ES2869152T3 - Disposición de protecciones en una columna de separación - Google Patents
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Abstract
Una columna (402) de transferencia de masa que comprende una sección (404) de relleno y un distribuidor (410) de líquido para la distribución de un líquido en la columna (402) de transferencia de masa, en donde la sección (404) de relleno está espaciada y situada debajo del distribuidor (410) de líquido, comprendiendo el distribuidor (410) de líquido: al menos dos ascendentes (412), comprendiendo cada ascendente un par de paredes paralelas (413) del ascendente, en donde las paredes (413) del ascendente se extienden desde una primera superficie del distribuidor (410) de líquido en una primera dirección de la columna (402) de transferencia de masa; un par de protecciones paralelas (424) por ascendente (412), en donde las protecciones (424) se extienden desde una segunda superficie del distribuidor (410) de líquido opuesta a la primera superficie y se extienden en una segunda dirección de la columna (402) de transferencia de masa opuesta a la primera dirección; y dos filas distanciadas de aberturas (414) de distribución de líquido que se extienden sustancialmente a través de toda la sección transversal de la columna (402) de transferencia de masa entre y en paralelo a las paredes (413) del ascendente y las protecciones (424), y desde la primera superficie del distribuidor (410) de líquido a través de la segunda superficie del distribuidor (410) de líquido, en donde las protecciones (424) tienen una longitud que se extiende en la segunda dirección de manera que se crea un espacio entre las protecciones (424) y un relleno (404), y en donde la altura del espacio entre la protección (424) y el relleno (404) es de 10 mm a 75 mm, preferiblemente de 40 mm a 50 mm, y en donde el distribuidor (410) de líquido comprende un distribuidor de tipo canales o de tipo plato.
Description
DESCRIPCIÓN
Disposición de protecciones en una columna de separación
ANTECEDENTES
Para lograr altas eficiencias en columnas de transferencia de masa (por ejemplo, columnas de separación de aire), está bien establecido que la distribución uniforme del líquido en un lecho de relleno es fundamental. La distribución uniforme del líquido conduce a una transferencia de masa eficiente en el lecho de relleno. Por lo tanto, diseñar columnas y dispositivos de transferencia de masa para promover una distribución uniforme de líquidos se convirtió en el estándar de la industria.
A modo de ejemplo, en la Figura 1 se ilustra una sección 100 de columna de transferencia de masa tradicional que utiliza el flujo a contracorriente de un líquido y un vapor para la transferencia de masa. El líquido cae por la columna de transferencia de masa como resultado de la gravedad y el vapor sube por la columna de transferencia de masa como resultado de un gradiente de presión establecido a lo largo de la sección de la columna. El resultado es que tiene lugar la transferencia de masa dentro de la columna.
Una columna de transferencia de masa típica, como una columna de separación de aire, está dividida en varias zonas o secciones 102 donde cada zona o sección 102 está delimitada por un dispositivo de transferencia de masa como, por ejemplo, un lecho de relleno o un relleno 104 por la parte inferior y un distribuidor 110 de líquido, por ejemplo, por la parte superior. Entre el relleno 104 y el distribuidor 110 hay un espacio o espaciamiento 108 entre la superficie inferior 126 del distribuidor 110 de líquido y la superficie superior 106 del relleno 104 por donde el vapor 120 asciende hacia arriba desde el relleno 104 y el líquido 116 cae libremente hacia abajo desde el distribuidor 110 de liquido.
Un distribuidor 110 de líquido típico contiene pasajes de vapor y de líquido para la recogida y distribución de vapor y líquido. Los pasajes de vapor se utilizan para que el vapor ascendente 120 pase a través del distribuidor 110 de líquido a la siguiente sección de columna (no mostrada). En la parte superior del distribuidor 110 de líquido están situados colectores de líquido (no mostrados). El colector de líquido y el distribuidor 110 de líquido están típicamente diseñados para mantener un nivel deseado de líquido 116 y para proporcionar una distribución de líquido deseada, generalmente uniforme, a través de la superficie del distribuidor 110 de líquido y, por lo tanto, a través del área de sección transversal de la columna. El propósito del distribuidor 110 de líquido es distribuir el líquido 116 uniformemente sobre la superficie 106 del relleno. Una serie de aberturas u orificios 114 de distribución de líquido están situados en el distribuidor 110 de líquido para que el líquido 116 pase a su través bajo presión hidrostática. Las aberturas u orificios 114 de distribución de líquido pueden ser de diámetros iguales o diferentes dependiendo del tamaño de la columna de transferencia de masa, el diseño de la zona o sección específica, la posición en la superficie del distribuidor de líquido, etc. Además, las aberturas u orificios 114 de distribución de líquido pueden estar organizados en matrices regulares o irregulares. Las aberturas u orificios 114 de distribución de líquido pueden estar colocados en la parte inferior del cuerpo del distribuidor o en las paredes verticales del canal, etc.
Se forman corrientes líquidas de gotas 118 después de pasar a través de las aberturas u orificios 114 de distribución de líquido del distribuidor 110 de líquido y las corrientes de gotas 118 caen desde el distribuidor 110 de líquido a través del espaciamiento 108 creando corrientes de gotas 118 o corrientes líquidas. En general, las corrientes líquidas o las gotas 118 creadas pueden variar de tamaño y pueden tener diferentes velocidades iniciales. Los tamaños de las gotas se definen por el diámetro de las aberturas u orificios 114 de distribución de líquido, por la velocidad inicial del líquido y por las propiedades físicas del líquido (densidad, viscosidad, etc.). La velocidad inicial del líquido se define por el número de aberturas u orificios 114 de distribución de líquido, el diámetro de las aberturas u orificios 114 de distribución de líquido y el nivel de líquido 116 sobre el distribuidor 110 de líquido. Las gotas 118 caen libremente contra el vapor 120 que asciende en el espaciamiento 108.
El relleno o lecho 104 de relleno está diseñado para aceptar el líquido 116 del distribuidor 110 de líquido y para distribuir la corriente de vapor ascendente 120 uniformemente a través de la sección transversal de la columna 102. Por lo tanto, se puede suponer que el vapor ascendente 120 asciende uniformemente hasta el distribuidor 110 de líquido donde se dividirá en una serie de corrientes que penetran en las áreas abiertas, denominadas áreas ascendentes, aberturas ascendentes o ascendentes 112 en lo sucesivo, organizadas a lo largo de la superficie del distribuidor 110 de líquido. Las paredes 113 del ascendente impiden que el líquido recogido en el distribuidor 110 de líquido fluya hacia abajo a través de los ascendentes 112.
Sin embargo, la división del vapor 120 que asciende en una serie de corrientes puede no ser uniforme y depende principalmente del área abierta, la geometría y la posición de los ascendentes 112. Como se ilustra en la Figura 2, a medida que las corrientes 120 de vapor ascienden a través del espaciamiento 108, las corrientes 120 de vapor comienzan a acelerarse y girar hacia el área abierta de los ascendentes 112 donde las corrientes 120 de vapor pueden escapar a la siguiente sección de columna, por ejemplo. Estas corrientes 122 de vapor que giran crean una fuerza dirigida hacia el centro del área abierta de los ascendentes 112 y sobre las corrientes líquidas o gotas 118 que caen. En la sección 102 de columna tradicional, el líquido o gota 118 que cae puede experimentar el impacto de
la fuerza producida por las corrientes 122 de vapor ascendentes que giran en el momento en que la gota 118 sale del distribuidor 110 de líquido al espaciamiento 108. La interacción entre la corriente 122 de vapor que gira y las gotas 118 que caen influye en la trayectoria prevista de las gotas 118 que caen (es decir, mediante desviación de las gotas 118 que caen). Cualquier cambio significativo de la trayectoria prevista de las gotas 118 que caen y, por tanto, el objetivo u objetivos previstos de las gotas 118 en la superficie 106 de relleno, puede conducir a una mala distribución y un rendimiento deficiente de la sección 100 de la columna de transferencia de masa.
La fuerza que actúa sobre las gotas puede ser diferente en las proximidades de diferentes ascendentes, ya que la corriente de vapor puede dividirse de manera diferente como se mencionó anteriormente. Normalmente, el vapor que asciende comienza a dividirse en diferentes corrientes en el espacio entre la parte superior de la superficie del relleno y la parte inferior del distribuidor de líquido (es decir, el espaciamiento). La trayectoria de una gota dependerá de la masa de la gota, su velocidad inicial, la posición de las aberturas u orificios de distribución de líquido en relación con el borde del ascendente, y el tiempo de residencia afectado de la gota (es decir, el tiempo en el que la gota 118 está en el espaciamiento 108 bajo la influencia de la fuerza de la corriente 122 de vapor que gira).
Puede producirse una desviación significativa de la gota desde una posición deseada de caída si la gota está experimentando una fuerza de la corriente de vapor que gira en la parte más superior del espaciamiento y/o si la gota se forma en la abertura u orificio de distribución de líquido ubicado cerca del borde del ascendente. Además, a medida que aumenta la producción de vapor y líquido en la columna de transferencia de masa, aumentará la desviación de las gotas de líquido.
Hay varias formas de minimizar la desviación del líquido en la columna de transferencia de masa. La primera forma de minimizar la desviación del líquido en la columna de transferencia de masa es minimizar el espaciamiento 108 entre la superficie inferior 126 del distribuidor 110 de líquido y la superficie superior 106 del relleno 104. Tener un espaciamiento más pequeño da como resultado un tiempo de residencia afectado de la gota más corto. (TRAG) del líquido que cae en ese espaciamiento y, por lo tanto, puede resultar en una menor desviación general del líquido desde la posición deseada de caída en la superficie de relleno. El tiempo de residencia afectado de las gotas (TRAG) se calcula dividiendo el espaciamiento donde las gotas se ven afectadas por las corrientes de vapores que giran (Hafectada) entre la velocidad media de las gotas (Vmedgota) o:
TRAG= H afectada / v medgota
Desafortunadamente, minimizar el espaciamiento a menudo tiene límites debido a una variedad de diferentes factores relacionados con la fabricación de los dispositivos de transferencia de masa y distribuidores de líquido.
Una segunda forma de minimizar la desviación del líquido en la columna de transferencia de masa es reducir el caudal de vapor. Esta opción puede tener un gran impacto en la fuerza que desvía las corrientes de líquido como se muestra en la Figura 3, sin embargo, esta opción puede no ser deseable, especialmente cuando los productos de separación tienen una gran demanda y la columna de transferencia de masa se ve obligada a funcionar a su capacidad máxima.
Una tercera forma de minimizar la desviación del líquido en la columna de transferencia de masa es reducir la velocidad del vapor que asciende dentro del ascendente aumentando el área abierta del ascendente mientras se mantiene constante el caudal de vapor. Este enfoque utiliza menos espacio para el flujo de líquido horizontal dando como resultado canales de líquido más estrechos con velocidades de líquido más altas en los canales y, por lo tanto, puede afectar a la distribución del líquido en la parte superior del distribuidor de líquido. Una mala distribución del líquido en los canales de distribución empeorará aún más la mala distribución de líquido en la superficie del relleno. Además, unos canales más estrechos pueden requerir colocar las filas de aberturas u orificios de distribución de líquido más cerca de los bordes del ascendente. Tal posicionamiento de las aberturas u orificios de distribución de líquido puede conducir a una mayor desviación de la corriente líquida y, por lo tanto, puede resultar en una distribución del líquido aún peor en la superficie del relleno.
Una cuarta forma de minimizar la desviación del líquido en la columna de transferencia de masa es aumentar el tamaño de gota del líquido y aumentar la velocidad inicial de la gota de líquido. Estos dos enfoques son dependientes entre sí. De hecho, un aumento del tamaño de gota requiere aberturas u orificios de distribución de líquido de mayor diámetro, que por sí mismos pueden reducir el nivel de líquido sobre el distribuidor de líquido, lo que conduce a una velocidad inicial de la gota reducida en el espaciamiento. Si bien es posible aumentar el tamaño de las aberturas u orificios de distribución de líquido y mantener constante el nivel de líquido por encima del distribuidor de líquido reduciendo el número de orificios o aberturas 114 de distribución de líquido en el distribuidor 110 de líquido, esto puede conducir a un diseño de distribuidor de líquido con muy pocas aberturas u orificios 114, lo que por sí mismo puede afectar a la uniformidad de la distribución del líquido en la superficie del relleno y la eficiencia general de la columna de transferencia de masa. Un simple aumento en el nivel del líquido para aumentar la velocidad inicial del líquido puede influir en el diseño de la columna (es decir, forzar un aumento en la altura de la columna). Normalmente, esta opción tampoco es deseable en la mayoría de los casos.
Se pueden encontrar diseños tradicionales de distribuidores de líquido en, por ejemplo, las siguientes publicaciones: patentes de EE.UU. Nos.: 6.293.526; 6.059.272; 6.395.139; 5.785.900; 5.132.055; 5.868.970; 6.086.055; EP 0972551; y WO 02/083260.
La descripción y el análisis de los problemas asociados con la distribución uniforme de líquido en la superficie del dispositivo de transferencia de masa o la denominada superficie del relleno están de alguna manera limitados. Esto puede deberse a la suposición o creencia bien conocida, pero incorrecta, de que si un líquido está distribuido uniformemente en el punto donde el líquido sale del distribuidor de líquido, el líquido se distribuirá uniformemente en la superficie de un dispositivo de transferencia de masa o relleno. Es habitual suponer que la distribución uniforme de los orificios en el distribuidor de líquido proporciona la misma distribución uniforme de líquido en la superficie del dispositivo de transferencia de masa (es decir, donde el líquido entró en la superficie del relleno).
Por ejemplo, se pueden encontrar la descripción de diferentes dimensiones de apertura y sus posiciones sugeridas en publicaciones anteriores. Por ejemplo, la patente de EE.UU. No. 6.293.526 sugiere una disposición de pantallas colocadas frente a las aberturas de distribución de líquido a través de las cuales se descarga el líquido del distribuidor. El diseño de las pantallas se sugirió para los distribuidores con chorros de líquido laterales. Los chorros de líquido inciden en las pantallas, o los denominados deflectores, y forman una capa líquida del líquido eyectado en las superficies del deflector. La capa líquida se desliza por la superficie del deflector y gotea sobre la superficie del relleno, situada debajo. La patente de EE.UU. No. 6.293.526 propone un mejor ángulo de inclinación del deflector que minimiza tanto las salpicaduras de líquido como la cantidad de gotas de líquido que pueden ser transportadas hacia arriba en el vapor ascendente.
Los extremos de los deflectores sugeridos de la patente de EE.UU. No. 6.293.526 están ubicados en la zona de estancamiento de vapor, por lo tanto, la longitud del deflector es corta y no sobresale lo suficiente a través del espaciamiento entre el distribuidor y la superficie del relleno. Los deflectores de la patente de EE.UU. No. 6.293.526 son cortos porque los inventores solo estaban motivados para enseñar el uso de los deflectores sugeridos para minimizar las salpicaduras de líquido y la formación de la capa líquida delgada del líquido eyectado en la superficie del deflector y no para minimizar la desviación del líquido como se describe en la presente memoria.
En la patente US2002041040 (Figs. 1, 8) se describe otro tipo de protección, que sugiere proteger cada distribuidor (21) de líquido similar a un canal, que tiene una sola fila de aberturas (50a), con un par de faldones (24) para distribuir el líquido a un relleno (3).
Por tanto, existe una necesidad en la técnica de un diseño de sección de columna mejorado que permita mantener el rendimiento en una columna de transferencia de masa a altas tasas de producción minimizando la mala distribución de líquido en la superficie del relleno y el método de uso asociado. Dichos métodos y diseño evitarán la desviación de las gotas en los espacios entre los distribuidores de líquido y las superficies del relleno para las diferentes zonas de la columna.
COMPENDIO
Las realizaciones descritas satisfacen la necesidad en la técnica proporcionando un sistema y un método para facilitar la distribución de líquido sobre una superficie de dispositivos de transferencia de masa, en particular en columnas de separación de aire donde la distribución uniforme del líquido que cae es crítica y tiene un impacto significativo en la eficiencia del dispositivo de separación. Los aspectos de la presente invención son aplicables a distribuidores de todos los tipos, pero son particularmente beneficiosos para los distribuidores de tipo canales y los distribuidores de platos, por ejemplo. Minimizar el tiempo de residencia del líquido en la zona donde las gotas de líquido se ven afectadas por el flujo de vapor ascendente, y especialmente el vapor que gira, ayuda a reducir la desviación de las gotas de su posición prevista en el dispositivo de transferencia de masa.
En una realización, se describe un distribuidor de líquido para la distribución de un líquido en una columna de transferencia de masa, según la reivindicación 1.
En otra realización, se describe un método para la distribución de un líquido en una columna de transferencia de masa, según la reivindicación 9.
BREVE DESCRIPCIÓN DE VARIAS VISTAS DE LOS DIBUJOS
El compendio anterior, así como la siguiente descripción detallada de realizaciones ejemplares, se entienden mejor cuando se leen junto con los dibujos adjuntos. Con el fin de ilustrar realizaciones, se muestran en los dibujos construcciones ejemplares; sin embargo, la invención no se limita a los métodos e instrumentos específicos descritos. En los dibujos:
La Figura 1 es una vista en sección transversal de una sección de columna de transferencia de masa tradicional;
La Figura 2 es una vista en sección de la sección de columna de transferencia de masa tradicional de la Figura 1;
La Figura 3 es una representación gráfica que ilustra las desviaciones de las gotas en función de las velocidades del vapor y del líquido;
La Figura 4 es una vista en sección de una sección de columna de transferencia de masa de acuerdo con una realización de la presente invención;
La Figura 5 es una vista en sección de una sección de columna de transferencia de masa de acuerdo con una realización de la presente invención;
La Figura 6A es una vista en sección transversal de un distribuidor de líquido de acuerdo con una realización de la presente invención;
La Figura 6B es una vista en sección transversal de un distribuidor de líquido de acuerdo con una realización de la presente invención;
La Figura 6C es una vista en sección transversal de un distribuidor de líquido de acuerdo con una realización de la presente invención;
La Figura 7 es una vista en perspectiva de un distribuidor de líquido de acuerdo con un aspecto de la presente invención;
La Figura 8 es una representación gráfica que ilustra la desviación del líquido con y sin protección incorporada a varios cambios de velocidad relativa del vapor; y
La Figura 9 es una representación gráfica que ilustra la desviación del líquido con diferentes espacios entre la protección y la superficie del relleno a varios cambios de velocidad relativa del vapor.
DESCRIPCIÓN DETALLADA
Los aspectos de la presente invención se refieren a la distribución de líquido sobre una superficie de dispositivos de transferencia de masa y, en particular, para columnas de separación donde la distribución uniforme del líquido que cae es crítica y puede afectar significativamente la eficiencia del dispositivo. En general, los aspectos descritos son aplicables a todos los tipos de distribuidores, pero son particularmente beneficiosos para diseños de distribuidores de tipo canales y de platos. Los aspectos de la presente invención son específicamente útiles para minimizar la mala distribución del líquido en la superficie del relleno. Además, los aspectos de la presente invención pueden ser particularmente útiles cuando se utilice un patrón de orificios de alta densidad, por ejemplo, más de 200 orificios por metro cuadrado del área del dispositivo de transferencia de masa. Finalmente, los aspectos de la presente invención pueden ser particularmente útiles cuando se utilice un relleno de alta capacidad y, por lo tanto, estén presentes altos caudales de vapor en el dispositivo de transferencia de masa.
La Figura 4 ilustra una vista en sección de una sección 400 de columna de transferencia de masa ejemplar de acuerdo con una realización de la presente invención. La vista en sección de la sección 400 de la columna de transferencia de masa incluye la pared exterior de la columna 402 de transferencia de masa. La sección 400 de la columna de transferencia de masa está delimitada por el relleno 404 por la parte inferior y un distribuidor 410 de líquido por la parte superior. Entre el relleno 404 y el distribuidor 410 de líquido hay un espaciamiento 408 donde la corriente 420 de vapor asciende hacia arriba a través del relleno 404 y el líquido 416 cae hacia abajo desde el distribuidor 410 de líquido. En la parte superior del distribuidor 410 de líquido pueden estar situados colectores de líquido (no mostrados). El colector de líquido y el distribuidor 410 de líquido están diseñados típicamente para mantener un nivel deseado de líquido 416 y para proporcionar una distribución de líquido deseada, generalmente uniforme, a través de la superficie del distribuidor 410 de líquido. Una serie de aberturas o orificios 414 de distribución de líquido están posicionados en el distribuidor 410 de líquido para que el líquido 416 pase a su través bajo presión hidrostática. Las aberturas u orificios 414 de distribución de líquido pueden ser de diámetros iguales o diferentes dependiendo del tamaño de la columna de transferencia de masa, el diseño de la zona o sección específica, la posición en la superficie del distribuidor de líquido, etc. Además, las aberturas u orificios 414 de distribución de líquido pueden estar organizados en matrices regulares o irregulares. Las aberturas u orificios 414 de distribución de líquido pueden estar colocados en la parte inferior del cuerpo del distribuidor o en las paredes verticales del canal, etc.
Se forman gotas 418 en las aberturas u orificios 414 de distribución de líquido del distribuidor 410 de líquido y las gotas 418 caen desde el distribuidor 410 de líquido a través del espaciamiento 408 creando corrientes de gotas 418 o corrientes líquidas. En general, las corrientes líquidas o las gotas 418 creadas pueden variar en tamaño y pueden tener diferentes velocidades iniciales. Los tamaños de las gotas 418 se definen por el diámetro de las aberturas u orificios 414 de distribución de líquido, por la velocidad inicial del líquido y por las propiedades físicas del líquido (densidad, viscosidad, etc.).
El relleno 404 está diseñado para aceptar el líquido 416 del distribuidor 410 de líquido y para distribuir la corriente 420 de vapor ascendente de manera uniforme a través de la sección transversal de la sección 400 de la columna de transferencia de masa. A lo largo de la superficie del distribuidor 410 de líquido están posicionados ascendentes 412 para permitir que la corriente 420 de vapor ascendente fluya a su través y al interior de, por ejemplo, la siguiente sección de la columna de transferencia de masa (no mostrada).
Como se constató que la corriente 422 de vapor que gira impactaba la gota 418 y su trayectoria prevista, y dado que
no siempre es posible minimizar el espaciamiento 408 entre el relleno 404 y el distribuidor 410 de líquido, los solicitantes buscaron forzar las corrientes 420 de vapor ascendente a girar más cerca de la superficie de relleno 406 en lugar de más cerca del distribuidor 410 de líquido. El dispositivo utilizado para lograr este propósito se denominará pared de protección o protección 424.
Una protección 424 está fijada a la parte inferior del distribuidor 410 de líquido donde la protección 424 se extiende hacia abajo en dirección opuesta a la corriente 420 de vapor ascendente. Los solicitantes constataron que la incorporación de la protección 424 hacía que la corriente 420 de vapor ascendente maniobrara hacia el área abierta del ascendente 412 (es decir, se convirtiera en una corriente 422 de vapor que gira) en una posición más cercana a la superficie del relleno 406 y más alejada del punto en el que la gota 418 entra en el espaciamiento 408 desde la abertura u orificio 414 en el distribuidor 410 de líquido como se ilustra en la Figura 4. Los solicitantes constataron que la protección 424 hacía que el área entre la protección 424 y, por ejemplo, la pared exterior de la columna de transferencia de masa 402 donde caían las gotas 418, se convirtiera en una zona de presión estática con baja velocidad de vapor, lo que daba como resultado que la corriente 422 de vapor que gira se formara en una posición mucho más cercana a la superficie del relleno 406. Así, las gotas 418 caen a través del espaciamiento 408 durante un período de tiempo y una distancia mucho más largos sin verse afectadas por las corrientes 422 de vapor que giran, conduciendo a (1) una menor desviación de las gotas 418 (2) una mejor distribución del líquido 416; y (3) mejores eficiencias de transferencia de masa de la sección 400 de la columna de transferencia de masa. La protección 424 se extiende lo suficientemente por debajo del nivel del distribuidor 410 de líquido como para reducir el tiempo de residencia afectado de las gotas (TRAG).
Con propósitos ejemplares, se puede asumir que la Hafectada (o el espaciamiento donde las gotas se ven afectadas por las corrientes de vapores giratorios) de la Figura 2, igual a la distancia entre la superficie inferior 126 del distribuidor 110 de líquido y la superficie superior 106 del relleno 104, es de 400 mm y la velocidad promedio de la gota es de 1 m/s. Por tanto, el tiempo de residencia afectado de las gotas se calcula como 0,4 segundos. El uso de la protección 424 en la sección 400 de la columna de transferencia de masa reduce drásticamente el tiempo de residencia afectado de las gotas. Como se ilustra en la Figura 4, la Hafectada (o el espaciamiento donde las gotas se ven afectadas por las corrientes de vapores que giran) es igual a la distancia entre la superficie inferior 428 de la protección 424 y la superficie 406 del relleno. El tiempo de residencia afectado de las gotas (TRAG) será de 0,04 segundos donde la Hafectada es de 40 mm y la velocidad media de las gotas de 1 m/s.
El tiempo de residencia afectado de las gotas (TRAG) se reduce en un orden de magnitud mediante la instalación de la protección 424 cerca del ascendente 412 para retrasar la influencia de la corriente 422 de vapor que gira en las gotas 418 que caen, lo que lleva a una desviación más pequeña de la gota 418 desde su posición de caída prevista en la superficie 406 de relleno.
Es importante destacar que en las secciones ejemplares 100, 400 de columna de transferencia de masa ilustradas en las Figuras 2 y 4, el tiempo de residencia total del líquido cambió muy poco y solo se redujo el tiempo de residencia afectado de las gotas. El tiempo de residencia total del líquido (TRTL) se calcula basándose en la altura del espaciamiento 108, 408 (independientemente de la protección 424) y la velocidad media de la gota 118, 418 en el espaciamiento 108, 408 respectivamente.
La protección 424 puede estar posicionada directamente debajo de una pared 413 del ascendente como se ilustra en la Figura 4 (es decir, como una continuación de la pared 413 del ascendente) o de cualquier otra manera adecuada que incluya un desplazamiento desde la pared 513 del ascendente como se ilustra en la Figura 5. Con fines ejemplares, la protección 424 ilustrada en la Figura 4 y la protección 524 ilustrada en la Figura 5 tienen la misma longitud de protección. La desviación de las gotas 418, 518 puede ser diferente debido a las posiciones de la protección 424, 524. En la Figura 5, las aberturas u orificios 514 de distribución de líquido y, por lo tanto, la posición donde se forman las gotas 518, están posicionados más cerca de la protección 524 y, por lo tanto, la corriente 522 de vapor que gira puede actuar sobre las gotas 518 con una fuerza mayor. Al mismo tiempo, el área abierta agrandada debajo del ascendente 512 puede reducir la velocidad de la corriente 522 de vapor que gira y, por lo tanto, puede reducir la fuerza que actúa sobre las gotas 518. El resultado final puede ser una desviación aceptable ya que el tiempo de residencia afectado de la gota (TRAG) sigue siendo pequeño. Por tanto, en general, la protección 524 puede estar posicionada en cualquier lugar entre las aberturas u orificios 514 de distribución de líquido y el ascendente 512.
Las protecciones 624 pueden extenderse a lo largo de toda la longitud de la sección transversal de la columna donde se usa una protección 624 junto con múltiples ascendentes 612 como se ilustra en la Figura 6A. Las protecciones 624 también pueden tener forma de caja que envuelve a un ascendente 612 como se ilustra en la Figura 6B. También se pueden usar protecciones parciales 624 en algunos casos, como se ilustra en la Figura 6C. Una protección parcial es una protección 624 que cubre un ascendente específico 612 sin extenderse a través de toda la columna. En algunos casos, se puede usar una mezcla de una más de las alternativas ilustradas en las Figuras 6A a 6C. Por ejemplo, la protección puede extenderse solo la longitud del ascendente, pero no envolver los extremos del ascendente. En otros casos, un diseñador de columnas puede optar por extender la protección a lo largo de los ascendentes o reducir la longitud de la protección a un tamaño más pequeño que la longitud del
ascendente. Puede usarse cualquier otra forma/orientación deseable y adecuada de la protección para lograr el propósito.
Los números de referencia de algunos elementos de la columna 102 de transferencia de masa que también están presentes en las columnas 402, 502 y 602 de transferencia de masa, pero que no se tratan específicamente en la especificación, pueden estar incluidos, en aras de la claridad, en las Figuras 4 a 7. Tales elementos tendrán números de referencia que se han incrementado en 300, 400 ó 500, respectivamente. Por ejemplo, el distribuidor de líquido está identificado con el número de referencia 110 en referencia a la columna 102 de transferencia de masa. Los números 410, 510 y 610 de referencia se refieren a las columnas 402, 502 y 602 de transferencia de masa, respectivamente.
EJEMPLOS
Se evaluó el efecto del flujo de vapor sobre la trayectoria de líquido utilizando medios tanto teóricos como experimentales. Se construyó un modelo matemático para evaluar la posible desviación de las gotas en el espaciamiento de una zona de columna. Este modelo se construyó utilizando técnicas de dinámica de fluidos computacional (CFD, por sus siglas en inglés). Se utilizó el código FLUENT disponible comercialmente para construir el modelo. Se calculó la desviación del líquido en función de la velocidad del vapor, como se ilustra en la Figura 3. Las predicciones del modelado se validaron mediante los resultados obtenidos al realizar los experimentos con aire y agua. Se constató un acuerdo entre el modelado y los resultados experimentales.
Como se ilustra en la Figura 3 y la Tabla 1, puede producirse una desviación sustancial del líquido cuando la velocidad del vapor ascendente es relativamente alta.
Tabla 1
La desviación del líquido a una velocidad relativa del vapor de 78% y una velocidad relativa del líquido de 0,7 no se incluyó en la Tabla 1 porque a tales velocidades relativas de vapor y de líquido, la desviación fue tan grande que el líquido se desvió hasta otras corrientes de líquido desviadas (provenientes de la otra dirección) en la misma sección, lo que provoca una medición inexacta de la desviación del líquido. Sin embargo, la desviación del líquido a la velocidad relativa del vapor del 78% y la velocidad relativa del líquido de 0,7 fue mayor que la desviación del líquido a la velocidad relativa del vapor de 58% y la velocidad relativa del líquido de 0,7. Los solicitantes encontraron que la desviación del líquido se puede reducir si se aumenta la velocidad inicial de las gotas de líquido. No obstante, la desviación del líquido puede ser bastante sustancial incluso con una velocidad inicial del líquido relativamente alta.
Por ejemplo, una gota de líquido puede desviarse casi 36 mm de la posición de caída vertical deseada cuando la velocidad del vapor aumenta aproximadamente en un setenta y cinco por ciento (75%) como se ilustra en la Figura 3. La Figura 3 también ilustra que la desviación de la gota puede existir incluso a una velocidad de vapor relativamente baja, pero la mala distribución causada por tal desviación puede ser tolerable con fines prácticos/comerciales.
La evaluación de la desviación del líquido en una sola zona de columna reveló que el parámetro más influyente de la desviación del líquido era el tiempo de residencia de la gota en el espaciamiento entre la superficie del relleno y el distribuidor. El tiempo de residencia, sin embargo, puede no ser tan importante si la gota no experimenta una fuerza significativa de los vapores ascendentes (o más específicamente de las corrientes de vapor que giran). La región de bajo caudal ilustrada en la Figura 3 ejemplifica este hecho. A caudales de vapor suficientemente altos, el tiempo de residencia afectado de las gotas (TRAG) se convirtió en el factor más influyente, dando como resultado una mayor desviación a medida que aumentaba el tiempo de residencia. Minimizar el tiempo de residencia afectado de la gota ayudó a minimizar la desviación de la gota de la posición deseada en la superficie del relleno.
La Tabla 2 junto con la Figura 8 ilustra las diferencias en la desviación del líquido en la columna de transferencia de masa de la Figura 3 sin una protección y una columna de transferencia de masa similar incorporada con una
protección donde de nuevo la velocidad relativa del líquido permaneció constante y la velocidad relativa del vapor aumentó.
Tabla 2
Como se ilustra en la Tabla 2 y la Figura 8, la inclusión de la protección en la sección de la columna de transferencia de masa redujo drásticamente la desviación del líquido en la sección de columna, lo que condujo a una mayor eficiencia de transferencia de masa.
El "espacio" (es decir, la distancia entre la superficie inferior 428 de la protección 424 y la superficie 406 del relleno) puede variar para diferentes columnas, diferentes zonas en la misma columna e incluso para diferentes ascendentes en la misma sección de columna. El tamaño del espacio depende de muchos factores, incluidos, entre otros, el diseño particular de la columna, los caudales de vapor y de líquido, el tamaño del espaciamiento entre las superficies del relleno y los distribuidores, los tamaños de las aberturas u orificios del distribuidor de líquido, las posiciones y dimensiones de los ascendentes, etc. Generalmente, un espacio de más de 75 mm es menos eficiente y puede no proporcionar suficiente control de la desviación debido al aumento del tiempo de residencia afectado de las gotas TRAG. Un espacio de 10 mm o menos puede conducir a altas velocidades de la corriente 422 de vapor que gira en el espacio entre la protección 424 y la superficie 406 del relleno. La corriente 422 de vapor que gira a alta velocidad puede causar desviaciones inaceptables aunque el tiempo de residencia afectado de las gotas calculado (TRAG) sea pequeño. Un espacio de 10 mm o menos también puede afectar la uniformidad de la distribución de vapor en el relleno 404. El espacio preferido está en el intervalo entre 10 mm y 75 mm, y más preferiblemente entre 40 mm y 50 mm. Se debe elegir una altura de protección adecuada para adaptarse al espacio preferido. La Tabla 3 y la Figura 9 ilustran la desviación del líquido para espacios de diferentes tamaños donde la velocidad relativa del líquido permaneció constante y la velocidad relativa del vapor aumentó.
Tabla 3
La Tabla 3 junto con la Figura 9 ilustra que a medida que se redujo el espacio al aumentar la longitud de la protección, la desviación del líquido también disminuyó, mejorando así la eficiencia de la columna de transferencia de masa.
Claims (13)
1. Una columna (402) de transferencia de masa que comprende una sección (404) de relleno y un distribuidor (410) de líquido para la distribución de un líquido en la columna (402) de transferencia de masa, en donde la sección (404) de relleno está espaciada y situada debajo del distribuidor (410) de líquido, comprendiendo el distribuidor (410) de líquido:
al menos dos ascendentes (412), comprendiendo cada ascendente un par de paredes paralelas (413) del ascendente, en donde las paredes (413) del ascendente se extienden desde una primera superficie del distribuidor (410) de líquido en una primera dirección de la columna (402) de transferencia de masa;
un par de protecciones paralelas (424) por ascendente (412), en donde las protecciones (424) se extienden desde una segunda superficie del distribuidor (410) de líquido opuesta a la primera superficie y se extienden en una segunda dirección de la columna (402) de transferencia de masa opuesta a la primera dirección; y dos filas distanciadas de aberturas (414) de distribución de líquido que se extienden sustancialmente a través de toda la sección transversal de la columna (402) de transferencia de masa entre y en paralelo a las paredes (413) del ascendente y las protecciones (424), y desde la primera superficie del distribuidor (410) de líquido a través de la segunda superficie del distribuidor (410) de líquido,
en donde las protecciones (424) tienen una longitud que se extiende en la segunda dirección de manera que se crea un espacio entre las protecciones (424) y un relleno (404), y en donde la altura del espacio entre la protección (424) y el relleno (404) es de 10 mm a 75 mm, preferiblemente de 40 mm a 50 mm, y
en donde el distribuidor (410) de líquido comprende un distribuidor de tipo canales o de tipo plato.
2. La columna (402) de transferencia de masa de la reivindicación 1, en donde la columna (402) de transferencia de masa es una columna de separación de aire.
3. La columna (402) de transferencia de masa de la reivindicación 1 o la reivindicación 2, en donde el relleno (404) es un relleno estructurado.
4. La columna (402) de transferencia de masa de cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, en donde cada protección (424) está posicionada de manera que la protección (424) se extienda desde la segunda superficie de forma equidistante a una fila de aberturas (414) de distribución de líquido y a un ascendente (412).
5. La columna (402) de transferencia de masa de cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, en donde cada protección (424) está colocada de manera que la protección (424) se extienda desde la segunda superficie de forma directamente adyacente a un ascendente (412).
6. La columna (402) de transferencia de masa de cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5, en donde los al menos dos ascendentes (412) se extienden sustancialmente a través de toda la sección transversal de la columna (402) de transferencia de masa en una tercera dirección perpendicular a la primera dirección y la segunda dirección, y en donde las protecciones (424) se extienden a través de toda la sección transversal de la columna (402) de transferencia de masa en la tercera dirección.
7. La columna (402) de transferencia de masa de cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5, en donde los al menos dos ascendentes (412) se extienden sustancialmente a través de toda la sección transversal de la columna (402) de transferencia de masa en una tercera dirección perpendicular a la primera dirección y la segunda dirección, y en donde las protecciones (424) se extienden sustancialmente a través de toda la sección transversal de la columna (402) de transferencia de masa en la tercera dirección.
8. La columna (402) de transferencia de masa de la reivindicación 1, en donde las dos filas distanciadas de aberturas (414) de distribución de líquido están situadas en la parte inferior del distribuidor (410) de líquido y las protecciones (424) se extienden en la segunda dirección desde la parte inferior del distribuidor (410) de líquido.
9. Un método para la distribución de un líquido en una columna de transferencia de masa según la reivindicación 1, que comprende las etapas de:
a. introducir el líquido en una parte superior de la columna (402) de transferencia de masa;
b. posicionar dentro de la columna (402) de transferencia de masa al menos una sección (400) de columna de transferencia de masa;
c. posicionar dentro de la al menos una sección (400) de columna de transferencia de masa un distribuidor (410) de líquido para recibir una corriente de líquido que fluye hacia abajo y una corriente de vapor que fluye hacia arriba, comprendiendo el distribuidor (410) de líquido:
i. al menos dos ascendentes (412), comprendiendo cada ascendente un par de paredes paralelas (413) del ascendente, en donde las paredes (413) del ascendente se extienden hacia arriba desde una primera superficie del distribuidor (410) de líquido;
ii. al menos un par de protecciones (424), en donde las protecciones (424) se extienden desde una segunda superficie del distribuidor (410) de líquido opuesta a la primera superficie y se extienden hacia abajo; y
iii. dos filas distanciadas de aberturas (414) de distribución de líquido que se extienden sustancialmente a través de toda la sección transversal de la columna (402) de transferencia de masa entre y en paralelo a las paredes (413) del ascendente y desde la primera superficie del distribuidor (410) de líquido a través de la segunda superficie del distribuidor (410) de líquido, en donde las protecciones (424) tienen una longitud que se extiende hacia abajo de manera que se cree un espacio entre las protecciones (424) y un relleno (404) colocado debajo del distribuidor (410) de líquido en la columna (402) de transferencia de masa, y en donde la altura del espacio entre las protecciones (424) y el relleno (404) es de 10 mm a 75 mm, preferiblemente de 40 mm a 50 mm,
d. recoger la corriente de líquido que fluye hacia abajo desde la parte superior de la columna (402) de transferencia de masa en la primera superficie del distribuidor (410) de líquido;
e. hacer pasar la corriente de vapor que fluye hacia arriba desde la parte inferior de la columna (402) de transferencia de masa a través de los al menos dos ascendentes (412) del distribuidor (410) de líquido; y f. distribuir la corriente de líquido que fluye hacia abajo desde al menos dos filas distanciadas de aberturas (414) de distribución de líquido del distribuidor (410) de líquido sobre el relleno (404).
10. El método de la reivindicación 9, en donde la columna (402) de transferencia de masa es una columna de separación de aire.
11. El método de la reivindicación 9 o la reivindicación 10, en donde el relleno (404) es un relleno estructurado.
12. El método de cualquiera de las reivindicaciones 9 a 11, en donde cada protección (424) está posicionada de manera que la protección (424) se extienda desde la segunda superficie de forma equidistante a una fila de aberturas (414) de distribución de líquido y a un ascendente (412).
13. El método de cualquiera de las reivindicaciones 9 a 12, en el que cada protección (424) está posicionada de manera que la protección (424) se extienda desde la segunda superficie de forma directamente adyacente a un ascendente (412).
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