ES2206998T3 - Procedimiento y aparato para la puesta en contacto de fuidos. - Google Patents
Procedimiento y aparato para la puesta en contacto de fuidos.Info
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Abstract
UNA COLUMNA DE PUESTA EN CONTACTO DE FLUIDOS (50) QUE INCLUYE UNA PLACA COBERTORA PERFORADA (21) COLOCADA SOBRE UNA ABERTURA DE UNA BANDEJA (10) Y ASEGURADA DENTRO DE LA ABERTURA (10). UNOS MIEMBROS DEFLECTORES (224, 225, 226) FRANQUEAN CADA UNA DE LAS PERFORACIONES (200, 201, 202) DE LA PLACA COBERTORA (21) PARA IMPEDIR QUE EL FLUIDO DE SANGRADO SALGA DISPARADO HACIA ARRIBA Y CHOQUE CON LA PARTE DE ABAJO DE LA BANDEJA QUE HAY ENCIMA (1). LOS MIEMBROS DEFLECTORES (224, 225, 226) FORMAN TAMBIEN UNA SUPERFICIE PARA DISPERSAR UN FLUIDO DE SANGRADO MAS LIGERO Y FINO (11) DE MODO QUE FLUYA HACIA ARRIBA A TRAVES DE LAS PERFORACIONES (200, 201, 201) POR UNA ZONA CENTRAL DE LA PLACA COBERTORA (21) Y ENTRE EN UN FLUIDO MAS PESADO QUE FLUYE A TRAVES DE LA BANDEJA (1) EN LA TRAYECTORIA DE LA PLACA COBERTORA (21). LA PLACA COBERTORA (21) QUEDA COLOCADA SOBRE LA ABERTURA DE LA BANDEJA (10) MEDIANTE UNAS PATAS (23) SOLIDARIAS CON LA PLACA COBERTORA (21) Y QUE SE PUEDEN FIJAR O DESLIZAR DENTRO DE LA ABERTURA DE LA BANDEJA.
Description
Procedimiento y aparato para la puesta en
contacto de fluidos.
La presente invención se refiere a un aparato de
dispersión de fluido y a un procedimiento para proporcionar un
sistema de intercambio y transferencia de masas.
Este aparato y este procedimiento se refieren
particularmente a un nuevo conjunto de válvula para uso en columnas
de destilación fraccionadas y otros aparatos relacionados.
En una instalación típica, dentro de un
recipiente estanco dispuesto verticalmente conocido en la industria
como columna o torre, se halla dispuesto un cierto número de
superficies o bandejas dispuestas horizontalmente. Cada una de las
bandejas puede presentar numerosas aberturas. Por la superficie
superior de la bandeja más alta se introduce un fluido
relativamente pesado. El extremo de la bandeja horizontal por donde
se introduce el fluido se refiere como el extremo o parte corriente
arriba. Al fluir el fluido desde el extremo corriente arriba de la
bandeja hacia el extremo o parte corriente abajo de cada una de
ellas se forma un fluido cruzado. En el extremo corriente abajo de
la bandeja se encuentra un vertedero que conduce a un tubo de
descenso. El tubo de descenso de una bandeja superior conduce a una
zona exenta de perforaciones corriente arriba o zona de obturación
del tubo de descenso de la bandeja inmediatamente inferior.
Por el extremo inferior de la columna se
introduce un fluido más ligero. Mientras el fluido más pesado fluye
a través de la superficie de la bandeja, el fluido más ligero
asciende a través de las aberturas de las bandejas introduciéndose
en el seno del fluido más pesado que fluye sobre la superficie de
la bandeja y a través de la misma creando una burbuja o zona activa
en donde se establece un contacto íntimo y activo entre los fluidos
pesado y ligero. Ciertas columnas utilizan series múltiples de
caminos de flujo que incluyen un tubo de descenso, una zona activa
y una zona de transición obturada de tubo de descenso para cada
sección.
Muchas bandejas de flujo cruzado son simples
bandejas perforadas cuya superficie presentan cientos de orificios
circulares para permitir la puesta en contacto entre los fluidos.
Sin embargo, un simple orificio tal como los de este tipo de
abertura permite que el fluido más ligero suba bruscamente e incida
sobre el fondo de la plataforma de la bandeja superior. Esta
circunstancia es referida comúnmente como inundación y disminuye
notablemente el rendimiento y la capacidad de toda la columna,
pudiendo introducir impurezas dentro del proceso de
fraccionamiento.
Para combatir la inundación, algunas bandejas
están dotadas de válvulas asociadas dentro de las aberturas de las
mismas y otras presentan conjuntos fijos por encima de los
orificios o aberturas. Las válvulas pueden constar de placas planas
en general o tapas en forma de caperuza de burbujeo para desviar
las gases ascendentes. Dichas válvulas se levantan por el empuje
del fluido a presión y caen por la acción de la gravedad. Sin
embargo, aunque cada válvula desvía el flujo de vapor evitando la
subida brusca y la inundación de la plataforma de la bandeja, cada
una de las válvulas determina una pequeña zona de bloqueo a través
de cada abertura de la plataforma de la bandeja reduciendo de ese
modo la interacción o intercambio entre los fluidos. Esta pequeña
zona centrada por encima de cada válvula es una zona de
estancamiento o área inactiva en donde la transferencia de masas
que se produce es mínima.
Ya se ha propuesto, por ejemplo, en la patente
U.S. nº 4.118.446, fechada el 3 de octubre de 1978, concedida a
Burin et al., (col. 4, 11 44-45) disponer
perforaciones en las placas de cobertura de válvulas desplazables
hacia arriba, como aberturas de las bandejas, para eliminar las
zonas de estancamiento en una columna de intercambio de masas que
contiene bandejas con válvulas a diferentes alturas dentro de la
misma. Dentro de la columna bajo las bandejas se introduce un
fluido relativamente más ligero que fluye en sentido ascendente a
través de las aberturas, mientras que se alimenta un fluido más
pesado dentro de la columna por encima de las bandejas. El fluido
más pesado fluye hacia abajo por la acción de la gravedad pasando a
través de cada bandeja, mientras que el fluido más ligero asciende
hacia la bandeja levantando las placas de cobertura de las válvulas
estableciéndose un íntimo contacto entre los fluidos. Las
perforaciones propuestas por Burin et al. están dispuestas para
eliminar zonas de estancamiento en el fluido más pesado que fluye
inmediatamente encima de las tapas.
Aunque las perforaciones de las válvulas
propuestas por Burin et al. eliminan en cierto grado la zona de
estancamiento, persiste el problema de que las burbujas del fluido
más ligero que fluye en sentido ascendente por las perforaciones y a
través de las zonas de estancamiento tienden a fluir por caminos
definidos a través del fluido más pesado dejando intactas
determinadas partes de las zonas de estancamiento. Además, estos
tipos de perforaciones permiten que el fluido más ligero ascienda
bruscamente contra la parte inferior de la bandeja superior
originando con ello una inundación prematura y reduciendo el
rendimiento y la capacidad de la columna.
La patente U.S. nº 3.215.414, fechada el 2 de
noviembre de 1965, concedida a Van't Sant (col. 1, líneas 48 a 51 y
col. 3, líneas 3 a 6), muestra una placa de cobertura de válvula
que presenta unos rebajes opuestos entre los cuales se recorta una
banda de guía arqueada para extenderla sobre la placa de cobertura
de válvula y hacia abajo a través del rebaje para guiar la válvula
mientras se encuentra levantada por el flujo ascendente del fluido.
El cierre parcial de la válvula permite un paso libre mínimo del
fluido entre la placa de cobertura y la bandeja en todo momento.
Aunque la banda de guía propuesta por Van't Sant es útil para
proporcionar el cuerpo de válvula en dos partes de fácil montaje que
pretendía obtener, el fluido que pudiera escapar hacia arriba bajo
la banda de guía sería mínimo y no se dirigiría hacia la zona
central de estancamiento existente sobre la placa de cobertura de
la válvula dejando esta zona intacta.
Se plantea la necesidad de una abertura de
bandeja de contacto de fluidos, un conjunto de dispersión del
fluido, en el que se consiga la dispersión fina o microdispersión
del fluido más ligero sobre la parte central de la placa de
cobertura, rompiendo de ese modo con mayor eficacia la zona de
estancamiento por encima de cada una de las válvulas y potenciando
la transferencia de masas de los fluidos, aumentando también la
capacidad de manipulación de la columna y su rendimiento.
El documento FR nº 1.439.459 da a conocer un
aparato de dispersión de fluido que comprende unos conductos de
ventilación a modo de columna.
El documento US nº 3.399.871 da a conocer una
válvula de burbujeo para intercambio de fase líquida y fase gaseosa
que consta de un disco relativamente delgado dotado de acanaladuras
rectilíneas dispuestas tangencialmente con respecto a un círculo
concéntrico con el disco y adaptado para reducir el cebado y
proporcionar un efecto autocentrante.
El documento US nº 3.427.007 da a conocer un
aparato de contacto de gas y líquido dotado de una placa para torre
de burbujeo adaptada para contener un líquido y que presenta una
abertura a través de la cual puede fluir un gas o vapor en sentido
ascendente para entrar en contacto con el líquido.
El documento SU nº 766.609 da a conocer un
aparato de dispersión de fluidos.
El documento US nº 4.290.981 da a conocer un
elemento de intercambio para los fondos de una columna de
intercambio que comprende un cilindro dotado de unas aberturas en
rejilla en las paredes laterales, una placa de cobertura fija en la
parte superior del cilindro para la desviación del gas y una placa
móvil de apertura de válvula en el interior del cilindro cubriendo
las aberturas de los fondos de intercambio.
El documento SU nº 959.798 da a conocer un
aparato de dispersión de fluidos.
El documento SU nº 1.012.939 da a conocer un
aparato de dispersión de fluidos.
La presente invención se refiere a un aparato de
dispersión de fluidos del tipo de los que se utilizan en los
sistemas de destilación y absorción para intercambio y
transferencia de masas entre dos fluidos de masas diferentes. Según
un aspecto de la presente invención, se proporciona un aparato de
dispersión de fluidos que comprende:
a. una placa de cobertura para la abertura de
una bandeja, conteniendo dicha placa de cobertura por lo menos una
perforación para paso de fluidos;
b. medios para posicionar la cobertura sobre la
abertura de la bandeja, de tal forma que, en el funcionamiento,
disponga pasos para escape de fluidos entre la placa de cobertura y
la plataforma de la bandeja para una corriente de fluido que fluye
en sentido ascendente a través de la abertura de la bandeja;
c. un elemento deflector de sangrado de fluido
para dicha por lo menos una perforación de paso de fluido abarcando
la perforación para el fluido de lado a lado para proporcionar por
lo menos dos salidas orientadas en sentido opuesto de tal forma que,
en su funcionamiento fluyen por lo menos dos corrientes fluidas de
sangrado distintas separadas una de otra sobre una zona central de
la placa de cobertura; y
d. cada una de dichas corrientes fluidas de
sangrado distintas difieren en tamaño de la corriente fluida
ascendente a través de los pasos de escape de fluido, y en el que
una de dichas corrientes de fluido de sangrado es dirigida hacia la
parte central de dicha placa de cobertura.
La placa de cobertura está situada encima de la
abertura de la bandeja para establecer un paso de escape de fluido
entre la placa de cobertura y la superficie de la plataforma de la
bandeja. El fluido más ligero fluye en dirección ascendente a través
de la abertura de la bandeja entre la plataforma de la bandeja y la
placa de cobertura mientras que el fluido más pesado fluye a través
de la superficie de la plataforma de la bandeja.
Para dicha por lo menos una perforación de fluido
de sangrado, un elemento deflector del fluido se extiende sobre las
perforaciones de fluido de lado a lado para establecer por lo menos
dos salidas orientadas en oposición entre sí. La configuración del
elemento deflector dispersa el fluido en dos corrientes distintas de
fluido de sangrado que fluyen separadas una de la otra, pasando
sobre una zona central de la placa de cobertura. Estas dos
corrientes del fluido de sagrado son de tamaño diferente del
correspondiente al flujo que pasa entre la placa de cobertura y la
plataforma de la bandeja en el paso de escape del fluido.
Según otro aspecto de la presente invención, se
proporciona un procedimiento para establecer un sistema de
intercambio y transferencia de masas, comprendiendo dicho
procedimiento las etapas de: disponer un conjunto de válvula dotada
de una placa de cobertura y medios para posicionar la placa de
cobertura sobre una abertura existente en la plataforma de la
bandeja de dicho sistema de intercambio y transferencia de masas
para definir un paso de escape del fluido entre la abertura de la
bandeja su la plataforma; perforación de dicha placa de cobertura
del conjunto de válvula para formar por lo menos una perforación
para el fluido de sangrado en la placa de cobertura; y formación de
un elemento deflector integral sobre dicha perforación de fluido de
lado a lado para establecer por lo menos dos salidas orientadas
opuestas entre sí de tal manera que en el funcionamiento fluyan por
lo menos dos corrientes de fluido de sangrado distintas separadas
entre sí, sobre la parte central de dicha placa de cobertura, en
donde cada una de las corrientes de fluido de sangrado distintas
difiere en tamaño de una corriente de fluido que fluye en sentido
ascendente a través del paso de escape del fluido, y en donde una de
dichas corriente fluidas de sangrado está dirigida hacia la parte
central de dicha placa de cobertura.
Formas de realización particulares de la
invención son el objeto de respectivas reivindicaciones
subordinadas.
En algunas formas de realización de la presente
invención, el aparato es un conjunto de válvula y la placa de
cobertura descansa sobre la bandeja situada bajo la misma mediante
patas deslizantes. Se disponen por lo menos dos patas que se
deslizan y extienden hacia abajo en la abertura de la bandeja. En
cada pata, existe por lo menos un saliente que se acopla con la
bandeja para limitar el desplazamiento hacia arriba de la placa de
cobertura cuando la presión del vapor ascendente ejerce su empuje
sobre la placa de cobertura. Este desplazamiento determina pasos de
escape del fluido entre la placa de cobertura y la plataforma de la
bandeja.
En otras formas de realización de la presente
invención existen por lo menos dos perforaciones y las patas están
situadas en posiciones que se encuentran entre las perforaciones
pero separadas hacia fuera con respecto a las mismas sobre la placa
de cobertura.
El elemento o cada uno de los elementos
deflectores del fluido de sangrado puede estar constituido por un
puente saliente situado sobre la abertura del fluido.
El puente saliente o cada uno de los puentes
salientes pueden estar constituidos por una parte de la placa de
cobertura que se ha formado disponiendo pares de ranuras paralelas
en la placa de cobertura y ejerciendo presión hacia arriba sobre la
parte de la placa de cobertura situada entre las ranuras para
formar un paso bajo la misma que conduce a las salidas opuestas
entre sí a uno y otro lado. Pueden establecerse tres perforaciones
con elementos deflectores que pueden establecerse, vistas en
planta, en una disposición en V en torno al centro de la placa de
cobertura extendiéndose los puentes salientes como elementos
deflectores en paralelo a lo largo de caminos paralelos y
distanciados. Las patas de la placa de cobertura pueden estar
situadas a lo largo de caminos que se extienden desde el centro de
la placa de cobertura, entre los tres elementos deflectores. El
elemento o cada uno de los elementos deflectores puede ser una
parte de la placa de cobertura que se ha conformado estableciendo
pares de ranuras paralelas en la placa de cobertura y ejerciendo
presión hacia arriba sobre las partes de la placa de cobertura
situada entre los lados exteriores del par o de cada par de ranuras
paralelas para establecer debajo de ella las perforaciones que
determinan las salidas opuestas entre sí a cada lado de la
misma.
El conjunto de válvula de la presente invención
permite una dispersión más fina del fluido más ligero sobre una
zona tradicionalmente inactiva del conjunto de válvula. Esto
proporciona una zona activa mayor que los conjuntos de bandejas
convencionales, que confían en configuraciones de válvulas
tradicionales, con lo que se incrementa el rendimiento de la
transferencia de masas y, por tanto, se reduce el consumo de
energía. Una transferencia de masas de mayor rendimiento permite
reducir las necesidades de energía para todo el sistema de
intercambio y transferencia de masas al tiempo que se aumenta el
rendimiento y se mantiene la pureza de los productos.
Los dibujos adjuntos ilustran ejemplos de la
presente invención.
La Figura 1 es una representación esquemática y
simplificada de una columna de intercambio y transferencia de masas
según la presente invención, que muestra las plataformas de las
bandejas horizontales conectadas a tubos de descenso dentro de la
columna;
la Figura 2 es una vista desde arriba de una
plataforma de bandeja horizontal;
la Figura 3 es una vista en perspectiva de un
dispositivo de válvula convencional de la técnica anterior
utilizada en plataformas de bandejas horizontales;
la Figura 4 es una vista en perspectiva
explosionada de una válvula móvil y una bandeja para establecer un
conjunto de bandeja con válvula de la columna de intercambio y
transferencia de masas de la Figura 1;
la Figura 5 es una vista lateral del objeto de la
Figura 4 con la válvula móvil introducida en la bandeja de las
Figuras 1 y 2;
la Figura 6 es una vista desde arriba del
conjunto de válvula representado en las Figuras 4 y 5 en la que
pueden apreciarse las perforaciones y los elementos deflectores;
la Figura 7 es un gráfico que muestra los
resultados de pruebas del rendimiento del conjunto representado en
las Figuras 4 y 5 en comparación con el rendimiento de los
dispositivos de válvulas convencionales de la Figura 3;
las Figuras 8 y 9 son gráficos que muestran los
resultados de pruebas del arrastre (líquido transportado por el gas
a la bandeja superior/vapor arrastrando pequeñas gotas de líquido)
del fluido más pesado en el fluido más ligero, utilizando el
conjunto representado en las Figuras 4 y 5 y unos dispositivos de
válvula convencional representados en la Figura 3;
las Figuras 10 y 11 son gráficos que representan
la caída de presión del fluido más pesado, utilizando el conjunto
representado en las Figuras 4 y 5, y el dispositivo de válvula
convencional representado en la Figura 3; y
la Figura 12 es una vista en perspectiva de un
conjunto fijo de dispersión del fluido y una bandeja de una columna
de intercambio (transferencia) de masas.
Las siguientes descripciones de las Figuras 1 a
12 se refieren a ejemplos preferidos de la invención. Corresponden
a la válvula de una bandeja de dispersión según la presente
invención si bien la misma no se limita a esta forma de realización.
El lenguaje que se utiliza tanto en la exposición como en las
reivindicaciones se ajusta a la claridad y conveniencia y no
representa ninguna finalidad de limitación implícita en la técnica
de la transferencia de masas ni a una disposición vertical de las
partes como es usualmente el caso entre las torres o columnas de
intercambio y transferencia de masas.
Se adopta el término "fluido" procedente de
la terminología de las aplicaciones de transferencia de masas, para
describir, en general, y sin limitarse a dicha tecnología, el tipo
de partículas que fluirían a través de la válvula de la presente
invención. Las partículas en las operaciones de transferencia de
masas consisten generalmente en gotículas o burbujas a nivel
molecular o a escala microscópica. Normalmente "vapor" o
"gas" es un fluido ligero y "líquido" es un fluido más
pesado. La válvula de la bandeja de dispersión de la presente
invención es utilizada idealmente en un ambiente de alta presión de
fluido, tal como una columna o torre con bandejas. Este ambiente de
alta presión de fluido permite la separación o el fraccionamiento
de vapores, gases y líquidos.
El término "bandeja" y "plataforma de
bandeja" se refiere a la superficie situada dentro de la torre o
columna que se utiliza para las aplicaciones de transferencia de
masas. La bandeja también puede describirse como bandeja de
fraccionamiento y contacto de fluidos. En una instalación de
bandeja típica, la superficie superior es la orientada hacia la
parte alta de la torre y la superficie inferior es la orientada
hacia el fondo de la misma. Dentro de una columna de bandejas o de
fraccionamiento pueden estar dispuestas muchas bandejas diferentes.
En toda la superficie de la plataforma de la bandeja se encuentran
situadas varias aberturas de bandeja. Normalmente, por encima de las
aberturas de bandeja se sitúan unas válvulas u otros dispositivos
para regular el flujo de vapores que pasan a través de los
líquidos. Sin embargo, el término bandeja en la presente exposición
significa simplemente cualquier superficie a través de la cual se
monta una válvula tal como la de la presente invención.
El conjunto de válvula u otro dispositivo de la
presente invención puede estar construido de forma que ajuste
dentro de las bandejas de fraccionamiento y transferencia de masas.
La válvula de la bandeja de dispersión se ilustra, se describe y se
reivindica genéricamente y en formas de realización específicas
preferidas.
El conjunto de válvula u otro dispositivo de la
presente invención se introduce preferiblemente dentro de las
aberturas de las bandejas usadas en una columna o torre y en un
ambiente de fluido. Sin embargo la aplicación de la invención, no se
restringe a una válvula para uso únicamente en un ambiente de
fluido o una columna o torre.
En toda la presente memoria y en las
reivindicaciones se aplica el término "móvil", haciendo
referencia en general, al movimiento de la válvula de bandeja cuando
se inserta dentro de la abertura de la plataforma de la bandeja. El
conjunto de válvula u otro dispositivo de la presente invención se
mueve generalmente desplazándose hacia arriba y hacia abajo con
respecto a la plataforma de la bandeja. Este movimiento permite que
el fluido pase de un lado de la plataforma de la bandeja al otro
lado para realizar el fraccionamiento de los fluidos requerido por
la tecnología de transferencia de masas. La distancia entre la
plataforma de la bandeja y la válvula de dispersión define un paso o
abertura de escape de fluido a través del cual pasan las partículas
del fluido ascendente.
Haciendo referencia a las Figuras 1 y 2, en ellas
se representa de forma esquemática y simple, una torre o columna 50
en disposición vertical y una vista desde arriba de una plataforma
de bandeja. Dentro de la columna 50, se encuentran montadas un
cierto número de plataformas de bandeja 1 dispuestas
horizontalmente y distanciadas entre sí. Un líquido se alimenta en
la plataforma de la bandeja situada más alta a través de un
conducto de fluido 61 en un extremo corriente arriba 56 de la
plataforma de la bandeja. Unos tubos de descenso 65 conducen desde
una plataforma de bandeja a la siguiente inferior en el extremo
corriente abajo 57. Un fluido más ligero o un vapor se introduce por
la parte inferior de la torre a través del conducto de alimentación
62. Mientras el líquido más pesado fluye a través de la superficie
de la plataforma de la bandeja 1, el vapor asciende a través de las
aberturas 10 existentes en la bandeja con el fin de crear una
burbuja o zona activa 55. En la zona activa 55, se produce una
contacto íntimo y activo entre el fluido más pesado y el vapor más
ligero.
La Figura 3 muestra un conjunto de válvula de la
técnica anterior 70 de construcción convencional. El conjunto de
válvula 70 se monta en las aberturas 10 de la plataforma de la
bandeja 1. La válvula 70 incluye una placa de cobertura carente de
perforaciones 71 con unas patas 73, 73A y 73B que permiten el
montaje de la válvula en la plataforma de la bandeja 1.
Haciendo referencia a las Figuras 4 y 5, en ellas
puede apreciarse una abertura 10 en una bandeja de una columna de
contacto de fluidos y un conjunto de dispersión de fluidos,
designado, en general, por la referencia 18 que comprende:
a. unas perforaciones para fluido de sangrado,
200, 201 y 202 situados en una placa de cobertura 21, para la
abertura 10 de la bandeja 1;
b. unas patas de la placa de cobertura que se
extienden hacia abajo 23, 23A y 23B, para, en el funcionamiento,
soportar y posicionar la placa de cobertura 21 sobre la abertura de
la bandeja 10 y proporcionar pasos de escape, tales como el que se
designa con la referencia numérica 110, entre la placa de cobertura
21 y la plataforma de la bandeja 1 para el fluido 11 que fluye en
sentido ascendente a través de la abertura 10;
c. para cada perforación 200, 201 y 202, un
elemento deflector del fluido de sangrado, 224, 225, y 226,
respectivamente, abarcando las perforaciones 200, 201 y 202 de lado
a lado para establecer por lo menos dos salidas opuestas entre sí,
tal como las designadas 22 y 22A, las cuales, en el funcionamiento,
determinarán por lo menos dos corrientes de fluido distintas,
200/220A, 221/221A y 222/222A, que fluyen separadas unas de otras en
una zona central Z de la placa de cobertura Z1; y
d. con esta disposición los elementos
deflectores de fluido 224, 225 y 226 se ponen en contacto con las
corrientes del fluido ligero 200/200A, 221/221A y 222/222A para
dispersar dichas corrientes formando corrientes más finas que la
110/110A que pasa a través de los pasos de escape del fluido
20.
En este ejemplo de la presente invención, el
conjunto 18 es un conjunto de válvula y la placa de cobertura 21
descansa sobre la abertura 10 situada debajo, las patas 23, 23A y
23B son deslizantes y se extienden hacia abajo por la abertura 10 de
la bandeja, y para cada pata 23, 23A y 23B existe por lo menos un
saliente para acoplamiento en la bandeja 230, 230A y 230B
respectivamente, encontrándose las patas 23, 23A y 23B que limitan
el desplazamiento hacia arriba de la placa de cobertura por el
empuje del fluido ascendente, para descubrir los pasos de escape
tal como el designado por la referencia numérica 20.
En este ejemplo de la presente invención, existen
tres perforaciones 200, 201 y 202, y las patas 23, 23A y 23B se
encuentran en posiciones situadas entre dichas perforaciones 200,
201 y 202, pero distanciadas de las mismas hacia fuera de la placa
de cobertura 21. Como puede apreciarse en la Figura 6, las
perforaciones para el fluido de sangrado están situadas en una
disposición en V de tal manera que las corrientes de fluido pasan
sobre una zona central de la válvula Z tradicionalmente
inactiva.
Las patas 23, 23A y 23B impiden el desplazamiento
lateral de la placa de cobertura 21 sobre la bandeja 1.
El conjunto de válvula 18 se construye de un
material que sea apropiado para el contacto con los fluidos para
los que se destina la utilización de la columna (no representada).
La válvula puede construirse de materiales como plástico cuando el
conjunto de válvula deba utilizarse en aplicaciones de
transferencia de masas en las que los fluidos no interaccionan con
el plástico. Las válvulas construidas de plástico reducen el coste
del equipo de dotación de la columna.
En el ejemplo de la presente invención, la placa
de cobertura 21 es circular con el fin de cubrir una abertura
circular 10, y las tres patas 23, 23A y 23B forman parte integrante
de la misma y están distanciadas uniformemente en su periferia según
arcos de 120 grados entre sí para situarse en puntos que se
extienden, desde el centro de la placa de cobertura 21, entre los
elementos deflectores 224, 225 y 226.
Los salientes de acoplamiento con la bandeja
230, 230A y 230B se describen en la solicitud de patente
provisional nº de serie 60/061.504, presentada el 10 de octubre de
1997 por Karl T. Chuang titulada "Method and Apparatus for Tray
Valve Attachment". Se presentan dos tipos de salientes de
acoplamiento con la bandeja que son los siguientes:
i). saliente de acoplamiento con la bandeja 230 a
modo de lengüeta formada a partir de una parte central de la pata
23 cortada en forma de U, que se dobla para extenderse hacia fuera
de la misma y en dirección hacia arriba, preferiblemente formando un
ángulo agudo;
ii). saliente de acoplamiento con la bandeja 230A
constituida por una parte a modo de lengüeta formada a partir de un
corte lateral de la pata 23A, en forma de L, que se dobla y se
extiende hacia fuera de la misma y en dirección hacia arriba,
preferiblemente formando un ángulo agudo.
La distancia 15 entre el extremo superior del
saliente de acoplamiento con la bandeja 230 y la placa de cobertura
21 determina la máxima altura de los pasos de escape 110 cuando la
placa de cobertura 21 se desplaza totalmente al ser impulsada hacia
arriba por el fluido más ligero hasta la posición representada en
la Figura 5.
La abertura de la bandeja 10 puede estar dotada
de por lo menos un tetón para impedir el giro tal como el designado
1A en la Figura 4. El tetón 1a sobresale ligeramente hacia dentro,
en sentido radial a partir del perímetro de la abertura de la
bandeja 10 con lo cual, cuando la pata 23 se encuentra introducida
en la abertura 10 queda restringido el giro de la placa de
cobertura 21 dentro de dicha abertura 10. Esta disposición determina
un flujo más uniforme del fluido a través de todos los pasos de
escape, tales como el designado 110 y asegura unos cálculos del
régimen de flujo más fiables para la obtención de un rendimiento
más elevado.
Unos apoyos antiadherentes, tales como el
designado 24 en las Figuras 4, 5 y 6, sobresalen ligeramente hacia
abajo de la placa de cobertura 21. Los apoyos 24 aseguran la
existencia constante de una holgura entre la parte inferior de la
placa de cobertura 21 y la bandeja 1. Esto evita que la placa de
cobertura 21 se adhiera completamente por la succión a la
plataforma de la bandeja 1 durante el funcionamiento estando siempre
libre para elevarse la placa de cubierta 21.
En el ejemplo representado en las Figuras 4 y 5,
los elementos deflectores del fluido 224, 225 y 226 pueden ser
descritos como unos puentes salientes, cubiertas o marquesinas que
establecen las aberturas para el fluido de sangrado, tal como las
designadas 22 en lados opuestos de los elementos deflectores 224,
225 y 226. Los tres elementos deflectores del fluido de sangrado
224, 225 y 226 presentan, vistos desde arriba, una disposición en V
en torno al centro de la placa de cobertura 21, y cubren las
perforaciones 200, 201 y 202 de lado a lado sobre las mismas, a lo
largo de caminos paralelos separados pudiendo obtenerse cortando
ranuras paralelas en la placa de cobertura 21 y presionando hacia
arriba la parte de placa 21 situada entre los dos cortes mediante
estampación, o bien moldeando los puentes o marquesinas para
situarlos curvados hacia arriba sobre las perforaciones 200, 201 y
202, formando los elementos deflectores 224, 225 y 226 que las
abarquen, para el fluido de sangrado.
En otros ejemplos de la presente invención, la
abertura de la bandeja 10 y la placa de cobertura 21 que incluyen
las perforaciones 200, 201 y 202 pueden adoptar otras formas
geométricas tales como redondas, cuadradas o triangulares. Aunque en
esta forma de realización se han previsto tres perforaciones 200,
201 y 202, el número, tamaño y configuración de las perforaciones y
las aberturas para el fluido de sangrado, tales como las designadas
22, se determinarán de acuerdo con el tamaño de las aberturas 10 de
la bandeja 1, y el efecto de dispersión del fluido deseado.
En el funcionamiento, una corriente de fluido
relativamente más pesado fluye sobre la parte superior de la
bandeja 1, en la dirección de la flecha X, mientras que un fluido
relativamente más ligero 11 fluye en sentido ascendente a través de
la abertura 10 (Figura 4) elevando el conjunto 1 para descubrir los
pasos de escape, tales como el designado por 10. Una parte del
fluido más ligero 11 que pasa a través de la abertura 10 escapa en
forma de corrientes de gotículas relativamente grandes o burbujas
110 y 110A por los pasos de escape de fluido 20, tales como el
designado por 10, incorporándose a la corriente más pesada,
mientras que otra parte del mismo sigue hacia arriba pasando por las
perforaciones 200, 201 y 202 para ser desviada por los elementos
deflectores 224, 225 y 226, en forma de dos corrientes emergentes
de burbujas relativamente más finas, 220 y 220A incorporándose a
las corrientes más pesadas, desde las salidas opuestas, tales como
las designadas 22 y 22A.
Las corrientes de burbujas más finas 220 y 220A
fluyen en sentidos opuestos, alejándose unas de la otras por las
salidas como las designadas 22 y 22A, sobre la placa de cobertura
21 antes de ascender para pasar a través del líquido más pesado.
Este flujo de las burbujas más finas 220 y 220A.
i). dirige estas burbujas más finas 220 y 220A
al seno de las partes del líquido más pesado que ocupa la zona
central Z de la capa de cobertura, las cuales, de otro modo, se
encontrarían estancadas, esto es, libera las burbujas de cualquier
tamaño del fluido más ligero, y
ii). establece una mayor superficie de contacto
entre los fluidos ligero y pesado, y estas dos características
incrementan el rendimiento del conjunto 18 y la bandeja 1
reduciendo los costes de funcionamiento e incrementando el grado de
reacción en comparación con los diseños convencionales de conjunto
y bandeja. Por otra parte, se mejora y uniforma la interacción
entre los fluidos ligero y pesado sin necesidad de aumentar el
número de conjuntos 18, en comparación con conjuntos y bandejas
convencionales.
Las pruebas siguientes re realizaron para
verificar la presente invención utilizando el conjunto representado
en las Figuras 4 y 5 y las válvulas convencionales representadas en
la Figura 3.
Prueba
I
En esta prueba se bombeó en sentido ascendente un
vapor rico en alcohol isopropílico, como fluido más ligero, a
través de una columna que contenía la bandeja, mientras fluía por
la columna, a través de la bandeja en sentido descendente, alcohol
metílico líquido, como fluido más pesado. Se pretendía establecer
un intercambio de masas entre el vapor y el líquido en varios
regímenes de flujo líquido desde 0,12 GPM/(pulgada de longitud de
vertedero) hasta 0,59 GPM/(pulgada de longitud de vertedero) para el
sistema alcohol isopropílico/alcohol metílico. En una columna de
aire-agua se aplicó un líquido a un régimen
constante de 0,29 GPM/pulgada de longitud de vertedero).
Haciendo ahora referencia a la Figura 7, en donde
F representa la raíz cuadrada de la energía cinética del vapor para
velocidades superficiales del vapor de 0,46 m/s a 2,3 m/s, y en
donde E representa el rendimiento del intercambio, esto es, una
relación entre el cambio de composición de la bandeja y el cambio
que se produciría en una bandeja teórica.
En la Figura 7, el símbolo -\bullet- representa
una bandeja convencional con el 8% del área superficial de la
bandeja perforada y con placas de cobertura carentes de
perforaciones. En la misma Figura 7, -\sqbullet- representa la
bandeja correspondiente al símbolo -\bullet- con la placa de
cobertura perforada, y -\circ- representa la bandeja
correspondiente al símbolo -\bullet- con la placa de cobertura
dotada de perforaciones y elementos deflectores tal como se
representa en las Figuras 4 y 5 según la presente invención.
Como se deduce a la vista de la Figura 7, el
conjunto de válvulas de las Figuras 4 y 5 ofrece aproximadamente un
10% de aumento del rendimiento sobre la bandeja convencional en el
régimen de funcionamiento normal de los flujos sometidos a
prueba.
Los resultados se obtuvieron con una columna de
prueba de 300 mm de diámetro que dispone de tres bandejas
instaladas utilizándose la central como bandeja de prueba. Unas
tomas para manómetro se situaron sobre y bajo la bandeja de prueba
para medir la caída de la presión en la bandeja en seco o total.
La bandeja superior se utilizó para recoger el arrastre de líquido
que se midió registrando el tiempo transcurrido para llenar un
recipiente. La bandeja superior también se cubrió con una capa de 30
mm de una malla de eliminación de vapor para asegurar que el agua
arrastrada no salía fuera de la columna. La bandeja inferior fue
utilizada como distribuidor de aire y colector de goteo.
Haciendo referencia ahora a las Figuras 8 y 9 en
ellas se representa las comparaciones del arrastre con aire
fluyendo en sentido ascendente como el fluido más ligero y agua
descendente como el fluido pesado.
Como puede deducirse de las Figuras 8 y 9, el
conjunto de las Figuras 4 y 5 entraña un arrastre de líquido del
gas mucho menor y una mayor capacidad de manipulación de volumen de
gas que las bandejas convencionales.
Se hace referencia ahora a las Figuras 10 y 11
que muestran las comparaciones de las caídas de presión en los
sistemas aire/agua de las Figuras 8 y 9.
Como puede apreciarse en las Figuras 10 y 11, la
caída de presión de agua para el conjunto de las Figuras 4 y 5 es
aproximadamente del 10% al 20% inferior que la de los conjuntos de
válvulas convencionales de la Figura 3, según los regímenes de
flujo de los fluidos. El conjunto representado en las Figura 4 y 5
se comprobó que era capaz de proporcionar un mayor escape hacia
arriba del fluido más ligero a través de una bandeja si se compara
con las bandejas convencionales.
Haciendo referencia ahora a la Figura 12, en la
que las partes similares a las representadas en las Figuras 4 y 5
se designan con las mismas referencias numéricas y remite a la
descripción anterior para describirlas, se representa un conjunto de
dispersión de fluido fijo designado, en general, por la referencia
numérica 120 en la bandeja 1.
Una placa de cobertura 121 se encuentra fija a la
bandeja 1 mediante tres patas de la placa de cobertura que se
extienden hacia abajo, dos de las cuales se designan con las
referencias 123 y 123A. Las patas tales como la 123 y 123A se
encuentran equidistantes entre sí en torno a la placa de cobertura
121, y mantienen la placa de cobertura 121 en una posición fija
elevada sobre la abertura 10 en la bandeja 1 para establecer los
pasos de escape 124 a 126, entre la bandeja 1 y la placa de
cobertura 121, para el fluido ascendente que pasa a través de la
abertura 10.
En la placa de cobertura 121 se encuentran
situadas tres perforaciones para el líquido de sangrado 100, 100A y
100B, respectivamente, cada una de las cuales presenta un elemento
deflector para el fluido de sangrado 122, 122A y 122B,
respectivamente, que abarcan dichas perforaciones 100, 100A y 100B,
para proporcionar las salidas orientadas en sentido opuesto, tales
como la 128 y la 128A.
La placa de cobertura 121, las patas tales como
las 123 y 123A, y los elementos 122, 122A y 122B pueden formar
parte integrante de la plataforma de la bandeja obteniéndose por
estampación de la misma. En otras formas de realización, la placa de
cobertura 121, las patas tales como las 123 y 123A, y los
elementos 122, 122A y 122B puede ser integrales y obtenidos por
estampación de una chapa, montados sobre la bandeja 1 por
desplazamiento elástico de las patas para introducirlas en la
abertura 10 hasta que determinados salientes (no representados)
fijan la placa de cobertura 121 a una altura fija sobre la abertura
10.
En su funcionamiento, el conjunto representado en
la Figura 12 actúa de la misma manera que el descrito haciendo
referencia a las Figuras 4 y 5, a excepción de que la placa de
cobertura 121 es fija en su posición sobre la abertura 10 y no es
desplazada por el fluido relativamente más ligero.
Aunque la invención ha sido descrita con respecto
a un ejemplo preferido, pueden utilizarse otras construcciones
diferentes. Por ejemplo, las perforaciones con los elementos
deflectores pueden incorporarse en cualesquiera otras
configuraciones de placas o tapas de cobertura tales como
cuadradas, rectangulares, triangulares u otras formas según se
precise por las condiciones de la torre. También pueden incorporarse
en varias válvulas diferentes formas y cantidades de perforaciones
y de elementos deflectores. Además, las perforaciones con los
elementos deflectores pueden adaptarse y utilizarse con otros
diseños tradicionales de válvula tales como otras válvulas
flotantes y otras válvulas fijas como pueden ser campanas de
burbujeo para aumentar el área de la superficie de contacto entre
los fluidos ligero y pesado y producir gotículas y burbujas más
finas según se precise.
Estas y otras varias modificaciones pueden
introducirse sin apartarse del alcance de la presente invención,
tal como se define en las reivindicaciones adjuntas.
Claims (16)
1. Aparato de dispersión de fluidos (18), que
comprende:
- a. una placa de cobertura (21) para una abertura de bandeja (10), conteniendo dicha placa de cobertura por lo menos una perforación para fluido de sangrado (200, 201, 202);
- b. medios para posicionar la placa de cobertura sobre la abertura de la bandeja estableciendo con ello, en el funcionamiento, pasos para escape de fluido (110) entre la placa de cobertura y la plataforma de la bandeja (1) para una corriente fluida (111) que fluye en sentido ascendente a través de la abertura de la bandeja;
- c. para dicha por lo menos una perforación para el fluido, un elemento deflector para el fluido de sangrado (224, 225, 226) que abarca la perforación para fluido de lado a lado para establecer por lo menos dos salidas opuestas entre sí de tal manera que, en el uso, fluyan por lo menos dos corrientes distintas de fluido de sangrado (222, 222A) separada una de la otra sobre una zona central (Z) de la placa de cobertura; y
- d. cada una de dichas corrientes distintas de fluido de sangrado (222, 222A) difiere en tamaño de la corriente de fluido (111) que fluye en sentido ascendente a través de los pasos de escape de fluido y en donde una de dichas corrientes de fluido de sangrado (222, 222A) se dirige hacia la parte central de dicha placa de cobertura.
2. Aparato (18) según la reivindicación 1, en el
que el aparato es un conjunto de válvula móvil y los medios para el
posicionamiento de dicha placa de cobertura sobre la abertura de la
bandeja situada debajo comprende por lo menos dos patas (23, 23A,
23B), siendo dichas patas deslizantes para introducirse y
extenderse hacia abajo dentro de la abertura de la bandeja y en
cada pata se encuentra dispuesto por lo menos un saliente de
acoplamiento con la bandeja (230, 230A, 230B) en la pata para
limitación del desplazamiento hacia arriba de la placa de
cobertura, por el empuje del fluido ascendente, para descubrir los
pasos de escape de fluido (110).
3. Aparato (18) según la reivindicación 2, en el
que cada una de dichas corrientes de fluido de sangrado (222, 222A)
es más fina que la corriente de fluido que fluye en sentido
ascendente a través de los pasos de escape de fluido cuando el
conjunto de válvula se encuentra en la posición extendida.
4. Aparato (18) según la reivindicación 1, en el
que el aparato es un conjunto de válvula fijo y los medios para
posicionar dicha placa de cobertura (21) sobre la abertura de la
bandeja (10) situada debajo comprenden unas patas (123, 123A, 123B)
que forman parte integrante de dicha plataforma de bandeja (1),
definiendo de ese modo pasos de escape del flujo fijos.
5. Aparato (18) según la reivindicación 4, en el
que cada una de dichas corrientes de fluido de sangrado (222, 222A)
es más fina que el fluido que fluye en sentido ascendente a través
de los pasos de escape de fluido fijos.
6. Aparato (18) según cualquiera de las
reivindicaciones anteriores, en el que dicho elemento deflector del
fluido de sangrado (224, 225, 226) es sustancialmente idéntico
geométricamente a su respectiva perforación de fluido de sangrado
(200, 201, 202), limitando así el paso directo hacia arriba de la
corriente de fluido de sangrado (222, 222A).
7. Aparato (18) según cualquiera de las
reivindicaciones anteriores, en el que dicho elemento deflector de
fluido de sangrado (224, 225, 226) es un puente saliente situado
sobre la perforación de fluido de sangrado (200, 201, 202).
8. Aparato (18) según la reivindicación 7, en el
que dicho puente saliente es una parte de la placa de cobertura
(21) que se ha formado practicando pares de ranuras paralelas en la
placa de cobertura y sometiendo a presión hacia arriba la parte de
la placa de cobertura existente entre las dos ranuras para
proporcionar una perforación para el fluido de sangrado (200, 201,
202) situada debajo que conduce a dos salidas opuestas a cada lado
del mismo.
9. Aparato (18) según cualquiera de las
reivindicaciones anteriores, en el que en dicha placa de cobertura
se encuentran dos perforaciones para el fluido de sangrado (200,
201, 202) de tal manera que cada perforación para el fluido de
sangrado está dotada de un elemento deflector del fluido de
sangrado para formar dos corrientes de fluido de sangrado distintas
(222, 222A) que fluyen separadas una de la otra sobre una zona
central (Z) de la placa de cobertura (21) por cada perforación para
fluido respectiva.
10. Aparato (18) según cualquiera de las
reivindicaciones anteriores, en el que se encuentran dispuestas
tres perforaciones de fluido de sangrado (200, 201, 202) con
elementos deflectores (224, 225, 226), y vistos desde arriba se
encuentran situados en una disposición en V en torno al centro de
la placa de cobertura (21) con elementos deflectores del fluido y
los puentes salientes extendiéndose a lo largo de caminos paralelos
y distanciados, con lo cual cada elemento deflector del fluido forma
dos corrientes distintas de fluido de sangrado (222, 222A) que
fluyen separadas una de la otra sobre una zona central (Z) de la
placa de cobertura por cada respectiva perforación para fluido.
11. Aparato (18) según cualquiera de las
reivindicaciones anteriores, en el que dicha placa de cobertura
(21) comprende además un apéndice antiadherente (24).
12. Procedimiento para establecer un sistema de
intercambio y transferencia de masas, que comprende:
provisión de un conjunto de válvula (18) dotado
de una placa de cobertura (21) y medios para posicionar la placa de
cobertura sobre una abertura (10) de la bandeja en una plataforma
(1) de la bandeja de dicho sistema de intercambio y transferencia de
masas para definir un escape de fluido (110) entre la abertura de
la bandeja y la plataforma de la bandeja;
perforación de dicha placa de cobertura del
conjunto de válvula para formar por lo menos una perforación para
fluido de sangrado (200, 201, 202) en la placa de cobertura; y
formación de un elemento deflector integral (224,
225, 226) sobre dicha perforación para fluido de lado a lado para
proporcionar por lo menos dos salidas opuestas de tal manera que,
en el uso, fluyen como mínimo dos corrientes distintas de fluido de
sangrado (222, 222A) separadas entre sí sobre una parte central (Z)
de dicha placa de cobertura, en el que cada corriente de fluido de
sangrado distinta (222, 222A) difiere en tamaño de una corriente
fluida (111) que fluye en sentido ascendente a través de los pasos
de escape de fluido (110), y en el que una de dichas corrientes de
fluido de sangrado (222, 222A) se dirige hacia una parte central de
dicha placa de cobertura.
13. Procedimiento según la reivindicación 12, en
el que dichos medios para el posicionamiento de la placa de
cobertura (21) sobre la abertura de la bandeja (10) consisten en la
provisión de por lo menos dos patas (123, 123A, 123B) que forman
parte integrante de la placa de cobertura y pueden deslizarse
dentro de la abertura de la bandeja.
14. Procedimiento según la reivindicación 12, en
el que dichos medios para el posicionamiento de la placa de
cobertura (21) sobre la abertura de la bandeja (10) consisten en
patas integrales y fijas unidas a la placa de cobertura y a la
plataforma de la bandeja (1).
15. Procedimiento según cualquiera de las
reivindicaciones 12 a 14, en el que se forman tres perforaciones de
fluido de sangrado (200, 201, 202) en la placa de cobertura (21) en
una disposición en V, estando dotada cada una de dichas
perforaciones de fluido de elementos deflectores de fluido (224,
225, 226) sobre la misma, con lo cual cada elemento deflector
dirige un flujo de fluido más fino sobre la parte central (Z) de la
placa de cobertura.
16. Procedimiento según cualquiera de las
reivindicaciones 12 a 15, que comprende además la formación de un
apoyo antiadherente (24) en dicha placa de cobertura (21).
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