WO2011088530A1

WO2011088530A1 - Pratos perfurados sem vertedores para processos de separação e/ou reação com mais de uma fase.

Info

Publication number: WO2011088530A1
Application number: PCT/BR2010/000374
Authority: WO
Inventors: Helio Rubens Taddei Ramos
Original assignee: Utc Engenharia S/A
Priority date: 2010-01-20
Filing date: 2010-11-10
Publication date: 2011-07-28
Also published as: BRPI1000186A2; US20130026667A1

Abstract

O objeto do presente pedido de patente se refere um dispositivo de contato entre fases consistindo de um prato perfurado sem vertedores com uma metodologia de furação que fornece distribuição de maior estabilidade e uniforme dos fluxos das fases leve e pesada, sendo particularmente útil em processos de separação e/ou reação sujeitos a depósitos e incrustações e também torna viável sua aplicação como distribuidor eficiente em colunas recheadas.

Description

Pratos perfurados sem vertedores para processos de separação e/ou reação com mais de uma fase.

O objeto do presente pedido de patente se refere um dispositivo de contato e segregação de fases consistindo de um prato perfurado sem vertedores com uma metodologia de furação que fornece distribuição com maior estabilidade e uniformidade dos fluxos das fases leve e pesada.

A presente invenção é particularmente útil em processos de separação e/ou reação sujeitos a depósitos e incrustações e também torna viável sua aplicação como distribuidor eficiente em colunas recheadas.

ESTADO DA TÉCNICA

Em processos de destilação, extração e absorção, os dois grandes grupos de dispositivos mais utilizados no contato entre fases são pratos e recheios.

Os tipos de pratos utilizados são do tipo com borbulhadores, com válvulas, perfurados, perfurados sem vertedores e tipo chicana. Os mais utilizados são os com vertedores: borbulhadores, valvulados e perfurados. A aplicação de pratos com vertedores costuma ser problemática quando o processo é sujeito a depósitos e incrustações.

Os pratos perfurados sem vertedores, também conhecidos como pratos sem fluxo cruzado, constituem uma categoria muito simples e económica de prato. Conforme pode ser visto em G. R. Martin e A. W. Sloley (Modern Glycol Dehydration Unit Design, Canadian Chemical Engineering Conference, Calgary, Alberta, October 2-5, 1994, Gas Processing Symposium, Section V: Dehydration/Hydrates/Others 1 ), pratos perfurados sem vertedores possuem uma grande resistência a serviços sujeitos a depósitos.

Isto se deve à inexistência de barreiras ao fluxo, inexistência de pontos mortos e alternância do fluxo de fases pelas furações que promove uma ação de auto-limpeza. Na figura 1 é mostrado o esquema de como opera uma coluna de pratos perfurados utilizando processo de separação baseado no equilíbrio entre fases:

Entretanto, apesar do seu baixo custo e resistência a depósitos, este tipo de prato somente é usado em casos especiais por apresentarem uma eficiência muito baixa. R. H. Weiland (Hydraulic Stability of Dual Flow Trays, AIChE Spring National Meeting, April 25, 2001 , New Frontiers in High Capacity Tray Technology) analisou o comportamento dinâmico destes pratos para fluxos de líquido e vapor, apontando que, neste tipo de prato, existe uma dinâmica em que cada furo alternativamente passa vapor ou líquido e que mesmo quando o prato se encontra perfeitamente nivelado, o líquido tende a descer através de grandes grupos de furações passeando randomicamente atravessa superfície do prato e lentamente se dividindo para formar novos grupos. Quando o prato fica em desnível, esta má distribuição torna-se quase estática com o vapor e liquido passando em regiões opostas da coluna. Estes comportamentos são a causa da baixa eficiência na transferência de massa e energia apresentada por este tipo de dispositivo.

Se os problemas de distribuição apresentados pelos pratos sem vertedores fossem minimizados, certamente eles passariam a ter uma aplicação muito mais frequente.

O uso de recheios em processos de separação baseados no equilíbrio entre fases tem-se apresentado vantajoso em muitos casos. Em colunas de pequeno diâmetro, as dificuldades e montagem e manutenção dos pratos levaram a uma preferência pelo uso de recheios para promover o contato líquido-vapor. Quando é necessário um grande numero de estágios ou um aumento do número de estágios no mesmo espaço as colunas recheadas também apresentam vantagens sobre as colunas de pratos.

Os recheios se dividem em randômicos e estruturados, sendo que estes últimos apesar de mais caros, geralmente apresentam desempenho superior.

Uma coluna recheada é composta dos seguintes dispositivos:

Um distribuidor ou redistribuidor que recolhe o líquido e o distribui para o leito abaixo, com separação total das correntes líquida e vapor.

Um leito recheado para promover o contato líquido-vapor

Um suporte para o leito.

Conforme indicado em G. R. Martin e A. W. Sloley a chave para o desempenho dos recheios é uma boa distribuição do liquido sobre o leito das colunas. A prática industrial tem sido a utilização de distribuidores do tipo panela ou calha, cujos exemplos podem ser vistos nas figuras 2 e 3.

O distribuidor da figura 2, de construção mais simples, especialmente indicados para colunas de pequeno diâmetro apresentam problemas com a deposição dos sólidos presentes nas correntes de circulantes. Já o distribuidor tipo calha apresenta limitações para sua aplicação em colunas de pequeno diâmetro.

OBJETIVO DA INVENÇÃO

Esta invenção contorna o problema aparentemente insolúvel da má distribuição e instabilidade de fases dos pratos sem vertedores apontada por R. H. Weiland, causa do mau desempenho deste dispositivo, na transferência de massa e energia requerida pelos processos de separação e/ou reação por equilíbrio de fases. OBJETO DA INVENÇÃO

Conforme foi descrito no item anterior, uma pequena alteração no desnível dos pratos perfurados sem vertedores causa uma grande alteração na distribuição do fluxo de fases pelas furações, o processo deixa de ser aleatório de fluxos alternados para uma distribuição quase estática com vapor e líquido passando em regiões opostas do prato, ou seja, uma pequena alteração da distribuição da força motriz das vazões muda o seu comportamento de uma maneira drástica.

A presente invenção aproveita-se desse comportamento para impor uma distribuição de fluxo de fases conveniente aos processos de transferência de massa e energia, variando em vez da força motriz, a resistência da furação ao fluxo em função do sentido do fluxo.

BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS

O presente pedido de patente será melhor definido a partir das figuras anexas, dada a mero título de exemplo, sem limitar o escopo da presente invenção, nas quais:

Figura 1 - Pratos perfurados em processos de separação e/ou reação do estado da técnica;

Figura 2 - Distribuidor do tipo panela;

Figura 3 - Distribuidor do tipo calha;

Figura 4 - Perfis típicos de estampagem;

Figura 5 - Resistência ao fluxo devido a expansões e contrações súbitas;

Figura 6 - Detalhe de arranjo quadrado com preferência do sentido de fluxo da furação alternando-se entre as diagonais;

Figura 7 - Detalhe de arranjo triangular com preferência inversa do sentido de fluxo da furação furação no centro das colméias;

Figura 8- Detalhe de arranjo quadrado com preferência do sentido de fluxo da furação alternando entre o sentidol na linha e 50% sentido 1 e 50% sentido na linha ao lado;

Figura 9 - Detalhe de arranjo triangular com preferência inversa do sentido de fluxo da furação para 1/3 do centro das colméias; e

Figura 10 - Prato Perfurado segundo esta invenção utilizado como dispositivo de dupla função em colunas recheadas.

FORMA PREFERENCIAL DE REALIZAÇÃO DA INVENÇÃO

A presente invenção será descrita com base nas figuras anexas, tendo como exemplo o perfil típico da furação de chapas metálicas por estampagem da figura 4:

Nestes perfis o coeficiente de vazão é menor no sentido da estampagem do que no sentido contrário. Esta diferença entre os coeficientes de vazão em função do sentido de fluxo aumenta na figura 4 no sentido do perfil mais a esquerda da figura 4 para o perfil mais a direita. Note-se ainda que no caso do perfil mais a direita, alem da alteração do coeficiente de vazão, também a força motriz é alterada.

Por exemplo, baseando-se nos dados da figura 5, retirada do Flow of Fluids through Valves, Fittings and Pipe - Crane Valve, teremos a resistência ao fluxo para o perfil mais a esquerda da figura 4:

a) com fluxo no mesmo sentido da furacão - uma entrada de bordo arredondado (K=0,23) mais uma saída de bordo reto (K=1 ,0), resultando em uma resistência total de 1 ,23.

b) com fluxo no sentido oposto da furação - uma entrada de bordo reto (K=0,5) mais uma saída de bordo arredondado (K=1 ,0), resultando em uma resistência total de 1 ,5.

Esta influência do tipo de perfil da furação sobre o coeficiente de vazão em função do sentido de fluxo é utilizada por esta invenção para reduzir as características negativas de distribuição das fases apresentados pelos dispositivos perfurados sem contra fluxo, diminuído a aleatoriedade da passagem das fases pelas furacões, minimizando efeitos de desnivelamento e aumentado a eficiência do dispositivo e tornando viável a sua utilização em processos em que o uso destes dispositivos é descartado.

Este dispositivo poderá ser utilizado em colunas de pratos como pratos perfurados sem vertedores de alta eficiência e em colunas recheadas como distribuidor de dupla função (distribuição de líquido e contato entre fases) e consistirá de: a) Placa, chapa ou seções

b) Furações obtidas por método que forneça perfis com coeficientes de vazão distintos conforme o sentido de fluxo, preferencialmente por estampagem no caso de chapas metálicas.

c) Parte dos furos com furação que privilegia o fluxo da fase leve e parte dos furos com furação que privilegia o fluxo da fase pesada. Também poderão ser utilizadas combinações em que parte das furações privilegie o fluxo de uma das fases e parte das furações em que o sentido de fluxo praticamente não afete o coeficiente de vazão.

d) Arranjo das furações de modo a ter distribuições dos diferentes tipos de furações longo do dispositivo o mais uniforme possível.

Preferencialmente a fração de furos que privilegiam o fluxo de cada fase deve ser o mais próximo possível da fração de furos que passarão a fase. A fração de furos de determinada fase pode ser calculada por diferentes métodos, como por exemplo, o apresentado em J. A. Garcia e J. R. Fair (Distillation Trays without Downcomers: Prediction of Performance Characteristics, Ind. Eng. Chem. Res., 2002,41 , 1632 a 1640). Alternativamente, como nos casos em que existirão grandes variações nas relações de fluxo da fase leve e fase pesada, pode ser utilizada distribuição de furações que incluam três tipos de furação:

Privilegiando o fluxo da fase leve Privilegiando o fluxo da fase pesada

Sem privilégio do fluxo das fases.

Preferencialmente a furação deverá produzir orifícios circulares; preferencialmente com diâmetro entre 1 mm e 50 mm. Para melhores resultados recomenda-se utilizar diâmetro entre 12,5 e 25 mm. O dimensionamento do diâmetro da coluna pode ser efetuado por diferentes métodos como em J. A. Garcia e J. R. Fair -ou em FRI Design Practice Handbook (Fractionation Research Inc., www.fri.org.)

Preferencialmente a furação das chapas deve obedecer ao arranjo triangular ou quadrado.

Para melhores resultados recomenda-se estimar a fração de furos que passará cada fase e adotar entre os arranjos sugeridos abaixo, aquele que apresente uma fração que mais se aproxime destes parâmetros calculados. Nas figuras 6 a 9, os perfis dos furos indicados são apenas exemplos, podendo dentro do espírito desta invenção ser adotados diferentes configurações que forneçam a diferença requerida do coeficiente de vazão entre os conjuntos de furações indicados como sentido 1 e sentido 2 para o mesmo sentido de fluxo.

a) Arranjo quadrado com furação em diagonais alternando o privilégio de fluxo entre o sentido 1 e sentido 2 (figura 6)

Distribuição aproximada de furação apresentada:

50% privilegiando o fluxo no sentido 1

50% privilegiando o fluxo no sentido 2 (ou neutro)

b) Arranjo triangular com furação do centro das colméias hexagonais com privilégio de fluxo em sentido inverso (figura 7)

Distribuição aproximada de furação apresentada:

67% privilegiando o fluxo no sentido 1

33% privilegiando o fluxo no sentido 2 (ou neutro)

c) Arranjo quadrado com furação em linhas alternando o privilégio entre sentido 1 , 50% sentido 1 e 50% sentido 2 para a linha ao lado (figura 8)

Distribuição aproximada de furação apresentada:

75% privilegiando o fluxo no sentido 1

25% privilegiando o fluxo no sentido 2 (ou neutro)

d) Arranjo triangular com furação de 1/3 dos centros das colméias hexagonais com privilégio de fluxo em sentido inverso (Figura 9)

Distribuição aproximada de furação apresentada:

89% privilegiando o fluxo no sentido 1

1 1% privilegiando o fluxo no sentido 2 (ou neutro)

Deve ser ressaltado que as proporções das furações citadas nas figuras acima são invertidas pela inversão da posição de montagem dos pratos.

O perfil dos furos dos pratos é fundamental para o desempenho dos dispositivos que seguirão a invenção, pois quanto maior é a diferença entre os coeficientes de vazão dos dois sentidos de estampagem, maior será o efeito da melhoria de distribuição e desempenho do dispositivo.

Na aplicação do dispositivo em colunas de pratos, preferencialmente deve ser evitada a coincidência de furos, ou seja, é recomendado que dois pratos consecutivos não tenham furos alinhados na mesma vertical. No caso de arranjo triangular da furação, os pratos preferencialmente devem alternar no centro da coluna entre ter um furo e o centro do triangulo. No caso de arranjo quadrado da furação, os pratos preferencialmente devem alternar no centro da coluna entre ter um furo e o centro do quadrado.

Note-se também que a presente invenção não altera as características de facilidade de montagem, baixo custo e resistência a depósitos dos pratos perfurados sem vertedores, tornando esta invenção de particular utilidade no caso de colunas de pequeno diâmetro e/ou com presença de sólidos na corrente líquida.

Outra característica desta invenção é a utilização dos pratos perfurados sem vertedores como um dispositivo de dupla função em colunas recheadas conforme figura 10:

Nesta configuração, além de atuar como um distribuidor, o dispositivo desta invenção também a promove o contato entre fases, atuando na dupla função de distribuidor e estágio de equilíbrio. Pode ainda substituir o suporte do leito.

Na aplicação do dispositivo em colunas recheadas, é recomendado que o dimensionamento do diâmetro da coluna seja feito em função do recheio utilizando método, por exemplo, como o da referência H. Z. Kister, J. Scherffius, K. Afshar e E. Abkar (Realistically Predict Capacity and Pressure Drop for Packed Columns, Chemical Engineering Progress July 2007, 28 a 38). O passo da furação pode ser calculado utilizando, por exemplo, o método da referência J. A. Garcia e J. R. Fair.

Embora as configurações preferidas desta invenção estejam descritas aqui em detalhe, deve ser entendido por aqueles conhecedores desta técnica que variações podem ser feitas sem fugir do espírito desta invenção ou do objetivo de suas reivindicações.

Claims

Reivindicações

1. Pratos perfurados sem vertedores, para processos de separação e/ou reação em colunas de pratos como pratos perfurados sem vertedores de alta eficiência e em colunas recheadas como distribuidor de dupla função caracterizado pelo fato de ditas placas/chapa ou seções possuírem furações obtidas por método tal que forneça perfis com coeficientes de vazão distintos conforme o sentido de fluxo, ditos furos parcialmente privilegiando o fluxo da fase leve e parte dos furos privilegiando o fluxo da fase pesada e o arranjo geométrico das furações possua uma distribuição dos diferentes tipos de furações ao longo do dispositivo o mais uniformemente possível.

2. Pratos, conforme a reivindicação 1 , caracterizado pelo fato de também poderem ser utilizadas combinações em que parte das furações privilegie o fluxo de uma das fases e parte das furações não afete o coeficiente de vazão.

3. Pratos, conforme a reivindicação 1 , caracterizado pelo fato de preferencialmente a fração de furos que privilegiam o fluxo de cada fase deve ser o mais próximo possível da fração de furos que passarão a fase

4. Pratos, conforme a reivindicação 1 , caracterizado pelo fato de alternativamente nos casos em que existirem grandes variações nas relações de fluxo da fase leve e fase pesada, ser utilizada uma distribuição de furações que incluam três tipos de furacão, sendo uma privilegiando o fluxo da fase leve, outra privilegiando o fluxo da fase pesada e uma terceira sem privilegiar o fluxo de gases.

5. Pratos, conforme a reivindicação 1 , caracterizado pelo fato de preferencialmente a furação ser de orifícios circulares; preferencialmente com diâmetro entre 1 mm e 50 mm.

6. Pratos, conforme a reivindicação 1 , caracterizado pelo fato de preferencialmente a furação ser de orifícios circulares; mais preferencialmente com diâmetro entre 12,5 e 25 mm..

7. Pratos, conforme a reivindicação 1 , caracterizado pelo fato de preferencialmente a furação das chapas deve obedecer ao arranjo triangular ou quadrado.

8. Pratos, conforme a reivindicação 7, caracterizado pelo fato de na aplicação do dispositivo em colunas de pratos, preferencialmente deve ser evitada a coincidência de furos, com pratos consecutivos não tendo furos alinhados na mesma vertical.

9. Pratos, conforme qualquer uma das reivindicações 7 ou 8, caracterizado pelo fato de no arranjo triangular da furação, os pratos preferencialmente devem alternar no centro da coluna entre ter um furo e o centro do triangulo.

10. Pratos, conforme qualquer uma das reivindicações 7 ou 8, caracterizado pelo fato de no arranjo quadrado da furação, os pratos preferencialmente devem alternar no centro da coluna entre ter um furo e o centro do quadrado.

11. Pratos, conforme a reivindicação 1 , caracterizado pelo fato de no arranjo triangular da furação, os pratos preferencialmente privilegiando o fluxo no sentido 1 entre 67% e 89% e privilegiando o fluxo no sentido 2 entre 11% e 33%.

12. Pratos, conforme a reivindicação 1 , caracterizado pelo fato de no arranjo quadrado da furação, os pratos preferencialmente privilegiando o fluxo no sentido 1 entre 50 % e 75% e privilegiando o fluxo no sentido 2 entre 25% e 50%.

13. Pratos, conforme a reivindicação 1 , caracterizado pelo fato de ditos pratos serem utilizados como dispositivos de dupla função em colunas recheadas atuando como um distribuidor e promovendo o contato entre fases, atuando na dupla função de distribuidor e estágio de equilíbrio.