencia de Patente 1 tiene los siguientes problemas 1) a 6).
1) El producto no puede ser obtenido con corriente de corte lateral. El corte lateral significa que un producto es retirado como producto de destilacion intermedio, durante un proceso de destilacion hasta que un destilado final es obtenido del extremo superior de la columna.
En el equipo de destilacion descrito en la Referencia de Patente 1, las unidades tubulares de las estructuras de doble conducto estan dispuestas para entrar en contacto entre sf Ademas, los conductos exteriores y los conductos interiores estan equipados con el relleno estructurado. Como resultado de ello, no puede conformarse una disposicion de conductos para retirar un producto destilado intermedio desde el conducto interior de cada unidad tubular. En consecuencia, la estructura inhabilita el corte lateral.
2) La etapa de alimentacion en la que se proporciona corriente de alimentacion no puede ser optimizada. Esto es debido a que en la seccion de rectificacion y la seccion de agotamiento formadas dentro de las estructuras de doble conducto, sus alturas de relleno son iguales, inhabilitando el establecimiento libre del numero de etapas de la seccion de rectificacion y la seccion de agotamiento.
3) La etapa de alimentacion no puede ser cambiada con el fin de cumplir con la composicion de la corriente de alimentacion. Esto es debido a la estructura, en la que el establecimiento libre de la posicion de etapas de alimentacion esta inhabilitado como se ha descrito en 2).
4) No se puede manejar una corriente de alimentacion multiple (recepcion de una pluralidad de corrientes de alimentacion). Esto es debido a la estructura, en la que no puede suministrarse ninguna corriente de alimentacion a mitad de los dobles conductos como se ha descrito en 1).
5) El mantenimiento del equipo es diffcil. Las unidades tubulares que usan el relleno estructurado estan dispuestas densamente para estar situadas adyacentemente entre sf como se describe en 1). Esto inhabilita el acceso completo a la unidad tubular deseada, y el mantenimiento de esta no puede llevarse a cabo.
6) La tasa de intercambio de calor entre la seccion de rectificacion y la seccion de agotamiento con uso de dobles conductos y en las que no hay ningun grado de libertad de diseno para disenar el area de transferencia de calor,
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depende solo del perfil de temperatura de la columna de destilacion. Por lo tanto, en el diseno del equipo, el grado de libertad en el diseno de la tasa de intercambio de calor es pequeno.
Q, la tasa de intercambio de calor entre la seccion de rectificacion y la seccion de agotamiento, esta representado por Q=U*A*AT, donde U es un coeficiente de transferencia de calor general, A es un area de transferencia de calor, y AT es una diferencia de temperatura entre la seccion de rectificacion y la seccion de agotamiento. En la columna HIDiC con la estructura de doble conducto, una superficie de pared de conducto interior se convierte en un area de transferencia de calor. Esta area de transferencia de calor tiene un valor fijo determinado por una estructura de los dobles conductos. El coeficiente de transferencia de calor general tiene tambien un valor fijo determinado por la estructura de transferencia de calor y las propiedades ffsicas del fluido implicadas en el intercambio de calor. De este modo, como puede entenderse a partir de la formula de la tasa de intercambio de calor, una tasa de intercambio de calor segun la especificacion de diseno puede ser cambiada solo sobre la base de la diferencia de temperatura entre la seccion de rectificacion y la seccion de agotamiento, que es cambiada por la presion de operacion de la seccion de rectificacion y la seccion de agotamiento.
Resumen de la invencion
La presente invencion proporciona el siguiente equipo de destilacion con integracion de calor para resolver los problemas anteriormente mencionados.
De acuerdo con la presente invencion, un equipo de destilacion con integracion de calor incluye:
una columna de rectificacion (1) que incluye una seccion con bandejas o una seccion de lecho relleno (1b), que se usa como seccion de rectificacion; y
una columna de agotamiento (2) situada a mayor altura que la columna de rectificacion (1) y que incluye una seccion con bandejas o una seccion de lecho relleno (2b) usada como seccion de agotamiento;
un primer conducto (23) para conectar un extremo superior de columna (2c) de la columna de agotamiento (2) a un fondo de columna (1a) de la columna de rectificacion (1);
un compresor (4) instalado junto a una seccion central del primer conducto (23) y configurado para comprimir vapor procedente del extremo superior de columna (2c) de la columna de agotamiento (2) e introducir luego el vapor comprimido en el fondo de columna (1a) de la columna de rectificacion (1);
un intercambiador de calor (8) situado en una etapa predeterminada de la columna de rectificacion (1);
una unidad de retirada de lfquido (2d) situada en una etapa predeterminada de la columna de agotamiento (2) y configurada para retirar una parte de lfquido desde la etapa predeterminada hacia el exterior de la columna de agotamiento (2);
un segundo conducto (24) para introducir el lfquido desde la unidad de retirada de lfquido (2d) en el intercambiador de calor (8); y
un tercer conducto (25) para introducir fluidos introducidos a traves del segundo conducto (24) en el intercambiador de calor (8) y descargados luego del intercambiador de calor (8) en una etapa directamente por debajo de la unidad de retirada de lfquido (2d),
en que el intercambiador de calor (8), el segundo conducto (24) y el tercer conducto (25) estan configurados para actuar como un condensador lateral en la columna de rectificacion (1) y para actuar como un rehervidor lateral en la columna de agotamiento (2).
En el equipo de destilacion con integracion de calor de acuerdo con la presente invencion, los fluidos fluyen desde la columna de agotamiento al intercambiador de calor de la columna de rectificacion a traves del segundo conducto. Es retirado calor del vapor de la columna de rectificacion en el intercambiador de calor. Entonces, el calor puede ser transferido desde la columna de rectificacion a la columna de agotamiento a traves del tercer conducto. Los fluidos fluyen desde la columna de agotamiento a la columna de rectificacion por gravedad. Los fluidos en el intercambiador de calor son empujados de acuerdo con ello para fluir desde la columna de rectificacion a la columna de agotamiento. En otras palabras, este equipo de destilacion con integracion de calor emplea un sistema de termosifon, y por lo tanto no es necesario ningun medio de alimentacion a presion tal como una bomba para suministrar el lfquido desde la columna de rectificacion a la columna de agotamiento situada encima en una direccion vertical.
Tambien se describe aqrn un equipo de destilacion con integracion de calor que incluye:
una unidad colectora de lfquido situada en una etapa predeterminada de la seccion de agotamiento y configurada para contener lfquido descendente;
un intercambiador de calor situado en la unidad colectora de lfquido de la columna de agotamiento;
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una placa de particion situada en una posicion predeterminada de la columna de rectificacion y configurada para separar completamente las etapas superiores y las etapas inferiores;
un segundo conducto para introducir vapor por debajo de la placa de particion en el intercambiador de calor; y
un tercer conducto para introducir fluidos introducidos a traves del segundo conducto en el intercambiador de calor y descargados luego del intercambiador de calor en un lado superior de la placa de particion.
De acuerdo con el ejemplo alternativo, el vapor es retirado de la columna de rectificacion a traves del segundo conducto. El vapor es introducido en el intercambiador de calor en la columna de agotamiento. Entonces, puede ser transferido calor desde la columna de rectificacion a la columna de agotamiento. Vapor a alta presion en la columna de rectificacion asciende a traves del segundo conducto hacia el intercambiador de calor en la columna de agotamiento. Lfquido condensado a partir del vapor en el intercambiador de calor es empujado de acuerdo con ello hacia fuera de la columna de agotamiento hacia el tercer conducto fuera de la columna, y fluye hacia la columna de rectificacion por gravedad. De este modo, esta configuracion tampoco necesita ningun medio de alimentacion a presion tal como una bomba.
Con la configuracion de equipo de acuerdo con la invencion, que transfiere calor desde la columna de rectificacion a la columna de agotamiento usando los conductos segundo y tercero, en comparacion con un equipo de destilacion que no incluye una configuracion de transferencia de calor asf, la tasa de intercambio de calor retirado desde un condensador fijado a un extremo superior de la seccion de rectificacion puede ser reducida en mayor medida, y la tasa de intercambio de calor que es suministrado a un rehervidor fijado al fondo de la columna de agotamiento puede ser reducida en mayor medida. Como resultado de ello, puede proporcionarse un equipo de destilacion que tiene una eficiencia energetica muy alta.
La columna de rectificacion y la columna de agotamiento estan configuradas usando secciones con bandejas o secciones de lecho relleno similares a las de un equipo de destilacion general. Por lo tanto, el equipo puede manejar cortes laterales o una corriente de alimentacion multiple sin necesidad de ninguna mejora, y es posible realizar facilmente un mantenimiento del equipo. Por la misma razon, el numero de etapas de la columna de rectificacion o de la columna de agotamiento puede ser establecido libremente, y una etapa de alimentacion puede ser optimizada.
Un area de intercambio de calor puede ser establecida libremente, y por lo tanto la tasa de intercambio de calor puede ser determinada sin ninguna dependencia de la diferencia de temperatura entre las columnas.
Como se ha descrito anteriormente, de acuerdo con la presente invencion la eficiencia energetica es alta, pueden manejarse facilmente cortes laterales y el establecimiento de una posicion de etapa de alimentacion, y el mantenimiento del equipo es sencillo.
El equipo de la presente invencion tiene una estructura en la que el grado de libertad de diseno es alto, y por lo tanto puede ser aceptado facilmente por parte de los usuarios.
Breve descripcion de los dibujos
La figura 1 muestra una estructura basica de una columna HIDiC.
La figura 2 muestra una columna de destilacion con integracion de calor que usa una estructura de doble conducto descrita en la Referencia de Patente 1.
La figura 3 es una vista en corte horizontal que muestra la estructura de doble columna en la columna de destilacion mostrada en la figura 2.
La figura 4 muestra una configuracion general de un equipo de destilacion con integracion de calor de acuerdo con una primera realizacion de la presente invencion.
La figura 5 muestra una configuracion de una unidad de retirada de lfquido mostrada en la figura 4.
La figura 6 muestra una configuracion periferica de un intercambiador de calor del tipo de haz tubular situado en una columna de rectificacion mostrada en la figura 4.
La figura 7 muestra una configuracion general de un equipo de destilacion con integracion de calor alternativo.
La figura 8 muestra una configuracion periferica de un intercambiador de calor del tipo de haz tubular situado en una columna de agotamiento mostrada en la figura 7.
Un equipo de destilacion general, que no es un equipo de destilacion con integracion de calor interna, incluye una columna construida en una direccion vertical y que tiene una seccion de fondo, una seccion con bandejas (o una seccion de lecho relleno), y una seccion superior. En un lfmite de posicion de alimentacion, un lado superior de la seccion con bandejas (o seccion de lecho relleno) es una seccion de rectificacion y un lado inferior es una seccion
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de agotamiento. Por otro lado, un equipo de destilacion con integracion de calor de acuerdo con la presente invencion tiene una propiedad basica segun la cual una seccion de agotamiento y una seccion de rectificacion similares a las anteriormente descritas estan separadas entre sf, estan previstas una camisa de columna (columna de agotamiento) que es usada como la seccion de agotamiento que se extiende en una direccion vertical y una camisa de columna (columna de rectificacion) que es usada como la seccion de rectificacion que se extiende en la direccion vertical, y la columna de agotamiento esta situada a mayor altura que la columna de rectificacion. A continuacion son descritas realizaciones de la presente invencion con referencia a los dibujos.
La figura 4 muestra una configuracion general de un equipo de destilacion con integracion de calor de acuerdo con una primera realizacion. El equipo de destilacion con integracion de calor de acuerdo con la realizacion incluye la columna de rectificacion 1 y la columna de agotamiento 2 que esta situada a mayor altura que la columna de rectificacion 1. La columna de rectificacion 1 incluye el fondo de columna 1a, la seccion con bandejas (o seccion de lecho relleno) 1b, y la columna superior 1c. La columna de agotamiento 2 tambien incluye el fondo de columna 2a, la seccion con bandejas (o seccion de lecho relleno) 2b, y la columna superior 2c.
Las secciones con bandejas 1b y 2b son secciones dentro de las que estan situadas varias bandejas horizontales. Una bandeja en la cual establecen contacto mutuo vapor y lfquido es denominada etapa. En cada etapa, el contacto gas-lfquido promueve una transferencia de masa. Como resultado, una fase gaseosa rica en componentes con mayor volatilidad asciende a una etapa mas alta, mientras que una fase lfquida rica en componentes con menor volatilidad desciende a una etapa mas baja. Entonces, el contacto gas-lfquido es ejecutado ah nuevamente con una nueva fase lfquida o fase gaseosa para una transferencia de masa adicional. De este modo, hay riqueza de componentes con mayor volatilidad en una etapa mas alta de la columna, hay riqueza de componentes con menor volatilidad en una etapa mas baja, y se lleva a cabo una operacion de destilacion.
La seccion con relleno que puede reemplazar a la seccion con bandejas es una seccion en la que un cierto relleno esta instalado en la columna vada, y el contacto gas-lfquido se ejecuta sobre su superficie. Por el mismo mecanismo que el de la columna con bandejas, hay riqueza de componentes con mayor volatilidad en una parte mas alta, hay riqueza de componentes con menor volatilidad en una parte mas baja, y se lleva a cabo una operacion de destilacion.
En la figura 4, las secciones con bandejas 1b y 2b (o secciones de lecho relleno) son mostradas en blanco. En realidad, sin embargo, se emplean las estructuras anteriormente mencionadas.
Cada una de entre la columna de rectificacion 1 y la columna de agotamiento 2 es descrita en detalle. Primeramente es descrita la columna de agotamiento 2.
El calentador 3 designado como rehervidor esta dispuesto fuera del fondo de columna 2a de la columna de agotamiento 2, y el conducto 21 esta previsto desde una parte de espacio inferior del fondo de columna 2a a traves del calentador 3 hacia una parte de espacio superior del fondo de columna 2a. El lfquido que desciende a traves de la seccion con bandejas 2b (o seccion de lecho relleno) de la columna de agotamiento 2 permanece de acuerdo con ello en el fondo de columna 2a. Una parte del lfquido es calentada por el calentador 3 para convertirse en vapor, y vuelve al fondo de columna 2a. Desde la parte mas baja del fondo de columna 2a, se obtiene lfquido rico en componentes con menor volatilidad a traves del conducto 22.
El extremo superior de columna 2c de la columna de agotamiento 2 es una posicion para suministrar corriente de alimentacion. El extremo superior de columna 2c esta conectado, a traves del compresor 4, al fondo de columna 1a de una columna de rectificacion 1 usando el conducto 23. De acuerdo con una realizacion, la corriente de alimentacion es suministrada en el extremo superior de columna 2c de la columna de agotamiento 2. Sin embargo, la etapa de alimentacion puede ser una etapa arbitraria de la seccion con bandejas 2b (o seccion de lecho de relleno). Incluso cuando hay una pluralidad de materiales en bruto, la etapa de alimentacion puede ser el extremo superior de columna 2c de la columna de agotamiento 2 y otras etapas arbitrarias (incluyendo una etapa de la columna de rectificacion 1).
Adicionalmente, la seccion con bandejas 2b (o seccion de lecho relleno) de la columna de agotamiento 2 incluye la unidad de retirada de lfquido 2d en una etapa predeterminada. Como se muestra en la figura 5, la unidad de retirada de lfquido 2d contiene lfquido 10 que desciende desde una parte mas alta de la columna de agotamiento 2 en una bandeja de chimenea para colector 5, y retira una parte de lfquido 10 de la columna de agotamiento 2. El conducto 24 para dirigir una parte de lfquido 10 a la columna de rectificacion 1 esta conectado a la unidad de retirada de lfquido 2d. El conducto 25 procedente de la columna de rectificacion 1 es insertado a traves de una pared de camisa de la columna de agotamiento 2 en una etapa directamente por debajo de la unidad de retirada de lfquido 2d. Desde el conducto 25 insertado en la etapa directamente por debajo de la unidad de retirada de lfquido 2d, son introducidos fluidos con una mezcla de vapor 11 y lfquido 12 como se describe posteriormente, y el vapor 11 asciende mientras que el lfquido 12 desciende.
Es descrita la columna de rectificacion 1.
Un extremo del conducto 26 esta conectado a la parte mas baja del fondo de columna 1a de la columna de rectificacion 1, mientras que el otro extremo del conducto 26 esta conectado al conducto 27 para suministrar
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materiales de alimentacion al extremo superior de columna 2c de la columna de agotamiento 2. Para reciclar el Ifquido que permanece en el fondo de columna 1a de la columna de rectificacion 1 hacia el extremo superior de columna 2c de la columna de agotamiento 2 situada a mayor altura que la columna de rectificacion 1, es necesaria la bomba 6 en la seccion central del conducto 26.
El condensador 7 esta dispuesto fuera del extremo superior de columna 1c de la columna de rectificacion 1, y el conducto 28 esta conectado desde una parte de espacio superior del extremo superior de columna 1c al condensador 7. De este modo, vapor que ha sido retirado del extremo superior de columna 1c de la columna de rectificacion 1 es enfriado por el condensador 7 para convertirse en lfquido, y se obtiene un lfquido destilado que tiene componentes con mayor volatilidad. Una parte del lfquido es conducida por reflujo al extremo superior de columna 1c.
Adicionalmente, un intercambiador de calor del tipo de haz tubular 8 es insertado en una etapa predeterminada de la seccion con bandejas 1b (o seccion de lecho relleno) de la columna de rectificacion 1. Una parte tubular paralela en un tubo en forma de U del intercambiador de calor del tipo de haz tubular 8 esta dispuesta a lo largo de la bandeja de chimenea para colector 9 para contener temporalmente un lfquido condensado y redistribuir vapor que asciende desde debajo. La parte tubular inferior 8a de la parte tubular paralela esta conectada al conducto 24 conectado a la unidad de retirada de lfquido 2d de la columna de agotamiento 2. La parte tubular superior 8b esta conectada al conducto 25 que esta insertado en la etapa directamente por debajo de la unidad de retirada de lfquido 2d.
Es descrita una operacion del intercambiador de calor del tipo de haz tubular 8.
En el equipo, la presion y la temperatura del vapor fuera de la columna 2c de la columna de agotamiento 2, que hay que suministrar a un fondo de columna 1a de la columna de rectificacion 1, son incrementadas por el compresor 4. El vapor 13 (con referencia a la figura 6), cuya temperatura es incrementada, es introducido en el fondo de columna 1a de la seccion de rectificacion 1 donde asciende y entra en contacto con el tubo en forma de U del intercambiador de calor del tipo de haz tubular 8. En este caso, lfquido en una etapa arbitraria de la columna de agotamiento 2 es introducido a traves del conducto 24 en la parte tubular inferior 8a del intercambiador de calor 8. De este modo, el lfquido en la parte tubular 8a es calentado por el calor del vapor 13, y una parte del vapor 13 en contacto con la parte tubular 8a es condensada y se convierte en lfquido 14 que desciende. La parte tubular superior 8b del intercambiador de calor 8 es tambien calentada por el calor del vapor 13. De este modo, el lfquido introducido a traves del conducto 24 en el intercambiador de calor 8 cambia a fluidos con una mezcla de una fase lfquida y una fase gaseosa mientras se mueve desde la parte tubular inferior 8a a la parte tubular superior 8b. Los fluidos pasan entonces a traves del conducto 25 fuera de la columna para ser introducidos en la etapa directamente por debajo de la unidad de retirada de lfquido 2d de la seccion de agotamiento 2 (con referencia a la figura 4). Para la circulacion de tales fluidos, no es necesario ningun medio de alimentacion a presion tal como una bomba, debido a que la configuracion emplea el sistema de termosifon.
En otras palabras, debido a que la unidad de retirada de lfquido 2d de la columna de agotamiento 2 esta conectada a la parte tubular inferior 8a del intercambiador de calor 8 de la columna de rectificacion 1 a traves del conducto 24 y debido a que la parte tubular superior 8b del intercambiador de calor 8 de la columna de rectificacion 1 esta conectada a la etapa directamente por debajo de la unidad de retirada de lfquido 2d de la columna de agotamiento 2 a traves del conducto 25, el lfquido desciende desde la columna de agotamiento 2 a la columna de rectificacion 1 por gravedad. Como resultado de ello, la gravedad provoca que los fluidos fluyan desde la columna de rectificacion 1 a la columna de agotamiento 2 incluso cuando no hay bomba.
Como se ha descrito anteriormente, de acuerdo con las realizaciones, el calor puede ser retirado del vapor en la columna de rectificacion 1 por el intercambiador de calor 8, y transferido desde la columna de rectificacion 1 a la columna de agotamiento 2 a traves del conducto 25. Un sistema de transferencia de calor que usa los conductos 24 y 25 y el intercambiador de calor 8, como en el caso de la realizacion, esta configurado como si un condensador lateral estuviera instalado junto a una etapa arbitraria de la columna de rectificacion 1 y, simultaneamente, como si un rehervidor lateral estuviera instalado junto a una etapa arbitraria de la columna de agotamiento 2. De este modo, en comparacion con un equipo de destilacion que no incluye ningun sistema de transferencia de calor asf, la cantidad de calor que ha sido retirada puede ser reducida en el condensador 7 de la columna de rectificacion 1, y la cantidad de calor que ha sido suministrada puede ser reducida en el rehervidor 3 de la columna de agotamiento 2. Como resultado de ello puede conseguirse un equipo de destilacion con gran ahorro de energfa.
La figura 4 muestra solo un sistema de transferencia de calor. Sin embargo, pueden instalarse un numero de sistemas de transferencia de calor equivalente a un 10 al 30% del numero total de etapas teoricas. Obviamente, el numero de sistemas de transferencia de calor a instalar y las posiciones del intercambiador de calor y los conductos pueden ser determinados arbitrariamente de acuerdo con una especificacion de diseno.
A continuacion es descrita una realizacion alternativa. Componentes similares a los de las primeras realizaciones son descritos usando numeros de referencia similares.
La figura 7 muestra una configuracion general de un equipo de destilacion con integracion de calor alternativo de acuerdo con la realizacion alternativa. El equipo de destilacion con integracion de calor de acuerdo con la realizacion
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incluye la columna de rectificacion 1 y la columna de agotamiento 2 situada a mayor altura que la columna de rectificacion 1. La columna de rectificacion 1 incluye el fondo de columna 1a, la seccion con bandejas (o seccion de lecho relleno) 1b, y el extremo superior de columna 1c. La columna de agotamiento 2 tambien incluye el fondo de columna 2a, la seccion con bandejas (o seccion de lecho relleno) 2b, y el extremo superior de columna 2c. Una configuracion espedfica de la columna con bandejas o la columna con relleno es similar a la de la primera realizacion.
La realizacion es diferente de la primera realizacion en cuanto a que el intercambiador de calor del tipo de haz tubular 8 esta situado en el lado de la columna de agotamiento 2.
Para la columna de agotamiento 2 de acuerdo con la realizacion, los componentes (rehervidor 3, y conductos 21, 22, 23 y 27) que pertenecen al fondo de columna 2a y al extremo superior de columna 2c son similares a los de la primera realizacion, como se muestra en la figura 7. Sin embargo, los componentes para la seccion con bandejas 2b (o seccion de lecho relleno) estan cambiados respecto a los de la primera realizacion.
La seccion con bandejas 2b (o seccion de lecho relleno) incluye la unidad colectora de lfquido 2e en una etapa predeterminada. La unidad colectora de lfquido 2e almacena una cantidad predeterminada de lfquido 10 que ha fluido hacia abajo hacia la bandeja de chimenea para colector 15, y el lfquido vertido desde la bandeja de chimenea para colector 15 cae. Para meter un tubo en forma de U del intercambiador de calor del tipo de haz tubular 8 en el ifquido almacenado por la unidad colectora de lfquido 2e, el intercambiador de calor del tipo de haz tubular 8 es insertado en la unidad colectora de lfquido 2e (con referencia a la figura 8). Las partes tubulares paralelas 8a y 8b en el tubo en forma de U del intercambiador de calor del tipo de haz tubular 8 estan dispuestas a lo largo de la bandeja de chimenea para colector 15.
El conducto 29 (con referencia a la figura 7) para conducir fluidos desde la columna de rectificacion 1 a la columna de agotamiento 2 esta conectado a la parte tubular superior 8b de las partes tubulares paralelas. El conducto 30 (con referencia a la figura 7) para conducir fluidos desde la columna de agotamiento 2 a la columna de rectificacion 1 esta conectado a la parte tubular inferior 8a.
Es descrita una operacion del intercambiador de calor 8 en la unidad colectora de lfquido 2e.
En el equipo, un lfquido alimentado desciende desde el extremo superior de columna 2c de la columna de agotamiento 2 a traves de una capa con bandejas o con relleno. El lfquido 10 (con referencia a la figura 8) permanece en la unidad colectora de lfquido 2e sobre la bandeja de chimenea para colector 15 que esta situada en una etapa arbitraria. El tubo en forma de U del intercambiador de calor del tipo de haz tubular 8 esta situado dentro de la unidad colectora de lfquido 2e, y por lo tanto el tubo en forma de U esta metido en el lfquido 10. En este estado, cuando vapor a alta temperatura en la columna de rectificacion 1 es introducido a traves del conducto 29 en la parte tubular superior 8b del intercambiador de calor 8, una parte del lfquido 10 en contacto con las paredes exteriores de las partes tubulares 8a y 8b, donde se mueve el vapor a alta temperatura, es calentada para convertirse en vapor 18, y asciende (con referencia a la figura 8). El vapor a alta temperatura introducido a traves del conducto 29 en el intercambiador de calor 8 cambia a fluidos con una mezcla de una fase lfquida y una fase gaseosa mientras se mueve desde la parte tubular superior 8b a la parte tubular inferior 8a. Los fluidos son introducidos a traves del conducto 30 fuera de la columna en una etapa sobre la placa de particion 16 de la columna de rectificacion 1 posteriormente descrita (con referencia a la figura 7). La presion de operacion es establecida a un nivel mas bajo sobre la placa de particion 16 que debajo de la placa de particion 16. Esta diferencia de presion provoca la circulacion de los fluidos. En una circulacion asf de los fluidos, la configuracion no necesita ningun medio especial de alimentacion a presion tal como una bomba, como en el caso de la primera realizacion.
En otras palabras, debido a que una etapa predeterminada de la columna de rectificacion 1 esta conectada a la parte tubular superior 8b del intercambiador de calor 8 en la columna de agotamiento 2 a traves del conducto 29 y debido a que la parte tubular inferior 8a del intercambiador de calor 8 en la columna de agotamiento 2 esta conectada a la etapa predeterminada de la columna de rectificacion 1 a traves del conducto 30, como consecuencia de la diferencia de presion entre la parte superior y la inferior de la placa de particion 16, el vapor a alta presion en la columna de rectificacion 1 asciende a traves del conducto 29 hacia el intercambiador de calor 8 en la columna de agotamiento 2. El lfquido que se condensa a partir de vapor en el intercambiador de calor 8 es empujado entonces hacia fuera de la columna de agotamiento 2 hacia el conducto 30 que esta fuera de la columna, y desciende hacia la columna de rectificacion 1 por gravedad. De este modo, no es necesario ningun medio de alimentacion a presion tal como una bomba.
Es descrita la columna de rectificacion 1 de acuerdo con la realizacion.
Similarmente, para la columna de rectificacion 1, los componentes (condensador 7, y conductos 23, 26 y 28) que pertenecen al fondo de columna 1a y al extremo superior de columna 1c son similares a los de la primera realizacion como se muestra en la figura 7. Sin embargo, los componentes para la seccion con bandejas 1b (o seccion de lecho relleno) estan cambiados con respecto a los de la primera realizacion. Espedficamente, la seccion central de la seccion con bandejas 1b (o seccion de lecho relleno) de la columna de rectificacion 1 esta completamente partida en etapas superior e inferior por la placa de particion 16. La etapa directamente por debajo de la placa de particion 16
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comunica con el conducto 29. Vapor ascendente en esta etapa es introducido, a traves del conducto 29 que se extiende en una direccion vertical, en la parte tubular superior 8b del intercambiador de calor 8 situada en la unidad colectora de Kquido 2e de la columna de agotamiento 2.
El conducto 30 procedente del lado de la columna de agotamiento 2 es insertado a traves de una pared exterior de la columna de rectificacion 1 en la etapa superior de la placa de particion 16. Fluidos con una mezcla de vapor y de lfquido son introducidos a traves del conducto 30 en la etapa superior de la placa de particion 16. El vapor asciende mientras que el lfquido desciende para permanecer sobre la placa de particion 16. El vapor ascendente que se ha movido al extremo superior de columna 1c pasa a traves del conducto 28 para ser enfriado por el condensador 7. Como resultado de ello, se obtiene un lfquido destilado rico en componentes de alta volatilidad.
Las etapas superior e inferior que rodean la placa de particion 16 pueden estar conectados entre sf a traves del conducto 31 que tiene la valvula de control 17. El lfquido contenido sobre la placa de particion 16 es introducido en la etapa inferior de la placa de particion 16 mediante una operacion de apertura de la valvula de control 17 cuando sea apropiado.
Como se ha descrito anteriormente, de acuerdo con la realizacion, mediante la retirada de vapor desde la columna de rectificacion 1 a traves del conducto 29 y mediante la introduccion del vapor en el intercambiador de calor 8 en la columna de agotamiento 2, puede retirarse calor desde la columna de rectificacion 1 para transferirlo a la columna de agotamiento 2. Un sistema de transferencia de calor que usa los conductos 29 y 30 y el intercambiador de calor 8, como en el caso de la realizacion, esta configurado como si un condensador lateral estuviera instalado junto a una etapa arbitraria de la columna de rectificacion 1 y, simultaneamente, como si un rehervidor lateral estuviera instalado junto a una etapa arbitraria de la columna de agotamiento 2. De este modo, en comparacion con un equipo de destilacion que no incluye ningun sistema de transferencia de calor asf, la cantidad de calor que ha sido retirada puede ser reducida en el condensador 7 de la columna de rectificacion 1, y la cantidad de calor que ha sido introducida puede ser reducida en el rehervidor 3 de la columna de agotamiento 2. Como resultado de ello puede conseguirse un equipo de destilacion con muy alto ahorro de energfa.
La figura 7 muestra solo un sistema de transferencia de calor. Sin embargo, de acuerdo con la realizacion, como en el caso de la primera realizacion, el numero de sistemas de transferencia de calor a instalar y las posiciones del intercambiador de calor y los conductos pueden ser determinados arbitrariamente de acuerdo con una especificacion de diseno.
El equipo de destilacion con integracion de calor de acuerdo con cada una de las realizaciones primera y segunda esta configurado usando la columna con bandejas o la columna con relleno de forma similar al equipo de destilacion general. Esto permite cortes laterales o alimentacion multiple sin necesidad de mejorar el equipo, y un mantenimiento sencillo del equipo. Por la misma razon, la libertad para establecer los numeros de etapas para la columna de rectificacion y la columna de agotamiento permite la optimizacion de etapas de alimentacion. En otras palabras, la presente invencion puede resolver los problemas 1) a 5) del equipo de destilacion con integracion de calor que usa la estructura de doble conducto representada por la Referencia de Patente 1.
De acuerdo con la realizacion de la presente invencion, el intercambiador de calor del tipo de haz tubular 8 es usado como el componente del sistema de transferencia de calor que transfiere calor desde la columna de rectificacion 1 a la columna de agotamiento 2. Esto permite cambiar libremente el area de transferencia de calor A sobre la base de un diseno de tubos del intercambiador de calor 8. De este modo, con el fin de determinar la cantidad de calor a intercambiar entre la columna de rectificacion 1 y la columna de agotamiento 2, no solo la diferencia de temperatura AT entre la columna de rectificacion 1 y la columna de agotamiento 2 sino tambien el area de transferencia de calor A puede ser establecida libremente. La presente invencion puede solucionar con ello el problema 6) del equipo de destilacion con integracion de calor que usa la estructura de doble conducto.
Han sido descritas las realizaciones preferidas de la presente invencion. Sin embargo, las realizaciones no son de ningun modo limitativas de la presente invencion. Obviamente, pueden realizarse diversos cambios a la presente invencion dentro de sus ensenanzas tecnicas.
De acuerdo con las realizaciones primera y segunda, la columna de destilacion incluye el intercambiador de calor. El intercambiador de calor puede ser instalado alternativamente fuera de la columna de destilacion siempre que pueda ser transferido calor entre los fluidos de la parte que incluye la columna de agotamiento y los fluidos de la parte que incluye la columna de rectificacion. En cuanto a la forma del intercambiador de calor, cada una de las realizaciones emplea un intercambiador de calor del tipo de haz tubular del tubo en forma de U solo como ejemplo general cuando el intercambiador de calor esta incluido dentro de la columna de destilacion. Pueden usarse intercambiadores de calor de otras formas.
De acuerdo con cada una de las realizaciones, la columna de rectificacion 1 y la columna de agotamiento 2 estan conectadas entre sf en la direccion vertical. Una disposicion alternativa es aquella en la que la columna de rectificacion 1 y la columna de agotamiento 2 estan configuradas separada e independientemente, y la columna de agotamiento 2 esta situada a mayor altura que la columna de rectificacion 1.
Explicacion de los numeros de referencia
1 Columna de rectificacion
1a Fondo de columna
1b Seccion con bandejas (o seccion de lecho relleno)
1c Extremo superior de columna
5
2 Columna de agotamiento
2a Fondo de columna
2b Seccion con bandejas (o seccion de lecho relleno)
2c Extremo superior de columna
2d Unidad de retirada de lfquido
10
2e Unidad colectora de lfquido
3 Calentador (rehervidor)
4 Compresor
5 Bandeja de chimenea para colector
6 Bomba
15
7 Condensador
8 Intercambiador de calor del tipo de haz tubular
5, 15 Bandeja de chimenea para colector
9 Bandeja de chimenea para colector
10, 12, 14 Lfquido
20
11, 13, 18 Vapor
16 Placa de particion
17 Valvula de control
21, 22, 23, 24, 25, 26, 27, 28, 29, 30, 31 Conducto

Claims (3)

  1. 5
    10
    15
    20
    25
    30
    REIVINDICACIONES
    1. Un equipo de destilacion con integracion de calor que comprende:
    una columna de rectificacion (1) que incluye una seccion con bandejas o una seccion de lecho relleno (1b), que se usa como seccion de rectificacion; y
    una columna de agotamiento (2) situada a mayor altura que la columna de rectificacion (1) y que incluye una seccion con bandejas o una seccion de lecho relleno (2b) usada como seccion de agotamiento;
    un primer conducto (23) para conectar un extremo superior de columna (2c) de la columna de agotamiento (2) a un fondo de columna (1a) de la columna de rectificacion (1);
    un compresor (4) instalado junto a una seccion central del primer conducto (23) y configurado para comprimir vapor procedente del extremo superior de columna (2c) de la columna de agotamiento (2) e introducir luego el vapor comprimido en el fondo de columna (1a) de la columna de rectificacion (1);
    caracterizado por
    un intercambiador de calor (8) situado en una etapa predeterminada de la columna de rectificacion (1);
    una unidad de retirada de lfquido (2d) situada en una etapa predeterminada de la columna de agotamiento (2) y configurada para retirar una parte de lfquido desde la etapa predeterminada hacia el exterior de la columna de agotamiento (2);
    un segundo conducto (24) para introducir el lfquido desde la unidad de retirada de lfquido (2d) en el intercambiador de calor (8); y
    un tercer conducto (25) para introducir fluidos introducidos a traves del segundo conducto (24) en el intercambiador de calor (8) y descargados luego del intercambiador de calor (8) en una etapa directamente por debajo de la unidad de retirada de lfquido (2d),
    en que el intercambiador de calor (8), el segundo conducto (24) y el tercer conducto (25) estan configurados para actuar como un condensador lateral en la columna de rectificacion (1) y para actuar como un rehervidor lateral en la columna de agotamiento (2).
  2. 2. El equipo de destilacion con integracion de calor segun la reivindicacion 1, que comprende ademas un conducto de suministro de material en bruto (27) para suministrar un material en bruto a por lo menos una de entre el extremo superior de columna (2c) de la columna de agotamiento (2) y una etapa predeterminada de una seccion de entre la seccion con bandejas y la seccion de lecho relleno (2b).
  3. 3. El equipo de destilacion con integracion de calor segun la reivindicacion 2, que comprende ademas una bomba (6) un conducto para introducir a presion lfquido almacenado en el fondo de columna (1a) de la columna de rectificacion (1) en el conducto de suministro de material en bruto (27).
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