MXPA97010421A - Dispositivo de distribucion de liquido de flujo descendente en dos fases - Google Patents

Abstract

La presente invención se refiere a un dispositivo de distribución de líquido-vapor, para utilizarse en recipientes de flujo descendente concurrente de dos fases, el cual comprende:un nivel, una charola horizontal fabricada e instalada para estar esencialmente exenta de fugas en las uniones de la charola y la pared del recipiente;perforándose la charola horizontal con orificios de igual tamaño;distribuyéndose los orificios en un patrón optimizado sobre la superficie de la charola horizontal, cada perforación a través de la charola horizontal se adapta con un tubo de levantamiento de vapor, y en donde la porción de tubo de flujo hacia arriba se adapta para ajustarse contra el tubo de flujo descendente, con el fin de limitar una zona de flujo hacia arriba a sustancialmente un costado del tubo de flujo descendente.

Description

DISPOSITIVO DE DISTRIBUCIÓN DE LIQUIDO DE FLUJO DESCENDENTE EN DOS FASES ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN La presente invención se refiere a un dispositivo de charola de distribución de líquido que mejora la distribución del líquido sobre el área de sección transversal de un recipiente en seguida de la charola. El dispositivo también pone en contacto íntimo las fases de líquido y vapor, para alcanzar un equilibrio térmico y de composición. El dispositivo se utiliza típicamente en un reactor de hidroprocesamiento . La mayoría de los diseños conocidos de dispositivos de distribución de líquido caen en una de cuatro categorías. La primera es una serie de artesas y vertederos de sobreflujo para subdividir sistemáticamente el líquido en múltiples corrientes antes de que haga contacto con el lecho. Este tipo se utiliza con frecuencia en los contactores de líquido o en los absorbentes a contra-corriente. Un ejemplo de este tipo se describe en la Patente de los Estados Unidos de Norteamérica Número 5,192,465. Un segundo tipo de dispositivo de distribución de líquido es una charola horizontal perforada. Esta puede o no tener vertederos con muescas alrededor de las perforaciones. La charola también puede tener chimeneas para el flujo de vapor. Este tipo de dispositivo de distribución se puede utilizar para la distribución de líquido en conjunto con una charola de distribución de líquido final más sofisticada. Los ejemplos de este tipo se dan a conocer en la Patente de los Estados Unidos de Norteamérica Número 4,836,989. El tercer tipo común de dispositivo de distribución de líquido es una charola de chimenea. Este dispositivo utiliza un número de tubos extendidos típicamente sobre un patrón de separación cuadrado o triangular regular sobre una charola horizontal. Los tubos erectos típicamente tienen orificios en los lados para el paso de lícjuido. Las partes superiores de los tubos erectos están abiertas para permitir el flujo de vapor bajando a través del centro de las chimeneas. Algunos diseños utilizan chimeneas descendentes de vapor especiales para manejar el volumen del flujo de vapor. Este tipo de dispositivo se conoce de las Patentes de los Estados Unidos de Norteamérica Números 4,126,540 y 3,353,924. El cuarto tipo de dispositivo de distribución de líquido es una charola con tapa de burbuja. Este dispositivo utiliza un número de tapas de burbuja extendidas sobre un patrón separado regular sobre una charola horizontal . La tapa de burbuja es una tapa centrada concéntricamente sobre un tubo erecto. Los lados de la tapa están ranurados para el flujo de vapor. El líquido fluye debajo de la tapa, y junto con el vapor, fluye hacia arriba en el área anular, y luego hacia abajo a través del centro del tubo erecto, como se describe en la Patente de los Estados Unidos de Norteamérica Número 5,158,714. SUMARIO DE LA INVENCIÓN El dispositivo de la presente invención se denomina una "charola de distribución de levantamiento de vapor". Se soporta horizontalmente en el recipiente. La charola puede ser ya sea una placa en secciones o continua. Bien sea en secciones o continua, todas las orillas de la charola tienen empaques o se sellan de otra manera para proporcionar una superficie esencialmente exenta de fugas. La charola se perfora con orificios uniformemente separados a través de su superficie. Los orificios pueden ser redondos, cuadrados, rectangulares, o de cualquier otra forma geométrica. Los orificios se separan óptimamente sobre un patrón cuadrado, triangular, radial, u otro patrón simétrico. Si la charola horizontal está en secciones, los orificios de perforación se pueden localizar óptimamente sobre cada sección de la charola. En todos los casos, se utiliza un patrón optimizado para proporcionar una separación aproximadamente uniforme entre todas las perforaciones, y para proporcionar una relación aproximadamente uniforme del área de orificios de perforación al área de la charola horizontal a través de toda la charola horizontal.

Cada perforación se adapta con un dispositivo en forma de "U" invertida denominado un "tubo de levantamiento de vapor" . Los tubos de levantamiento de vapor se conectan a la charola de tal manera que queden a prueba de fugas . Sobre el lado inferior de la charola, se establece una orilla de goteo para cada perforación. Esto se logra haciendo que el tubo de levantamiento de vapor se extienda a través de la charola, poniendo una pieza separada unida a la charola, haciendo que la charola se extruya hacia abajo, o mediante algún otro elemento equivalente. BREVE DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS La Figura 1 muestra una primera modalidad del tubo de levantamiento de vapor de la presente invención. Las Figuras 2-5 muestran modalidades alternativas del tubo de levantamiento de vapor de la presente invención. DESCRIPCIÓN DETALLADA DE LA MODALIDAD PREFERIDA El concepto del diseño del tubo de levantamiento de vapor se muestra en la Figura 1. Una pata (tubo de flujo descendente 1) de la "U" invertida que se abre 4 entre las patas. El dispositivo proporciona de esta manera una trayectoria de flujo a través de la entrada de la charola hasta el extremo de la pata corta, un flujo vertical a través de la pata corta, un cambio de dirección en la parte superior de la "U" invertida, un flujo descendente a través de la pata larga, y se descarga a través del extremo abierto de la pata larga debajo de la charola. Se corta una ranura vertical 5 en el costado de la pata corta opuesta a la pata más larga. La parte superior de la ranura está en, o debajo de, el fondo de la abertura interna entre las patas. De una manera alternativa, se podrían cortar dos o más ranuras en los lados de la pata corta adyacente a, u opuesta a, la pata más larga. En la operación, se establecerá un nivel de líquido en la charola. El nivel de líquido en el tubo de levantamiento de vapor, estará arriba del fondo de la pata corta, pero debajo de la parte superior de la ranura de la pata corta. El vapor pasará a través de la ranura en la pata corta, creando una caída de presión entre el interior y el exterior del tubo de levantamiento de vapor. Debido a la presión menor adentro del tubo de levantamiento de vapor, el nivel de líquido será más alto adentro que afuera del tubo de levantamiento de vapor. El vapor y el líquido se mezclarán en la pata más corta con el vapor que levanta el líquido, para fluir hacia arriba y sobre la pared de conexión entre las patas más corta y más larga. El líquido se desacoplará parcialmente, mientras que fluye sobre la pared de conexión y bajando por la pata más larga. En la abertura debajo de la charola, el líquido y el vapor se desacoplarán adicionalmente, escurriéndose el líquido por la orilla de goteo. En las Figuras 2, 3, 4, y 5 se muestran versiones alternativas del diseño del tubo de levantamiento de vapor. En la Figura 1, las patas de la "U" invertida, tienen secciones transversales cuadradas o rectangulares . En la Figura 2, el dispositivo se compone de un solo tubo redondo 6 con una pantalla vertical 7 para formar las patas corta y larga. En la Figura 3 el dispositivo se compone de un par de tubos redondos no concéntricos 8 y 9. La pata larga es el tubo de diámetro más pequeño 9, mientras que la pata corta es el espacio anular 10 adentro de tubo más grande 8. En la Figura 4, se utiliza un dispositivo en forma de "M", siendo las patas externas equivalentes a las patas cortas, y siendo la pata media el equivalente de la pata larga. Esta versión se utilizaría en donde hubiera altas cargas de líquido y vapor. La Figura 5 es el mismo concepto básico que el de la Figura 4, con la excepción de que la pata central es un tubo redondo. En todas las versiones, la parte superior se ha ilustrado como una placa plana. La parte superior podría estar también redondeada, en forma de domo, en pico, o con cualquier otra geometría. La versión preferida del tubo de levantamiento de vapor es el diseño mostrado en la Figura 5. Esta versión se puede diseñar para operar sobre un amplio rango de cargas de vapor-líquido, mantiene las relaciones geométricas necesarias para la funcionalidad, y se puede fabricar de una manera económica y eficiente.

El dispositivo de distribución de tipo de artesa conocido es mecánicamente complejo y muy sensible a la nivelación. Dependiendo del diseño de las transiciones entre las artesas, la calidad de la distribución también puede ser susceptible a contaminación. El diseño de placa perforada conocido es similar al diseño de chimenea. Se prefiere el diseño de chimenea, ya que se puede diseñar para un rango más amplio de cargas de líquido/vapor y es menos susceptible a la contaminación. Las ventajas de un dispositivo de tubo de levantamiento de vapor de conformidad con la invención, sobre un diseño de tipo de chimenea, es el rango de desactivación significativamente más amplio posible con el tubo de levantamiento de vapor. A medida que disminuye el flujo de líquido, una chimenea apropiadamente diseñada debe llegar a ser más alta, o debe tener orificios más pequeños perforados en el costado. Debido a las tolerancias de fabricación, al cuidado de la instalación, y a la desviación debido a la carga operativa, no todos los dispositivos de distribución estarán en el mismo nivel en el recipiente. En algún nivel de desactivación, algunos orificios quedarán cubiertos con líquido y otros no. Esto da como resultado una distribución de líquido irregular eobre la superficie debajo de la charola. Con un diseño apropiado, el dispositivo de tubo de levantamiento de vapor reducirá la diferencia de flujo de líquido entre los tubos de levantamiento de vapor en diferentes elevaciones, mejor de lo que se puede lograr con un diseño de tipo de chimenea. Una ventaja adicional del tubo de levantamiento de vapor sobre el diseño de tipo de chimenea, es el mayor contacto de las fases de líquido y vapor. El contacto íntimo que se presenta en la porción de flujo hacia arriba del tubo de levantamiento de vapor, proporciona aproximaciones más cercanas al equilibrio térmico y de composición, de lo que se lograría en la charola de chimenea. El dispositivo de tubo de levantamiento de vapor es similar al dispositivo de tapa de burbuja en el concepto, pero tiene varias ventajas. Ya que el dispositivo de tubo de levantamiento de vapor es más pequeño, se puede colocar más en una charola de distribución para lograr una mejor distribución del líquido. Además, ya que los patrones de separación típicos son de una separación cuadrada o triangular, normalmente hay huecos en el cubrimiento de distribución de líquido cerca de la pared del recipiente. Con una separación más pequeña, el tamaño de estos huecos es más pequeño. Sobre todo, la eficiencia humectante debajo de la charola es mejor con una separación más pequeña que con una separación más grande. La charola de diseño de tapa de burbuja está limitada a una separación relativamente grande, y se han intentado medidas adicionales para mejorar el flujo de líquido desde la tapa, por ejemplo, la placa de desgarre escrita en la Patente de Shih. El incremento del número de tapas de burbuja con una separación reducida, incrementaría el número de puntos de distribución, pero tendría un impacto negativo sobre las relaciones de flujo de líquido/vapor a través de cada tapa. La utilización de mas tapas de burbuja requeriría de la fabricación de tapas de burbuja más pequeñas con ranuras más pequeñas o con menos ranuras. La utilización de ranuras más pequeñas no es práctica, ya que hay un tamaño mínimo de ranura para consideraciones de contaminación. La utilización de menos ranuras no es deseable, ya que puede conducir a una canalización de vapor en el anillo, y a un contacto menos eficiente con la fase líquida. Una ventaja adicional para el dispositivo de tubo de levantamiento de vapor, es que su simplicidad lo hace más fácil y menos costoso de fabricar en el tamaño óptimo prescrito por las condiciones del proceso. En muchos procesos en donde se utilizará esta charola, por ejemplo, en reactores de hidroprocesamiento, puede haber amplias variaciones en los índices de la fase de vapor y líquida y en las propiedades físicas a través del tiempo y durante las operaciones de desactivación. Debido a las tolerancias de fabricación y al cuidado de la instalación, habrá variaciones inevitables en el nivel de la charola de distribución. Los líquidos que se gotean sobre la charola de distribución desde un distribuidor de entrada o mezcladora con zona de sofocamiento, pueden distribuirse de una manera irregular, y podrían dar como resultado gradientes de altura de líquido a través de la charola debido a las salpicaduras, a las olas, o la cabeza hidráulica. Es posible un diseño de distribuidor de líquido optimizado utilizando el concepto del tubo de levantamiento de vapor, que proporcione una mejor distribución de líquido debajo de la charola, de lo que se puede obtener con los diseños optimizados de distribuidores de artesa, simples charolas de distribución de placa perforada, charolas de distribución de tipo de chimenea, o charolas de distribución de tapa de burbuja concéntrica. Las charolas de distribución de líquido de esta invención típicamente se utilizarán en reactores de hidroprocesamiento. Al obtener una distribución uniforme de los reactivos líquidos sobre toda el área de sección transversal del reactor, todo el catalizador en un nivel dado será uniformemente humedecido. Por consiguiente, todos los catalizadores en un nivel dado operan con la misma eficiencia, lo cual incrementa la eficiencia global del reactor. Adicionalmente, la distribución de líquido uniforme mantiene perfiles de temperatura radiales uniformes a través del reactor. Esto da como resultado la minimización de las temperaturas pico del reactor lo cual, a través del tiempo, reduce la formación de coque y la velocidad de desactivación del catalizador. Como una consecuencia, el reactor opera de una manera más eficiente y con una duración del ciclo más larga. Se alcanza un valor mediante requerimientos reducidos de catalizador, una capacidad de procesamiento más alta, y/o duraciones de ciclo más largas. El dispositivo trabajará para cualquier reactor o contactor de flujo descendente de dos fases. Las aplicaciones típicas serían en hidrotratamiento, hidrocraqueo, saturación aromática, desencerado catalítico, y reactores de hidroacabado . Ejemplo Se ha probado el funcionamiento de la distribución del distribuidor de levantamiento de vapor contra la tapa de burbuja tradicional (Patente de los Estados Unidos de Norteamérica Número 3,218,249, Ejemplo IV) a la presión atmosférica, a la temperatura ambiente, y con agua y aire. La tapa de burbuja utilizada en esta prueba, se muestra en la Patente de los Estados Unidos de Norteamérica anterior. Las dimensiones fueron como sigue: El elevador fue un tubo de acero que tenía un diámetro externo de 79 milímetros, un espesor de pared de 2.11 milímetros, y una altura de 180 milímetros. La tapa se hizo de tubo de acero con un diámetro interno de 111 milímetros, con un espesor de pared de 2.11 milímetros y una altura de 129 milímetros, con el extremo superior cerrado mediante una placa de acero plana. Se proporcionaron separadores en el espacio anular entre el elevador y la tapa. Cada tapa estaba provista con siete ranuras igualmente separadas de 6.4 milímetros de ancho y 64 milímetros de altura. La altura vertical desde la parte superior del elevador hasta la pared interna de la tapa fue de 19 milímetros. El tubo de levantamiento de vapor utilizado en la prueba se muestra en la Figura 4. La prueba se condujo con un aparejo de prueba con dos distribuidores idénticos montados sobre una placa de charola. Los dos distribuidores se montaron a 10 milímetros fuera del nivel . Se alimentaron agua y aire a la charola a velocidades controladas. El agua que salía de cada uno de los distribuidores, se recolectaba simultáneamente en dos recipientes durante cierto período de tiempo. El contenido de los recipientes se pesó con el objeto de encontrar el flujo desde el distribuidor bajo, y el flujo desde el distribuidor alto. La sensibilidad del flujo de líquido desde un distribuidor hacia la nivelación de la charola se definió como: pbajo_ palto Sensibilidad = 2 x x 100% -bajo ^alto P + P en donde : P a3° es el peso del líquido recolectado desde el distribuidor bajo. Pa ° es el peso del líquido recolectado desde el distribuidor alto. El flujo de agua y aire hacia la charola se varió con el objeto de simular las condiciones reales de carga de vapor/líquido en un reactor de hidroprocesamiento. En un reactor de hidroprocesamiento, el flujo de vapor/líquido varía de unidad a unidad, dependiendo de la composición del aceite, de la velocidad y composición del gas de tratamiento, y de la presión y temperatura operativa del reactor. Se simularon tres casos típicos de carga de vapor/líquido en el experimento: un caso de alta carga de líquido, un caso de carga mediana del líquido, y un caso de baja carga de líquido. También, para un reactor dado, el flujo de vapor/líquido será diferente para operarse a una baja temperatura del reactor y con catalizador fresco (Inicio del la Prueba: IDP) que para operarse con una alta temperatura del reactor y con catalizador desactivado (Fin de la Prueba: FDP) .

Este efecto también se simuló en la prueba. Se probaron ambos tipos de distribuidor en las cargas de agua/aire dadas en la siguiente Tabla 1: Tabla 1: Condiciones de prueba en donde: Aseca es la altura vertical p cromedio de las ranuras que no es cubierta por el líquido, en milímetros. A es la altura total de la ranura, en milímetros. IDP es el flujo de aire volumétrico utilizado en el experimento para simular condiciones del reactor IDP, m /hr. FDP es el flujo de aire volumétrico empleado en el experimento para simular condiciones del reactor de FDP, m /hr. IDP es el flujo de agua volumétrico utilizado en el experimento para simular las condiciones del reactor de IDP, /hr. Q FDP es el fluj.o de agua volumé^trico utilizado en el experimento para simular las condisiones del reastor de FDP, m3/hr. El funcionamiento de la distribución medida en términos de sensibilidad de flujo de líquido hacia el cambio de nivel de 10 milímetros, como se define por la ecuación (1) se da en la Tabla 2 para la tapa de burbuja tradicional, y en la Tabla 3 para el distribuidor de levantamiento de vapor.

Tabla 2: Resultados para la tapa de burbuja tradicional Tabla 3 : Resultados para el distribuidor de levantamiento de vapor.

Como se ve, los tubos de levantamiento de vapor tienen un funcionamiento de distribución significativamente mejor que el distribuidor de tapa de burbuja. En promedio, la sensibilidad del flujo de líquido hacia el nivel, es aproximadamente 4 veces más alta para el distribuidor de tapa de burbuja, que para el distribuidor de levantamiento de vapor . Aunque la presente invención se ha descrito en relación con modalidades particulares de la misma, los expertos en este campo podrán llegar a ver muchas otras variaciones y modificaciones y otros usos. Por consiguiente, se prefiere que la presente invención se limite no por la descripción específica de la presente, sino únicamente por las reivindicaciones adjuntas.

Claims (11)

1. NOVEDAD DE LA INVENCIÓN Habiendo descrito la invención que antecede, se considera como una novedad, y por lo tanto, se reclama como propiedad lo contenido en las siguientes: REIVINDICACIONES 1. Un dispositivo de distribución de líquido-vapor, para utilizarse en recipientes de flujo descendente concurrente de dos fases, el cual comprende: una charola horizontal nivelada fabricada e instalada para estar esencialmente exenta de fugas en la uniones de la charola y la pared del recipiente; perforándose la charola horizontal con orificios de igual tamaño,- y distribuyéndose los orificios sobre un patrón optimizado sobre la superficie de la charola horizontal, en donde cada perforación a través de la charola horizontal se adapta con un tubo de levantamiento de vapor.
2. 2. El dispositivo de distribución de líquido-vapor de conformidad con lo reclamado en la reivindicación 1, caracterizado porque el tubo de levantamiento de vapor es un dispositivo en forma de "U" invertida o de "M" , consistente en una porción de tubo de flujo descendente y una porción de tubo de flujo hacia arriba/transición, y en donde: la porción de tubo de flujo descendente es un tubo o canal con la misma forma de sección transversal geométrica que la perforación, y el tubo de flujo descendente se une a la charola horizontal por medio de la fabricación de un sello a prueba de fugas,- y opcionalmente, el fondo del tubo de flujo descendente se extiende a través de la charola horizontal para proporcionar una orilla de goteo, con el fin de proporcionar un desacoplamiento uniforme de los líquidos que pasan a través del tubo de flujo descendente, para mejorar la distribución del líquido.
3. 3. El dispositivo de distribución de líquido-vapor de conformidad con lo reclamado en la reivindicación 2, caracterizado porque los tubos de flujo descendente están a la misma altura en todos los puntos sobre la charola horizontal.
4. 4. El dispositivo de distribución de líquido-vapor de conformidad con lo reclamado en la reivindicación 2, caracterizado porque la porción del tubo de flujo hacia arriba/transición del tubo de levantamiento de vapor, es un tubo o canal que produce una zona de flujo hacia arriba adyacente al tubo de flujo descendente, y una zona de flujo de transición en la parte superior del tubo de flujo descendente, de tal manera que el flujo de vapor y de líquido hacia arriba a través del tubo de flujo hacia arriba cambia de dirección en la zona de transición, y hacia abajo a través del tubo de flujo descendente y de la charola, proporcionando de esta manera un conducto a través de la charola horizontal .
5. 5. El dispositivo de distribución de líquido-vapor de conformidad con lo reclamado en la reivindicación 2, caracterizado porque la porción de tubo de flujo hacia arriba del tubo de levantamiento de vapor, tiene una o más ranuras verticales cortadas en su costado, adaptadas para que la fase de vapor fluya hacia adentro de la sección de flujo hacia arriba del tubo de levantamiento de vapor, y se mezcle con la fase líquida, y la altura de la ranura termina en o debajo de la elevación de la parte superior del tubo de flujo descendente.
6. 6. El dispositivo de distribución de líquido-vapor de conformidad con lo reclamado en la reivindicación 2, caracterizado porque la parte inferior de la porción de tubo de flujo hacia arriba termina arriba del nivel de la charola horizontal, de tal manera que no se impide que el líquido fluya hacia adentro de la porción inferior del tubo de flujo hacia arriba.
7. 7. El dispositivo de distribución de líquido-vapor de conformidad con lo reclamado en la reivindicación 2, caracterizado porque la porción de tubo de flujo hacia arriba/transición, es una pieza separada que cubre y se pone aparte del tubo de flujo descendente.
8. 8. El dispositivo de distribución de líquido-vapor de conformidad con lo reclamado en la reivindicación 1, caracterizado porque la charola horizontal está provista con un gran número de pequeñas perforaciones que tienen en cada orificio un área entre 1 centímetro cuadrado y 25 centímetros cuadrados.
9. 9. El dispositivo de distribución de líquido-vapor de conformidad con lo reclamado en la reivindicación 1, caracterizado porque el área de orificios de perforación total es entre el 4 por ciento y el 33 por ciento del área superficial de la charola horizontal .
10. 10. El dispositivo de distribución de líquido-vapor de conformidad con lo reclamado en la reivindicación 1, caracterizado porque la porción de tubo de flujo hacia arriba se adapta para ajustarse contra el tubo de flujo descendente, con el fin de limitar la zona de flujo hacia arriba a sustancialmente un costado del tubo de flujo descendente.
11. 11. El dispositivo de distribución de líquido-vapor de conformidad con lo reclamado en la reivindicación 1, caracterizado porque la proporción del área de sección transversal de flujo hacia arriba al perímetro, es mayor de 4 milímetros, con el fin de reducir la caída de presión friccional y los efectos de la pared.