ES2286281T3 - Sistema monolitico, metodo para intercambio de masa y/o calor e instalacion para el mismo. - Google Patents

Abstract

Sistema monolítico para transferencia de masa y/o calor entre dos gases, comprendiendo dicho sistema una estructura monolítica multicanal y un cabezal de distribución, en donde en la estructura monolítica los canales tienen al menos una pared común para los dos gases y el cabezal de distribución está sellado con al menos un extremo de la estructura monolítica caracterizado porque el cabezal de distribución comprende cámaras impelentes adyacentes que se forman por medio de placas divisorias dispuestas en el cabezal de distribución de tal modo que las mismas están adaptadas para sellarse a las paredes de los canales en la estructura monolítica y en donde la distancia entre las placas divisorias está adaptada al tamaño de los canales en la estructura monolítica, por lo cual uno o más canales se comunican con las cámaras impelentes de distribución adyacentes, de tal modo que los canales que contienen el mismo gas se mantienen separados por las placas divisorias en el cabezal de distribución y cada cámara impelente contiene un solo gas.

Description

Sistema monolítico, método para intercambio de masa y/o calor e instalación para el mismo.

Método y equipo para conducir dos gases al interior y el exterior de una estructura monolítica multicanal.

La presente invención se refiere a un sistema monolítico, un método para intercambio de masa y/o calor entre dos gases en el cual dos gases se hacen entrar en y salir de una estructura monolítica multicanal, y una instalación para fabricar una composición química de acuerdo con el preámbulo de las reivindicaciones 1, 14 y 17, respectivamente. Un sistema, método e instalación de este tipo, se conocen por ejemplo por el documento DE-A-196 53 989. Los dos gases serán normalmente dos gases con propiedades químicas y/o físicas diferentes.

Los gases, denominados aquí gas 1 y gas 2, se conducen a los canales para el gas 1 y canales para el gas 2, respectivamente. El gas 1 y el gas 2 se distribuyen en el monolito de tal manera que al menos una de las paredes del canal es una pared compartida o común para el gas 1 y el gas 2. Las paredes que son comunes para los dos gases constituirán entonces un área de contacto entre los dos gases que está disponible para intercambio de masa y/o calor. Esto significa que los gases tienen que conducirse en canales que están extendidos por toda el área de la sección transversal del monolito. La presente invención hace posible utilizar toda el área de contacto o la totalidad de las paredes de los canales del monolito directamente para intercambio de calor y/o masa entre el gas 1 y el gas 2. Esto significa que el canal para un gas tendrá siempre el otro gas al otro lado de sus paredes de canal, es decir que todos los canales adyacentes o próximos para el gas 1 contienen el gas 2 y viceversa. La presente invención es particularmente aplicable para fabricar estructuras de membrana cerámicas compactas y/o estructuras de cambiadores de calor que deben manipular gases a temperatura elevada. Aplicaciones típicas son membranas cerámicas de conducción de oxígeno, cambiadores de calor para turbinas de gas y reformadores cambiadores de calor para la producción de gas de síntesis.

Un rasgo característico de las estructuras monolíticas multicanal es que las mismas están constituidas por un cuerpo con un gran número de canales internos longitudinales y paralelos. El monolito entero con todos sus canales puede fabricarse en una sola operación, y la técnica de producción utilizada es normalmente la extrusión. Los canales del monolito tienen típicamente un tamaño del orden de 1-6 mm, y el espesor de pared es normalmente 0,1-1 mm. Una estructura monolítica multicanal con canales de los tamaños indicados posee una gran superficie por unidad de volumen. Los valores típicos para los monolitos con los tamaños de canal indicados serán desde 250 a 1000 m^{2}/m^{3}. Otra ventaja de los monolitos son los canales rectos, lo que produce una baja resistencia al flujo para el gas. Los monolitos están hechos normalmente de materiales cerámicos o metálicos que toleran temperaturas elevadas. Esto hace que los monolitos sean robustos y particularmente aplicables en procesos de alta temperatura.

En los contextos industriales o comerciales, los monolitos se utilizan principalmente donde fluye un solo gas a través de todos los canales del monolito. Las paredes de los canales en el monolito pueden estar recubiertas con un catalizador que causa una reacción química en el gas que fluye a su través. Un ejemplo de esto son las estructuras monolíticas en el sistema de escape de los vehículos. El gas de escape calienta las paredes del monolito a una temperatura que hace que el catalizador active la oxidación de los componentes indeseables contenidos en el gas de
escape.

Las estructuras monolíticas se utilizan también para transferir calor de gases de combustión o gases de escape al aire de entrada para procesos de combustión. Un método implica dos gases, por ejemplo un gas caliente y un gas frío, que fluyen alternativamente a través del monolito. Con un método de este tipo, por ejemplo, el gas de escape puede calentar la estructura monolítica y subsiguientemente emitir calor al aire frío. El aire recibirá entonces el calor almacenado en el material de la estructura. Cuando el calor es emitido por el material, el flujo de gas a través del monolito cambia de nuevo al gas de escape, y se repite el ciclo completo. Procesos regenerativos de intercambio de calor de este tipo con ciclos en los cuales existe alternancia entre dos gases (uno caliente, uno frío) en la misma estructura no son, sin embargo, adecuados cuando la mezcla de los dos gases es indeseable o cuando se desea un intercambio estable y continuo de calor y/o masa. El uso industrial de monolitos está limitado principalmente a aplicaciones en las cuales un solo gas fluye a través de todos los canales al mismo tiempo.

En la bibliografía se describen cierto número de procesos o aplicaciones en los cuales pueden utilizarse ventajosamente monolitos para transferir calor y/o masa entre dos corrientes de gas diferentes. Se han realizado también pruebas experimentales en pequeña escala con tales procesos. Un ejemplo de esto es la producción de gas de síntesis (CO y H_{2}). El gas de síntesis se produce normalmente utilizando reformación con vapor. Ésta es una reacción endotérmica en la cual reaccionan metano y vapor para formar gas de síntesis. Un proceso de este tipo puede llevarse a cabo ventajosamente en un monolito en el cual una reacción exotérmica en canales adyacentes suministra calor para la reformación con vapor.

Aunque se ha demostrado que será ventajoso utilizar monolitos para intercambio de masa y/o calor entre dos gases en numerosas aplicaciones, el uso industrial de monolitos para dichas aplicaciones no está muy extendido. Uno de los puntos más importantes de queja o razones por las cuales no se utilizan monolitos en esta área es que la tecnología de la técnica anterior para conducir los dos gases hacia el interior y el exterior de los canales separados del monolito es complicada y no muy adecuada para el aumento de escala (es decir la interconexión de varias unidades monolíticas), particularmente cuando se toma en consideración el gran número de canales existentes en un monolito.

La patente alemana DE 196 53 989 describe un dispositivo y un método para conducir dos gases hacia los canales del monolito a través de tubos de alimentación. Estos tubos de alimentación conducen los dos gases al interior de canales respectivos del monolito desde las cámaras impelentes de los gases respectivos. Las cámaras impelentes son exteriores una a otra, y los tubos procedentes de la cámara exterior deben hacerse pasar a través de la cámara interior e introducirse subsiguientemente en los canales del monolito. Cada tubo debe estar herméticamente cerrado a fin de impedir la fuga de los canales del monolito y de los conductos pasantes en las paredes de las cámaras impelentes.

Cuando están calientes, el monolito, las paredes de la cámara impelente, los tubos y el material de sellado se expandirán, y, cuando están fríos, se contraerán. Esto aumenta la probabilidad de formación de grietas y de fugas no deseadas con mezcla de los dos gases como consecuencia. Esta probabilidad aumentará con el número de conductos pasantes de los tubos.

En el documento DE 196 93 989, la zona de entrada y salida con los tubos herméticamente cerrados se enfría de tal modo que puede utilizarse un material flexible de sellado de baja temperatura, y el riesgo de formación de grietas y de fugas puede reducirse. Un sistema de refrigeración hará naturalmente la estructura monolítica más costosa y más complicada, en particular para aplicaciones en gran escala en las cuales el monolito está constituido por muchos miles de canales y en las cuales es necesario también utilizar muchas estructuras monolíticas en serie y/o en paralelo para conseguir una superficie suficiente.

La Patente US 4.271.110 describe otro método para entrada y salida de dos gases. Este método tiene la ventaja de que las alimentaciones de entrada de los tubos procedentes de la cámara impelente a los canales de los gases respectivos en la estructura monolítica pueden omitirse completamente. Esto se consigue cortando lagunas paralelas bajo los extremos del monolito. Estos cortes o lagunas conducen al interior o el exterior de los canales para uno de los gases. Las lagunas cortadas corresponden entonces a una cámara impelente para la fila de canales que atraviesa la laguna. Por sellado de la abertura de la laguna que está enfrentada hacia el extremo del monolito, se crean aberturas en la pared lateral del monolito por las cuales puede entrar o salir uno de los gases. El otro gas entrará o saldrá entonces por el extremo corto del monolito en los canales abiertos restantes. La desventaja principal de este método, aparte del procesamiento necesario (corte y sellado) de la estructura monolítica propiamente dicha, es que únicamente puede utilizarse la mitad del área disponible para intercambio de masa y/o calor. Por ejemplo, canales cuadrados para un gas y el otro gas tendrán que estar dispuestos en filas conectadas a fin de que la estructura del canal para los dos gases corresponda a un cambiador de calor de placas. Si los canales para los dos gases estuvieran distribuidos según un patrón ajedrezado, en el cual los campos negros corresponden a canales para un gas y los campos blancos corresponden a canales para el otro gas, podría alcanzarse la utilización máxima del área dado que, en un patrón de distribución de los gases de este tipo, todos las paredes de los canales para un gas podrían ser paredes comunes o compartidas con las del otro gas. Con canales de gas para el mismo gas en una fila como en la Patente US 4.271.110, sólo aproximadamente la mitad de las paredes de los canales estarán en contacto con las del otro gas.

Con la utilización de la tecnología de extrusión para la producción de una estructura monolítica, existe una gran oportunidad para influir en la forma geométrica de los canales. La extrusión como método de producción significa que la estructura monolítica entera se fabrica en una sola operación. El área de la sección transversal de los canales puede diferir tanto en forma como en tamaño. El área de la sección transversal de los canales puede hacerse uniforme en forma y tamaño, la que sea más común, por ejemplo triangular, cuadrada o hexagonal. Sin embargo, son también imaginables combinaciones de varias formas geométricas. La forma geométrica, junto con el tamaño del canal, será importante para la resistencia mecánica y superficie disponible por unidad de volumen.

El objeto principal de la presente invención fue poner a disposición un método y equipo para conducir dos gases hacia el interior y el exterior de una estructura monolítica multicanal con los que se consigue la utilización máxima del área.

Si se utiliza la presente invención, no es necesario realizar cortes como los descritos en el documento US 4.271.110 o alimentaciones de tubos de entrada como los descritos en el documento De 19653989 C2.

El objeto de la presente invención es un sistema monolítico para transferencia de masa y/o calor entre dos gases, comprendiendo dicho sistema una estructura monolítica multicanal y un cabezal de distribución, en el cual en la estructura monolítica los canales tienen al menos una pared común para los dos gases y el cabezal de distribución está sellado con al menos un extremo de la estructura monolítica, caracterizado porque

el cabezal de distribución comprende cámaras impelentes adyacentes que están formadas por medio de placas divisorias dispuestas en el cabezal de distribución de tal modo que las mismas están adaptadas para sellarse a las paredes de los canales en la estructura monolítica y en donde la distancia entre las placas divisorias está adaptada al tamaño del canal en la estructura monolítica,

por lo cual uno o más canales se comunica(n) con las cámaras impelentes adyacentes, de tal manera que los canales con el mismo gas se mantienen separados por las placas divisorias en el cabezal de distribución y cada cámara impelente contiene un solo gas.

Un objeto adicional de la invención es un método para transferencia de masa y/o calor entre dos gases en donde dichos dos gases se conducen a través de uno o más sistemas monolíticos de acuerdo con la reivindicación 14.

La presente invención puede integrarse en una instalación química. Otro objeto adicional de la invención es por consiguiente una instalación para fabricar una composición química de acuerdo con la reivindicación 17, en donde uno o más sistemas monolíticos de acuerdo con la invención están integrados en dicha instalación.

La presente invención garantiza a los usuarios la libertad de utilizar todos los tipos de forma y tamaño y la oportunidad de utilizar la superficie disponible máxima para intercambio de calor y/o masa. El método descrito en el documento US 4.271.110 requiere que todos los canales con el mismo gas compartan al menos una pared a fin de que cuando se retira o se modifica por mecanizado la pared compartida, se cree una laguna de conexión que constituirá una cámara impelente conjunta para el gas. El hecho de que dos canales próximos con el mismo gas deban tener al menos una pared de canal común significa que el área de intercambio de calor y/o masa disponible se reduce. En el documento DE 19653989 C2, se utilizan tubos que se conducen desde las cámaras impelentes de los gases respectivos a los canales del monolito, que pueden estar distribuidos de tal manera que pueda utilizarse el área disponible máxima, es decir que los gases se conducen distribuidos de tal manera que un gas comparte siempre o tiene paredes de canal comunes con el otro gas. Los dos gases se distribuyen en los canales de modo correspondiente a un patrón ajedrezado. Esto produce la utilización máxima del área de intercambio de masa y/o calor disponible.

La presente invención consiste en un método y equipo que puede conducir de una manera eficiente dos gases diferentes al interior y el exterior de sus canales respectivos en una estructura monolítica multicanal. Es necesario que las aberturas de los canales para los dos gases se distribuyan o extiendan uniformemente por toda el área de la sección transversal del monolito y que los canales tengan paredes comunes. El equipo recogerá, de una manera sencilla y eficiente, el mismo tipo de gas, por ejemplo el gas 1, procedente de todos los canales que contienen este gas en una o más cámaras impelentes de tal manera que el gas 1 puede mantenerse separado del gas 2, y viceversa.

Además, el número mínimo posible de partes o componentes y el procesamiento y adaptación mínimos posibles de estas partes o componentes y el monolito serán favorables en lo que respecta a robustez, complejidad y coste. En principio, puede decirse que cuanto menor es el número de componentes o partes individuales, tanto mayor es la ventaja conseguida. Esto contribuye a simplificar la estanqueidad entre los dos gases que deben conducirse al interior y el exterior de los canales del monolito. Será también muy ventajoso que el equipo para conducción de los dos gases al interior y el exterior de sus canales respectivos en la estructura monolítica se prefabrique y se selle al monolito propiamente dicho en una sola operación o en un pequeño número de operaciones.

Además, puede ser favorable conseguir el área de contacto máxima posible en un monolito con un tamaño de canal dado. Esto será particularmente ventajoso si la estructura monolítica o las paredes de los canales se utilizan como una membrana, por ejemplo una membrana cerámica de hidrógeno o una membrana de oxígeno.

Para conseguir la capacidad de transporte máxima posible del componente del gas pertinente por unidad de volumen de la estructura monolítica, será importante contar con el área de contacto máxima posible por unidad de volumen. Por esta razón es deseable que el gas que fluye en un canal tenga el otro gas en todas las paredes laterales que forman el canal. Cuando se utilizan canales cuadrados como ejemplo, los dos gases deben fluir a través del monolito en un patrón de canales correspondiente a un tablero de ajedrez, es decir un gas en los canales "blancos" y el otro gas en los canales "negros". Además de ser muy importante para la transferencia de masa entre dos gases, la superficie de contacto directo máxima posible será importante también para eficiencia en el intercambio de calor.

Cuanto menores son los canales, tanto mayor será la superficie específica en el monolito. Para conseguir soluciones compactas, será por tanto deseable tener los canales más pequeños prácticamente posibles.

En los extremos del monolito, donde los canales del monolito tienen sus entradas y salidas, un cabezal de distribución está sellado sobre las aberturas de los canales del monolito. Para algunas aplicaciones, puede ser necesario sellar solamente un extremo del monolito con un cabezal de distribución. El cabezal de distribución comprende placas divisorias dispuestas a una distancia adecuada para el tamaño del canal en el monolito. La distancia o espacio entre las placas recoge el gas procedente de los canales que se encuentran en la misma fila. Este espacio recibe el nombre de cámara impelente. Las filas de canales avanzan preferiblemente de modo transversal a lo largo de todo el extremo corto del monolito y comprenden canales de entrada o salida para el mismo gas. Estas filas de canales de gas con el mismo gas se mantienen separadas por las placas divisorias selladas en el cabezal de distribución. Los dos gases se recogerán luego en sus cámaras impelentes respectivas. Con filas de canales para el mismo gas, la cámara impelente para un gas tendrá la cámara impelente para el otro gas al otro lado de la placa divisoria. En un monolito con canales cuadrados en los cuales el mismo gas está dispuesto en filas, las placas divisorias tendrán que estar selladas a las paredes de los canales en el monolito. En lugar de sellar las placas divisorias directamente a las paredes de los canales del monolito, una placa puede sellarse alternativamente en primer lugar al extremo corto del monolito. Esta será una placa con orificios (placa de orificios) a través de la cual pasan las aberturas de los canales del monolito, es decir de tal modo que el gas procedente de los diversos canales que contienen el mismo gas puede salir a través de las aberturas de la placa y entrar en las cámaras impelentes. Esto significa que las placas divisorias en el cabezal de distribución están selladas a la placa de orificios entre las filas de orificios en lugar de estar selladas directamente a las paredes de los canales del monolito que separan los dos gases.

Por el sellado de una placa de orificios al extremo del monolito con aberturas adaptadas para el gas 1 y el gas 2, el cabezal de distribución descrito puede utilizarse donde los canales de gas para el gas 1 y el gas 2 están distribuidos en un patrón ajedrezado en el monolito. Esto representa un método y equipo para conducir dos gases separados hacia el interior y el exterior que permiten la utilización máxima de la superficie en el monolito. Los gases se transferirán desde un patrón de distribución ajedrezado en el monolito a filas de orificios en la placa sellada al monolito. Además, el gas 1 y el gas 2 serán conducidos desde estas filas de orificios hacia el exterior o el interior de los canales del monolito donde el gas 1 y el gas 2 están distribuidos según un patrón ajedrezado, con lo cual las aberturas cuadradas de los canales para el mismo gas tendrán un punto de contacto común únicamente en los ángulos. La placa de orificios permite que el gas distribuido según un patrón ajedrezado conduzca al exterior en cámaras impelentes divididas por placas divisorias que pueden separar el gas 1 y el gas 2 uno de otro. Los orificios de la placa deben tener un área de abertura ligeramente menor que las aberturas de los canales a las cuales están sellados. Además de un área de salida reducida con relación al área del canal, las aberturas en la placa que está sellada a la estructura de canales del monolito y las placas divisorias en el cabezal de distribución deben estar diseñadas y localizadas también de tal manera que la distancia entre los orificios que conducen al interior o el exterior de los canales de los dos gases sea tal que sea posible disponer las placas divisorias entre las filas de orificios con entradas y/o salidas para el mismo gas. Utilizando el ejemplo de canales cuadrados en los cuales los dos gases están distribuidos como en un patrón ajedrezado, las placas divisorias entre los dos gases seguirán la línea diagonal recta entre filas de orificios con el mismo gas, es decir que las aberturas de canal cuadradas para el mismo gas tienen un punto de contacto común en los ángulos.

Es posible ahora conducir dos gases distribuidos en canales en una estructura monolítica fuera o dentro de cámaras impelentes separadas. Con objeto de poder mantener los dos gases separados cuando entran en o salen de las cámaras impelentes en el cabezal de distribución, el mismo gas puede conducirse a las aberturas en las cámaras impelentes en un borde lateral del cabezal de distribución y, correspondientemente, todas las cámaras impelentes para el otro gas se conducen afuera en el borde lateral opuesto del cabezal de distribución para el primer gas.

En un sistema en el cual no existe una sola placa de orificios que conduce el gas desde cada canal a través de los orificios en la placa y directamente hacia fuera en las cámaras impelentes del cabezal de distribución (el espacio entre las placas divisorias en el cabezal de distribución), sino un sistema de varias placas, posiblemente una placa más gruesa con canales pasantes diagonales, la distancia entre las placas divisorias en el cabezal de distribución puede hacerse mucho mayor que las aberturas de los canales en el monolito.

Esto se hace conduciendo el gas procedente de un canal en el interior de la corriente del canal próximo por canales diagonales creados en el interior del sistema de placas de orificios entre el monolito y el cabezal de distribución. El gas procedente de uno o más canales próximos en el monolito debe conducirse luego afuera a través de una salida común a las cámaras impelentes en el cabezal de distribución. Estas salidas/entradas comunes están dispuestas en un sistema tal que las salidas para el mismo gas se reúnen y, correspondientemente, las salidas por el otro gas se reúnen también. Estos conjuntos de salidas para el mismo gas se reúnen de tal manera que crean un patrón que hace que las placas divisorias en el cabezal de distribución tengan una distancia mucho mayor unas a otras que si las placas estuvieran selladas directamente al cabezal de distribución, donde los lados de los canales individuales en el monolito determinarían la distancia.

La transmisión de calor más eficiente por unidad de volumen de la estructura monolítica se consigue con canales pequeños y distribución del gas en un patrón ajedrezado. Esto puede utilizar prácticamente el 100% de la superficie disponible en el monolito. Cuanto menores son los canales, tanto mayor es la superficie específica por unidad de volumen, pero los canales pequeños harán también más complicada la conducción de los gases hacia fuera/dentro a través del cabezal de distribución hacia o desde los canales del monolito. Un sistema de placas de orificios como se ha descrito arriba simplificará la conducción hacia dentro y fuera de los pequeños canales y permitirá mantener la distribución en un patrón ajedrezado.

En lo que sigue, se describe un método que hará también más fácil conducir dos gases diferentes hacia dentro y fuera de canales pequeños. Esto se consigue disponiendo los canales del gas frío y el gas caliente de tal manera que pueda utilizarse el efecto de radiación. Esto se hace disponiendo las paredes en la estructura monolítica dentro o entre los canales para el gas frío que pueden recibir radiación procedente de los canales del gas caliente. Una distribución de este tipo de los canales de gas en la estructura monolítica será muy importante en los casos en que el monolito se utiliza como cambiador de calor, preferiblemente a temperaturas elevadas del gas, que producen la contribución por radiación más eficiente. Aunque un patrón de distribución de gas de este tipo no podrá distribuir los dos gases en un patrón ajedrezado puro, será posible también conseguir una eficiencia del cambiador de calor que está muy próxima a la que puede conseguirse con la distribución de los gases en un patrón ajedrezado. La distribución de los canales de gas en la estructura monolítica como se ha descrito arriba que utiliza el efecto de radiación hará posible disponer las placas divisorias en el cabezal de distribución a una distancia unas de otras mayor que el tamaño de la sección transversal de los canales. Al mismo tiempo, un sistema de este tipo permitirá un efecto de transmisión de calor más próximo al que puede conseguirse con la distribución de los gases con canales del mismo tamaño de sección transversal que un sistema con distribución simple de canales de gas frío y caliente (véase el Ejemplo 1).

Como se ha descrito arriba, el efecto de radiación es utilizado por la pared internamente en los canales que conducen gas frío que está radiada por las paredes de los canales que conducen el mismo gas por el otro lado. El calentamiento de la pared internamente en canales de gas frío contribuye al calentamiento del gas frío. El gas frío se calienta por consiguiente más que lo habría hecho sin dicha pared radiada. Es imaginable también utilizar un sistema de este tipo con más de una pared internamente entre los canales de gas frío, es decir que la pared que recibe directamente la radiación procedente de la pared del canal de gas caliente contribuye a su vez al calentamiento de la pared siguiente internamente entre los canales de gas más frío próximos, etc. El efecto de la radiación disminuirá entonces, por supuesto, gradualmente con el número de paredes internas en los canales de gas frío. El principio de radiación puede utilizarse
del mismo que se ha descrito para el gas frío, por inserción de paredes en los canales que conducen el gas caliente.

Este método, que utiliza el efecto de radiación por la vía de su distribución de los gases en los canales, puede combinarse ventajosamente con el sistema de placas de orificios descrito arriba para conseguir una simplificación adicional del cabezal de distribución, es decir, que el número de placas divisorias en el cabezal de distribución puede reducirse y la distancia entre las mismas puede aumentarse de acuerdo con ello. Esto hará posible utilizar el efecto de canales unitarios muy pequeños (<2 mm) en la estructura monolítica.

En lo que sigue, se describe un sistema para conducir dos gases diferentes adentro y afuera de las estructuras monolíticas sin el cabezal de distribución. El método se basa en que los canales de gas que conducen el mismo gas están dispuestos en filas en las cuales aquéllos comparten paredes comunes. De una manera similar a la descrita en el documento US 4.271.110, estas paredes comunes pueden estar cortadas a cierta profundidad del monolito y selladas subsiguientemente en el extremo de tal modo que se crean aberturas en las paredes laterales del monolito en donde uno de los dos gases puede ser conducido adentro o afuera.

Sin embargo, al contrario que el método descrito en la Patente US 4.271.110, este método está basado en que los canales de gas dispuestos en filas no sólo avanzan paralelamente a lo largo de las paredes laterales en una dirección sino que se forma un patrón de filas en ambas direcciones (perpendiculares una a otra). Esto significa que los cortes están hechos para estas filas que se entrecruzan y, después del sellado (como se ha descrito arriba), el resultado serán aberturas en las cuatro paredes laterales del monolito y no sólo en dos paredes laterales, lo que ocurre cuando las filas avanzan paralelamente en una sola dirección. Esto produce mayor flexibilidad para conducir los gases hacia dentro y fuera del monolito. Será posible entonces disponer los canales de gas en unidades repetitivas de 3 x 3 con un gas en los canales de los ángulos y el otro gas en las dos filas que se cortan en el centro (cruzamiento). Análogamente, será posible tener una unidad repetitiva de 4 x 4 canales en la cual las filas conectadas que se cortan en el centro forman una cruz. Los otros seis canales están situados también entonces uno en cada ángulo (la parte superior de la cruz) y dos en los bordes exteriores correspondientes a cada lado en el fondo de la cruz.

La presente invención hace posible, de una manera simple y eficiente, conducir dos gases diferentes hacia fuera y hacia dentro en canales individuales en una estructura monolítica multicanal. Esto se realiza por medio de un sistema monolítico, que comprende una estructura monolítica y un cabezal de distribución, en el cual el cabezal de distribución está sellado al extremo corto o a los lados del monolito en el que se encuentran las aberturas de los canales. El método está basado en la utilización del sistema en el monolito en el cual las aberturas de los canales que conducen el mismo gas se encuentran en filas cuando los dos gases se distribuyen uniformemente. Las filas de los orificios de los canales con el mismo gas conducen a cámaras impelentes en el cabezal de distribución. Las cámaras impelentes pueden estar dispuestas también con aberturas de tal manera que los dos gases diferentes pueden conducirse afuera en cualquiera de los lados del cabezal de distribución. Esto significa que es posible tener corrientes de gas separadas fuera de o dentro de los canales individuales en el monolito procedentes de cámaras impelentes separadas (es decir, el espacio formado entre dos placas divisorias). Esto significa que no es necesario utilizar tubos para conducir los dos gases adentro o afuera del monolito o realizar cortes o lagunas en el monolito propiamente dicho. Además, será posible apilar varios monolitos en paralelo, es decir superficie lateral contra superficie lateral, y conducir así los gases fuera de y/o dentro de un recipiente externo a través de canales formados por paredes inclinadas en los cabezales de distribución.

Si el cabezal de distribución se hace rectangular con paredes rectas en prolongación de las paredes laterales del monolito, un gas puede entrar o salir en/de la pared lateral recta en el cabezal de distribución mientras que el otro gas sale de o entra en las aberturas en el extremo corto, es decir directamente en prolongación de la dirección de flujo internamente en el monolito.

Los monolitos deben estar dispuestos a cierta distancia unos de otros a fin de que los gases puedan entrar o salir por las aberturas laterales. Adaptando placas de estanqueidad entre los monolitos a fin de que los gases procedentes de las diversas aberturas de entrada/salida no se mezclen, se formarán cámaras impelentes que pueden utilizarse para conducir los gases hacia dentro o hacia fuera de los monolitos individuales. Pueden utilizarse sistemas similares al sistema descrito con cortes que producirán también aberturas tanto en el extremo corto en prolongación de la dirección de flujo y perpendiculares a la dirección de flujo en el monolito, es decir en las paredes laterales del monolito.

Además, la presente invención hará posible, del mismo modo que se ha descrito arriba, con los cabezales de distribución indicados, distribuir dos gases en canales de gas en un patrón ajedrezado hacia dentro y/o fuera de un monolito multicanal, con lo cual las aberturas de canales cuadrados para el mismo gas tendrán un punto de contacto común únicamente en los ángulos.

Si el cabezal de distribución está conectado directamente al monolito, la distancia entre las placas divisorias en el cabezal del monolito tendrá que ser más pequeña que las aberturas de los canales en el monolito. El límite inferior de la distancia entre las placas divisorias determinará por tanto la dimensión mínima que pueden tener los canales que se construyan en el monolito. Un sistema de placas de orificios entre el monolito y el cabezal de distribución hará posible conducir los gases hacia dentro y fuera de los canales en el monolito que tengan un tamaño que es mucho menor que la distancia entre las placas divisorias del cabezal de distribución. Adicionalmente, este sistema de placas de orificios hará posible también disponer los canales de gas, que están distribuidos en un patrón ajedrezado, en un patrón en el cual los canales de gas que conducen el mismo gas se encuentran en una sola fila.

Además, un sistema de placas de orificios entre el monolito y el cabezal de distribución hará posible obtener una mayor distancia entre las placas divisorias que las aberturas de los canales en el monolito.

Una distribución de los canales de gas en un patrón ajedrezado consigue la utilización máxima del área de contacto entre los dos gases en el monolito. Una placa que cubre todos los canales se sella al extremo del monolito y al cabezal de distribución. La placa tiene también un patrón de orificios equivalente al patrón de canales en el monolito. El patrón de canales en el monolito y el patrón de orificios en la placa están adaptados de tal modo que los orificios para el mismo gas puedan formar filas de orificios sobre las cuales se disponen las cámaras impelentes.

La presente invención no requiere procesamiento alguno del monolito propiamente dicho si la planaridad en el extremo corto satisface los requerimientos de tolerancia de desviación para sellado de la placa de orificios al extremo de los canales del monolito. En caso contrario, la invención podrá utilizarse si las superficies de los extremos del monolito se procesan, por ejemplo se esmerilan en la superficie, a fin de cumplir los requerimientos de tolerancia de desviación para sellado de la placa de orificios al extremo de los canales.

A través de las filas de orificios de un solo gas en la placa, el gas se conduce hacia dentro o hacia fuera mediante cámaras impelentes en lo que constituye ahora un cabezal de distribución y hacia fuera o hacia dentro a través de aberturas en la pared lateral del mismo cabezal de distribución. De acuerdo con ello, el otro gas se conduce hacia dentro o hacia fuera a través de aberturas en la pared lateral opuesta del cabezal de distribución. Los dos gases se conducen así fuera de sus canales respectivos en el monolito de tal manera que los dos gases pueden recogerse de modo relativamente fácil en cámaras impelentes separadas.

Las placas de orificios descritas, que están selladas sobre las aberturas de los canales en el monolito, pueden estar hechas del mismo material que el monolito propiamente dicho. Esto tendrá la ventaja de que aquéllas pueden expandirse y contraerse en la misma proporción que el monolito propiamente dicho en el caso de fluctuaciones de temperatura. Será posible también utilizar un material de sellado, por ejemplo un material de sellado de vidrio, que tolera temperaturas altas. El sellado debería consistir en un material que tenga coeficientes de expansión que se adapten al material del monolito y de la placa de orificios. En tal caso no será necesario enfriar los cierres estancos en los extremos de entrada y salida del monolito.

Ello significa que puede utilizarse una placa de orificios de este tipo para instalar monolitos extremo de canal con extremo de canal en la longitud deseada. Si los dos monolitos que deben unirse son de materiales distintos con coeficientes de expansión diferentes, pueden disponerse varias placas de orificios entre los monolitos. Estas placas estarán constituidas por materiales con una transición gradual hacia el coeficiente de expansión del material que se encuentra más próximo al monolito al que debe unirse el otro monolito.

Si el monolito está equipado con el cabezal de distribución descrito, pueden unirse también dos monolitos por los extremos superiores de los cabezales de distribución, que están dispuestos uno contra otro. Tiene que ser posible utilizar un material de sellado flexible entre las superficies estancas de los cabezales de distribución que están dispuestas una contra otra.

Adicionalmente, se describe un patrón de distribución de gases en los canales del monolito que utiliza el efecto de radiación para calentar las paredes entre los canales con gas frío, que se calienta entonces más eficientemente. Esto permitirá eficiencias de calentamiento mucho mayores que las que pueden alcanzarse sin tales paredes internamente en el gas frío.

Se presenta también un patrón de filas de canales internamente en el monolito que hace posible conducir los dos gases diferentes hacia dentro y hacia fuera de los monolitos sin el uso de un cabezal de distribución mediante aberturas en las cuatro paredes laterales del monolito.

La presente invención se explica e ilustra con mayor detalle en las figuras y el ejemplo adjuntos.

Figura 1

La figura muestra un monolito multicanal con canales cuadrados. Un monolito de este tipo estará fabricado normalmente por extrusión. Se ve el monolito en perspectiva desde un extremo corto por el que los canales entran en el monolito. Las salidas de los canales se encontrarán en el otro extremo corto. La estructura de los canales del monolito está determinada por la herramienta de extrusión. Pueden producirse cierto número de formas geométricas diferentes de canales. Por ejemplo, todos los canales pueden ser triángulos, cuadrados o hexágonos de igual tamaño, o los mismos pueden tener formas y tamaños diferentes. Los canales de un monolito serán normalmente paralelos y de forma uniforme a lo largo de toda la dirección longitudinal del monolito. La figura muestra un monolito en el cual las paredes de los canales cuadrados son paralelas a las paredes laterales del monolito. Esta es la forma más común de disponer los canales para este tipo de monolito.

Figura 2

La figuras 2.1, 2.2 y 2.3 muestran un monolito similar al de la figura 1, pero visto ahora directamente desde el frente orientado al extremo corto del monolito, es decir, que pueden verse únicamente las aberturas de los canales. En la figura se muestra un patrón de distribución de los gases. Los canales negros o sombreados son para un solo gas, indicado aquí como gas 1, y los canales blancos son para el otro gas, indicado aquí como gas 2. Los gases pueden fluir ambos en la misma dirección y en direcciones opuestas uno a otro. El patrón de flujo preferido es normalmente aquél en que los dos gases fluyen en direcciones opuestas.

En la figura 2.1, los gases se distribuyen en filas continuas, es decir de tal manera que los canales para el mismo gas tienen una sola pared común. Esto hace posible eliminar por mecanizado las paredes que tienen el mismo gas a ambos lados a una cierta profundidad del monolito de tal modo que el mismo gas pueda recogerse en la cámara impelente formada. Éste es el sistema utilizado en el documento US 4.271.110 y descrito con mayor detalle en esta memoria. Si los canales para el mismo gas comparten paredes comunes, se produce una pérdida de área de contacto con el otro gas. Como muestra la figura 2.1, cuando dos de las paredes son compartidas por canales de gas del mismo gas, el área de contacto entre los dos gases diferentes será aproximadamente la mitad de la que es teóricamente posible.

La figura 2.2 muestra el mismo monolito que en la figura 2.1, pero en este caso los gases están distribuidos en un patrón ajedrezado. Con una distribución de este tipo de los dos gases, el área de contacto disponible en el monolito se utiliza al máximo. El canal para el gas 1 tiene paredes comunes con el gas 2, es decir que no existen paredes comunes con el mismo gas como las mostradas en la figura 2.1.

Al igual que la figura 2.2, la figura 2.3 muestra los dos gases distribuidos en un patrón ajedrezado que hace posible utilizar la superficie de contacto disponible en el monolito al máximo. La característica que distingue el monolito de la figura 2.3 del monolito de la figura 2.2 es que las paredes en los canales internos del monolito ya no son paralelas a las paredes externas del monolito, sino que han girado 45º en relación con las paredes laterales del monolito. Puede verse que las líneas que eran diagonales en la figura 2.2 están dispuestas ahora paralelamente a la pared lateral del monolito en la figura 2.3. Esto significa que los canales con el mismo gas se encuentran en filas paralelas a las paredes laterales, pero los gases del mismo canal están ahora solamente en contacto en los ángulos. Se consigue entonces una disposición similar a la de la figura 2.1, pero sin que la superficie de contacto disponible se reduzca. Como se muestra en la figura 2.3, los canales que están en contacto con las paredes externas del monolito tendrán la forma de un triángulo isósceles si las paredes son rectas. Las paredes no tienen que ser necesariamente rectas, y es imaginable que las paredes sigan a las paredes de los canales externos de tamaño natural. Esto puede ser ventajoso cuando varios monolitos están apilados juntos, y es necesario establecer un cierre hermético entre las paredes de los monolitos. La figura 3 muestra un esquema de este tipo.

Figura 3

La figura 3.1 muestra un monolito en el cual las paredes externas siguen a las paredes de los canales de tamaño natural en el monolito. Los canales cuadrados dispuestos como se muestra en la figura hacen que las paredes del monolito asuman un patrón en zig-zag debido a que los canales cuadrados se encuentran en filas paralelas y a lo largo de la longitud total de las paredes laterales. El punto de contacto para los canales del mismo gas se encontrará entonces en los ángulos.

Un monolito extruido como se muestra en la figura 3.1 hace que sea posible disponer varios monolitos independientes juntos como se muestra en la figura 3.2. La figura 3.2 muestra una composición en la cual se representan únicamente las paredes externas de los monolitos. Un sistema de este tipo hace posible utilizar todos los canales de gas al tiempo que se estabilizan los monolitos o se "bloquean" los mismos unos a otros.

Figura 4

La figura 4 muestra un monolito y una distribución similares a los representados en la figura 2.3. Como en la figura 2.3, los canales para el gas 1 son negros, mientras que los canales para el gas 2 son claros o blancos. La figura muestra también dos placas de orificios con aberturas que se ajustan a las aberturas de los canales en el monolito. Estas placas de orificios están selladas al monolito, y los dos gases (indicados aquí como gas 1 y gas 2) se introducirán entonces en y/o saldrán de estos orificios como se muestra con flechas en la figura. En la figura 4, los orificios se muestran con una forma ovalada. Los orificios pueden ser también redondos o tener una forma diferente. El factor importante es que los orificios para los dos gases estén situados unos con relación a otros de tal manera que sea posible colocar una placa divisoria entre las filas de orificios para el gas 1 y el gas 2. El borde exterior de los orificios debería estar comprendido dentro del límite establecido por la pared divisoria a fin de que no se produzcan infiltraciones entre los dos gases.

Figura 5

La figura 5 muestra un monolito similar con el mismo sistema de placas de orificios que el representado en la figura 4. La figura 5.1 muestra el monolito con las placas de orificios que deben sellarse al extremo corto del monolito. Las aberturas en la placa están dispuestas de tal manera que el gas de un canal se conduce a un cierto orificio, es decir de tal manera que cuando la placa está sellada al extremo del monolito, todos los orificios están dispuestos de tal manera que el gas procedente de las aberturas de los canales puede hacerse pasar a través de sus orificios respectivos. La figura 5.2 muestra el monolito con la placa de orificios sellada al extremo corto del monolito sobre las aberturas de los canales.

Figura 6

La figura 6 muestra un monolito similar al de la figura 5. Además de la placa de orificios, la figura muestra la forma de un cabezal de distribución que puede introducir o retirar gas 1 y gas 2 en o de sus filas de orificios respectivas en la placa de orificios. Cada fila de orificios (que emiten o reciben el mismo tipo de gas) está encerrada entre dos paredes, y la distancia entre las paredes está adaptada al tamaño de los orificios. Este espacio, que se forma entre las placas divisorias, contiene solamente un tipo de gas y recibe el nombre de cámara impelente. Las placas pueden producirse individualmente, y dos o más de ellas pueden estar unidas como se muestra en la figura 6, de tal modo que se forman cámaras impelentes. Una o más cámaras impelentes unidas como se muestra en la figura 6a forman así el cabezal de distribución como se muestra en la figura 6b.

La figura 6a muestra placas con separadores o bordes que se convierten en paredes externas en el cabezal de distribución y encierran así las cámaras impelentes cuando varias placas divisorias individuales están selladas placa a placa. La figura 6a muestra que un lado de las placas no tiene borde o separador alguno. En placas alternas, este borde lateral no existe en el lado opuesto. Cuando las placas divisorias se sellan una a otra, el borde lateral inexistente producirá una abertura por la que entra o sale el gas. El gas en la cámara impelente adyacente tendrá entonces su abertura en el borde lateral opuesto por el que entra o sale el otro gas. Por consiguiente, un gas entrará o saldrá ahora por un lado, mientras que el otro gas entrará o saldrá por el otro lado. En el cabezal de distribución, el gas 1 y el gas 2 tendrán sus salidas a cualquiera de los lados del cabezal de distribución, véanse las figuras 7 y 8.

El cabezal de distribución no tiene necesariamente que estar hecho de placas que están selladas una a otra. Pueden utilizarse también otras técnicas de producción, por ejemplo extrusión. La cuestión importante es que el cabezal de distribución esté hecho de tal manera que el mismo recoja y separe los gases de las diferentes filas de orificios sin que los gases lleguen a mezclarse y que los mismos salgan del cabezal de distribución por separado.

Figura 7

La figura 7 muestra el flujo continuo del gas en dos filas de gas seleccionadas a lo largo del sistema monolítico, es decir el monolito propiamente dicho con sus canales y un cabezal de distribución en cada extremo corto para la entrada y salida de los dos gases del monolito. Con objeto de mostrar más claramente el flujo continuo del gas, las partes están separadas unas de otras en la figura, y los canales para un gas (gas 1) son negros, mientras que los canales para el otro gas (gas 2) son blancos. El flujo continuo del gas se muestra con flechas, y los gases fluyen en direcciones opuestas uno a otro en la figura. La figura muestra también que los gases salen por el extremo opuesto de aquél por el que entran. Si se da la vuelta a un cabezal de distribución al lado opuesto, el lado de entrada y salida para el mismo gas se encontrará en el mismo lado del monolito.

Figura 8

La figura 8 muestra un sistema similar al de la figura 7, pero la figura 8 muestra un monolito en el cual los canales cuadrados están dispuestos en filas en las cuales los canales de la misma fila tienen paredes comunes. Si estas filas de canales contienen el mismo gas, el cabezal de distribución puede estar sellado directamente a las paredes de los canales sin el uso de una placa de orificios. En la figura, el cabezal de distribución está separado del monolito para mostrar más claramente cómo fluyen los gases. Un gas se conduce a través de aberturas de canal claras o blancas, mientras que el otro gas se conduce a través de aberturas de canal negras o sombreadas. Para dos filas de canales seleccionadas, se utilizan flechas para mostrar cómo fluyen los dos gases. El ejemplo muestra los gases fluyendo en direcciones opuestas. La desventaja de un sistema de distribución de gas de este tipo es, como se ha expuesto anteriormente, que el gas de contacto entre los dos gases se reduce a la mitad comparada con una distribución de los gases en un patrón ajedrezado. La ventaja es que la pérdida de presión en el sistema se reduce cuando no se utiliza una placa de orificios. Para aplicaciones en procesos en los cuales una caída de presión alta pueda ser crítica, será útil un sistema tal como el representado en la figura 8. Constituye también una ventaja el hecho de tener el número más pequeño posible de componentes del sistema.

Figura 9

Son imaginables cierto número de formas diferentes del cabezal de distribución. La dirección del flujo de los gases puede variar también. La figura 9 muestra dos gases diferentes que fluyen en direcciones opuestas (denominados aquí A y B). Sin embargo, los gases pueden fluir también en la misma dirección. Las paredes laterales en el cabezal de distribución pueden ser tanto paralelas como diagonales a las paredes del monolito. Las paredes rectas, como en un rectángulo, serán las más adecuadas en los casos en que los gases se introducen o se retiran directamente en o de un solo monolito. Cuando deben unirse muchos monolitos, serán muy adecuados cabezales de distribución con paredes diagonales debido a que entonces se formarán canales longitudinales entre los monolitos que están apilados próximos unos a otros. Los gases pueden introducirse o retirarse en o de los monolitos a través de estos canales.

El sistema ofrece la libertad de cambiar el gas 1 y el gas 2 en el extremo opuesto del monolito, es decir el gas 1 puede retirarse en cámaras situadas en la pared del lado opuesto en relación con su entrada, y viceversa.

Figura 10

La figura 10 muestra cómo pueden utilizarse placas de orificios para sellar varios monolitos juntos en la dirección longitudinal de los canales. Esto proporciona la libertad para unir monolitos del mismo tamaño estándar de tal modo que la longitud total de los canales puede ser de cualquier largo deseado. En principio, los monolitos empalmados pueden considerarse entonces como un solo monolito, y pueden montarse cámaras impelentes en cada extremo de la "columna de monolitos" empalmada del mismo modo que se muestra para un solo monolito en las figuras 7 y 8.

Figura 11

La figura 11.1 muestra un sistema de monolitos empalmados como el representado en la figura 10, pero ahora con cabezales de distribución adaptados. Un sistema de monolitos de este tipo puede disponerse en un recipiente cerrado, por ejemplo un tanque de presión. Se observa cómo pueden empalmarse un gran número de monolitos pared con pared mientras se retiene la posibilidad de introducir o retirar los dos gases en o del cabezal de distribución del mismo modo que en el caso de un solo monolito. El cabezal de distribución descrito ofrece por tanto una oportunidad fácil para aumento de escala, es decir un sistema en el cual están empalmados muchos monolitos simples con la posibilidad de introducir o retirar los gases en o de todos los monolitos empalmados. Esto es importante a fin de poder manipular grandes cantidades de gas. La figura 11.2 muestra el mismo sistema que la figura 11.1, pero con un solo monolito en altura.

Figura 12

Como la figura 11, la figura 12 muestra un sistema de monolitos empalmados. En este caso, se utilizan flechas para mostrar cómo pueden retirarse los dos gases de los canales entre los cabezales de distribución y retirarse, uno a cada lado. En un sistema acabado, la estructura monolítica completa tiene que estar dispuesta en un reactor/tanque/recipiente cerrado aislado. Este recipiente tiene que estar equipado con una entrada y una salida para el gas 1 y una entrada y salida correspondientes para el gas 2. La figura muestra de qué modo las paredes inclinadas en el cabezal de distribución forman canales para el mismo gas cuando los monolitos están apilados pared con pared. En el interior del recipiente en el que se encuentra la estructura monolítica completa, para los cuatro flujos de gas (entrada y salida para cada gas), existirán cámaras impelentes separadas para los gases de entrada y salida en o de la estructura de recipiente/monolito. Estas cámaras impelentes son herméticas a fin de que el gas no pueda infiltrarse de una cámara impelente a la otra en el recipiente.

La figura muestra también un método alternativo de empalmar los monolitos (en relación con el representado en la figura 10) extremo de canal a extremo de canal. Se ve en este caso que los monolitos están empalmados utilizando los cabezales de distribución. Puede verse que es la superficie hermética paralela al extremo corto del monolito la que se utiliza. Cuando el fondo y el extremo superior del cabezal de distribución están dispuestos uno contra otro como se muestra en la figura, esto constituirá una superficie hermética entre los dos gases. Es imaginable, por ejemplo, que pueda disponerse un cierre hermético flexible entre las dos superficies. Una técnica de empalme de este tipo será una posibilidad en el caso de que deban empalmarse monolitos con coeficientes de expansión diferentes. Es decir, el sistema permite empalmar monolitos de materiales diferentes, por ejemplo una estructura de membrana cerámica y una estructura de cambiador de calor.

Figura 13

La figura muestra cómo pueden cinco placas entre el monolito y las placas divisorias del cabezal de distribución conducir el gas 1 y el gas 2 en filas separadas de tal modo que la distancia entre los dos flujos de gas aumente. Esto tiene lugar por conducción del gas de canales próximos juntos en una sola salida o entrada común de tal modo que las salidas o entradas para el mismo gas se combinen. Tales filas de salidas o entradas del mismo gas pueden separarse luego unas de otras con un cabezal de distribución que tiene una distancia mayor entre las placas divisorias que una conexión directa al monolito. La figura 13 muestra sólo un pequeño número de canales del monolito. Normalmente, habrá un número mucho mayor de canales en un monolito real. En la figura, los orificios se representan circulares. Sin embargo, son también imaginables otras formas de orificio, siendo posibles por ejemplo orificios cuadrados que se adaptan mejor a las áreas de la sección transversal. Tales orificios tendrán una mayor área de sección transversal y producirán una menor caída de presión. La figura muestra 5 placas, pero es imaginable también que las placas 2 y 3 están construidas como una sola placa, y lo mismo es aplicable a 4 y 5.

Figura 14

La figura 14 muestra de qué modo, utilizando 6 placas, es posible casi cuadruplicar las áreas de los canales de salida en un patrón ajedrezado en la placa 6 en relación con el área individual en el monolito. Esto hará posible, a su vez, aumentar la distancia entre las placas divisorias en el cabezal de distribución en comparación con el caso en que aquéllas están selladas directamente al monolito. Además, es imaginable que las placas 2 a 5 de la figura 13 estén situadas sobre la placa 6 de tal modo que los orificios de salida y entrada estén dispuestos en filas. Esto aumentará adicionalmente la distancia entre las placas divisorias en el cabezal de distribución y reducirá su
número.

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En los procesos químicos, el transporte de componentes, la mezcladura, la reacción química, la separación y la transmisión de calor son operaciones unitarias fundamentales para las cuales se están buscando continuamente soluciones más eficaces que puedan ser económicamente ventajosas.

Figura 15

La figura 15 muestra una sección del monolito paralela a la dirección longitudinal de los canales. Los flujos de gas se indican con flechas gruesas. T4 indica la temperatura del gas caliente, y T3 indica la temperatura del gas frío. Las paredes entre el gas caliente y el frío se indican con temperatura T1, mientras que la pared entre los dos canales con gas frío se indica con temperatura T2. Como se muestra también en la figura, las temperaturas serán, por orden decreciente: T4 > T1 > T2 > T3. La pared T2 se calentará por radiación (P3) desde la pared caliente T1, la cual, a su vez, será calentada por el gas caliente T4. El gas frío T3 será calentado a la vez por la pared caliente T1 y la pared calentada T2 como se indica por las flechas delgadas P1 y P2.

Figura 16

La figura 16 muestra diferentes patrones de distribución de gas que utilizan todos ellos el efecto de radiación en el que una pared que separa dos canales de gas frío puede ser calentada por radiación por una pared que es calentada por un gas más caliente. Como se describe en el texto, la figura muestra también posibilidades de contar con varias paredes divisorias internamente entre los canales de gas frío. El efecto de radiación decrecerá gradualmente, pero contribuye todavía a un calentamiento que es mayor que si no existieran paredes internas entre los canales de gas
frío.

Figura 17

La figura muestra una disposición de distribución de gases en los canales que permite que el gas se introduzca y se retire internamente en o del monolito sin un cabezal de distribución. Como se describe en el texto, las paredes entre los canales con el mismo gas que se encuentran en filas deben cortarse a cierta profundidad del monolito y sellarse luego a una profundidad menor que a aquélla a la que se han cortado a fin de formar aberturas en las paredes laterales del monolito. Como se muestra con canales blancos, se encuentra aquí el mismo gas en filas que se entrecruzan unas con otras (perpendiculares), y es posible así formar aberturas en las cuatro paredes laterales del
monolito.

Ejemplo 1

La Tabla 1 muestra dos alternativas que están calculadas para mostrar el efecto de la radiación cuando una pared situada internamente entre dos canales de gas más frío es radiada por una pared más caliente. T_{3} y T_{4} indican la temperatura media del gas para el gas frío y el gas caliente respectivamente.

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1

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TABLA 1 Valores numéricos utilizados para calcular el efecto de la radiación desde una pared caliente a una pared comprendida entre dos canales de gas con gas más frío

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Se supone una temperatura de pared T_{1} a mitad de camino entre las temperaturas del gas caliente y el gas frío, y se produce lo siguiente:

2

\lambda = 0,1 W/mK

(Capacidad térmica del gas)

b = 2,0 mm

(Distancia entre paredes)

\varepsilon_{o} = 5,67 10^{-8} W/m^{2}K

(Constante de Stefan Bolzmann)

\varepsilon_{r} = 0,9

(Emisividad de las paredes)

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\quad

P_{1} = \lambda/b * 3,75 * (T_{1} - T_{3}) = 3,2 kW/m^{2}

\quad

P_{2} = \lambda/b * 3,75 * (T_{2} - T_{3})

\quad

P_{3} = \varepsilon_{o} * \varepsilon_{r} * (T_{1}^{4} - T_{2}^{4})

\vskip1.000000\baselineskip

\quad

Si P_{2} = P_{3}, se tiene T_{2} = 1406ºK (1133ºC) con P_{2} = P_{3} = 2,4 kW/m^{2} para la alternativa 1 y T_{2} = 1019ºK (746ºC) con P_{2} = P_{3} = 3,6 kW/m^{2} para la alternativa 2

3

Por extrusión del monolito con canales cuadrados de 2 mm y disposición de los canales con el mismo gas en filas dobles, será posible alcanzar extremos equivalentes a canales cuadrados de 4 mm. Como muestra el ejemplo, se consigue una eficiencia interna de transmisión de calor de 88% y 76% en la estructura monolítica y en los extremos respectivamente, comparada con filas simples de canales cuadrados de 2 mm.

El ejemplo está basado en paredes entre los canales del gas frío. Los gradientes de temperatura a través de la pared se ignoran. De acuerdo con ello, se ignora también el intercambio de calor por radiación directamente de la pared al gas. No obstante, estos dos efectos son poco importantes.

La presente invención ofrece posibilidades para mejora y simplificación de operaciones sanitarias para transferencia de calor y masa (separación) por utilización de la compacidad de las estructuras monolíticas (es decir gran superficie por unidad de volumen con canales pequeños, baja resistencia al flujo para los gases y material cerámico resistente a alta temperatura, que puede estar recubierto con un catalizador.

Las mejoras estarán asociadas con el uso de los monolitos en transferencia de masa y calor entre dos gases diferentes y el hecho de que estas operaciones unitarias en la estructura monolítica pueden integrarse con una reacción química. Una combinación de este tipo de transferencia de masa y calor y reacción química (operaciones unitarias) en los monolitos contribuirá a la producción de soluciones compactas en las cuales se simplifican el transporte y la separación. Una aplicación será una combinación de reacciones endotérmicas y exotérmicas, por ejemplo reformación de gas natural con vapor u otras sustancias que contienen hidrocarburos para producir gas de síntesis (hidrógeno y monóxido de carbono) con reformación de vapor endotérmica en canales recubiertos de catalizador y combustión exotérmica en canales adyacentes (fluyendo los gases en direcciones opuestas). Tales estructuras monolíticas pueden producir reformadores muy compactos y pueden, por ejemplo, ser utilizados para producción de hidrógeno en pequeña escala. No obstante, el gas de síntesis puede transformarse también ulteriormente en numerosos otros productos, por ejemplo metanol, amoniaco y gasolina/diésel sintéticos.

Otro ejemplo podrían ser reformadores compactos utilizados para oxidación parcial de gas natural u otros hidrocarburos. En este caso, se conducirán aire u oxígeno a través del cabezal de distribución a los canales de salida relevantes en el monolito y se calentarán por el gas de síntesis saliente en los canales de retorno adyacentes. El gas de síntesis se envía fuera del cabezal de distribución separado del aire u oxígeno entrante. En el otro extremo del monolito distinto de aquél en el que está localizado el cabezal de distribución, deberá existir una cámara de mezcla e inversión en la cual se mezcla aire/oxígeno con gas natural. Esta mezcla de gases fluye al interior de un área de los canales de retorno recubierta de catalizador donde la mezcla gaseosa reacciona (oxidación parcial) para formar gas de síntesis. La reacción genera calor, y el gas de síntesis contenido en los canales de retorno calentará por tanto el aire/oxígeno en los canales de salida (fluyendo los gases en direcciones opuestas).

En términos de equilibrio o termodinámica, muchas reacciones típicas se ven favorecidas por temperaturas más altas que aquélla a la que puede operar el material metálico en un reactor/cambiador de calor (8-900ºC). En tales procesos pueden ser muy ventajosos monolitos cerámicos, que pueden a la vez estar recubiertos con catalizador y tolerar temperaturas más altas. Tanto el proceso de reformación de vapor como la oxidación parcial del gas natural para formar gas de síntesis son ejemplos de procesos en los cuales serán ventajosas tales temperaturas altas.

Otra aplicación relevante es en la producción de amoniaco, que incluye una reacción de desplazamiento del gas de agua (CO + H_{2}O \leftrightarrow CO_{2} + H_{2}). Esta reacción se utiliza en la producción de amoniaco para eliminar CO del gas de síntesis antes de la síntesis del amoniaco propiamente dicha. La reacción es ligeramente exotérmica (- 41,1 kj/kmol). Esto significa que la constante de equilibrio se reduce con la temperatura, y la reacción incrementada se ve favorecida por tanto por temperaturas bajas. En el caso de condiciones adiabáticas en un lecho catalítico, la reacción incrementará la temperatura y por tanto limitará la velocidad de reacción relacionada con el equilibrio. En los procesos actuales, este problema se evita realizando la reacción en dos etapas, los denominados desplazamientos a temperatura alta (HT) y a temperatura baja (LT). El calor de reacción se disipa entre los reactores HT y LT de tal modo que la última etapa, el desplazamiento LT, puede tener lugar a una velocidad de reacción mayor. Con el sistema basado en monolitos, será posible disipar el calor de reacción directamente por contar con un gas refrigerante en canales adyacentes a aquéllos en que tiene lugar la reacción (recubiertos con catalizador). Así, puede producirse un reactor compacto que será capaz de operar en condiciones de equilibrio más favorables que los sistemas de dos partes actuales.

El amoniaco podría ser también una materia prima importante para la producción de hidrógeno, y, por ejemplo, podrían utilizarse estructuras monolíticas para la disociación endotérmica del amoniaco a fin de formar hidrógeno. El reactor o reformador monolítico estará constituido alternativamente por canales de amoniaco gaseoso recubiertos con catalizador y un gas caliente en canales adyacentes que suministra energía para la disociación del amoniaco.

Las estructuras monolíticas podrían utilizarse también en el mercado de la energía (producción de potencia), por ejemplo como cambiadores de calor en micro-turbinas a fin de hacerlas más eficientes energéticamente. Tales cambiadores de calor serán aplicables, así pues, tanto para la producción estacionaria de potencia como para todas las instalaciones de producción impulsadas por turbinas en tierra, en el mar y en el aire. Las mismas podrían beneficiarse entonces de cambiadores de calor cerámicos monolíticos compactos para una operación más eficiente en energía. Los cambiadores de calor monolíticos podrían transferir calor desde el gas de escape al aire/oxígeno de entrada a la cámara de combustión y reducir con ello el consumo de combustible.

Los cambiadores de calor monolíticos podrían utilizarse también en la industria de la fundición (aluminio, magnesio, acero, vidrio, etc.) para transferir calor desde el gas del hogar (gas de combustión) al aire para los quemadores y contribuir así al ahorro de energía.

Podrían utilizarse también cambiadores de calor monolíticos para la destrucción de componentes orgánicos, por ejemplo la destrucción de dioxinas, que tiene lugar a temperaturas elevadas. El gas con el componente no deseado se conduce a sus canales respectivos mientras que se introduce un gas aportador de calor en canales próximos adyacentes.

Claims (17)

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   1. Sistema monolítico para transferencia de masa y/o calor entre dos gases, comprendiendo dicho sistema una estructura monolítica multicanal y un cabezal de distribución, en donde en la estructura monolítica los canales tienen al menos una pared común para los dos gases y el cabezal de distribución está sellado con al menos un extremo de la estructura monolítica

   caracterizado porque

   el cabezal de distribución comprende cámaras impelentes adyacentes que se forman por medio de placas divisorias dispuestas en el cabezal de distribución de tal modo que las mismas están adaptadas para sellarse a las paredes de los canales en la estructura monolítica y en donde la distancia entre las placas divisorias está adaptada al tamaño de los canales en la estructura monolítica,

   por lo cual uno o más canales se comunican con las cámaras impelentes de distribución adyacentes, de tal modo que los canales que contienen el mismo gas se mantienen separados por las placas divisorias en el cabezal de distribución y cada cámara impelente contiene un solo gas.

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2. 2. Sistema monolítico de acuerdo con la reivindicación 1,

   caracterizado porque

   dichas placas divisorias están selladas directamente con las paredes de los canales del monolito.

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3. 3. Sistema monolítico de acuerdo con la reivindicación 1,

   caracterizado porque

   al menos una placa de orificios con una cierta configuración de orificios está localizada entre el cabezal de distribución y la estructura monolítica.

   \vskip1.000000\baselineskip

4. 4. Sistema monolítico de la reivindicación 3,

   caracterizado porque

   la distancia entre las placas divisorias está adaptada al tamaño de los orificios de la al menos una placa de orificios.

   \vskip1.000000\baselineskip

5. 5. Sistema monolítico de acuerdo con la reivindicación 3 y 4,

   caracterizado porque

   las placas divisorias están selladas a dicha al menos una placa de orificios.

   \vskip1.000000\baselineskip

6. 6. Sistema monolítico de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones anteriores,

   caracterizado porque

   el cabezal de distribución está sellado sobre uno solo de los extremos de la estructura monolítica.

   \vskip1.000000\baselineskip

7. 7. Sistema monolítico de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones anteriores,

   caracterizado porque

   el cabezal de distribución está sellado en ambos extremos de la estructura monolítica.

   \vskip1.000000\baselineskip

8. 8. Sistema monolítico de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones anteriores,

   caracterizado porque

   las cámaras impelentes adyacentes están provistas de aberturas que se comunican con el lado externo del cabezal de distribución.

   \vskip1.000000\baselineskip

9. 9. Sistema monolítico de acuerdo con la reivindicación 8,

   caracterizado porque

   las aberturas son producidas por un borde lateral inexistente de la placa divisoria.

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10. 10. Sistema monolítico de acuerdo con la reivindicación 8 ó 9,

    caracterizado porque

    las cámaras impelentes adyacentes tienen las aberturas en el borde del lado opuesto respectivamente.

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11. 11. Sistema monolítico de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones anteriores,

    caracterizado porque

    una o más de las paredes de los canales en dicha estructura monolítica están recubiertas con uno o más componentes catalíticamente activos.

    \vskip1.000000\baselineskip

12. 12. Sistema monolítico de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones anteriores,

    caracterizado porque

    las aberturas de los canales para los dos gases están extendidas uniformemente por toda el área de la sección transversal de la estructura monolítica.

    \vskip1.000000\baselineskip

13. 13. Sistema monolítico de acuerdo con la reivindicación 12,

    caracterizado porque

    las aberturas de los canales para los dos gases están distribuidas por toda el área de la sección transversal del monolito como en un patrón ajedrezado, por lo cual las aberturas de los canales cuadrados para el mismo gas tienen un punto de contacto común solamente en los ángulos.

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14. 14. Un método para transferencia de masa y/o calor entre dos gases,

    caracterizado porque

    los dos gases se conducen a uno o más sistemas monolíticos de acuerdo con las reivindicaciones 1 a 13.

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15. 15. Un método de acuerdo con la reivindicación 14,

    caracterizado porque

    las dos corrientes de gas se introducen y se retiran en o del mismo cabezal de distribución, con lo cual los gases fluyen ambos en la misma dirección uno con respecto a otro.

    \vskip1.000000\baselineskip

16. 16. Un método de acuerdo con la reivindicación 14,

    caracterizado porque

    las dos corrientes de gas se introducen y se retiran en o de los cabezales de distribución sellados en el extremo del lado opuesto de la estructura monolítica, con lo cual los gases fluyen en dirección opuesta uno con respecto a otro.

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17. 17. Una planta para fabricar una composición química,

    caracterizada porque

    en dicha planta están integrados uno o más sistemas monolíticos de acuerdo con las reivindicaciones 1 a 13.