Способ центробежной ректификации и устройство для его осуществления

 

Изобретение относится к химической технологии, а именно, к способам и устройствам для разделения компонентов жидких смесей. Заявляемые способ и устройство для ректификации позволяют упростить конструкцию ректификационного оборудования и повысить эффективность ректификационного процесса. Способ осуществленния ректификации включает в себя нагрев исходной жидкой смеси под повышенным давлением, дросселирование нагретой жидкости с одновременным приведением ее во вращение путем тангенциального впуска в цилиндрическую рабочую камеру и искусственное охлаждение паро-жидкостного потока в районе центра вращения. В результате дросселирования образуется паровая фаза, которая под действием градиента давления движется через жидкость от периферии к центру, где часть ее отводится, а часть конденсируется под действием охлаждения. Сконденсированная жидкая фаза под действием центробежной силы движется к периферии, где производится отвод жидкости. Предлагаются варианты осуществления данного способа, включающие в себя впуск в жидкость перед дросселированием газов фазы и дополнительный нагрев жидкости на периферии вращательного движения. Устройство для реализации данного способа, включает в себя подающий насос, нагреватель и вихревую камеру с тангенциальными впускными патрубками, патрубком выпуска паровой фазы, коллектором, патрубком выпуска остаточной жидкости и дефлегматором. Предлагаются варианты конструкции устройства. 2 с и 4 з. п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к области химической технологии, а именно к способам и устройствам для разделения компонентов жидкой смеси путем ректификации.

Широко известен процесс ректификации [1] суть которого состоит в многократном частичном испарении жидкой смеси и конденсации паров. Этот процесс обычно осуществляется путем приведения в контакт неравновесных жидкой и паровой фаз при их противоточном движении. Основной проблемой, возникающей при осуществлении ректификации, является организация интенсивного контакта фаз при противоточном движении паровой фазы, имеющей сравнительно большой объемный расход, и жидкой фазы (флегмы), имеющей во много раз меньший объемный расход. Для осуществления контакта фаз при противотоке обычно используются колонные аппараты [1] в которых движение жидкости происходит под действием гравитационной силы, а также центробежные аппараты роторного типа [2,3] в которых движение происходит под действием сил инерции. В первом случае для решения задачи обеспечения многократного контакта фаз приходится применять ректификационные колонны, имеющие большие габариты и металлоемкость, что, в свою очередь, приводит к большим затратам на их изготовление, транспортировку и монтаж. Во втором случае усложняется конструкция ректификационного оборудования, уменьшается его надежность и эффективность.

Известен способ дистилляции [4] выбранный в качестве прототипа, согласно которому исходная жидкая смесь приводится во вращение, на меандровом пути получает возрастающее центробежное ускорение и в зоне наибольшего центробежного ускорения нагревается. В результате образуются пузырьки пара, которые вследствие обусловленного вращением радиального ротора давления перемещаются, проходя через проницаемые перегородки, к оси вращательной системы, где и отводятся. Остаточная жидкость отводится под напором поступающей жидкости из зоны наибольшего центробежного ускорения. Недостатком данного способа является то, что содержание легколетучих компонентов в отводимой паровой фазе не может превышать предельного значения, определяемого равновесием пара и исходной жидкой смеси.

Известно также устройство для реализации данного способа [4] выбранные в качестве прототипа, включающее в себя корпус, вращающийся ротор с нагревательным элементом и системы подвода исходной жидкости, отвода паровой фазы и отвода остаточной жидкости. Недостатком данного устройства является сложность его конструкции, связанная с наличием вращающегося ротора и приводящая к снижению надежности устройства, увеличению затрат на разработку, производство и эксплуатацию ректификационного оборудования. Следует заметить, что отмеченные недостатки не является следствием несовершенства конструкции устройства, а непосредственно связаны с реализуемым способом дистилляции [4] Целью изобретений является повышение эффективности ректификационного оборудования, путем внесения в способ проведения ректификации изменений, позволяющих увеличить обогащение отводимой газовой фазы легколетучими компонентами и упростить конструкцию ректификационного устройства.

Указанная цель достигается тем, что в способе центробежной ректификации, включающем в себя сообщение жидкой смеси кольцевого вращательного движения, во время которого происходит ее вскипание и движение образовавшихся паровых пузырьков через жидкость к центру вращения, отвод паровой фазы из центральной области и отвод жидкости из зоны наибольшего центробежного ускорения, согласно изобретению используются следующие приемы.

Во-первых, сообщение жидкой смеси кольцевого вращательного движения производится путем ее тангенциального впуска в рабочую полость. Причем впуск может производиться как на периферии вращающегося потока, так и на некотором промежуточном между центром вращения и периферией радиусе. Использование тангенциального впуска жидкой смеси позволяет исключить из конструкции устройства для реализации данного способа вращающийся ротор. Кроме того, в результате тангенциального впуска происходит турбулизация вращающегося паро-жидкостного потока, в результате которой интенсифицируются массообменные процессы и уменьшается дисперсность паровой фазы.

Во-вторых, перед впуском жидкой смеси в рабочую полость к ней подводится тепло при повышенном давлении, исключающем парообразование, а во время впуска производится дросселирование жидкой смеси, приводящее к ее равномерному объемному вскипанию с образованием мелкодисперсного паро-жидкостного потока, имеющего развитую поверхность раздела фаз. В результате повышается интенсивность массообменных процессов при движении паровой фазы через жидкость от периферии к центру. Для интенсификации процесса вскипания жидкой смеси, путем увеличения количества зародышей паровых пузырьков, в жидкую смесь перед дросселированием может впускаться небольшое количество газовой, либо газо-паровой, либо паровой фазы в виде мелкодисперсных пузырьков. Кроме того, для уменьшения концентрации легколетучих компонентов в отводимой остаточной жидкости и увеличения выхода дистиллята может производиться подвод тепла к жидкой фазе на периферии вращательного движения,приводящий к парообразованию.

В-третьих, некоторая часть паровой фазы, поступающей в центр вращения, конденсируется тем под действием искусственного охлаждения, а полученная в результате этого жидкая фаза под действием центробежной силы движется от центра к периферии. В результате этого в жидкой фазе вращающегося паро-жидкостного потока возникает градиент концентрации легколетучих компонентов, направленный от периферии к центру, который приводит к большему обогащению легколетучими компонентами паровой фазы, двигающейся через жидкость.

Поставленная цель достигается также тем, что в устройстве для проведения ректификационного процесса, содержащем подающий насос, нагреватель, конденсатор и корпус с цилиндрической рабочей полостью, патрубком впуска жидкой смеси, выходным патрубком для паровой фазы, коллектором и патрубком выпуска остаточной жидкости, согласно изобретению исходная жидкая смесь сначала проходит через подающий насос и нагреватель, а затем подается в рабочую полость через тангенциальные впускные патрубки, имеющие проточную часть в виде сопла Лаваля. В центральной части рабочей полости расположен теплообменник для конденсации части паровой фазы (дефлегматор), а на ее боковой стенке имеются отверстия, соединяющие рабочую полость через коллектор с выходным патрубком, причем суммарная площадь этих отверстий должна обеспечивать отвод невскипевшей остаточной жидкости и части жидкой фазы из вращающегося паро-жидкостного потока, равной массовому расходу конденсирующегося в центральной части рабочей полости пара. Кроме того, на периферии рабочей полости может размещаться дополнительный нагреватель для подвода тепла к жидкости.

Заявляемое конструктивное решение обеспечивает, согласно способу, возникновение градиента концентрации легколетучих компонентов во вращающемся паро-жидкостном потоке и интенсивный массообмен между жидкой и паровой фазами и тем самым достижение цели изобретений. Это позволяет сделать вывод, что заявляемые изобретения связаны между собой единым изобретательским замыслом.

Сравнение заявляемого технического решения с прототипом позволило установить его соответствие критерию "новизна". При изучении других известных технических решений в данной области техники было выявлено, что тангенциальный впуск нагретой по давлением жидкости с одновременным ее дросселированием используется в выпарном аппарате [5] для разделения фаз при давлении ниже давления насыщения, а также в способе и устройство для проведения массообменных процессов [6] В обоих случаях тангенциальный впуск используется для формирования винтового паро-жидкостного потока. В то же время, в заявляемом техническом решении в результате тангенциального впуска происходит образование вращающегося кольцевого потока, существенным и принципиальным отличием которого является возможность реализации в нем радиального градиента концентрации легколетучих компонентов. В результате излучения других известных технических решений было также выявлено, что впуск паровой фазы в жидкость используется при дистилляции с водяным паром [7] для снижения температуры кипения и устранения опасности термического разложения органических веществ. Однако при применении данного приема в заявляемом техническом решении он проявляет новые свойства, приводящие к интенсификации межфазного массообмена. Проведенный анализ позволяет сделать вывод о соответствии технического решения критерию "изобретательский уровень".

На фиг. 1 представлена принципиальная схема устройства для реализации заявляемого способа ректификации; на фиг.2 эскиз конструкции вихревой камеры, входящей в состав данного устройства, (вариант с впускными патрубками, расположенными на периферии).

Примером выполнения заявляемого способа ректификации служит процесс разделения бинарной смеси, содержащей 50 мас. этанола и 50 мас. пропанола. Разделение производится в цилиндрической вихревой камере, имеющей диаметр основания равный 0,4 м и высоту 0,05 м. Расход жидкой смеси равен 0,332 кг/с, а давление на периферии вихревой камеры 0,392 МПа. Расчетные параметры рабочего процесса и получаемого дистиллята для двух вариантов нагрева исходной жидкой смеси до температур соответственно 180 и 220 град. Цельсия и различных значений флегмова числа представлены в таблице В первой строке таблицы представлено удельное количество тепла, подводимого к 1 кг исходной жидкой смеси Q, во второй значение флегмова числа F/D, в третьей относительный выход дистиллята D/L и в четвертой массовая доля этанола в дистилляте Xd. Следует отметить, что в рассмотренном примере впуск жидкой смеси производится на периферии рабочей полости и дополнительный подвод тепла к ней отсутствует. В случае осуществления дополнительного подвода тепла к жидкой фазе на периферии, относительный массовый выход дистиллята будет соответственно больше.

Устройство для осуществления ректификационного процесса (см. фиг.1) включает в себя последовательно соединенные подающий насос 1, нагреватель 2, вихревую камеру 3 и конденсатор 4. Вихревая камера (см,фиг.2), имеющая цилиндрическую форму с радиусом основания в несколько раз большим высоты, содержит несколько равнорасположенных по периметру тангенциальных впускных патрубков 5, дефлегматор 6 и патрубок для отвода паровой фазы 7, расположенные в центральной части вихревой камеры, коллектор для отвода жидкой фазы 8, расположенный по ее периметру и соединенный с рабочей полостью отверстия 9, и патрубок отвода жидкой фазы 10, соединенный с коллектором 8. Для осуществления дросселирования жидкой смеси и разгона получающегося при этом парожидкостного потока проточная часть каждого впускного патрубка выполнена в виде сопла Лаваля. Суммарное проходное сечение отверстий 9 должно обеспечивать отвод невскипевшей жидкости и части жидкой фазы из вращающегося паро-жидкостного потока, равной массовому расходу конденсирующегося в центральной части пара. В качестве рабочего тела в дефлегматоре 6 может использоваться как специальная охлаждающая жидкость, так и исходная жидкая смесь. В первом случае в состав устройства входит также система для подачи охлаждающей жидкости (на фиг.1 не показана).

При работе устройства исходная жидкая смесь с помощью насоса 1 подается с повышенным давлением в нагреватель 2, где происходит ее нагрев без парообразования. В случае использования исходной жидкой смеси в качестве охлаждающей жидкости, она подается после насоса 1 в дефлегматор 6, а после него в нагреватель 2. Затем жидкая смесь подается в вихревую камеру 3. При прохождении жидкой смеси через впускные патрубки 5 происходит ее дросселирование, образование паро-жидкостного мелкодисперсного потока и его разгон. Впускаемая в вихревую камеру паро-жидкостная смесь образует вращающийся поток. Под действием градиента давления газовая фаза движется через жидкость от периферии к центру, где одна ее часть конденсируется при охлаждении с помощью дефлегматора 6. Полученная в результате этого жидкая фаза под действием центробежной силы движется от центра к периферии. Другая часть паровой фазы отводится через патрубок 7 в конденсатор 4, где происходит конденсация конечного продукта. С периферии вихревой камеры через отверстия 9, коллектор 8 и патрубки 10 производится отвод жидкости. Расход отводимой жидкой фазы равен сумме расходов остаточной жидкости и сконденсированной в дефлегматоре 6 жидкой фазы. В результате этого в жидкой фазе вращающегося паро-жидкостного потока образуется градиент концентрации легколетучих компонентов, направленный от периферии к центру, за счет которого происходит обогащение легколетучими компонентами паровой фазы, движущейся через жидкость к оси вращения.

Использование предлагаемого способа ректификации и устройства для его осуществления позволяет упростить конструкцию ректификационного оборудования, уменьшить его габариты и металлоемкость, что приведет к снижению затрат на его производство, монтаж и эксплуатацию. Кроме того, в результате большего, по сравнению с прототипом, обогащения паровой фазы легколетучими компонентами повышается эффективность ректификационного процесса.

Формула изобретения

1. Способ центробежной ректификации, включающий в себя сообщение жидкой смеси кольцевого вращательного движения, во время которого происходит ее вскипание и движение образующихся паровых либо газопаровых пузырьков через жидкость от периферии к центру вращения, отвод паровой или газопаровой фазы из центральной области в конденсатор и отвод жидкой фазы с периферии вращающегося потока, отличающийся тем, что сообщение жидкой смеси вращательного движения производится путем ее тангенциального впуска в рабочую полость, осуществляемого либо на периферии вращающегося потока, либо на некотором промежуточном между периферией и центром вращения радиусе, перед впуском жидкой смеси к ней подводят тепло при повышенном давлении, исключающем парообразование, во время впуска производят дросселирование, приводящее к вскипанию жидкой смеси, а часть поступающей в центр вращения паровой фазы конденсируют там под действием искусственного охлаждения.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что на периферии вращающегося потока к жидкой фазе подводят тепло, приводящее к парообразованию.

3. Способ по пп.1 и 2, отличающийся тем, что в жидкую смесь перед дросселированием впускают небольшое количество газовой, либо газопаровой, либо паровой фазы в виде мелкодисперсных пузырьков.

4. Устройство для центробежной ректификации, содержащее подающий насос, нагреватель, конденсатор и корпус с цилиндрической рабочей полостью, патрубками впуска жидкой смеси, патрубком отвода паровой, либо газопаровой фазы, коллектором и патрубком выпуска жидкой фазы, отличающееся тем, что патрубки впуска выполнены тангенциальными и расположены либо на периферии рабочей полости, либо на некотором промежуточном между периферией и центром вращения радиусе и имеют проточную часть в виде сопла Лаваля, рабочая полость в центральной части снабжена дефлегматором, а в ее боковой стенке имеются отверстия, соединяющие рабочую полость через коллектор с патрубком выпуска жидкой фазы, при этом суммарная площадь отверстий обеспечивает отвод невскипевшей жидкой смеси и части жидкой фазы из вращающегося парожидкостного потока, равной массовому расходу конденсирующегося в центральной части рабочей полости пара.

5. Устройство по п.4, отличающееся тем, что оно снабжено размещенным на периферии рабочей полости дополнительным нагревателем для подвода тепла к жидкости.

6. Устройство по пп.4 и 5, отличающееся тем, что в качестве охлаждающей жидкости в дефлегматоре используется исходная жидкая смесь, которая после прохождения через подающий насос и дефлегматор подается в нагреватель.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3