Un aparato, que comprende: una columna de intercambio dividida por pared (20) para procesos de transferencia de calor y/o masa que tiene un eje longitudinal rodeado a cierta distancia por una pared interior (24) quedando,

por tanto, un espacio interior entre ambos componentes; una pared separadora (26) dispuesta en el espacio interior, con un primer y segundo lados, y que divide dicho espacio interior en por lo menos un primer y segundo espacios longitudinales adyacentes respectivamente al primer y segundo lados de la pared separadora; caracterizado en que al menos un miembro de reforzamiento alargado (22) tiene un primer extremo conectado a la pared interior (24) de la columna de intercambio y un segundo extremo opuesto al primero, estando dicho segundo extremo conectado al primer o segundo lados de la pared separadora (26)

Columna con pared separadora.

Antecedentes de la invención

La presente invención se refiere a columnas de intercambio divididas por pared para procesos de transferencia de calor y/o masa. La invención se aplica particularmente en procesos criogénicos de separación de aire por destilación, aunque también se puede utilizar en otros procesos de transferencia de calor y/o masa que usan platos y relleno (por ejemplo, relleno aleatorio o estructurado).

Según se describe a continuación, el término "columna" (o "columna de intercambio") designa una columna o zona de destilación o fraccionamiento, es decir, una columna o zona donde las fases de líquido y vapor entran en contacto a contracorriente para separar una mezcla de fluidos, como poniendo en contacto las fases de vapor y líquido en elementos de relleno o en una serie de platos o placas espaciados verticalmente montados dentro de la columna.

El término "sección de la columna" (o "sección") se refiere a una zona de la columna que rellena todo o parte de una sección transversal de la misma. La parte superior o inferior de una sección o zona particular termina en los distribuidores de líquido y vapor (se discute más adelante) respectivamente.

El término "relleno" denota a cuerpos sólidos o huecos de tamaño, forma, y configuración predeterminados utilizados como componentes internos de la columna que proporcionan superficie al líquido para permitir la transferencia de masa a la interfase líquido-vapor durante el flujo a contracorriente de dos fases. Las dos clases principales de rellenos son el "aleatorio" y el "estructurado".

El "relleno aleatorio" designa al relleno en el que los miembros individuales no tienen ninguna orientación particular entre sí o con el eje de la columna. Los rellenos aleatorios son estructuras pequeñas y huecas con una gran área superficial por unidad de volumen que son cargados al azar dentro de una columna.

El "relleno estructurado" se refiere al relleno en donde los miembros individuales tienen una orientación específica entre sí o con el eje de la columna. Los rellenos estructurados están hechos normalmente de hojas metálicas delgadas, metal expandido, o malla de alambre entrelazado que se apilan en capas o enlazados en espiral; sin embargo, se pueden utilizar otros materiales de construcción como láminas metálicas planas.

En procesos como la destilación o el enfriamiento por contacto directo, resulta ventajoso utilizar el relleno estructurado para promover la transferencia de calor y masa ente los flujos de líquido y vapor que fluyen a contracorriente. El relleno estructurado, cuando se compara con el relleno aleatorio o los platos, ofrece el beneficio de una eficiencia superior en la transferencia de calor y masa con una caída de presión inferior. Asimismo presenta un rendimiento más predecible que el relleno aleatorio.

La separación criogénica de aire se efectúa pasando líquido y vapor puestos en contacto a contracorriente a través de una columna de destilación. Una fase de vapor de la mezcla asciende con una concentración siempre creciente de los componentes más volátiles (por ejemplo, nitrógeno) mientras que una fase líquida de la mezcla desciende con una concentración siempre creciente de los componentes menos volátiles (por ejemplo, oxígeno).

Se pueden emplear varios rellenos o platos para poner en contacto las fases líquida y gaseosa de la mezcla a fin de conseguir la transferencia de masa entre las mismas. El uso de relleno para la destilación es una práctica habitual y tiene muchas ventajas donde la caída de presión es importante.

La exposición inicial del relleno al líquido y vapor se hace normalmente por medio de distribuidores. Un distribuidor de líquido, cuya función es irrigar el relleno con líquido de manera sustancialmente uniforme, se localiza por encima del relleno, mientras que un distribuidor de vapor, cuya función es crear un flujo de vapor sustancialmente uniforme por debajo del relleno, se localiza debajo del mismo.

Hay diversos tipos diferentes de distribuidores de líquido utilizados generalmente en procesos de separación de aire. Uno de los tipos, un distribuidor tubular, está compuesto por una red de interconexión de tuberías o conductos cerrados y normalmente consta de una tubería o colector central y varios brazos o ramales que parten de la tubería central. Los brazos están perforados para permitir que el líquido que pasa desde el colector al interior de los brazos sea esparcido en gotas o pulverizado sobre un lecho empacado que se encuentra debajo del distribuidor tubular. El flujo ascendente de vapor pasa fácilmente entre cada brazo. Los distribuidores tubulares reciben líquido desde un colector de líquido independiente o una fuente externa canalizada a la pared de la columna.

Los distribuidores tipo artesa están compuestos por un conjunto de receptáculos de interconexión abiertos que tienen orificios de irrigación en la base para suministrar líquido al relleno que se encuentra abajo. Uno o más receptáculos del grupo superior, o un sencillo depósito sobre la parte superior de los receptáculos inferiores alimenta líquido a estos últimos por una serie de orificios o ranuras de desagüe. El vapor procedente del relleno dispuesto abajo asciende y pasa entre los receptáculos recolectores de líquido.

Una columna dividida por pared es en principio una simplificación de un sistema de columnas de destilación térmicamente acopladas. En las columnas divididas por pared, tal y como se muestra en las figuras 1 y 2, la pared separadora se localiza en el espacio interior de la columna. La figura 1 ilustra una típica columna dividida por pared (10) que utiliza una pared de cuerdas (12), mientras que en la figura 2 se ilustra otra columna dividida por pared habitual (10) con una pared anular (14). La pared separadora es generalmente vertical.

El soporte de la pared separadora no debería interferir con la instalación de los platos o el relleno. El uso de relleno estructurado en una columna dividida por pared requiere que el líquido sea uniformemente suministrado sobre la parte superior del relleno estructurado empleando un distribuidor de líquido. Estos requerimientos originan serios problemas que se deben solventar a la hora de diseñar y fabricar las columnas divididas por pared.

Por ejemplo, puesto que se producen dos separaciones diferentes de transferencia de masa en ambos lados de la pared separadora, las cuales pueden tener presiones y temperaturas de funcionamiento distintas, la pared separadora puede que tenga que resistir una presión diferencial y/o temperatura diferencial a su través. La presión diferencial puede ejercer una fuerza significativa sobre la pared separadora, la cual debe ser contrarrestada por el diseño mecánico de la pared, y la temperatura diferencial puede dar lugar a un cambio indeseable en el proceso de destilación adyacente a la pared separadora, que debe ser compensado por alguna forma de resistencia térmica (aislamiento) entre ambos lados.

En el caso de un diseño de pared de cuerdas, la fuerza de la presión diferencial puede ser sustancial. Los diseños de la técnica anterior para neutralizar dicha fuerza son de fabricación difícil y/o costosa, frecuentemente conllevan una pérdida inaceptable del área de la columna disponible para la destilación, u obstaculizan de manera notable el proceso de destilación.

Otro problema radica en que la técnica anterior no resuelve satisfactoriamente el modo de diseñar la conformación del relleno estructurado y/o los platos en columnas divididas por pared o, en el caso del relleno estructurado, el modo de diseñar y disponer el distribuidor de líquido.

En las patentes norteamericanas nº 4.615.770 (Govind) y 4.681.661 (Govind) se describen columnas de destilación con doble interrelación similares a la columna dividida por pared anular ilustrada en la figura 2 antes mencionada. Ninguna de estas patentes solucionan la necesidad de incrementar la solidez de la pared anular.

En la patente norteamericana nº 5.709.780 (Ognisty, et al.) se reconoce la necesidad de minimizar las tensiones mecánicas en los tabiques divisorios de una columna de destilación integrada que tiene una sección dividida de extracción o de absorción debido a la gran presión diferencial que se produce a través de dichos tabiques. La patente sugiere que se podría utilizar una pared curva o angulada más que una sustancialmente plana, lo cual es preferible para facilitar la instalación. Asimismo, sugiere que las tensiones mecánicas se pueden...

1. Un aparato, que comprende: una columna de intercambio dividida por pared (20) para procesos de transferencia de calor y/o masa que tiene un eje longitudinal rodeado a cierta distancia por una pared interior (24) quedando, por tanto, un espacio interior entre ambos componentes; una pared separadora (26) dispuesta en el espacio interior, con un primer y segundo lados, y que divide dicho espacio interior en por lo menos un primer y segundo espacios longitudinales adyacentes respectivamente al primer y segundo lados de la pared separadora; caracterizado en que al menos un miembro de reforzamiento alargado (22) tiene un primer extremo conectado a la pared interior (24) de la columna de intercambio y un segundo extremo opuesto al primero, estando dicho segundo extremo conectado al primer o segundo lados de la pared separadora (26).

2. Un aparato como en la reivindicación 1, en donde el segundo extremo de un miembro de reforzamiento alargado (22) está conectado al primer lado de la pared separadora (26), y el segundo extremo de otro miembro de reforzamiento alargado está conectado al segundo lado de dicha pared.

3. Un aparato según la reivindicación 1, en donde una primera capa de relleno estructurado está situada en el primer espacio longitudinal, teniendo dicha capa un primer eje longitudinal que se encuentra dispuesto en un primer ángulo respecto a la pared separadora; una segunda capa de relleno estructurado está situada en el primer espacio longitudinal adyacente y por debajo de la primera capa de relleno estructurado, teniendo dicha segunda capa un segundo eje longitudinal que se encuentra dispuesto en un segundo ángulo con relación a la pared separadora, formando dicho segundo eje un ángulo respecto al primero; y el segundo extremo de al menos un miembro de reforzamiento alargado está conectado al primer lado de la pared separadora, por lo menos una parte del al menos único miembro de reforzamiento alargado está dispuesta en la segunda capa de relleno estructurado y es sustancialmente paralela al segundo eje longitudinal.

4. Un aparato como en la reivindicación 3, en donde el ángulo es de 90º.

5. Un aparato como en la reivindicación 4, en donde el primer eje longitudinal es sustancialmente paralelo a la pared separadora y el segundo eje longitudinal es sustancialmente perpendicular a la misma.

6. Un aparato según la reivindicación 3, en donde la segunda capa de relleno estructurado está dispuesta en el primer espacio longitudinal por debajo de la primera capa de dicho relleno; el segundo extremo de al menos un miembro de reforzamiento alargado está conectado al primer lado de la pared separadora, por lo menos una parte del al menos un miembro de reforzamiento alargado está dispuesta en la primera capa de relleno estructurado y es sustancialmente paralela al segundo eje longitudinal; y al menos otro miembro de reforzamiento alargado tiene un primer extremo conectado a la pared interior de la columna de intercambio y un segundo extremo opuesto al primero, estando dicho segundo extremo conectado al primer lado de la pared separadora, por lo menos una parte del al menos otro miembro de reforzamiento alargado está dispuesta en la segunda capa de relleno estructurado y es sustancialmente paralela al segundo eje longitudinal.

7. Un aparato como en la reivindicación 6, en donde al menos un miembro de reforzamiento alargado está en una primera posición y por lo menos el otro miembro de reforzamiento alargado está en una segunda posición separada tanto horizontal como verticalmente de la primera posición del al menos miembro precedente.