Aparato de tratamiento de fluido en lecho poco profundo.

Un procedimiento de tratamiento de un fluido, comprendiendo dicho procedimiento:

proporcionar un lecho (132) de resina en forma de columna que tiene un diámetro que es dimensionalmente mayor que la altura de la misma;

proporcionar un distribuidor (128) que tiene conductos y salidas de distribución configuradas en forma de estructura fractal;

colocar dicho distribuidor (128) separado de dicho lecho (132) de resina para definir un espacio vacío entre dicho distribuidor (128) y dicho lecho (132) de resina;

proporcionar un colector (136) que tiene conductos y entradas de recogida configuradas en forma de estructura fractal;

colocar dicho colector con respecto a dicho distribuidor, de tal forma que dicho lecho (132) de resina esté colocado entre dicho distribuidor (128) y dicho colector (136);

hacer que fluya fluido desde dicho distribuidor (128) para formar un cuerpo de fluido por encima de dicho lecho de resina y hacer pasar dicho cuerpo de fluido a través de dicho lecho (132) de resina y después hacer pasar dicho cuerpo de fluido a dicho colector (136), en respuesta a una caída de presión en dicho lecho (132) de resina;

estando caracterizado dicho procedimiento porque dicha estructura fractal comprende una estructura fractal de generación progenitora y una pluralidad de generaciones sucesivas de estructura fractal, siendo un área total de corte transversal de cada una dichas generaciones sucesivas de estructura fractal sustancialmente igual o mayor que el área total de corte transversal de dicha generación progenitora de estructura fractal, definiendo dicho distribuidor (128) una población de salidas de fluido; y hacer pasar dicho cuerpo de fluido a través de dicho lecho de resina de tal forma que una sección plana a través de dicho fluido de tratamiento, orientada transversalmente con respecto a la dirección de flujo a través de dicho lecho de resina, sigue plana mientras dicho cuerpo de fluido atraviesa dicho lecho de resina.

Aparato de tratamiento de fluido en lecho poco profundo Campo técnico Muchos tratamientos de fluidos operan haciendo pasar fluidos a través de lechos de material. Estos tratamientos incluyen cromatografía, intercambio de iones, adsorción, reacción catalítica, etc. La presente invención está dirigida a estos tratamientos en general.

Técnica antecedente Los tratamientos de fluidos presentan característicamente límites rigurosos en su operación debido a caídas de presión en el lecho, a la cinética y a la uniformidad del flujo. Estos límites se imponen, por ejemplo, en la productividad, la eficiencia de tratamiento, uso de energía, tamaño del sistema, compatibilidad medioambiental y costes de capital/operativos.

Como ejemplo de cómo ocurren estos límites, puede limitarse el caudal que atraviesa un lecho, porque, a medida que aumenta el caudal, aumenta la caída de presión en el lecho. La caída de presión puede alcanzar un punto en el que pueda superarse el timbraje de una columna que contiene el lecho, el lecho puede empezar a apelmazarse de forma inaceptable, pueden destruirse partículas del lecho y puede requerirse una energía excesiva para la operación. Está claro que este efecto impone límites en la productividad (límites en el caudal) y en el diseño y el costo de la célula (una presión elevada requiere una resistencia estructural adicional) .

Como ejemplo adicional, las velocidades lineales elevadas pueden dar como resultado una interacción o una reacción inaceptablemente deficientes de un fluido con el material del lecho. Es decir, los requerimientos cinéticos del sistema se limitan a sí mismos. Una velocidad lineal excesivamente elevada de un fluido a través de un lecho dará como resultado un tiempo de contacto insuficiente del fluido con la partículas del lecho. Está claro que esto impone límites a la productividad. (De nuevo, el caudal está limitado) .

Extender un lecho con una geometría ancha (gran sección transversal) , llana (profundidad superficial o trayectoria de corto recorrido) en vez una geometría alta (trayectoria de largo recorrido) , estrecha (sección transversal relativamente pequeña, transversal a la dirección del flujo) reducirá tanto la caída de presión en el lecho como la velocidad lineal de un fluido que atraviese el lecho. Aunque ambos efectos serían beneficiosos, la construcción de tal columna no está extendida debido a la dificultad de distribuir y recoger fluido en un lecho ancho y poco profundo (una gran sección transversal) . Normalmente, cualquier turbulencia o falta de homogeneidad en el fluido introducido en la columna no pueden ser atenuadas por medio de un lecho ancho de poca profundidad, por lo que las faltas de homogeneidad se ven reflejadas como ineficiencias y un tratamiento inaceptable. Por ejemplo, en cromatografía, tales problemas dan como resultado un ensanchamiento de banda y en una separación deficiente de los componentes de una mezcla suministrada.

En la patente estadounidense nº 4.673.507, de Brown, se da a conocer un dispositivo representativo. La patente 4.673.507 da a conocer un aparato de tratamiento de fluidos que puede usarse para la operación en lecho de poca profundidad. Sin embargo, este dispositivo carece de un suministro de fluido significativamente distribuido y de sistemas de recogida y depende de mantener el lecho en una condición apelmazada en exceso. Se logra una distribución sustancialmente uniforme del flujo de fluido a través del lecho empleando resinas de tamaño de partícula fino (sustancialmente uniforme) que se mantienen en una condición "apelmazada en exceso" se usa con el significado de que las partículas están confinadas dentro del lecho de resina de modo que están sometidas a compresión en todo momento. Este dispositivo restringe inherentemente el flujo del fluido de tratamiento a través del lecho.

La patente estadounidense nº 5.626.750, de Chinn, da a conocer un aparato para el tratamiento de fluido. En este aparato, se proporcionan "cavidades libres de partículas" primera y segunda por encima y por debajo del lecho que retiene las partículas. Se proporciona un flujo homogéneo de fluido a través del lecho simplemente por la caída de presión en el lecho. La caída de presión en el lecho es una función de las presiones en las cavidades primera y segunda. No se realiza provisión alguna para controlar sustancialmente las características de flujo del fluido (torbellinos o zonas turbulentas) en corrientes del fluido de tratamiento cerca de la superficie del lecho.

Se encuentran revelaciones previas de estructuras de tipo fractal en Kearney, M. "Control of Fluid Dynamics with Engineered Fractals-Adsorption Process Applications", Chemical Engineering Communications, Londres, Gran Bretaña, Vol. 173, junio de 1999 (1999-06) , páginas 43-52, XP000900461 ISSN: 0098-6445; DE 41 18 501A; Patent Abstracts of Japan, vol. 012, nº 451 (p-791) [JP 63 173960 A]; US-A-4025438; y US-A-4059528. Se encuentran revelaciones adicionales de estructuras fractales en los documentos WO 98/14268A1 (Amalgamated Research Inc (US) 9 de abril de 1998) y WO 99/485 99 A1 (Amalgamated Researched Inc (US) 30 de septiembre de 1999) .

Sería un avance proporcionar un aparato para el tratamiento de fluidos que presente una caída reducida de la presión a través de un lecho de medios y que también tenga una tasa (velocidad) de flujo de fluido reducida con un

caudal volumétrico aumentado a través del lecho. Un aparato preferente proporcionar control sobre el caudal de tratamiento para reducir la mezcla y la turbulencia cerca del lecho para resistir las faltas de homogeneidad en la corriente de tratamiento.

Revelación de la invención Un procedimiento para el tratamiento de un fluido incluye proporcionar un lecho de resina en forma de columna que tiene un diámetro que es dimensionalmente mayor que la altura de la misma; proporcionar un distribuidor en forma de estructura fractal, definiendo dicho distribuidor una población de salidas de fluido que tiene una densidad mayor de aproximadamente 200 salidas de fluido por 0, 0929 metros cuadrados; situar dicho distribuidor separadamente de dicho lecho de resina para definir un espacio vacío entre dicho distribuidor y dicho lecho de resina; proporcionar un colector, estando situado dicho lecho de resina entre dicho distribuidor y dicho colector; y hacer que dicho fluido fluya desde dicho distribuidor, a través de dicho lecho de resina y, después, a dicho colector en respuesta a una caída de presión en dicho lecho de resina de menos de 34, 5 kPa y fluidificando o lavando a contracorriente dicho lecho de resina utilizando dicho espacio vacío.

Además, un aparato de tratamiento de fluidos incluye un primer lecho de resina con un extremo de entrada, un extremo de salida y un diámetro de al menos dos veces la distancia entre dicho extremo de entrada y dicho extremo de salida; un primer distribuidor de fluido construido y dispuesto para introducir fluido en dicho extremo de entrada de dicho lecho de resina con una densidad de al menos 200 salidas de distribución por 0, 0929 metros cuadrados, incluyendo dicho distribuidor una pluralidad de conductos individuales, estando situado dicho primer distribuidor de fluido separadamente de dicho primer lecho de resina, para definir un espacio vacío, entre dicho primer distribuidor de fluido y dicho primer lecho de resina; y un primer colector de fluido construido y dispuesto para recoger fluido tratado una vez en dicho extremo de salida de dicho lecho de resina.

La presente invención proporciona un aparato para un sistema de tratamiento de fluidos que implica hacer pasar un fluido a través de un lecho de tratamiento configurado para tener un diámetro sustancialmente mayor que su altura (la distancia entre su extremo de entrada y su extremo de salida) . La invención es operable en sistemas en los que la proporción entre diámetro (D) y altura (h) del lecho de tratamiento es de hasta 20:1 o más. La invención se aplica ventajosamente a lechos con proporciones D:h que se aproximan a 2:1, pero en la actualidad se prefieren proporciones D:h que superan aproximadamente 3:1. La expresión "lecho de tratamiento" se refiere a cualquier masa confinada de material (medio) de tratamiento convencional o de fin especial contenido por una célula o una columna a través de la cual se hacen pasar fluidos. Tales materiales típicos de tratamiento incluyen materiales inorgánicos u orgánicos de relleno, medios cromatográficos, medios de intercambio de iones, medios de absorción o adsorción, enzimas y reactivos catalíticos.

Típicamente, se dispone un distribuidor... [Seguir leyendo]

1. Un procedimiento de tratamiento de un fluido, comprendiendo dicho procedimiento:

proporcionar un lecho (132) de resina en forma de columna que tiene un diámetro que es dimensionalmente mayor que la altura de la misma;

proporcionar un distribuidor (128) que tiene conductos y salidas de distribución configuradas en forma de estructura fractal;

colocar dicho distribuidor (128) separado de dicho lecho (132) de resina para definir un espacio vacío entre dicho distribuidor (128) y dicho lecho (132) de resina;

proporcionar un colector (136) que tiene conductos y entradas de recogida configuradas en forma de 10 estructura fractal;

colocar dicho colector con respecto a dicho distribuidor, de tal forma que dicho lecho (132) de resina esté colocado entre dicho distribuidor (128) y dicho colector (136) ;

hacer que fluya fluido desde dicho distribuidor (128) para formar un cuerpo de fluido por encima de dicho lecho de resina y hacer pasar dicho cuerpo de fluido a través de dicho lecho (132) de resina y después 15 hacer pasar dicho cuerpo de fluido a dicho colector (136) , en respuesta a una caída de presión en dicho lecho (132) de resina;

estando caracterizado dicho procedimiento porque dicha estructura fractal comprende una estructura fractal de generación progenitora y una pluralidad de generaciones sucesivas de estructura fractal, siendo un área total de corte transversal de cada una dichas generaciones sucesivas de estructura fractal sustancialmente igual o mayor que el área total de corte transversal de dicha generación progenitora de estructura fractal, definiendo dicho distribuidor (128) una población de salidas de fluido; y hacer pasar dicho cuerpo de fluido a través de dicho lecho de resina de tal forma que una sección plana a través de dicho fluido de tratamiento, orientada transversalmente con respecto a la dirección de flujo a través de dicho lecho de resina, sigue plana mientras dicho cuerpo de fluido atraviesa dicho lecho de resina.

2. El procedimiento de la Reivindicación 1 en el que la proporción entre dicho diámetro y dicha altura de dicho lecho (132) de resina es de al menos 10:1.

3. El procedimiento de la Reivindicación 1 que, además, comprende:

a. orientar una pluralidad de salidas del distribuidor en direcciones que no están en la dirección del flujo 30 de fluido desde dicho distribuidor (128) hasta dicho lecho (132) de resina.

4. El procedimiento de la Reivindicación 1 en el que dicha densidad es mayor que aproximadamente 200 salidas por 6, 45 centímetros cuadrados.

5. El procedimiento de la Reivindicación 1 que, además, comprende proporcionar un segundo lecho de resina en asociación con un segundo distribuidor y un segundo colector, estando colocado dicho segundo lecho de

resina entre dicho segundo distribuidor y dicho segundo colector y haciendo que dicho fluido fluya desde dicho colector a dicho segundo distribuidor a través de dicho segundo lecho de resina y a dicho segundo colector, en el que dicho segundo distribuidor y dicho segundo colector incluyen conductos y, respectivamente, salidas y entradas configuradas como estructuras fractales.

6. El procedimiento de la Reivindicación 1 en el que dicho distribuidor (128) define una población de salidas de fluido que tienen una densidad mayor que aproximadamente 200 salidas de fluido por 0, 0929 metros cuadrados.

7. El procedimiento de la Reivindicación 1 en el que se hace pasar dicho fluido a través de dicho lecho de resina en respuesta a una caída de presión de menor de aproximadamente 34, 5 kPa.

8. El procedimiento de la Reivindicación 1 en el que dicha estructura fractal de dicho colector comprende una

45 estructura fractal de generación progenitora y una pluralidad de generaciones sucesivas de estructura fractal, siendo un área total de corte transversal de cada una dichas generaciones sucesivas de dicha estructura fractal de dicho colector sustancialmente igual o mayor que el área total de corte transversal de dicha generación progenitora de estructura fractal de dicho colector.

9. Un aparato de tratamiento de fluido que comprende:

un primer lecho (132) de resina con un extremo de entrada, un extremo de salida y un diámetro de al menos dos veces la distancia entre dicha entrada y dicha salida;

un primer distribuidor (128) de fluido construido y dispuesto para introducir fluido en dicho extremo de entrada de dicho lecho (132) de resina, incluyendo dicho distribuidor (128) una pluralidad de conductos individuales y salidas de distribución formadas como una estructura fractal; y un primer colector (136) de fluido que incluye una pluralidad de conductos individuales y entradas de recogida formadas como una estructura fractal, estando construido y dispuesto dicho primer colector de fluido para recoger fluido tratado una vez en dicho extremo de salida de dicho lecho (132) de resina, estando caracterizado dicho aparato porque:

dicha estructura fractal comprende una estructura fractal de generación progenitora y una pluralidad de generaciones sucesivas de estructura fractal, siendo un área total de corte transversal de cada una dichas generaciones sucesivas de estructura fractal sustancialmente igual o mayor que el área total de corte transversal de dicha generación progenitora de estructura fractal.

10. El aparato de la Reivindicación 9 en el que dicho primer colector (136) de fluido está construido y dispuesto para recoger fluido a través de las entradas de recogida con una densidad de al menos 200 entradas por 0, 0929 metros cuadrados.

11. El aparato de la Reivindicación 9 en el que la proporción entre el diámetro y la altura de dicho lecho (132) de resina es de al menos 10:1.

12. El aparato de la Reivindicación 9 en el que dicho aparato está construido y dispuesto para producir condiciones de flujo de tratamiento con una caída de presión en dicho lecho menor de 34, 474 kPa.

13. El aparato de la Reivindicación 9 que, además, comprende:

un segundo lecho de resina con un lado de entrada, un lado de salida y un diámetro al menos dos veces la distancia entre dicho lado de entrada y dicho lado de salida;

un segundo distribuidor de fluido construido y dispuesto para introducir dicho fluido tratado en dicho lado de entrada de dicho segundo lecho, teniendo dicho segundo distribuidor una densidad de al menos 200 salidas de distribución por 0, 0929 metros cuadrados; y un segundo colector de fluido construido y dispuesto para recoger dos veces el fluido tratado en dicho lado de salida de dicho segundo lecho de resina.

14. El aparato de la Reivindicación 13 en el que el segundo distribuidor de fluido comprende una pluralidad de conductos y salidas de distribución configuradas en la forma de un fractal.

15. El aparato de la Reivindicación 14 en el que dicho segundo colector de fluido comprende una pluralidad de conductos y entradas de recogida configuradas en la forma de un fractal.

16. El aparato de la Reivindicación 9 en el que dichos conductos pueden estar formados en una pluralidad de elementos que tienen forma de "H".

17. El aparato de la Reivindicación 9 en el que dichos conductos individuales de dicho primer distribuidor están colocados en planos separados para que no se intersecten entre sí.

18. El aparato de la Reivindicación 9 en el que dicho primer distribuidor (128) de fluido está colocado separado de dicho primer lecho (132) de resina, para definir un espacio vacío entre dicho primer distribuidor (128) de fluido y dicho primer lecho (132) de resina.

19. El aparato de la Reivindicación 9 en el que dicho primer colector comprende una estructura fractal de generación progenitora y una pluralidad de generaciones sucesivas de estructura fractal, siendo un área total de corte transversal de dichas generaciones sucesivas de estructura fractal de dicho colector sustancialmente igual o mayor que el área total de corte transversal de dicha generación progenitora de estructura fractal de dicho colector.

20. El aparato de la Reivindicación 18 en el que dichos conductos individuales de dicho primer colector están colocados en planos separados para que no se intersecten entre sí.

21. El aparato de la Reivindicación 9 en el que dicho primer lecho de resina incluye superficies superior e inferior, estando formadas dichas superficies superior e inferior por un tamiz, una rejilla, una membrana u otros elementos de retención.

22. El aparato de la Reivindicación 9 en el que una pluralidad de dichas salidas del distribuidor está orientada en direcciones que no están en la dirección del flujo de fluido desde dicho distribuidor (128) hasta dicho lecho

(132) de resina.