ES2343067T3 - Aparato para mezclar corrientes de fluidos. - Google Patents
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Abstract
Una disposición para mezclar corrientes de fluidos en un conducto (1), comprendiendo dicha disposición - al menos un dispositivo de mezcla (3) que tiene un lado frontal y lado trasero (3'') y posicionándose dentro de dicho conducto (1) a través del que viaja una primera corriente principal (2), el al menos un dispositivo de mezcla (3) determinando un área de sección transversal total que es menor que aquella del conducto (1), en el que el al menos un dispositivo de mezcla (3) se posiciona dentro del conducto (1) con un ángulo de incidencia (α) de la primera corriente principal (2) sobre el lado frontal del al menos un dispositivo de mezcla (3) entre 10 y 80º, caracterizado por que el al menos un dispositivo de mezcla (3) tiene forma de una placa sólida llana provista de uno o más salientes (9, 11) que se extienden hacia fuera del cuerpo de placa sólida principal (10) y en el mismo plano definido por la sección transversal de dicho cuerpo de placa sólida principal.
Description
Aparato para mezclar corrientes de fluidos.
La presente invención se refiere a una
disposición para mezclar corrientes de fluidos en un conducto con al
menos un dispositivo de mezcla posicionándose dentro de dicho
conducto y en particular la invención se refiere a un novedoso
dispositivo de mezcla para una disposición de este tipo.
Particularmente, la invención se refiere a
disposiciones de este tipo, que se construyen a fin de adecuarse
para su uso en aplicaciones que incluyen reducción de óxidos de
nitrógeno y reducción de ácido sulfúrico a partir de vapor ácido en
la depuración del gas de combustión.
\vskip1.000000\baselineskip
La mezcla apropiada de corrientes de fluidos
individuales o varias corrientes de fluidos que interactúan en
conductos o canales requiere la presencia de regiones relativamente
turbulentas por la generación de componentes de velocidad
transversales a la corriente de fluido primordial, principal que
pasa a través del conducto. A fin de conseguir la mezcla apropiada
entre, por ejemplo, una o más corrientes de fluidos inyectándose en
una corriente de fluido principal, una cierta distancia se requiere
a lo largo del conducto (canal). De forma convencional, la misma se
cuantifica en términos de diámetros del canal denominados como
distancias de mezcla. En la presente memoria descriptiva, la
distancia de mezcla se considera como la distancia desde el punto en
el que se emplaza el primer dispositivo de mezcla y el punto en el
que se consigue la mezcla deseada de la corriente. Por mezcla se
entiende, una unificación de las propiedades de las corrientes
implicadas en términos de flujo de masa, velocidad, temperatura y
concentración de las especies presentes. Las distancias de mezcla
pueden variar dentro de un intervalo de 1-100
diámetros del canal dependiendo, entre otras cosas, del tipo de
corriente de fluido, flujos de volúmenes relativos y concentración
de las especies dentro de las corrientes de fluidos. En la presente
memoria descriptiva de la patente, una corriente de fluido puede ser
un gas, un líquido o una corriente de partículas suspendidas en un
gas, por ejemplo, un aerosol. Por aerosol se entiende una colección
de partículas muy pequeñas dispersas en un gas.
La reducción de las distancias de mezcla es
altamente deseable y puede conseguirse mediante la implementación
de mezcladores estáticos, es decir, dispositivos de mezcla sin
movimiento. Estos son dispositivos básicos que no tienen partes de
accionamiento y en los que se mezclan o se agitan las corrientes de
fluidos que pasan a través del mezclador estático. La turbulencia
localizada se crea cerca del mezclador estático, y por consiguiente,
puede conseguirse la homogenización de una o más corrientes de
fluidos que estén en contacto con el mezclador.
El uso de mezcladores estáticos tiene la
desventaja que su uso se manifiesta en pérdidas de presión
considerables en el conducto, con el efecto asociado de costosas
pérdidas de energía. Aunque pueden aceptarse pérdidas de presión
muy importantes en aplicaciones en las que la buena mezcla es de
suma importancia, todavía existe la necesidad de que los
mezcladores estáticos eficaces o disposición de mezcladores
estáticos sean capaces de proporcionar una buena mezcla en las
corrientes que interactúan, con una desventaja relativamente baja
en términos de pérdida de presión.
Mezclar bien las corrientes que interactúan es
particularmente relevante en aplicaciones relacionadas con la
depuración de gases, por ejemplo, gases de combustión a partir de
equipos de combustión u hornos de temperaturas elevadas en los que
se generan contaminantes gaseosos. Cuando el contaminante
transportado por la corriente de gas principal es óxido de
nitrógeno (NO_{x}), se inyecta un agente de reducción, tal como
amoniaco, como la especie activa de una segunda corriente. En este
proceso, la cantidad de amoniaco incorporada por la segunda
corriente es mucho menor que el flujo del volumen de la corriente
principal o primordial. Por consiguiente, el uso de cantidades
pequeñas de amoniaco impone una gran demanda en la homogeneidad o
grado de mezcla de la mezcla de gas. El gas mezclado va hacia
delante hasta una unidad de catálisis, en la que los óxidos de
nitrógeno se reducen en nitrógeno libre por reacción con el
amoniaco.
Debido a que la abertura de salida de la segunda
corriente se inyecta en el conducto que trasporta la primera
corriente principal sólo puede sobresalir interiormente una pequeña
distancia desde la pared del conducto, la concentración de la
especie activa de la segunda corriente, por ejemplo, amoniaco,
tiende a disminuir hacia el centro del conducto, contribuyendo de
esta manera a una mezcla de mala calidad. Es imprescindible que
concentraciones sustancialmente iguales de amoniaco prevalezcan a
través de toda la sección transversal del conducto mientras la
corriente principal va hacia la unidad de catálisis. La mezcla de
mala calidad u homogeneidad de mala calidad del amoniaco inyectado
puede implicar mayores niveles de NO_{x} en la chimenea así como
que pasen niveles no deseados de amoniaco sin reaccionar a través
de la unidad de catálisis.
Pueden proveerse otras aplicaciones, por
ejemplo, la reducción de la formación de vapor ácido a partir de la
fabricación de ácido sulfúrico. Durante la condensación del ácido
sulfúrico, se genera el vapor del ácido sulfúrico. Este vapor del
ácido puede observarse como un aerosol que consiste de pequeñas
gotitas de ácido sulfúrico. Las demandas ambientales con respecto
al escape del vapor ácido a partir de plantas de fabricación de
ácido sulfúrico son bastante estrictas, y se han publicado varios
procedimientos para regular las emisiones de vapor ácido. Uno de
los procedimientos publicados, por ejemplo, como se ha descrito en
la patente Europea Nº 419.539, depende de la presencia de pequeñas
partículas en el gas que actúan como semillas de nucleación para la
condensación del ácido sulfúrico a fin de estimular la generación de
gotitas de ácido sulfúrico más grandes. Estas gotitas son más
grandes cuando la condensación se realiza en la presencia de
semillas de nucleación, haciendo de esta manera su filtración mucho
más fácil y más eficaz y por tanto, llevando el escape del vapor
ácido dentro de niveles ambientalmente aceptables. En este proceso,
las semillas de nucleación que tienen un diámetro de, por ejemplo,
menor que 1 \mum pueden añadirse como una suspensión de partículas
(humo a partir de óxidos metálicos generados mediante soldadura
eléctrica, humo a partir de la combustión del combustible, por
ejemplo, humo a partir de la combustión de aceites de silicona)
dentro del aire suministrado antes de la condensación del ácido
sulfúrico. Las formas adecuadas de introducir una corriente que
comprende las semillas de nucleación se describe en la patente
Europea Nº 419.539. El éxito del proceso depende de la capacidad de
las semillas de nucleación para interactuar con los vapores del
ácido sulfúrico. Esta interacción se promueve mediante la
mezcla.
La necesidad de dispositivos de mezcla
adecuados, particularmente mezcladores estáticos es bastante
reconocida en la técnica, a fin de proporcionar la mezcla absoluta
de corrientes de fluidos sin pérdidas de presión considerables
dentro de los conductos o canales.
La patente de Estados Unidos Nº 4.527.903
describe un sistema para mezclar al menos flujos que se descargan
en un flujo principal que comprende superficies insertables para
crear remolinos que pueden variar en forma. Las Figuras
5-10 de este documento citado muestran un amplio
intervalo de formas para las superficies insertables para crear
remolinos, por ejemplo, circular, parabólica o con base de diamante.
Las superficies insertables para crear remolinos pueden usarse en
torres de enfriamiento, en las que se descargan dos corrientes
diferentes en un flujo principal, o en chimeneas y sistemas de
tuberías.
La Patente de Estados Unidos Nº 6.135.629
describe una disposición de dispositivos de mezcla o estructuras
insertables para mezclar varias corrientes de fluidos. Las
estructuras insertables se pliegan a lo largo de líneas rectas para
formar secciones transversales con forma de \omega o w, se manera
que las mismas son más delgadas y más ligeras en peso que las
estructuras insertables convencionales. Esto permite la
incorporación de soportes relativamente ligeros para asegurar las
estructuras insertables de tal manera que se mejora el diseño
mecánico del sistema. Las estructuras insertables convencionales
mencionadas o dispositivos genéricos requieren de estructuras de
soporte relativamente pesadas y se caracterizan por ser circulares,
elípticas, ovales, parabólicas, romboidales o triangulares. El
objetivo de la invención es mejorar los dispositivos genéricos al
disminuir el peso de las estructuras y soportes.
La Patente de Estados Unidos Nº 5.456.533
describe un elemento mezclador estático en un canal de flujo que
comprende deflectores fijados a los artículos del montaje a una
distancia desde la pared del canal. Los deflectores forman un
ángulo con respecto a la dirección de flujo principal y pueden tener
diferentes formas. Las Figuras 3a-3d de este
documento citado muestran, por ejemplo, deflectores que tienen
formas sustancialmente circulares y triangulares.
El documento EP 1.170.054 B1 describe un
mezclador para mezclar gases y otros líquidos Newtonianos que
comprenden superficies incorporadas posicionadas dentro de un canal
de flujo a fin de influenciar el flujo. Las superficies
incorporadas se posicionan transversales a la dirección de flujo
principal y parcialmente superpuestas. Esto proporciona la
homogeneización del perfil de velocidad del flujo mediante las
superficies incorporadas. Se ha mencionado que las superficies
incorporadas pueden ser discos redondos, discos con forma delta o
discos con formas básicas triangulares o discos con forma elíptica
o parabólica. El mezclador posibilita la mezcla rápida de la
corriente en el canal de flujo en una distancia de mezcla muy
pequeña.
La Patente de Estados Unidos Nº 5.547.540
describe un dispositivo para enfriar gases y secar partículas
sólidas añadidas a los gases en el que la boca de la línea de
entrada está en la forma de un difusor de impacto. Dentro del área
del difusor de impacto se disponen uno o varios insertos a fin de
producir un torbellino en el borde principal. La Figuras 3 a 9 en
este documento citado muestran varias formas, por ejemplo, circular,
triangular y elíptica. Las Figuras 8 y 9 en este documento citado
representan las formas perfiladas, por ejemplo, un inserto con
forma de V en la Figura 8 para incrementar la intensidad de la
mezcla y un inserto con bordes en ángulos para estabilizar el
inserto.
El documento EP 638.732 A describe el uso de
superficies incorporadas circulares en el área de expansión de un
difusor a fin de asegurar el flujo uniforme a un bajo costo y a
bajas pérdidas de presión.
El documento EP 1.166.861 B1 describe un
mezclador estático en el que un canal de flujo contiene un disco
que influencia el flujo y en el que el disco comprende además una
cámara para el paso de un segundo flujo de gas, emplazándose dicha
cámara sobre el lado trasero del disco y además estando provista de
aberturas de salida. Esta cámara se conecta de forma integral con
un conducto que transporta la segunda corriente. Esto permite la
mezcla rápida de las corrientes de fluidos en pequeñas secciones de
mezcla.
La utilización de dispositivos de mezcla que
tienen forma regular es común para todas estas descripciones. Por
dispositivos de mezcla que tienen forma regular se entienden
dispositivos de mezclas que no tienen secciones transversales
huecas y que presentan formas que son sustancialmente circulares,
trapezoidales, elípticas, similares a un diamante, triangulares o
similares. Es decir, libre de salientes que se extienden hacia fuera
de la periferia o cuerpo principal del dispositivo de mezcla.
Mezcladores estáticos más sofisticados se
describen en las Patentes de Estados Unidos Nº 4.929.088 y
5.605.400. Las mismas describen dispositivos de mezcla huecos
relativamente costosos con salientes o proyecciones dirigidos hacia
dentro de la periferia de los dispositivos.
La Patente de Estados Unidos Nº 4.929.088
describe un mezclador estático simple para inducir la mezcla de un
flujo dentro de un conducto en el que una o más pestañas a modo de
rampas se proyectan hacia dentro en un ángulo agudo desde la
superficie límite, es decir, las paredes del canal, de tal manera
que las pestañas se inclinan en la dirección del flujo. El
mezclador estático es hueco a fin de permitir el paso del flujo a
través del mismo y su periferia corresponde sustancialmente a la
periferia del canal, por ejemplo una tubería de pared. Se puede
observar que el dispositivo de mezcla tiene salientes dirigidos
hacia dentro de la periferia del canal del flujo.
La Patente de Estados Unidos Nº 5.605.400
describe un elemento de mezcla cilíndrico para el paso de fluidos a
través del mismo que comprende un número de los denominados cuerpos
de cuchilla en espiral dispuestos dentro del elemento de mezcla.
Estos cuerpos se disponen a fin de formar un número de pasos del
fluido que se extienden espiralmente a lo largo de la longitud del
elemento de mezcla. Estos cuerpos de cuchilla se forman
independientes del elemento de mezcla cilíndrico y se unen al mismo
mediante por ejemplo, soldadura. Se ha mencionado que esto da como
resultado un mezclador estático de mayor eficacia de mezcla
producido a un coste relativamente bajo en comparación con los
elementos de mezcla similares, en los que el elemento cilíndrico y
los cuerpos de cuchilla se forman de como conjunto.
La Patente de Estados Unidos Nº 4.034.965
describe un mezclador estático que tiene una porción plana central
y orejas dobladas de forma opuesta. Las orejas dobladas de forma
opuesta se disponen sustancialmente de forma transversal a la
corriente de fluido en un conducto, mientras que el plano de dicha
porción plana central tiene por objeto alinearse con el eje
longitudinal del conducto. Las orejas se configuran en sus
periferias externas para un ajuste general de la pared del conducto
o preferiblemente para "saltar" contra la pared del
conducto.
Los mezcladores estáticos aún más sofisticados
comprenden canales subdividos en secciones corrugadas más pequeñas
que forman un número de compartimentos más pequeños. Esta
disposición divide en flujo en corrientes separadas de manera que
se crea la interacción intensiva entre las corrientes. Después, las
corrientes separadas se dirigen nuevamente a fin de formar una
mezcla homogénea. Este tipo de mezclador estático (mezclador de gas
Sulzer SMV) proporciona una buena mezcla con pérdidas de presión
relativamente bajas. Sin embargo, los mismos son algo costosos y
pueden requerir de un mayor número de puntos de inyección para la
introducción de una segunda corriente dentro de la corriente de
fluido principal que cuando se utilizan dispositivos de mezclas
estáticos con formas regulares.
La Patente Estados Unidos Nº 4.498.786 (Figuras
19-24) muestra dispositivos de mezcla planos y no
planos. No existe descripción de los dispositivos de mezcla planos
o llanos que tienen salientes que se extienden fuera y en el mismo
plano que del resto del dispositivo.
El documento
DE-A-4211031 describe un dispositivo
de mezcla (Mischkörper 5) que comprende dos piezas llanas
dispuestas alrededor de un eje común de manera que se puede
construir como un dispositivo con forma de techo o V de manera que
el mismo puede girar durante la operación. Este documento citado no
menciona la provisión de una placa sólida llana, es decir, un
dispositivo de mezcla plano o llano, que tiene salientes que se
extienden fuera y en el mismo plano que el resto del
dispositivo.
A fin de enfrentarse a intervalos de pérdidas de
presión comercialmente aceptados, los dispositivos de mezcla más
simples que tienen una forma regular se posicionan de forma
convencional de tal forma que la primera corriente principal
impacta sobre el lado frontal del dispositivo de mezcla a un ángulo
de incidencia dado. El documento EP 1.170.054 describe por ejemplo,
una disposición de cuerpos con formas regulares, tales como discos
redondos dispuestos sustancialmente de forma transversal a la
dirección de flujo principal y que forman un ángulo de 40º a 80º,
preferiblemente de 60º con respecto a la dirección de flujo
principal. El ángulo de incidencia es el ángulo formado entre la
dirección de la corriente de fluido principal y un plano definido a
lo largo de la sección transversal del dispositivo de mezcla.
Debe entenderse que se necesita una solución
intermedia entre tener un ángulo de incidencia muy alto, por
ejemplo de 90º, por el que el dispositivo de mezcla se posiciona
transversalmente a la dirección principal de la primera corriente
principal y un ángulo de incidencia bajo, por ejemplo de 0º, por el
que el dispositivo de mezcla se alinea con la dirección principal
de la primera corriente principal. En el primero, el área proyectada
del mezclador sobre un plano transversal a la dirección de la
corriente principal iguala al área de sección transversal del
dispositivo de mezcla. Esta configuración promueve la creación de
regiones de flujo turbulentos sobre el lado trasero del dispositivo
de mezcla, pero impone una mayor pérdida de presión. En la última
disposición, en la que el ángulo de incidencia es de 0º, el
dispositivo de mezcla no ejerce ninguna influencia sobre la
corriente principal. El área proyectada del mezclador sobre un plano
transversal a la dirección de la corriente principal es cero, por
consiguiente, no se crean regiones de flujo turbulentos y esto da
como resultado mezclas de mala calidad. Sin embargo, la pérdida de
presión es bastante baja. El área proyectada del dispositivo de
mezcla sobre un plano transversal a la dirección de la corriente
principal es importante. Un área proyectada mayor implica una mayor
generación de regiones turbulentas sobre el lado trasero del
mezclador y por lo tanto, una mejor mezcla de la corriente o las
corrientes. Por consiguiente, sería deseable proporcionar una
disposición de dispositivos de mezcla que tengan un ángulo de
incidencia óptimo con respecto a la corriente de fluido principal a
fin de sean capaces de incrementar el grado de mezcla con una
desventaja mínima en términos de pérdidas de presión.
Por lo tanto, un problema principal al que la
técnica hace frente es que es deseable obtener una buena mezcla de
las corrientes de fluidos que interactúan dentro de una distancia de
mezcla relativamente pequeña a lo largo del conducto sin
comprometer la eficacia de energía del sistema impuesta por la
pérdida de presión elevada ejercida por el dispositivo de
mezcla.
Como alternativa, es deseable ser capaz de
encontrar medios para conseguir una mejor mezcla de una sola
corriente de fluido o de al menos dos corrientes de fluidos que se
encuentre dentro de un intervalo de pérdida de presión
comercialmente aceptado en comparación con la mezcla obtenida a
partir de los dispositivos de mezcla de la técnica anterior,
particularmente mezcladores que tienen una forma de base regular,
por ejemplo, circular o elíptica. Además, sería deseable ser capaz
de proporcionar un dispositivo de mezcla que pueda solucionar los
problemas de mezclar de forma
eficaz las corrientes de fluidos con una pérdida de presión mínima, a bajo coste y proporcionando medios simples.
eficaz las corrientes de fluidos con una pérdida de presión mínima, a bajo coste y proporcionando medios simples.
Otro problema encontrado en los dispositivos de
mezcla con forma regular particularmente convencionales, por
ejemplo, mezcladores circulares o elípticos, es que el
posicionamiento de los mismos dentro de conductos rectangulares o
cuadrados puede dar como resultado mezclas de mala calidad en o
cerca de las regiones de esquinas del conducto.
Por consiguiente, nos hemos dado cuenta de que
sería deseable rediseñar los dispositivos de mezcla con forma
regular conocidos, particularmente mezcladores con forma
sustancialmente circular o elíptica, a fin de que sean muchos más
eficaces en términos de proporcionar buena mezcla y con el efecto
concomitante de reducir distancias de mezcla en el conducto.
Particularmente, no hemos dado cuenta de que sería deseable si todo
esto pudiera conseguirse con dispositivos de mezcla que indujeran
un mejor grado de mezcla dentro de un intervalo de pérdida de
presión comercialmente aceptado que con mezcladores con forma
regular convencionales.
De acuerdo con la invención, proporcionamos una
disposición para mezclar corrientes de fluidos en un conducto, como
se ha definido en la reivindicación 1. Las realizaciones preferidas
se definen en las reivindicaciones dependientes
2-8.
Por placa sólida se entiende cualquier lámina de
metal u otro material alineada sustancialmente de forma transversal
con el flujo de corriente y que es capaz de desviar o controlar
dicho flujo dentro de un espacio cerrado. Por cuerpo de placa
sólida principal se entiende el cuerpo con forma regular, por
ejemplo, circular, que constituye dicha placa sólida y desde el que
emergen salientes.
Debe encontrarse sorprendente que la provisión
de salientes en la placa sólida incremente de forma significante el
grado de mezcla de las corrientes de fluidos. Se cree que los
salientes actúan como brazos que son capaces de coger e impartir
movimiento adicional al flujo en zonas potencialmente muertas
alrededor de la placa sólida, en particular cerca o en las esquinas
del conducto cuadrado o rectangular. Como zonas muertas se entienden
zonas en las que se reducen los vectores de velocidad que forman
parte del perfil de velocidad de la corriente principal en su
dirección del recorrido, es decir, la velocidad se acerca a cero.
Debe entenderse que ya que la placa sólida se alinea
sustancialmente de forma transversal a la primera corriente
principal, la placa sólida actúa como el elemento de mezcla
principal creando de esta manera, remolinos relativamente grandes
sobre su lado trasero. Los salientes ayudan a la mezcla principal
generada por el impacto del flujo sobre el lado frontal de la placa
sólida al crear remolinos pequeños, que se arrastran en los
remolinos más grandes sobre el lado trasero de la placa sólida.
Ya que en muchas circunstancias una o más
corrientes de fluidos necesitan mezclarse con una primera corriente
de fluido principal, la invención proporciona también una
disposición para éste propósito como se ha definido en la
reivindicación 2.
En una realización específica, el conducto es
cuadrado o rectangular, como se ha definido en la reivindicación
3.
En otra realización específica la forma del
cuerpo de placa sólida principal es sustancialmente circular o
elíptica, como se ha definido en la reivindicación 4.
La primera corriente principal puede ser un gas
de combustión que contiene óxidos de nitrógeno y por consiguiente,
dicha segunda corriente puede ser un fluido que contiene agentes de
reducción del óxido de nitrógeno, por ejemplo, amoniaco u urea.
Típicamente el flujo de volumen de dicha primera corriente principal
es mucho mayor que el flujo de volumen de al menos una segunda
corriente de fluido. La proporción de los flujos de volumen de
dicha primera corriente principal con respecto a la segunda
corriente puede ser de hasta 1000:1, por ejemplo 100:1 o 10:1.
La primera corriente principal también puede ser
un gas un combustión que contiene vapor de ácido sulfúrico
condensable y que puede contener partículas que pueden actuar como
semillas de nucleación para la formación de gotitas de ácido
sulfúrico.
Hemos encontrado que cuando se comparan con los
dispositivos de mezcla de forma regular, particularmente mezcladores
circulares, los dispositivos de mezcla de la invención son menos
obstructivos para la corriente de fluido principal. Los
dispositivos de mezcla de la invención incorporan cierto grado de
espacios vacíos o huecos entre los salientes en su periferia lo que
da como resultado una resistencia relativamente baja a la corriente
de fluido principal, por lo tanto reduciendo aún más las pérdidas de
presión. Se cree que los beneficios de los dispositivos de mezcla
de la invención surgen no sólo debido a la creación de regiones de
turbulencias locales sobre el lado trasero de la placa sólida
(dispositivo de mezcla), sino también debido a la obstrucción
reducida en contra de la corriente de fluido principal mientras esta
impacta sobre el lado frontal de la placa sólida.
En la invención, los dispositivos de mezcla se
posicionan preferiblemente en una relación lado a lado a través y a
lo largo de la longitud del conducto como se ha definido en la
reivindicación 6. Los dispositivos de mezcla también pueden
disponerse a fin de formar una alineación inclinada con respecto al
recorrido de la corriente de fluido principal dentro del conducto.
Una alineación inclinada ofrece las ventajas de que se proporcione
una resistencia relativamente baja a la corriente principal y que se
reduzca la desventaja impuesta por las pérdidas de presión no
deseadas. Los dispositivos de mezcla pueden alinearse a fin de
formar regiones superpuestas o de desviación que fuercen a la
corriente principal desviarse de su dirección de recorrido principal
y promover además, de esta manera, la mezcla u homogeneización del
flujo. Una disposición de este tipo que utiliza mezcladores
estáticos circulares se describe en la Patente Europea Nº
1.170.054.
En una realización específica de la invención,
el área de sección transversal total cubierta por los dispositivos
de mezcla de la invención corresponde con el área de sección
transversal que tenían los dispositivos de mezcla con forma
regular, por ejemplo, circular. De esta forma, el área de sección
transversal total que permite el paso libre la corriente mezclada
en el conducto permanece sustancialmente constante.
Los salientes pueden tener cualquier forma, sin
embargo, se prefiere que los mismos tengan una forma ahusada
apuntando hacia fuera del cuerpo de placa sólida principal como se
ha definido en la reivindicación 5. El número de salientes puede
variar; puede solamente haber un saliente, pero se obtienen mejores
resultados en términos de mezcla teniendo de dos a seis salientes,
preferiblemente de cuatro a cinco, y lo más preferible es cinco. El
área de sección transversal de cada saliente individual puede
variar, pero se prefiere que al menos dos salientes exhiban de
forma sustancial la misma sección transversal. El término saliente
debe entenderse como una región de la placa sólida sobresaliendo
desde la placa sólida principal, por ejemplo, su periferia,
teniendo la placa sólida principal una forma regular que es
circular, elíptica, triangular, deltoidea, romboidal y similares.
Los salientes se extienden hacia fuera en el mismo plano definido
por la sección transversal del cuerpo de placa sólida
principal.
En otra realización ventajosa de la invención,
un saliente se extiende sólo ligeramente fuera del cuerpo principal
y corresponde con una región emplazada cerca y sustancialmente por
debajo de la salida de al menos una segunda corriente de fluido.
Por lo tanto, los medios de inyección, por ejemplo, un conducto para
la introducción de amoniaco dentro de la corriente principal, se
adaptan a fin de proporcionarse para el impacto o contacto de la
menos una segunda corriente sobre al menos una región parcial del
lado trasero de la placa sólida. De esta forma, se evita el flujo
de retorno de la segunda corriente: se evita que la segunda
corriente vaya hacia abajo por debajo de la placa sólida
(dispositivo de mezcla) y dentro de su sección frontal. En lugar, la
segunda corriente se dirige hacia arriba dentro del flujo
turbulento que se crea aguas abajo, es decir, sobre el lado trasero
de la placa sólida.
Como resultado de la invención, el grado de
mezcla o eficacia de mezcla se mejora dentro de una distancia de
mezcla dada o dentro de un intervalo de pérdida de presión dado
(comercialmente aceptable). Esta mejora en la mezcla con respecto a
por ejemplo, dispositivos de mezcla circulares puede cuantificarse
(véase más adelante en conexión con el ejemplo dado en la Figura
3). Los beneficios de la invención también pueden observarse en
términos de pérdida presión: ahora es posible operar con pérdidas de
presión menores que lo que es posible cuando se opera normalmente
con dispositivos de mezcla circulares convencionales. Como
alternativa, se reduce la distancia de mezcla que un conducto
necesitaba para obtener el mismo grado de mezcla en comparación con
el uso de mezcladores circulares. La distancia de mezcla en el
conducto puede reducirse (en términos adimensionales) de forma
significante con respecto a la utilización de un mezclador circular
convencional. Por ejemplo, para una disposición que comprende un
sólo dispositivo de mezcla en un conducto cuadrado, la distancia de
mezcla necesaria para conseguir un grado de la mezcla dado puede
reducirse de tres diámetros hidráulicos, cuando se utiliza un
dispositivo de mezcla circular a dos diámetros hidráulicos, cuando
se utiliza el dispositivo de mezcla de la invención.
Como resultado de la invención, ahora es posible
mediante medios simples reducir además la formación del vapor ácido
durante la fabricación del ácido sulfúrico en operaciones de
depuración de gases de combustión. Un proceso típico comprende el
precalentamiento del gas de combustión en un intercambiador de calor
gas-gas seguido por la oxidación catalítica de
SO_{2} en el gas de combustión a SO_{3} en un convertidor
catalítico. Después, el gas del convertidor catalítico se hace
pasar a través del intercambiador de calor gas-gas,
por lo que su temperatura se reduce a aproximadamente
200-300ºC. Después el gas del convertidor catalítico
se expone además a un enfriamiento posterior a aproximadamente
100ºC en un denominado condensador H_{2}SO_{4}, por el que el
SO_{3} reacciona con vapor de agua para producir vapor de
H_{2}SO_{4} que se condensa como H_{2}SO_{4}
concentrado.
El uno o más dispositivos de mezcla de la
invención pueden posicionarse ventajosamente en cualquier punto
aguas arriba de dicha etapa de condensación del ácido sulfúrico, por
ejemplo, en el conducto que transporta el gas de suministro que
entra a dicho convertidor catalítico de SO_{2} a SO_{3}, o en el
conducto posterior entre el convertidor catalítico y dicho
intercambiador de calor gas-gas. Preferiblemente, el
uno o más dispositivos de mezcla se posicionan en el conducto entre
el intercambiador de calor gas-gas y el condensador
de H_{2}SO_{4}.
Las semillas de nucleación que tienen diámetros
por ejemplo, menores que 1 \mum pueden añadirse como una
suspensión de partículas generada por el humo a partir de soldadura
eléctrica, humo a partir de combustión de combustible, por ejemplo,
humo a partir de la combustión de aceites minerales o de silicona.
El humo a partir de la combustión de aceites de silicona es
particularmente ventajoso debido a la cantidad significante de
semillas se nucleación que puede generar en comparación con por
ejemplo, aceites vegetales. Las semillas de nucleación pueden
añadirse dentro del aire de suministro antes de la condensación del
ácido sulfúrico. Las formas adecuadas de introducir una corriente
que comprende las semillas de nucleación se describen en la Patente
Europea Nº 419.539.
Las semillas de nucleación en la forma de una
suspensión de partículas pueden añadirse como una segunda corriente
en el mismo conducto en el que se posiciona al menos un dispositivo
de mezcla. Las semillas de nucleación en la forma de una suspensión
de partículas también pueden añadirse dentro de otro conducto aguas
arriba de el al menos un dispositivo de mezcla. Por ejemplo, las
semillas de nucleación pueden añadirse dentro del conducto a través
del que viaja el gas de suministro que entra al convertidor
catalítico de SO_{2} a SO_{3}. Preferiblemente, las semillas de
nucleación se añaden en el conducto aguas arriba del intercambiador
de calor gas-gas, mientras que el al menos un
dispositivo de mezcla se posiciona en el conducto entre el
intercambiador de calor gas-gas y el condensador de
H_{2}SO_{4}.
\vskip1.000000\baselineskip
La invención se ilustra en los dibujos adjuntos,
en los que la Figura 1 muestra una vista esquemática de sección
transversal vertical de una sección de gas de combustión de acuerdo
con la invención.
La Figura 2 muestra una vista de sección
transversal de un mezclador de acuerdo con la invención posicionado
dentro de un conducto cuadrado.
La Figura 3 muestra un gráfico que describe los
grados de mezcla como una función de las pérdidas de presión para
un dispositivo de mezcla de acuerdo con la invención con respecto a
un dispositivo de mezcla circular convencional.
En la Figura 1, la sección del gas de combustión
para reducir los óxidos de nitrógeno comprende un conducto 1 que
tiene una sección rectangular a través de la que pasa el gas de
combustión 2. El gas de combustión representa una primera corriente
de fluido principal que viaja en la dirección Z y que colisiona con
el lado frontal del dispositivo de mezcla 3, que se dispone
sustancialmente de forma transversal a la dirección del recorrido
de dicha primera corriente de fluido principal. El mezclador 3 se
posiciona en un ángulo de incidencia \alpha con respecto a la
dirección de recorrido en la corriente de fluido principal 2. Una
segunda corriente de fluido 4 se inyecta a través del conducto 5
sobre el lado trasero 3' de la placa sólida del dispositivo de
mezcla 3. Los dispositivos de mezcla 3 crean remolinos o flujos
turbulentos 6 a medida que pasa la corriente principal 3
transportando, de esta manera, la segunda corriente 4 y permitiendo
la mezcla de corrientes de fluidos 2, 4. Debe entenderse que la
buena mezcla surge debido al flujo turbulento 6 creado sobre el lado
trasero 3' del dispositivo de mezcla 3 que comprende secciones como
torbellinos en las que la corriente fluye parcialmente en la
dirección Y, es decir, transversalmente a la dirección de la
corriente principal Z. En conductos más grandes, pueden disponerse
dispositivos de mezcla adicionales 3'' para proporcionar buena
mezcla a través de toda la sección transversal del canal. Puede
disponerse conductos adicionales 5' para la inyección de una
corriente secundaria 4. Adicionalmente, una unidad de catálisis 7
puede proporcionarse aguas abajo.
Ahora con referencia a la Figura 2, se muestra
el lado frontal de un sólo dispositivo de mezcla 3. El dispositivo
de mezcla es una placa sólida que comprende salientes triangulares 9
que se extienden hacia fuera del cuerpo de placa sólida principal
circular 10. Los salientes se extienden hacia fuera en el mismo
plano definido por la sección transversal del cuerpo de placa
sólida principal. El dispositivo de mezcla 3 se emplaza dentro del
conducto 8 que tiene longitudes laterales S1 y S2. El conducto puede
tener cualquier forma, pero es preferiblemente cuadrado (S1 = S2) o
rectangular (S \neq S2). El ángulo de incidencia \alpha de la
primera corriente de fluido principal 2 corresponde en esta figura
a 90º. La segunda corriente de gas impacta sobre el lado trasero 3'
del dispositivo de mezcla 3 y un saliente secundario 11 actúa como
una cola que impide el flujo de retorno de dicha segunda corriente
4 dentro de la sección frontal del mezclador 3.
Una línea discontinua 12 alrededor del cuerpo de
placa sólida principal representa una vista de sección transversal
que tiene un radio Rc de un dispositivo de mezcla equivalente 13 que
tiene una forma de base circular y en el que su área de sección
transversal corresponde a aquella del dispositivo de mezcla 3. Por
propósitos de comparación, se tiene por objeto pero no
necesariamente se requiere que el área de sección transversal del
dispositivo de mezcla 3 sea igual a aquella del dispositivo de
mezcla 13 correspondiente que tiene una forma de base regular, en
este documento circular. La forma de base regular también puede ser
otra que la circular, por ejemplo como se describe en las Figura 4
a 8 de la Patente de Estados Unidos Nº 4.527.903.
La forma de los salientes es preferiblemente de
tal manera que los mismos sean ahusados hacia fuera del cuerpo de
placa sólida principal 10 teniendo una forma de base circular con un
radio R como en la Figura 2. Por lo tanto, los salientes pueden
tener una forma triangular, también pueden preverse de otras formas,
por ejemplo, rectangular, elíptica o en forma de un deltoide. El
número y forma de los salientes puede variar dentro de un sólo
dispositivo de mezcla de manera que algunos salientes puedan
extenderse hacia fuera más que otros. Los salientes pueden
acortarse o expandirse según se desee, pero puede ser deseable que
el material añadido o retirado se añada o se retire dentro del
cuerpo principal 10 al incrementar o disminuir su radio R, de manera
que el área de sección transversal total permanezca sustancialmente
constante.
En el dispositivo de mezcla de la Figura 2 se
muestran cuatro salientes triangulares principales 9 así como un
saliente secundario 11. También es posible tener un dispositivo de
mezcla 3 que tiene un solo saliente principal 9, pero que el número
de salientes principales 9 también puede ser mayor que cuatro o
cinco, por ejemplo, de seis a diez e incluso más. Preferiblemente,
el número de salientes principales 9 se mantiene alrededor de
cuatro a fin de mejorar la mezcla de la corriente o corrientes de
fluidos en las esquinas de los conductos cuadrados o
rectangulares.
En una realización ventajosa de la invención,
los salientes principales 9 se emplazan en las esquinas de un
rectángulo hipotético que tiene longitudes laterales S1 y S2 que
rodean el dispositivo de mezcla 3. Cada saliente 9 y 11 se extiende
sobre un área que corresponde con el ángulo \theta. El ángulo
\theta puede variar de 20º a 45º, pero se prefiere en el
intervalo de 25º a 35º, normalmente de 20º a 45º, más
preferiblemente entre 30º y 40º, lo más preferible es que sea
aproximadamente 30º. Se prefiere que la extensión SW de los
salientes 9 en la realización mostrada en la Figura 2 sea tal que
Sw>2\cdot(Rc-R). El área de sección
transversal total del dispositivo de mezcla es del 50% al 75% o 80%
de un rectángulo o cuadrado hipotético que tiene longitudes
laterales S1 y S2 que rodean el dispositivo de mezcla
3.
3.
Por lo tanto, en otra realización todavía más
específica de la invención los salientes principales tienen forma
triangular, Sw>2\cdot(Rc-R) y \theta
está en el intervalo de 20º a 45º, como se ha definido en la
reivindicación 8.
La placa sólida puede elaborarse de materiales
similares al metal, fibras de vidrio, plástico o similares. Cuando
nos referimos a placa sólida, abarcamos varias formas de placas
rígidas y no rígidas, que pueden o que no pueden doblarse por la
influencia de la corriente de fluido principal. Preferiblemente, las
placas sólidas son placas relativamente delgadas, por ejemplo, de
5-20 mm de espesor, elaboradas de metal y que no se
doblan durante el paso de la corriente de fluido.
El saliente secundario 11 puede omitirse ya que
su objetivo fundamental es evitar el flujo de retorno de la segunda
corriente dentro de la sección frontal de la placa sólida como se ha
explicado anteriormente. Debe notarse que el posicionamiento del
dispositivo de mezcla 3 con respecto a la salida de los medios de
inyección 5 puede disponerse de tal manera que se minimice el flujo
de retorno de la segunda corriente 4, por ejemplo, dejando que la
segunda corriente 4 impacte sobre el lado trasero 3' del dispositivo
de mezcla 3 cerca de su región central. Por consiguiente, la salida
de la segunda corriente, que básicamente corresponde con los medios
de inyección 5 se adapta a fin de proporcionar el impacto de la
segunda corriente 4 sobre al menos una región parcial del lado
trasero 3' de al menos un dispositivo de mezcla 3. Esta región de
impacto se extiende sustancialmente sobre el área dada por el
ángulo \theta en la región de la placa sólida en la que se emplaza
el saliente secundario 11.
La Figura 3 muestra un ejemplo comparativo entre
un dispositivo de mezcla circular convencional 13 y un dispositivo
de mezcla 3 de acuerdo con la presente invención (mezclador circular
con salientes triangulares de la Figura 2). Ambos dispositivos
tienen la misma área de sección transversal. El grado de mezcla se
presenta como una función de pérdida de presión mientras se mide en
un conducto cuadrado que tiene dimensiones de 200 x 200 mm. Para un
conducto de este tipo un valor típico de R está en el intervalo de
50-100 mm, por ejemplo 77 mm. La comparación se da
a una distancia de mezclado que corresponde con tres diámetros
hidráulicos, en la que el diámetro hidráulico se define como la
proporción de cuatros veces la sección transversal del flujo del
fluido S1\cdotS2 y la circunferencia húmeda
2\cdot(S1+S2). Debe observarse que el grado de mezcla en la
Figura 3 se representa actualmente como la denominada Incapacidad
de Mezcla; esto es, a menor valor de Incapacidad de Mezcla a lo
largo del eje Y mejor será la mezcla del gas indicador en la
corriente de gas principal.
La Incapacidad de Mezcla en la Figura 3 se ha
determinado de acuerdo con un procedimiento de visualización de
hoja láser seguido por S. Matlok, P.S. Larsen, E. Gjernes y J.
Folm-Hansen "Mixing studies in a 1:60 scale model
of a corner-fired boiler with OFA" en el 8vo
Internacional Symposium on Flow Visualisation, 1998, páginas
1-1 a 1-6 y figuras adjuntas. Este
procedimiento de láser sirve de forma adecuada para cuantificar la
concentración de ciertas especies, por ejemplo, semillas de gas
indicador con una bruma (humo de aceite) a cualquier distancia de
mezcla en el conducto, es decir, la distancia a partir del punto en
el que se emplaza el primer dispositivo de mezcla. Sin embargo,
será aparente para aquellos expertos que otros procedimientos
convencionales también son adecuados. Por ejemplo, al inyectar un
gas indicador tal como metano y medir su concentración a una
distancia de mezcla dada usando un analizador del gas indicador
adecuado.
La Incapacidad de Mezcla en la Figura 3 se
define tomando la proporción de la desviación estándar (RMS) y el
valor medio (Media) de la concentración una especie, por ejemplo,
una semilla de gas indicador con una bruma (humo de aceite) a lo
largo de la anchura de un conducto a una distancia de mezcla dada,
en este documento tres diámetros hidráulicos. Por lo tanto, a menor
proporción (RMS/Media) menor será la desviación a partir de un
valor medio de concentración de a lo largo de la anchura del
conducto y por consiguiente, mejor será la mezcla. La proporción
del flujo de volumen de la corriente secundaria que transporta el
gas indicador con respecto a la corriente principal que viaja a lo
largo del conducto es de aproximadamente 1:100.
La pérdida de presión a lo largo del eje X en la
Figura 3 se da como de forma convencional en la técnica en términos
del número de cabezales de velocidad, es decir, como un coeficiente
de caída de presión \varepsilon siguiendo la relación:
donde
\DeltaP es la pérdida de presión (Pa) y ½ de
\rho \cdot \nu^{2} representa un cabezal de velocidad (Pa)
a una distancia de mezcla dada en el conducto;
\rho representa la densidad de la corriente
(kg/m^{3}), y
\nu su velocidad (m/s).
El coeficiente de caída de presión puede
correlacionarse con el ángulo de incidencia \alpha del flujo en
el conducto hacia la sección frontal del dispositivo de mezcla, por
lo tanto, un coeficiente de caída de presión entre 8 y 9 en la
curva corresponde con un ángulo de incidencia de aproximadamente
90º, mientras que un coeficiente de caída de presión de 0
corresponde con un ángulo de incidencia de 0º.
En la invención, los resultados ventajosos en
términos de mezcla o pérdida de presión con respecto a los
dispositivos de mezcla circulares se obtienen cuando el ángulo de
incidencia está en el intervalo de 10º a 80º, particularmente entre
20º y 60º. Preferiblemente, como se ha definido en la reivindicación
7 el ángulo de incidencia está entre 30º y 50º, lo más preferible
es de 35º a 45º.
La Figura 3 muestra que en el intervalo
comercialmente relevante del coeficiente de caída de presión, es
decir entre 0,5 y 3, el dispositivo de mezcla de acuerdo con la
invención, es decir, con salientes triangulares, tiene un
coeficiente de caída de presión significantemente menor para el
mismo valor de RMS/Media (Incapacidad de Mezcla) cuando se compara
con un dispositivo de mezcla circular que tiene la misma área de
sección transversal. Como alternativa, se consigue una mezcla mucho
mejor con el dispositivo de mezcla de la invención en comparación
con el dispositivo de mezcla circular a un coeficiente de caída de
presión dado. Como un ejemplo particular, a un coeficiente de caída
de presión comercialmente relevante de 2, el valor de RMS/Media
(Incapacidad de Mezcla) para un mezclador circular convencional es
de aproximadamente 0,24, mientras que para el dispositivo de mezcla
de la invención de la Figura 2 el mismo es 0,12. Otro ejemplo
particular, para un valor aceptable predefinido de RMS/media de
0,2, el dispositivo de mezcla circular de la Figura 2 da como
resultado un coeficiente de expresión de caída de presión de
aproximadamente 3, mientras que el dispositivo de mezcla de la
invención de la Figura 2 da como resultado un coeficiente de caída
de presión de aproximadamente 1. Esto tiene que observarse en el
contexto de que el intervalo de 1 a 3 en el coeficiente de caída de
presión a lo largo del eje X corresponde a aproximadamente 2 mbar.
Para un puesto de la central eléctrica convencional que tiene un
volumen de flujo principal de 700.000 Nm^{3}/h una pérdida de
presión de 1 mbar implica un costo de penalización de
aproximadamente 150.000 euros sobre el tiempo depreciación de la
central.
Claims (8)
1. Una disposición para mezclar corrientes de
fluidos en un conducto (1), comprendiendo dicha disposición
- -
- al menos un dispositivo de mezcla (3) que tiene un lado frontal y lado trasero (3') y posicionándose dentro de dicho conducto (1) a través del que viaja una primera corriente principal (2), el al menos un dispositivo de mezcla (3) determinando un área de sección transversal total que es menor que aquella del conducto (1), en el que el al menos un dispositivo de mezcla (3) se posiciona dentro del conducto (1) con un ángulo de incidencia (\alpha) de la primera corriente principal (2) sobre el lado frontal del al menos un dispositivo de mezcla (3) entre 10 y 80º,
caracterizado por que el al menos un
dispositivo de mezcla (3) tiene forma de una placa sólida llana
provista de uno o más salientes (9, 11) que se extienden hacia
fuera del cuerpo de placa sólida principal (10) y en el mismo plano
definido por la sección transversal de dicho cuerpo de placa sólida
principal.
2. Una disposición de acuerdo con la
reivindicación 1, comprendiendo además medios de inyección (5) para
la introducción de al menos una segunda corriente (4) dentro de
dicho conducto (1), en la que dicha primera corriente principal (2)
viaja, y en la que la segunda corriente (4) impacta sobre al menos
una región parcial del lado trasero (3') del al menos un
dispositivo de mezcla (3).
3. Una disposición de acuerdo con las
reivindicaciones 1 ó 2, en la que dicho conducto (1) es cuadrado o
rectangular.
4. Una disposición de acuerdo con cualquiera de
las reivindicaciones precedentes, en la que la forma de dicho
cuerpo de placa sólida principal (10) es sustancialmente circular o
elíptico.
5. Una disposición de acuerdo con cualquiera de
las reivindicaciones precedentes, en la que el al menos un saliente
(9, 11) se ahúsa hacia fuera desde el cuerpo de placa sólida
principal (10).
6. Una disposición de acuerdo con cualquiera de
las reivindicaciones precedentes, en la que el al menos un
dispositivo de mezcla (3) se posiciona en una relación lado a lado a
través y a lo largo de la longitud del conducto (1), donde tiene
lugar la mezcla de la corriente de fluido (2, 4).
7. Una disposición de acuerdo con cualquiera de
las reivindicaciones precedentes en la que el ángulo de incidencia
(\alpha) es de 30º a 50º.
8. Una disposición de acuerdo con la
reivindicación 5, en la que los salientes principales (9) tienen
forma triangular y en la que SW >
2\cdot(Rc-R) y \theta está en el
intervalo de 20º a 45º, preferiblemente entre 30º y 40º.
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