ES2249217T3 - Relleno estructurado para el intercambio de calor y de materia. - Google Patents
Relleno estructurado para el intercambio de calor y de materia.Info
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Abstract
Procedimiento para el intercambio de calor y/o de materia entre un líquido y un gas en una columna, en la que el líquido y el gas se conducen por un relleno estructurado que presenta al menos una capa (1) de relleno con un primer extremo (2) inferior y un segundo extremo (3) superior con una geometría interna que varía a través de su altura y las cantidades de líquido y de gas se ajustan de tal manera que en una primera zona (6) especialmente inferior de la capa (1) de relleno se configura de manera encauzada una capa de burbujas con una fase gaseosa principalmente dispersa, y al mismo tiempo en una segunda zona (7) especialmente superior de la capa (1) de relleno se configura de forma encauzada un flujo en película del líquido con una fase gaseosa principalmente continua.
Description
Relleno estructurado para el intercambio de calor
y de materia.
La invención se refiere a un procedimiento para
el intercambio de calor y/o de materia entre un líquido y un gas en
una columna. Para el intercambio de calor y de materia entre medios
líquidos y gaseosos, especialmente para la separación por
destilación de mezclas de sustancias, se utilizan en la técnica
columnas de platos y columnas de relleno. Las dos formas
estructurales se diferencian en las condiciones de funcionamiento
hidrodinámico.
En las columnas de platos, sobre los platos
individuales se forma en cada caso una capa de burbujas en la que,
principalmente, el líquido representa la fase continua y el gas, la
fase dispersa. Entre los platos individuales se encuentran espacios
libres en los que el gas representa principalmente la fase
continua.
El modo de funcionamiento de las columnas de
relleno se diferencia de las columnas de platos en relación con la
mecánica de fluidos. En este caso, no es el líquido el que forma la
fase continua, sino el gas. El líquido circula hacia abajo como una
película por los rellenos.
Los rellenos estructurados están formados a
partir de una pluralidad de capas individuales de elementos de
relleno, tales como chapas, metales estirados y telas metálicas, que
están dispuestos verticalmente unos con respecto a otros en una
estructura regular y normalmente se sujetan juntos en una
interconexión mediante medios de fijación tales como alambres
metálicos, delgadas varillas de metal o tiras de chapa metálica. En
la mayoría de los casos, estos elementos de relleno presentan
incluso una estructuración geométrica, por ejemplo, en forma de
pandeos u orificios circulares con diámetros de aproximadamente 4 a
6 mm. Las aberturas sirven para elevar los límites de flujo del
relleno y posibilitar una ocupación más alta de la columna.
Como ejemplos han de citarse rellenos de los
tipos "Mellapak", CY y BX de Sulzer AG,
CH-8404
Winterthur, o los tipos A3, BSH o B1 de Montz GmbH, D-40723 Hilden. Los pandeos de los elementos de relleno de estos rellenos discurren en línea recta e inclinados en un ángulo de aproximadamente 30º a 45º con respecto al eje longitudinal del relleno. Los pandeos de los elementos de relleno conducen a una estructura de canales cruzados dentro del relleno estructurado.
Winterthur, o los tipos A3, BSH o B1 de Montz GmbH, D-40723 Hilden. Los pandeos de los elementos de relleno de estos rellenos discurren en línea recta e inclinados en un ángulo de aproximadamente 30º a 45º con respecto al eje longitudinal del relleno. Los pandeos de los elementos de relleno conducen a una estructura de canales cruzados dentro del relleno estructurado.
El documento DE 196 05 286 A1 describe un
desarrollo especial en el que este ángulo se reduce adicionalmente
hasta valores de 3º a 14º para, en aplicaciones de alto vacío
(aproximadamente 1 mbar de presión de cabeza), reducir la pérdida de
presión de los rellenos tanto como sea posible.
En el estado de la técnica se conocen rellenos
estructurados que son catalíticamente activos. Un relleno de
destilación catalíticamente activo de diseño convencional es, por
ejemplo, el relleno "KATAPAK" de Sulzer AG,
CH-8404 Winterthur.
Los rellenos estructurados se facilitan
normalmente como capas individuales de relleno que entonces se
disponen en la columna apiladas unas sobre otras. Las capas de
relleno presentan normalmente una altura de aproximadamente 0,17 m a
aproximadamente 0,30 m.
En el estado de la técnica, se conoce un relleno
estructurado con la denominación "Montz" A2 de Montz GmbH,
D-40723 Hilden que presenta elementos de relleno
pandeados con trayectorias curvas de pandeo. Dentro de un elemento
de relleno, la inclinación de estas trayectorias de pandeo varía a
lo largo de la altura del elemento de relleno. En este caso, las
capas de los elementos de relleno son alternantes de tal manera que
un elemento de relleno en el que la inclinación de la línea de
pandeo es máxima en el extremo inferior de la capa de relleno
alterna, en cada caso, con un elemento de relleno en el que la
inclinación de la línea de pandeo es máxima en el extremo superior
de la capa de relleno. Por tanto, la geometría interior de la capa
de relleno es constante a través de su altura. Sin embargo, este
tipo de relleno muestra, en contraposición a los rellenos
estructurados convencionales, una capacidad de separación
desfavorable.
El documento US 4.186.159 describe un relleno
estructurado de elementos de relleno planos que forman una
estructura de canales cruzados, presentando los elementos de relleno
individuales, para mejorar el transporte de calor y materia, áreas
alternantes con superficie lisa y áreas ligeramente onduladas. Los
elementos de relleno están perforados al menos en las áreas
lisas.
El documento US 5.921.109 describe un
procedimiento para la rectificación a baja temperatura de aire
líquido empleando un relleno con estructura de canales cruzados con
elementos de relleno cuya estructura varía a través de su altura. El
objetivo es aumentar la capacidad de la columna evitando la
saturación del relleno. Para ello, en secciones inferiores en cada
caso de una capa de relleno se configuran pandeos de altura reducida
respecto a la zona superior en cada caso, las trayectorias del
pandeo en un área inferior en cada caso deben configurarse con un
ángulo más pronunciado que el área superior en cada caso.
El documento WO 97/16247 describe un relleno
estructurado con elementos de relleno cuya geometría interior varía
a través de su altura, en el que las trayectorias del pandeo en los
extremos de una capa de relleno son en cada caso más pronunciadas
para minimizar así la pérdida de presión en los extremos del relleno
y, por tanto, reducir o impedir la acumulación de líquido. Para
delimitar esta objeción, son válidas reflexiones similares a las
expuestas anteriormente, en especial debe evitarse una acumulación
de líquido, contra lo cual, según la invención de la presente
solicitud, debe garantizarse de forma encauzada una fase líquida
continua.
El documento US 5.538.700 describe un
intercambiador de calor de placas para controlar el perfil de
temperatura en una zona de reacción con placas pandeadas por las que
circulan, en un lado, medios de intercambio de calor y, en el lado
opuesto, mezcla de reacción, estando previstas elevaciones que se
adentran en el área por la que circulan a su través los medios de
intercambio de calor, con lo que se originan turbulencias, y
mediante la variación de la turbulencia ejercen influencia sobre los
coeficientes de transferencia de calor.
Asimismo, el documento US 5.124.086 describe
placas de intercambio de calor y, en concreto, para enfriar agua por
medio de aire en torres de refrigeración. Influyendo en la
configuración de las líneas de flujo y, concretamente, mediante la
curvatura más intensa de las placas en la zona superior, debe
reducirse la tendencia de ensuciamiento ("fouling").
Debido a la gran importancia técnica de los
procesos de intercambio de calor y de materia en la química y la
tecnología de procesos, especialmente en la separación de materia
por destilación, una pluralidad de desarrollos técnicos pretende la
mejora de las columnas de intercambio de calor y de materia,
especialmente las columnas de destilación. Criterios importantes
para una columna de intercambio de calor y de materia eficaz y
económica, especialmente columnas de destilación, son su precio, su
caudal para una corriente de gas y líquido y el rendimiento de
separación referido a la altura de la columna. Normalmente, se
caracteriza como el número de las etapas teóricas de separación por
metro de la altura de la columna (n_{th}/m) o como altura
estructural para una etapa teórica de separación (HETP).
El objetivo de la presente invención es aumentar
el rendimiento y la rentabilidad de las columnas de intercambio de
calor y de materia, especialmente para objetivos de destilación.
Este objetivo se consigue gracias a un
procedimiento para el intercambio de calor y/o el intercambio de
materia entre un líquido y un gas en una columna en la que el
líquido y el gas se conducen sobre un relleno estructurado que
presenta al menos una capa de relleno con un primer extremo inferior
y un segundo extremo superior, con una geometría interior que varía
a través de su altura, y las cantidades de líquido y gas se ajustan
de tal manera que en una primera área, especialmente inferior, de la
capa de relleno se forma de modo encauzado una capa de burbujas con
una fase gaseosa principalmente dispersa y, al mismo tiempo, en una
segunda zona, especialmente superior, de la capa de relleno se forma
de modo encauzado una corriente de película del líquido con la fase
gaseosa principalmente continua.
Por tanto, la geometría interior, en
contraposición a los rellenos estructurados del estado de la
técnica, no es constante a través de la altura de la capa de
relleno.
Los estados de funcionamiento hidrodinámico
descritos pueden conseguirse porque la resistencia al flujo varía a
través de la altura de la capa de relleno. Preferiblemente, la
primera zona, dado el caso, inferior, de la capa de relleno presenta
una mayor resistencia al flujo que la segunda zona, dado el caso,
superior, de la capa de relleno.
La primera zona de la capa de relleno se
encuentra preferiblemente en una zona inferior de la capa de relleno
y la segunda zona de la capa de relleno se encuentra preferiblemente
en una zona superior de la capa de relleno. En el marco de la
presente invención, la primera zona, dado el caso, inferior, y la
segunda zona, dado el caso, superior, de la capa de relleno se
extienden preferiblemente por toda la superficie de la sección
transversal de la capa de relleno. La primera zona inferior de la
capa de relleno puede limitar directamente en el extremo inferior de
la capa de relleno y la segunda zona superior de la capa de relleno
puede limitar directamente en el extremo superior de la capa de
relleno. En una forma de realización preferida, la primera zona,
dado el caso, inferior, de la capa de relleno se une directamente a
la segunda zona, dado el caso, superior.
En el marco de la presente invención, se prefiere
un relleno estructurado en el que la capa de relleno presenta
elementos de relleno planos que están en contacto, especialmente,
chapas, metales estirados, telas metálicas y tejidos de punto con
pandeos de trayectorias determinadas, formando las trayectorias de
pandeo o tangentes a las trayectorias de pandeo en la primera zona
de la capa de relleno un ángulo mayor con el eje longitudinal de la
capa de relleno que en la segunda zona de la capa de relleno. De
forma especialmente preferida, las trayectorias de pandeo o las
tangentes a las trayectorias de pandeo de los elementos de relleno
forman en la primera zona de la capa de relleno un ángulo de
aproximadamente 45º a aproximadamente 75º y, en la segunda zona, de
aproximadamente 10º a aproximadamente 45º con el eje longitudinal de
la capa de relleno. Se prefiere especialmente que las trayectorias
de pandeo o las tangentes a las trayectorias de pandeo formen en la
primera zona de la capa de relleno un ángulo con el eje longitudinal
de la capa de relleno de aproximadamente 60º a aproximadamente 70º
y, en la segunda zona, de aproximadamente 30º a aproximadamente
45º.
Los pandeos pueden presentar, al menos por
secciones, una trayectoria en forma de arco o de forma
rectilínea.
En una forma de realización preferida, los
pandeos están curvados de una forma que discurre de modo monótono de
tal manera que las tangentes a las trayectorias de pandeo forman en
el extremo inferior de la capa de relleno un ángulo de
aproximadamente 45º a aproximadamente 75º, preferiblemente de
aproximadamente 60º a aproximadamente 70º, con el eje longitudinal
de la capa de relleno; reduciéndose este ángulo de las tangentes a
las trayectorias de pandeo hacia arriba a valores de aproximadamente
10º a aproximadamente 45º, preferiblemente de aproximadamente 30º a
aproximadamente 45º, respecto al eje longitudinal de la capa de
relleno.
Asimismo, el relleno estructurado puede estar
configurado de tal manera que las trayectorias de pandeo están
realizadas rectas por secciones, formando las trayectorias de pandeo
en la primera zona de la capa de relleno preferiblemente un ángulo
de aproximadamente 45º a aproximadamente 75º, de forma especialmente
preferida, de aproximadamente 60º a aproximadamente 70º, con el eje
longitudinal de la capa de relleno, y reduciéndose hacia arriba en
una o varias etapas el ángulo de las trayectorias de pandeo a
valores preferidos de aproximadamente 10º a aproximadamente 45º,
prefiriéndose especialmente valores de aproximadamente 30º a
aproximadamente 45º, respecto al eje longitudinal de la capa de
relleno.
La superficie específica de los rellenos
estructurados según la invención es preferiblemente de
aproximadamente 100 a 750 m^{2}/m^{3}, especialmente preferido
250 a 500 m^{2}/m^{3}.
Los pandeos en los elementos de relleno pueden
estar realizados con cantos angulosos o redondeados.
La primera zona de la capa de relleno presenta
preferiblemente una altura de 0,02 a 0,10 m, más preferiblemente de
0,03 a 0,10 m y, de forma especialmente preferida, de 0,03 a 0,05
m.
La segunda zona de la capa de relleno presenta
preferiblemente una altura de 0,1 a 0,3 m y, de forma especialmente
preferida, de 0,15 a 0,2 m.
Las capas de relleno del relleno estructurado
según la invención presentan preferiblemente una altura de 0,05 a
0,40 m, más preferiblemente, de 0,08 a 0,35 m o de 0,10 a 0,25 m, y
de forma especialmente preferida, de 0,12 a 0,20 m. La altura más
baja de la capa de relleno se preverá preferiblemente para rellenos
estrechamente estructurados con una superficie específica de
aproximadamente 500 a aproximadamente 750 m^{2}/m^{3},
previéndose el valor más alto para rellenos menos estrechos de
aproximadamente 100 a aproximadamente 500 m^{2}/m^{3}.
La carga de fluido del relleno estructurado
oscila preferiblemente entre aproximadamente 0,2 a 50
m^{3}/m^{2}h. Con un límite de flujo del 70 a 80%, la pérdida de
presión del relleno según la invención es preferiblemente de 2 a 10
mbar/m. Los elementos de relleno presentan preferiblemente un
espesor de chapa de aproximadamente 0,1 mm.
En una forma de realización preferida de la
presente invención en la que la capa de relleno presenta elementos
de relleno, al menos una parte de los elementos de relleno están
plegados en forma de lengüeta en el extremo inferior y/o el extremo
superior de la capa de relleno. Preferiblemente, los elementos de
relleno presentan para ello incisiones en el extremo inferior y/o en
el extremo superior de la capa de relleno con separaciones definidas
que preferiblemente se corresponden aproximadamente a la mitad del
ancho del pandeo, de manera que las lengüetas pueden plegarse en
diferente dirección. Se prefiere especialmente que las lengüetas
estén plegadas de forma alternante a ambos lados del elemento de
relleno. La profundidad de las incisiones es preferiblemente de 3 a
8 mm. El ángulo que forman las lengüetas plegadas con el elemento de
relleno es en este caso preferiblemente de aproximadamente 110 a
150º, de manera que las lengüetas en la capa de relleno están
orientadas de forma aproximadamente horizontal. La extensión lateral
de las lengüetas se elige de tal manera que se bloquea
aproximadamente el 30 a 60% de la sección transversal del flujo.
Preferiblemente, sólo se pliega lateralmente el segundo elemento de
relleno sucesivo para garantizar una estabilidad mecánica suficiente
de las capas de relleno apiladas una sobre otra.
En otra forma de realización preferida de la
presente invención en la que la capa de relleno también presenta
elementos de relleno, entre al menos una parte de los elementos de
relleno están dispuestas tiras, preferiblemente de chapa metálica.
Éstas están realizadas preferiblemente de forma plana. Las tiras se
encuentran preferiblemente en el extremo inferior de la capa de
relleno. Pueden estar dispuestas en un lado o en los dos lados junto
a los elementos de relleno y, preferiblemente, pueden estar fijadas
a éstos. De forma especialmente preferida, las tiras se fijan a los
elementos de relleno mediante soldadura por puntos. Las tiras
presentan preferiblemente una altura de aproximadamente 15 a 25 mm.
Un extremo de las tiras, preferiblemente el extremo superior de las
tiras, está plegado preferiblemente de forma lateral aproximadamente
2 a aproximadamente 5 mm. Con ello se aumenta adicionalmente la
resistencia al flujo de forma ventajosa. El plegado lateral de las
tiras se encuentra preferiblemente entre los pandeos de los
elementos de relleno. El plegado lateral de las tiras puede
realizarse ensamblando los elementos de relleno para formar una capa
de relleno.
La presente invención comprende otra forma de
realización preferida en la que la capa de relleno está compuesta de
una combinación de una primera y una segunda capa de relleno
secundaria, diferenciándose entre sí en su geometría interior la
primera capa de relleno secundaria y la segunda capa de relleno
secundaria. Además, en la capa de relleno, la primera capa de
relleno secundaria está dispuesta preferiblemente por debajo de la
segunda capa de relleno secundaria. De forma especialmente
preferida, la primera y la segunda capa de relleno secundarias están
dispuestas directamente una sobre otra, formando la primera capa de
relleno secundaria la capa de relleno secundaria inferior y la
segunda capa de relleno secundaria, la capa de relleno secundaria
superior. Las capas de relleno secundarias están diseñadas
preferiblemente de tal manera que su geometría interior no varía a
través de su altura. La primera capa de relleno secundaria, dado el
caso inferior, presenta preferiblemente una altura de 0,02 a 0,10 m
y, de forma especialmente preferida, de 0,03 a 0,05 m. La segunda
capa de relleno secundaria, dado el caso superior, presenta
preferiblemente una altura de 0,05 a 0,40 m y, de forma
especialmente preferida, de 0,10 a 0,25 m. La resistencia al flujo
de la primera capa de relleno secundaria por metro de altura es
preferiblemente de aproximadamente 1,2 a aproximadamente 5 veces, de
forma especialmente preferida, de aproximadamente 1,5 a
aproximadamente 2,5 veces la resistencia al flujo de la segunda capa
de relleno secundaria. Si las capas de relleno secundarias se
componen de elementos de relleno con pandeos, entonces la
resistencia al flujo de las capas de relleno secundarias puede
ajustarse mediante el ángulo que forman las trayectorias del pandeo
o las tangentes a las trayectorias del pandeo con el eje
longitudinal de la capa de relleno. Cuanto mayor sea este ángulo,
mayor es la resistencia al flujo. En el alcance de la presente
invención se prefiere una forma de realización en la que las capas
de relleno secundarias están formadas de elementos de relleno con
pandeos, formando las trayectorias de pandeo o las tangentes a las
trayectorias de pandeo de la primera capa de relleno secundaria un
mayor ángulo con el eje longitudinal de la capa de relleno que las
trayectorias de pandeo o las tangentes a las trayectorias de pandeo
de la segunda capa de relleno secundaria. Ya se han citado
anteriormente ángulos preferidos a los que se hace referencia aquí.
La primera zona, mencionada anteriormente, de la capa de relleno
corresponde en este caso a la primera capa de relleno secundaria
aquí citada, y la segunda zona anteriormente mencionada de la capa
de relleno, a la segunda capa de relleno secundaria aquí citada.
Además, la resistencia al flujo de las capas de relleno secundarias
también puede conseguirse mediante el tamaño de la superficie de
relleno específica en función del volumen. Preferiblemente, las
capas de relleno secundarias presentan diferentes superficies
específicas en función del volumen. De forma especialmente
preferida, la primera capa de relleno secundaria, dado el caso
inferior, presenta una mayor superficie específica por volumen que
la segunda capa de relleno secundaria, dado el caso superior. En
este caso, la superficie específica de la primera capa de relleno
secundaria, dado el caso inferior, es preferiblemente 20 a 100%, de
forma especialmente preferida, 30 a 60% mayor que la de la segunda
capa de relleno, dado el caso superior. En una forma de realización
especialmente preferida, la primera capa de relleno secundaria, dado
el caso inferior, está fabricada de tela metálica. Esto permite un
ajuste dirigido del contenido líquido mediante la variación de la
capacidad calorífica. Las capas de relleno secundarias están
dispuestas giradas una respecto a otra preferiblemente 45º a
90º.
Los elementos de relleno pueden presentar una
delgada capa de catalizadores de metales nobles. Esto es importante
cuando en una columna con el relleno según la invención, aparte del
intercambio de calor y/o de materia, también deben desarrollarse
reacciones catalíticas.
La columna se hace funcionar preferiblemente con
una pérdida de presión de aproximadamente 5 a aproximadamente 30
mbar, de forma especialmente preferida, de aproximadamente 8 a 12
mbar, por metro de la altura del relleno. La pérdida de presión
puede ajustarse mediante las cantidades de líquido y gas, así como
mediante la capacidad calorífica.
En una forma de realización especial, en la
columna se desarrolla una reacción química de forma solapada a una
separación por destilación. Puede estar catalizada de forma
homogénea o heterogénea o desarrollarse de forma espontánea. El
tiempo de permanencia del líquido en la columna puede ajustarse de
forma encauzada mediante la elección de la capacidad calorífica
midiendo la presión diferencial.
Las reacciones catalizadas de forma homogénea
pueden ser, por ejemplo, acetalizaciones, hidrólisis de acetales,
esterificaciones, saponificaciones y formación de éteres catalizadas
por ácido, así como transesterificaciones catalizadas por
alcoholatos. Un ejemplo de una reacción que se desarrolla de forma
espontánea en una columna de destilación es la separación de
formaldehído de soluciones acuosas o alcohólicas.
Asimismo, es posible revestir los rellenos
estructurados según la invención directamente con los procedimientos
ya establecidos en la técnica con material catalíticamente activo y
realizar destilaciones reactivas catalizadas de forma heterogénea.
Si por motivos de costes sólo debe revestirse parte de los rellenos
con material catalíticamente activo, es conveniente revestir la
primera zona, dado el caso inferior, de la capa de relleno en la que
se forma principalmente la capa de burbujas dado que aquí se
presentan condiciones especialmente buenas de transferencia de
materia.
Los rellenos según la invención también son
adecuados para destilaciones reactivas en las que los rellenos están
revestidos con una delgada capa de catalizadores de metales nobles.
En este caso, pueden realizarse entonces hidrogenaciones parciales
en presencia de hidrógeno. De forma especialmente preferida, con el
presente procedimiento, a una presión total de 3 a 8 bar, de forma
especialmente preferida, de aproximadamente 4 bar, a partir de una
mezcla de hidrocarburos C_{4}, se hidrogenan componentes con
triples enlaces con alta selectividad para dar lugar a componentes
con dobles enlaces.
La presente invención presenta fundamentalmente
las siguientes ventajas:
El rendimiento de separación del relleno
estructurado según la invención, ajustando el estado hidrodinámico
descrito, es hasta el 60% superior al rendimiento de separación de
los rellenos estructurados según el estado de la técnica. Con ello
puede reducirse la altura estructural necesaria de la columna y, por
tanto, ahorrarse gastos de inversión.
El rendimiento de separación de la columna se
define normalmente como el número de etapas teóricas de separación
por metro de la altura de la columna (n_{th}/m) o como la altura
estructural para una etapa teórica de separación.
Gracias a la alta proporción de líquido en el
relleno, los rellenos según la invención hacen accesibles también
áreas de aplicación que hasta el momento estaban reservadas a
columnas de platos o construcciones especiales. De esta manera,
pueden realizarse algunas reacciones químicas de forma especialmente
ventajosa en columnas que están equipadas con los rellenos
estructurados según la invención.
El relleno estructurado diseñado y puesto en
funcionamiento según la invención representa una forma de transición
entre una columna de relleno con una fase líquida principalmente
dispersa y una columna de platos con una fase líquida principalmente
continua. Por tanto, pueden combinarse las propiedades favorables de
una columna de platos (alta capacidad de intercambio de materia en
la capa de burbujas) y de una columna de relleno (obstaculización
del arrastre de gotas e intercambio de materia adicional en la
superficie de relleno).
Ahora se explican detalladamente otras ventajas,
características y posibilidades de aplicación de la invención
mediante ejemplos de realización haciendo referencia al dibujo
adjunto. Éste muestra
en la figura 1, una capa 1 de relleno de una
forma de realización del relleno estructurado,
en la figura 2, elementos 4 de relleno dispuestos
unos detrás de otros de una capa 1 de relleno de otra forma de
realización del relleno estructurado,
en la figura 3, elementos 4 de relleno dispuestos
unos detrás de otros de una capa 1 de relleno de otra forma de
realización del relleno estructurado,
en la figura 4, en una vista tridimensional, un
detalle de un elemento 4 de relleno de una capa 1 de relleno de una
forma de realización de un relleno estructurado con elementos 4 de
relleno plegados lateralmente,
en la figura 5, elementos 4 de relleno dispuestos
unos detrás de otros de una capa 1 de relleno de otra forma de
realización del relleno estructurado con tiras 15 delgadas entre los
elementos 4 de relleno,
en la figura 6, otra forma de realización del
relleno estructurado con una capa 1 de relleno que se forma a partir
de dos capas de relleno secundarias de diferente geometría
interior,
en la figura 7, otra forma de realización del
relleno estructurado con una capa 1 de relleno que se forma a partir
de dos capas de relleno secundarias de diferente geometría
interior.
En la figura 1 se muestra una capa 1 de relleno
de una forma de realización de un relleno estructurado según la
presente invención. La capa 1 de relleno presenta un primer extremo
2 inferior y un segundo extremo 3 superior. Posee una altura H de,
por ejemplo, 0,2 m. La capa de relleno presenta elementos 4 de
relleno planos que están en contacto hechos de chapas dotadas de
pandeos (no mostrados). El número de referencia 5 muestra el eje
longitudinal de la capa 1 de relleno. La capa 1 de relleno presenta
además una sección transversal circular. La geometría interior de la
capa 1 de relleno varía a través de la altura (no mostrada). La capa
1 de relleno posee una primera zona 6 inferior cuya geometría
interior se diferencia de una segunda zona 7 superior. La primera
zona 6 inferior de la capa 1 de relleno presenta una mayor
resistencia al flujo que la segunda zona 7 superior. Mediante un
ajuste adecuado de las cantidades de líquido y gas se forma en la
primera zona 6 inferior de la capa 1 de relleno una capa de burbujas
con fase gaseosa principalmente dispersa y, al mismo tiempo, en la
segunda zona 7 superior de la capa de relleno, un flujo de película
del líquido con fase gaseosa principalmente continua. La primera
zona 6 inferior de la capa 1 de relleno y la segunda zona 7 superior
de la capa 1 de relleno se extienden por toda la superficie de la
sección transversal de la capa 1 de relleno. Además, la primera zona
6 inferior se une directamente a la segunda zona 7 superior. La
segunda zona 7 superior de la capa 1 de relleno limita en el segundo
extremo 3 superior de la capa 1 de relleno y la primera zona 6
inferior limita en el primer extremo 2 inferior de la capa 1 de
relleno.
En las figuras 2 y 3 se muestran de forma
esquemática en cada caso elementos 4 de relleno dispuestos unos
detrás de otros de una capa 1 de relleno de diferentes formas de
realización del relleno estructurado según la presente invención.
Las líneas más gruesas muestran las trayectorias de pandeo del
primer, tercer, quinto, etc. elementos 4 de relleno, y las líneas
punteadas muestran las trayectorias del pandeo del segundo, cuarto,
sexto, etc. elementos 4 de relleno.
Los elementos 4 de relleno de la figura 2
presentan la misma altura H de, por ejemplo, 0,2 m, que la capa 1 de
relleno. Los elementos 4 de relleno se componen de chapas metálicas
con pandeos 8, por lo que la capa 1 de relleno, que está formada a
partir de estos elementos de relleno, presenta una estructura de
canales cruzados. Los pandeos 8 presentan por secciones una
trayectoria en línea recta. En la primera zona 6 inferior de la capa
1 de relleno las trayectorias de los pandeos forman un ángulo
\alpha con el eje 5 longitudinal de la capa 1 de relleno mayor que
en la segunda zona 7 superior de la capa 1 de relleno. En la primera
zona 6 inferior de la capa 1 de relleno, las trayectorias de los
pandeos forman un ángulo \alpha de aproximadamente 60º con el eje
5 longitudinal de la capa 1 de relleno. En la segunda zona 7
superior, las trayectorias de los pandeos forman un ángulo \alpha
de aproximadamente 30º con el eje 5 longitudinal de la capa 1 de
relleno.
La figura 3 muestra de manera esquemática
elementos 4 de relleno de una capa 1 de relleno de otra forma de
realización del relleno estructurado. Los elementos 4 de relleno
presentan pandeos 8 con trayectorias de pandeos plegadas de manera
continua. Los elementos 4 de relleno poseen la misma altura H de,
por ejemplo, 0,2 m, que la capa 1 de relleno. Las tangentes a las
trayectorias de los pandeos forman en la primera zona 6 inferior de
la capa 1 de relleno un ángulo \alpha con el eje 5 longitudinal de
la capa 1 de relleno mayor que en la segunda zona 7 superior de la
capa 1 de relleno. En la primera zona 6 inferior de la capa 1 de
relleno las tangentes a las trayectorias de los pandeos forman un
ángulo de aproximadamente 45º a aproximadamente 75º con el eje 5
longitudinal de la capa 1 de relleno. En la segunda zona 7 superior,
las tangentes a las trayectorias de los pandeos forman un ángulo
\alpha de aproximadamente 10º a aproximadamente 45º con el eje 5
longitudinal de la capa de relleno. Los pandeos 8 poseen una
trayectoria aproximadamente en forma de parábola.
La figura 4 muestra en vista tridimensional un
detalle de un elemento 4 de relleno de otra forma de realización del
relleno según la invención.
El elemento 4 de relleno presenta en el detalle
mostrado pandeos 8 con una trayectoria en línea recta. El número de
referencia 5 indica el eje longitudinal de la capa 1 de relleno en
la que se dispone el elemento 4 de relleno mostrado. En el primer
extremo 2 inferior de la capa 1 de relleno, en separaciones que
corresponden aproximadamente a la mitad del ancho del pandeo están
aplicadas incisiones de aproximadamente 3 a 8 mm de ancho en el
elemento 4 de relleno y están plegadas lengüetas 9 de manera
alternante a los dos lados, de tal manera que forman un ángulo
\beta de 110 a 150º con el elemento de relleno de tal manera que
las lengüetas en la capa de relleno están orientadas de forma
aproximadamente horizontal. La extensión lateral de las lengüetas se
selecciona de tal manera que se bloquea aproximadamente de un 30 a
un 60% de la sección transversal del flujo.
En la figura 5 se muestran elementos 4 de relleno
dispuestos unos detrás de otros de una capa 1 de relleno de otra
forma de realización del relleno estructurado. Las líneas continuas
muestran las trayectorias de los pandeos del primer tercer, quinto,
etc. elemento 4 de relleno y las líneas discontinuas muestran las
trayectorias del pandeo del segundo, cuarto, etc. elemento 4 de
relleno. Los elementos 4 de relleno presentan la misma altura H de,
por ejemplo, 0,2 m, que la capa 1 de relleno. Los elementos 4 de
relleno presentan pandeos 8 rectilíneos. El número de referencia 5
indica el eje longitudinal de la capa 1 de relleno. En el primer
extremo 2 inferior de la capa 1 de relleno se disponen delgadas
tiras 15 de chapa metálica entre los elementos 4 de relleno. Las
tiras de chapa metálica se unen directamente al extremo 2 inferior
de la capa 1 de relleno. Las tiras son planas y presentan de manera
preferida una altura h de aproximadamente 15 a
25 mm.
25 mm.
En la figura 6 se muestra una capa 1 de relleno
de una forma de realización del relleno estructurado según la
invención en corte longitudinal. La capa 1 de relleno se compone de
dos capas de relleno secundarias dispuestas una encima de otra, una
primera capa 10 de relleno secundaria y una segunda capa 11 de
relleno secundaria. Las dos capas 10, 11 de relleno secundarias
forman juntas la altura H de la capa 1 de relleno. La primera capa
10 de relleno secundaria forma la capa de relleno secundaria
inferior y la segunda capa 11 de relleno secundaria forma la capa de
relleno secundaria superior. La primera capa 10 de relleno
secundaria forma la primera zona 6 inferior de la capa 1 de relleno,
la segunda capa 11 de relleno secundaria forma la segunda zona 7
superior de la capa 1 de relleno. Las dos capas de relleno
secundarias se componen de varios elementos 4 de relleno dispuestos
unos al lado de otros o unos detrás de otros.
Los elementos 4 de relleno de las capas 10, 11 de
relleno secundarias se componen de chapa metálica y presentan
pandeos 8 que discurren en línea recta. Las líneas continuas
muestran las trayectorias de los pandeos del primer, tercer, quinto,
etc. elemento 4 de relleno y las líneas discontinuas muestran las
trayectorias del pandeo del segundo, cuarto, sexto, etc. elemento 4
de relleno. Las trayectorias de los pandeos forman con el eje 5
longitudinal de la capa 1 de relleno, en la primera capa 10 de
relleno secundaria, un ángulo \alpha que es mayor que el que
forman las trayectorias de los pandeos en la segunda capa 11 de
relleno secundaria con el eje 5 longitudinal. En la primera capa 10
de relleno secundaria, las trayectorias de los pandeos forman un
ángulo \alpha de aproximadamente 60º con el eje longitudinal de la
capa 1 de relleno. En la segunda capa 11 de relleno secundaria las
trayectorias de los pandeos forman un ángulo \alpha de
aproximadamente 30º con el eje longitudinal de la capa 1 de relleno.
La primera capa 10 de relleno secundaria presenta por ello una
resistencia al flujo mayor que la segunda capa 11 de relleno
secundaria. La primera capa 10 de relleno secundaria presenta de
manera preferida una altura de 0,02 a 0,10 m, de forma especialmente
preferida, de 0,03 a 0,05 m.
La figura 7 muestra, al igual que la figura 6,
una forma de realización del relleno estructurado según la invención
en corte longitudinal, con una capa 1 de relleno que se compone de
dos capas 10, 11 de relleno secundarias. Las dos formas de
realización de la figura 6 y 7 coinciden básicamente. Los mismos
números de referencia indican las mismas partes. En este sentido se
remite a las realizaciones de la figura 6. A diferencia de la forma
de realización de la figura 6, las trayectorias de los pandeos de la
presente forma de realización de la figura 7 forman en la primera y
segunda capa 10, 11 de relleno secundaria el mismo ángulo \alpha
con el eje 5 longitudinal de la capa 1 de relleno. Sin embargo, la
capa 10 de relleno secundaria inferior presenta una superficie
específica 50% más alta que la capa 11 de relleno secundaria
superior. Por esto, la resistencia al flujo en la primera capa 10 de
relleno secundaria inferior es mayor que en la segunda capa 11 de
relleno secundaria superior.
Mediante un ajuste adecuado de las cantidades de
líquido y de gas, en todas las formas de realización descritas en
las figuras 1 a 7 del relleno estructurado según la invención, se
forma en la primera zona 6 inferior de la capa 1 de relleno de
manera encauzada una capa de burbujas con una fase gaseosa
principalmente dispersa y, al mismo tiempo, en la segunda zona 7
superior de la capa 1 de relleno se forma de manera encauzada un
flujo en película del líquido con una fase gaseosa principalmente
continua.
En los siguientes ejemplos, la medición de la
presión diferencial o de la pérdida \Deltap de presión se realizó
en mbar/m. El factor F sirvió como medida para la carga de gas de la
columna o del relleno. Esto se define como el producto a partir de
la velocidad w_{G} del gas [m/sec] y la raíz cuadrada de la
densidad \rho_{G} del gas [kg/m^{3}]: F =w_{G} \cdot
\sqrt{\rho G}. La retención hp (holdup) dinámica [m^{3}/m^{3}]
se define como el volumen de líquido [m^{3}] en la columna en
relación con el volumen de la columna vacía [m^{3}]. El
rendimiento de separación de la columna se determinó como el número
de etapas teóricas de separación por metro de altura de la columna o
de la altura del relleno (n_{th}/m).
Ejemplo
comparativo
Como columna de ensayo se utilizó una columna de
vidrio con un diámetro interior de 0,1 m. Estaba equipada por encima
de una altura de aproximadamente 0,8 m con 4 capas de relleno de un
relleno de chapa estructurado en una estructura de canales cruzados
con una superficie específica de 250 m^{2}/m^{3} (modo de
construcción Montz B1-250). El relleno estructurado
correspondía por consiguiente a un relleno estructurado del estado
de la técnica. Las capas de relleno de este relleno estructurado
presentaban elementos de relleno con pandeos en línea recta. Las
trayectorias de los pandeos formaban un ángulo de 45º con el eje
longitudinal de la capa de relleno o el eje longitudinal de la
columna. Los elementos de relleno presentaban perforaciones en forma
de círculo. Como mezcla de prueba sirvió el sistema aire/agua. La
columna se hizo funcionar con una presión de 1 bar y una temperatura
de aproximadamente 25ºC. A la cabeza de la columna se alimentó un
caudal de líquido de 100 l/h. La cantidad de aire añadida en el
extremo inferior de la columna se varió de tal manera que se obtuvo
factores F entre 0,7 y 3,3 Pa^{0,5}.
Se midió la presión \Delta p diferencial y la
retención hp dinámica del relleno estructurado. Los resultados de
las mediciones se muestran en la figura 8 como cuadrados. Un
cuadrado relleno indica la pérdida \Delta p de presión, un
cuadrado vacío indica la retención hp.
La retención dinámica era, con factores F< 3
Pa^{0,5}, solamente de aproximadamente 2%. Esta ascendió de manera
abrupta con un aumento adicional del factor F inferior al 10% y
llevó a la saturación de todo el relleno. Debido a esta
característica no fue posible un ajuste encauzado de una retención
hp dinámica de más del 2%. También la pérdida \Delta p de presión
muestra un aumento muy abrupto en el caso de factores F más
elevados.
La disposición del ensayo y las condiciones de
funcionamiento correspondían a las del ejemplo comparativo. Sin
embargo, a diferencia del ejemplo comparativo, la columna se equipó
con una forma de realización de un relleno estructurado según la
presente invención. Éste se componía de tres capas de relleno que
estaban compuestas en cada caso de una primera capa de relleno
secundaria inferior y una segunda capa de relleno secundaria
superior. La primera capa de relleno secundaria inferior era un
relleno de chapa estructurado en una estructura de canales cruzados
con una superficie específica de 250 m^{2}/m^{3} y una altura de
0,20 m (modo de construcción Montz B1-250), tal como
se utilizó ya en el ejemplo comparativo. En este sentido se remite a
las realizaciones del ejemplo comparativo. La segunda capa de
relleno secundaria superior era un relleno de chapa estructurado con
una superficie específica de 500 m^{2}/m^{3} con una altura de
0,03 m (modo de construcción Montz B1-500). Este
relleno de chapa presentaba elementos de relleno con pandeos
rectilíneos cuyas trayectorias de pandeo formaban un ángulo de 45º
con el eje longitudinal de la capa de relleno. Los elementos de
relleno presentaban perforaciones en forma de círculo. La altura H
de una capa de relleno era de 0,23 m. Las tres capas de relleno se
disponían en la columna unas sobre otras.
De manera correspondiente al ejemplo comparativo,
se midieron la presión diferencial o la pérdida \Delta p de
presión y la retención hp dinámica del relleno estructurado. Los
resultados de las mediciones se muestran en las figura 8 como
cuadrados. Un cuadrado relleno indica la pérdida \Delta p de
presión, un cuadrado vacío indica la retención hp.
La retención hp dinámica pudo elevarse de modo
uniforme de 2% a 8% aumentando el factor F de 1,5 a 2,5. La pérdida
de presión está bien correlacionada con la retención hp. Mediante la
selección de la pérdida de presión puede ajustarse de manera
encauzada un valor deseado de la retención hp.
La disposición del ensayo y las condiciones de
funcionamiento correspondían a las del ejemplo comparativo o a las
del ejemplo 1. La columna se equipó con una forma de realización de
un relleno estructurado según la presente invención, coincidiendo el
relleno estructurado fundamentalmente con el del ejemplo 1. El
relleno estructurado estaba compuesto a su vez de tres capas de
relleno que se componían en cada caso de una primera capa de relleno
secundaria inferior y una segunda capa de relleno secundaria
superior. La primera capa de relleno secundaria inferior
correspondía a la del relleno de chapa utilizado en el ejemplo 1 o
en el ejemplo comparativo. En este sentido se remite a las
realizaciones anteriores. Sin embargo, la segunda capa de relleno
secundaria superior se componía, a diferencia del ejemplo 1, de un
relleno de tejido con una superficie específica de 500
m^{2}/m^{3} (modo de construcción Montz A3-500).
Este relleno de tejido presentaba elementos de relleno con pandeos
en línea recta cuyas trayectorias de pandeo formaban con el eje
longitudinal de la capa de relleno un ángulo de 30º. Los elementos
de relleno presentaban perforaciones en forma de círculo. La altura
de la segunda capa de relleno secundaria superior era, como en el
ejemplo 1, de 0,03 m. La altura de una capa de relleno era, por
consiguiente, como en el ejemplo 1, de 0,23 m.
De manera correspondiente al ejemplo comparativo
y al ejemplo 1, se midieron la presión diferencial o la pérdida
\Delta p de presión y la retención hp dinámica. Los resultados de
las mediciones se muestran en las figura 8 como círculos. Un círculo
relleno indica la pérdida \Delta p de presión, un círculo vacío
indica la retención hp.
La retención dinámica pudo elevarse de manera
uniforme de 2% a 10% aumentando el factor F de 2,0 a 3,0. Aquí
también la pérdida de presión está bien correlacionada con la
retención hp y permite y un ajuste encauzado de una retención
deseada.
En una columna de ensayo con un diámetro de 0,1
se realizaron ensayos de destilación con una mezcla de prueba de
isobutanol y n-butanol a una presión de 1 bar. La
columna estaba equipada con una forma de realización de un relleno
estructurado que correspondía a la del ejemplo 2.
Se midió la presión diferencial o la pérdida
\Delta p de presión y el número de etapas n_{th} teóricas de
separación por metro [m] de altura de relleno /columna. Los
resultados de las mediciones se muestran en la figura 9. Un cuadrado
relleno indica el número de etapas n_{th} teóricas de separación
por metro [m], un cuadrado vacío indica la pérdida \Delta p de
presión.
Mediante un estancamiento encauzado del líquido
por una zona ancha técnicamente utilizable pudo aumentarse el número
de etapas n_{th} de separación por metro aproximadamente un 50%.
El estado operativo deseado ventajoso pudo controlarse de manera
exacta mediante la presión diferencial o la pérdida \Delta p de
presión.
La disposición del ensayo, el relleno
estructurado y la mezcla de prueba correspondían a las del ejemplo
3. La presión operativa de la columna era, sin embargo, de solamente
0,2 bar.
Se midió, al igual que en el ejemplo 3, la
presión diferencial o la pérdida \Delta p de presión y el número
de etapas n_{th} teóricas de separación por metro [m] de altura de
relleno/columna. Los resultados de las mediciones se muestran en la
figura 10. Un cuadrado relleno indica el número de etapas n_{th}
teóricas de separación por metro [m], un cuadrado vacío indica la
pérdida \Delta p de presión.
También en este ejemplo mediante el estancamiento
encauzado del líquido pudo aumentarse el número de etapas n_{th}
teóricas de separación por metro [m] de altura de relleno/columna
aproximadamente en un 50%. La medición de la presión \Delta p
diferencial hizo posible también aquí un control exacto del estado
operativo deseado.
Claims (10)
1. Procedimiento para el intercambio de calor y/o
de materia entre un líquido y un gas en una columna, en la que el
líquido y el gas se conducen por un relleno estructurado que
presenta al menos una capa (1) de relleno con un primer extremo (2)
inferior y un segundo extremo (3) superior con una geometría interna
que varía a través de su altura y las cantidades de líquido y de gas
se ajustan de tal manera que en una primera zona (6) especialmente
inferior de la capa (1) de relleno se configura de manera encauzada
una capa de burbujas con una fase gaseosa principalmente dispersa, y
al mismo tiempo en una segunda zona (7) especialmente superior de la
capa (1) de relleno se configura de forma encauzada un flujo en
película del líquido con una fase gaseosa principalmente
continua.
continua.
2. Procedimiento según la reivindicación 1,
caracterizado porque el líquido y el gas se conducen en
contracorriente.
3. Procedimiento según la reivindicación 1 o 2,
en el que el tiempo de permanencia del líquido en la columna se
ajusta de manera encauzada mediante la selección de la capacidad
calorífica mediante la medición de la presión diferencial.
4. Procedimiento según una de las
reivindicaciones 1 a 3, en el que la capa (1) de relleno posee una
resistencia al flujo que varía a través de su altura.
5. Procedimiento según una de las
reivindicaciones 1 a 4, en el que la primera zona (6) de la capa (1)
de relleno presenta una resistencia al flujo mayor que la segunda
zona (7) de la capa (1) de relleno.
6. Procedimiento según una de las
reivindicaciones 1 a 5, en el que la capa (1) de relleno presenta
elementos (4) de relleno planos que están en contacto, especialmente
chapas, metales estirados, telas metálicas, tejidos de punto, con
pandeos (8) de trayectorias determinadas, formando las trayectorias
de los pandeos o las tangentes a las trayectorias de los pandeos en
la primera zona (6) de la capa (1) de relleno un ángulo (\alpha)
con el eje (5) longitudinal de la capa (1) de relleno mayor que en
la segunda zona (7) de la capa (1) de relleno.
7. Procedimiento según una de las
reivindicaciones 1 a 6, en el que los pandeos (8) de los elementos
(4) de relleno presentan, al menos por secciones, una trayectoria en
forma de arco o lineal.
8. Procedimiento según una de las
reivindicaciones 1 a 7, en el que la capa (1) de relleno presenta
elementos (4) de relleno, estando plegados a modo de lengüetas al
menos una parte de los elementos de relleno en el extremo (2)
inferior y/o en el extremo (3) superior de la capa (1) de
relleno.
9. Procedimiento según una de las
reivindicaciones 1 a 8, en el que la capa (1) de relleno presenta
elementos (4) de relleno, estando dispuestas entre al menos una
parte de los elementos (4) de relleno, especialmente en el extremo
(2) inferior de la capa (1) de relleno, tiras (15) finas a un lado o
a los dos lados, especialmente de chapa metálica.
10. Procedimiento según una de las
reivindicaciones 1 a 9, en el que la capa (1) de relleno está
compuesta de una combinación de al menos una primera y una segunda
capa (10, 11) secundaria de relleno, diferenciándose la primera capa
(10) de relleno secundaria y la segunda capa (11) de relleno
secundaria en relación con su geometría interna.
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