BANDEJA DE DISTRIBUCIÓN DE VAPOR-LIQUIDO
ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN La presente invención se refiere a dispositivos de distribución de liquido-vapor para uso en recipientes de flujo descendente concurrente de dos fases. En particular, la invención se refiere a una bandeja de distribución de líquido que es proporcionada con tubos de elevación de vapor que mejoran la distribución de las fases de líquido y vapor a través del área en sección transversal de un recipiente por debajo de la bandeja para conseguir el equilibrio térmico y composicional . El dispositivo es particularmente útil en reactores de hidroprocesamiento. Los diseños conocidos de dispositivos de distribución de líquido caen dentro de una de cinco categorías . La primera categoría es una serie de canales y vertederos de compuerta que subdividen, en forma sistemática, el líquido en múltiples corrientes antes de que éste haga contacto con el lecho. Este tipo es frecuentemente utilizado en abastecedores de líquido o absorbentes de contracorriente. Un ejemplo de este tipo se describe en la Patente de los Estados Unidos No. 5,192,465. Un segundo tipo de dispositivo de distribución de líquido es una bandeja horizontal perforada. Esta podría o no tener vertederos de muesca alrededor de las perforaciones. La bandeja también podría tener chimeneas para el flujo de vapor. Este tipo de dispositivo de distribución puede ser utilizado para la distribución de líquido agitado en conjunto con una bandeja más sofisticada de distribución final de líquido. Los ejemplos de este tipo son descritos en la Patente de los Estados Unidos No. 4,836,989. El tercer tipo común de dispositivo de distribución de líquido es una bandeja de chimenea. Este dispositivo utiliza un número de amortiguadores o tubos verticales que se sitúan normalmente sobre un patrón regular inclinado cuadrado o triangular sobre una bandeja horizontal. Los tubos verticales normalmente tienen agujeros en los lados para el paso de líquido. Las partes superiores de los tubos verticales son abiertas para permitir el flujo de vapor hacia abajo a través del centro de las chimeneas. Algunos diseños utilizan chimeneas especiales de tubo descendente de vapor para manejar el volumen del flujo de vapor. Este tipo es conocido a partir de las Patentes de los Estados Unidos Nos. 4,126,540 y 3,353,924. El cuarto tipo de dispositivo de distribución de líquido es una bandeja de tapa de burbujas. Este dispositivo utiliza un número de tapas de burbujas situadas sobre un patrón inclinado regular sobre una bandeja horizontal. La tapa de burbujas es formada con una tapa centrada en posición concéntrica sobre un amortiguador o tubo vertical . Los lados de la tapa son ranurados para el flujo de vapor. El líquido fluye por debajo de la tapa y, junto con el vapor, fluye hacia arriba en el área anular y posteriormente, baja a través del centro del tubo vertical como se describe en la Patente de los Estados Unidos No. 5,158,714. Un tipo adicional conocido de dispositivo de distribución de líquido es una bandeja perforada que es proporcionada con tubos de elevación de vapor en la forma de un tubo descendente con canales o conductos largos que es colocado con uno o más tubos ascendentes con canales o conductos cortos creando una zona de flujo ascendente y una zona de flujo descendente dentro del tubo. Los lados del tubo ascendente de conductos cortos son ranurados en los tubos de elevación de vapor, el líquido que fluye en forma concurrente con el vapor es elevado por medio del flujo de vapor hacia arriba en la zona de flujo ascendente y es uniformemente distribuido junto con el vapor a través de la zona de flujo descendente hacia un lecho de catálisis subyacente como se describe adicionalmente en la Patente de los Estados Unidos No. 5,942,162.
SUMARIO DE LA INVENCIÓN Esta invención es un dispositivo mejorado de distribución de líquido-vapor para uso en recipientes de flujo descendente concurrente de dos fases. El dispositivo de distribución de acuerdo con la modalidad más amplia de la invención comprende una bandeja horizontal que es perforada con agujeros. A cada perforación se le coloca un tubo de elevación de vapor que consiste al menos de un conducto alargado de flujo ascendente y un conducto de flujo descendente y creando al menos en una zona de flujo ascendente y una zona de flujo descendente entre la zona de flujo ascendente y la zona de flujo descendente una zona de transición. Con el fin de mejorar el funcionamiento de la distribución del dispositivo un cuerpo achatado es situado dentro de la zona de transición del tubo de elevación de vapor y/o en una región de la zona de flujo ascendente o de la zona de flujo descendente adyacente a la zona de transición del tubo de elevación de vapor. El término "cuerpo achatado" como se utiliza en este documento con anterioridad y en la siguiente descripción, significa un cuerpo configurado que dirige un fluido en movimiento desde la zona de flujo ascendente hasta la zona de flujo descendente sin crear una resistencia considerable de flujo. El cuerpo achatado podría ser configurado en cualquier forma que mejore la estabilidad del flujo y con lo cual, se crea una sensibilidad más baja de distribución en contra de la horizontalidad o posición de nivel de la bandej a .
Las formas útiles del cuerpo achatado son aspas de guía que se curvean hacia los conductos del tubo de elevación de vapor y/o perfilados (es decir, de forma aerodinámica) como se muestra en los dibujos adjuntos. La bandeja de acuerdo con la invención es soportada en posición horizontal en el recipiente. La bandeja puede ser una placa seccionada o una placa sólida. Ya sea seccionada o sólida todos los bordes de la bandeja son herméticos con una empaquetadura o son sellados de otro modo para proporcionar una superficie esencialmente libre de fugas. La bandeja es perforada con agujeros uniformemente separados a través de su superficie. Los agujeros podrían ser redondos, cuadrados, rectangulares o de cualquier otra forma geométrica. Los agujeros se encuentran óptimamente separados ya sea en base a un patrón cuadrado, triangular, radial u otro patrón simétrico. Si la bandeja horizontal fuera seccionada, los agujeros de perforación podrían ser situados, en forma óptima, sobre cada sección de la bandeja. En todos los casos, un patrón optimizado es utilizado para proporcionar una separación aproximadamente regular, entre todas las perforaciones y para proporcionar una relación aproximadamente regular del área del agujero de perforación con el área de la bandeja horizontal a través de la totalidad de la bandeja horizontal. En una modalidad de la invención, a cada perforación se le coloca un tubo de elevación de vapor de forma de M que es proporcionado con un aspa de guía y o un perfilado . Los tubos de elevación de vapor son unidos con la bandeja de tal forma que sean herméticos a las fugas . En una modalidad adicional, los tubos de elevación de vapor son configurados en la forma de una U invertida. En el lado inferior de la bandeja, un borde de goteo o escurrimiento podría ser creado para cada perforación por medio de un conducto de tubo descendente del tubo de elevación de vapor que se extiende a través de la bandeja o por medio de una pieza separada de tubo unida con la bandeja. El borde de goteo además podría ser configurado mediante extrusiones sobre la bandeja o por medios equivalentes.
BREVE DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS Las Figuras 1A, IB y 1C muestran la vista en elevación lateral, la vista en elevación frontal y una vista superior, de manera respectiva, de una primera modalidad del tubo de elevación de vapor de la presente invención. Las Figuras 2A, 2B y 2C muestran la vista en elevación lateral, la vista en elevación frontal y una vista superior, de manera respectiva, de una modalidad adicional de la invención. Las Figuras 3A, 3B, 4 y 5 muestran una vista en corte de distintas formas de un cuerpo achatado de acuerdo con modalidades específicas de la invención.
DESCRIPCIÓN DETALLADA DE LA INVENCIÓN En un tubo de elevación de vapor de acuerdo con una modalidad específica de la invención, que se muestra en las Figuras 1A, IB y 1C, el canal o conducto de flujo descendente 1 del tubo de elevación de vapor de forma de M se coloca sobre o a través de una perforación en la bandeja de soporte 2. Los conductos de flujo ascendente 3a y 3b son unidos en cada pared lateral del conducto de flujo descendente 1 y son más cortos que el conducto 1 para elevar los orificios de entrada 7a y 7b de los conductos 3a y 3b por encima de la superficie de la bandeja 2. Los conductos de flujo ascendente 3a y 3b y el conducto de flujo descendente 1 crean las zonas de flujo ascendente 4a y 4b y el conducto de flujo descendente 1 crea una zona de flujo descendente 8. Una zona de transición 5 es formada entre los conductos 3a, 3b y 1-. La zona de transición 5 es proporcionada con aspas de guía 6. El tubo de elevación de vapor configurado proporciona una trayectoria de flujo a través de la bandeja por medio de los extremos de entrada 7a y 7b hasta las zonas de flujo ascendente 4a y 4b dentro de las paredes de los conductos cortos de flujo ascendente 3a y 3b en la dirección de flujo vertical. Entonces, el flujo es forzado a dirigirse en una dirección horizontal en la zona de transición 5 y en forma subsiguiente, en dirección vertical en la zona de flujo descendente 8. Finalmente, el flujo de vapor y líquido es descargado a través del extremo de salida 9 en la parte inferior del conducto de flujo descendente 8 en la superficie inferior de la bandeja 2. Una ranura vertical 11 (Figura 1A) es cortada en la pared lateral del conducto 3a y 3b opuesta al conducto 1. La parte superior de las ranuras 11 se encuentra en línea o por debajo de la zona de transición 5. En forma alterna, dos o más ranuras podrían ser cortadas en paredes laterales de los conductos 3a y 3b adyacentes u opuestos a la pared del conducto más largo 1. Durante la operación del tubo descrito con anterioridad, el nivel de líquido será establecido sobre la bandeja 2. El nivel de líquido en el tubo de elevación de vapor estará por encima de la entrada 7a, 7b de los conductos
3a y 3b y por debajo de la parte superior de las ranuras 11.
El vapor pasa a través de la ranura y crea una caída de presión entre las zonas de flujo ascendente 4a, 4b y fuera del tubo de elevación de vapor. Debido a la presión más baja en el interior del tubo de elevación de vapor, el nivel de líquido será más alto en las zonas de flujo ascendente que en el exterior del tubo de elevación de vapor. La mezcla de vapor y líquido en las zonas de flujo ascendente 4a, 4b y el vapor eleva el líquido para que fluya hacia arriba hacia la zona de transición 5. El líquido dejará de hacer parcialmente contacto, mientras que fluye a través de la pared de conexión de los conductos 3a, 3b y 1 y hacia abajo a través de la zona de flujo descendente 8. En la salida 9 de la zona 8, el líquido y vapor además dejan de hacer contacto con el líquido que se drena fuera del borde de goteo 10. En la modalidad que se muestra en las Figuras 2A, 2B y 2C, un tubo de elevación de vapor tiene la forma de una U invertida. El tubo es proporcionado con un conducto único de flujo ascendente 3 y un conducto de flujo descendente 1 montados en la bandeja 2. Los conductos crean una zona única de flujo ascendente 3a, una zona de transición 5 y una zona de flujo descendente 8. La zona de transición 5 es proporcionada con un aspa de guía 4. Esta modalidad es particularmente útil en la carga baja de líquido y vapor sobre la bandeja de distribución, mientras que el tubo de elevación de vapor que se muestra en la Figura 1 y se describió con anterioridad, puede ser diseñado para operar a través de un intervalo amplio de cargas de vapor-líquido. Una modalidad de la invención con perfilados se muestra en las Figuras 3A y 3B. En la modalidad, los perfilados 12 son situados en el conducto de flujo descendente 1 ya sea en la zona de flujo descendente (Figura 3A) o en la zona de flujo ascendente (Figura 3B) en una región adyacente a la zona de transición 5.
La Figura 4 muestra una modalidad con a bos de los perfilados 12 y las aspas de guía 6 en la parte superior del conducto de flujo descendente 1. La Figura 5 es una modalidad con una placa de incidencia 13 que es proporcionada en la zona de transición 5. En una modalidad preferida de la invención, se proporciona la bandeja horizontal 2 con un número grande de pequeñas perforaciones, cada una de las cuales tiene un área de agujero entre 1 y 25 cm2. El área total del agujero de perforación se encuentra entre 4 y 33% del área superficial de la bandeja horizontal. La relación del área en sección transversal de la zona de flujo ascendente con el perímetro se prefiere que se encuentre por encima de 4 mm para reducir la caída de presión de fricción y los efectos de pared. En reactores y procesos en donde es empleado el dispositivo de distribución de acuerdo con la invención, por ejemplo, en reactores de hidroprocesamiento, podrían presentarse amplias variaciones en las relaciones de fase de vapor y líquido y en las propiedades físicas con el paso del tiempo y durante las operaciones de rechazo o reducción. Debido a las tolerancias de fabricación y al cuidado de la instalación, existirán variaciones inevitables en la horizontalidad o posición de nivel de la bandeja de distribución. Los líquidos que están siendo cargados sobre la bandeja de distribución a partir de un distribuidor de entrada o un mezclador de zona de enfriamiento rápido podrían ser distribuidos en forma irregular y podría originar altos gradientes de líquido a través de la bandeja debido al salpicado, ondas o la cabeza hidráulica. Un diseño optimizado de un distribuidor de líquido que utiliza el concepto de esta invención proporcionará una distribución mejorada de líquido por debajo de la bandeja que la que puede ser obtenida a partir de los diseños optimizados de otros tipos de distribuidores. Por medio de una distribución regular de los reactivos de líquido a través de la totalidad del área en sección transversal del reactor toda la catálisis en un nivel dado es uniformemente humedecida. De esta manera, toda la catálisis en un nivel dado funciona con la misma eficiencia, lo cual aumenta la eficiencia total del reactor. Además, la distribución regular de líquido mantiene perfiles uniformes de temperatura radial a través del reactor. Esto origina la disminución de las temperaturas pico del reactor lo cual reduce la velocidad de cocción y desactivación de la catálisis. En consecuencia, el reactor opera de manera más eficiente y con una duración más larga de ciclo. El tubo de elevación de vapor de acuerdo con la invención es una mejora del tubo de elevación de vapor que se describe en la Patente de los Estados Unidos No. 5,942,162 y proporciona una sensibilidad menor hacia afuera de la colocación de la horizontalidad o posición de nivel de la bandeja de distribución en un reactor. Se realizaron pruebas de comparación con una bandeja de elevación de vapor como se describe en la Patente de los Estados Unidos No. 5,942,162 y la bandeja de elevación de vapor de acuerdo con la invención con cargas de líquido que fluctúan de 10-30 ton/hr/m2. La bandeja de elevación de vapor de acuerdo con la invención proporcionó mejoras de sensibilidad mayores del 30% en las mismas condiciones de operación que se emplearon con la bandeja conocida. En las pruebas, los tubos de elevación de vapor de forma de M que tienen las mismas dimensiones fueron utilizados con la excepción que en los tubos de acuerdo con la invención se colocó un cuerpo achatado en la forma de un aspa de guía como se describió en este documento con anterioridad.