Колонна с насадкой

 

Изобретение относится к колонне с насадкой, используемой для процессов массопередачи, например дистилляции, абсорбции-десорбции и жидкостной экстракции. Колонна содержит распределитель жидкости в верхней части, ряд расположенных с промежутком перфорированных вспенивающих жидкость тарелок, непосредственно поддерживающих уплотненные слои насадки, заполняющие корпус на всем пути потока газа в корпусе. Общая перфорация площади поперечного сечения, площадь поперечного сечения каждой перфорации для каждой тарелки выбираются так, чтобы подобрать такую проницаемость уплотненных слоев, при которой тарелки и уплотненные слои насадки значительно содействовали контакту газа-жидкости; благодаря этому сильно увеличивается эффективность массопередачи в колонне с насадкой. 8 з.п.ф-лы, 6 ил.

Изобретение относится к колонне с насадкой, содержащей активный распределитель жидкости. Настоящее изобретение особенно полезно для процессов массопередачи, например, дистилляции, абсорбции-десорбции, и жидкостной экстракции.

В патенте СШA 2639130 от 19.05.53 "Аппарат для уравнительного распределения в колонне с насадкой" П.Н. Хира уже предлагалось снабдить колонну с насадкой следующими один за другим, вытянутыми радиально крылчатыми распределителями для прерывания потока жидкости в направлении стенки колонны и возврата ее в определенные заданные точки поперек колонны. Это компенсирует для действия восходящей фазы сопротивление стенки колонны поверхностное натяжение и действие самой насадки и является причиной того, что жидкость стремится течь наружу к стенке колонны и затем по стенке и таким образом избегает прямого контакта с текущей вверх газовой фазой.

Колонна с насадкой Хира имеет следующие недостатки: 1) распределители незначительно способствуют увеличению контакта газ-жидкость и масоопередачи, 2) распределители не распределяют равномерно текущий вниз через уплотненный слой поток жидкости, 3) распределители могут переполняться и вызывать плохое распределение жидкости и снижать эффективность контактирования газ/жидкость колонны.

В патенте США 4504426 от 12.03.85 "Газ-жидкость контактный аппарат" К.Т. Ченга и др. предлагалось обеспечить газ-жидкость контактную колонну перфорированными распределяющими и вспенивающими тарелками, расположенными на разных уровнях. Перфорированные тарелки в основном этого типа использовались в вытянутых вверх распределяющих жидкость промежутках, разделяющих уплотненные слои в колонне с насадкой, всегда принималась во внимание необходимость размещения тарелок в этих промежутках, разделяющих уплотненные слои и не способствующих массопередаче между газом и жидкостью, для того, чтобы обеспечить свободный поток жидкости через перфорированные тарелки и гарантировать равномерное распределение жидкости в перфорированных тарелках, что необходимо для поддержания одинаковой увлажненности набивки.

В новом докладе "Аварийные выбросы вакуумных колонн с насадками" Макмиллана и др. на ежегодной конференции Alche в Чикаго 11-16 ноября 1990 г, авторы представили результаты испытаний вакуумных колонн с насадками. Из этих результатов авторы заключили, что усовершенствование неровного распределения жидкости в колонне неизбежно и для лучшей производительности жидкость следует повторно смешивать в свободных от насадки участках колонны на разных уровнях между уплотненными слоями.

В статьях "Лучше ситчатая тарелка? Дополнить набивкой". А.-Б. С.Х. Сэлема и др. май, 1988, р. 76-6) и "Эффективность работы комбинированной ситовой набивки и ситчатой тарелки в дистилляции" предлагалось дополнить тонким слоем материала набивки на верхней части ситчатых тарелок для увеличения производительности ситчатой колонны. Это усовершенствование также было исследовано автором изобретения в статье Чене и др. "Эффективность работы комбинированной ситовой набивки и ситчатой тарелки в дистилляции, June 1990". Системы, исследованные в этих статьях, не предназначены для распределения жидкости на нижележащую насадку, т.к. усовершенствование относится к использованию ситчатых тарелок. Как можно понять, этот тип тарелки предусмотрен исключительно для поперечного потока жидкости через тарелки по направлению к спускной трубе, посредством чего обеспечивается поперечное распределение жидкости в насадке. Т.к. жидкость течет через тарелку, пар барботируется вверх через текущую в поперечном направлении жидкость с образованием пены. В насадке трудно поддерживать уровень пены, но для целей описываемых в этих статьях, улучшение эксплуатационных качеств не отмечалось.

Это необходимо для колонн с насадкой, где вместо стандартных перфорированных тарелок для поддерживания насадки или других типов тарелок в промежутках между уплотненными слоями или неактивных распределителей, т.е. распределители являются неактивными из-за незначительного содействия контакту газ-жидкость, предусмотрены активные распределители, значительно способствующие контакту газ-жидкость, и в то же время обеспечивающие прямую опору для насадки и обеспечивающие хорошее повторное смешивание жидкости.

Согласно изобретению колонна с насадкой для использования в процессах массопередачи газ-жидкость включает: а) вытянутый вверх корпус, имеющий i) верхний, получающий жидкость внутренний участок корпуса, ii) промежуточный внутренний участок корпуса, формирующий траекторию потока для текущей вниз через него активной жидкости и газа, текущего через него вверх, и iii) нижний, собирающий жидкость, внутренний участок корпуса, b) патрубок вывода газа из корпуса над получающим жидкость внутренним участком корпуса, c) средства для распределения жидкости через получающий жидкость внутренний участок корпуса,
g) вывод жидкости из собирающего жидкость внутреннего участка корпуса,
e) патрубок ввода газа в собирающий жидкость внутренний участок корпуса,
f) ряд размещенных с промежутком отдельных пористых тарелок, делящих поперек всю траекторию потока на разных уровнях в промежуточном внутреннем участке, каждая тарелка перфорирована по всей разделяющей площади и является непосредственной опорой для уплотненного слоя,
q) множество дискретных набивных, контактирующих с газом-жидкостью элементов, опирающихся на каждую тарелку,
h) отличающееся тем, что
i) набивные элементы, образуют уплотненные слои, каждый из которых заполняют всю разделенную часть промежуточного внутреннего участка корпуса над тарелкой, на которую этот уплотненный слой опирается ii) и тарелки являются вспенивающими в распределяющими жидкость активными тарелками для обеспечения в процессе работы заданной степени контролирования уровня жидкости на каждой тарелке, поддержания вспенивания над тарелкой и внутри набивки посредством каждой тарелки вместе с каждым уплотненным слоем, и следовательно всем промежуточным внутренним участком корпуса существенно содействует контакту газ/жидкость в корпусе.

На чертежах путем примера иллюстрируются варианты настоящего изобретения, где на фиг. 1 - схематичный вид сбоку колонны с насадкой, распределяющей жидкость, фиг. 2 - сечение II-II фиг. 1, фиг. 3 - подобная виду на фиг. 1, но с вытянутым вверх участком другой колонны с насадкой, фиг. 4 - сечение IV-IV фиг. 3 с насадкой, фиг. 5 - график, показывающий эффективность различных типов насадки, и фиг. 6 - график, показывающий характеристики массопередачи различных конструкций колонны.

На фиг. 1 и 2 показан предпочтительный вариант действующей колонны с насадкой, содержащей активный распределитель жидкости, которая включает:
а) вытянутый вверх корпус 1, имеющий
i) верхний, получающий жидкость внутренний участок 2,
ii) промежуточный внутренний участок 4, формирующий траекторию потока для текущей вниз через него активной жидкости и текущего вверх через него газа, и
iii) нижний, собирающий жидкость, внутренний участок корпуса 6,
b) вывод газа 8 из кожуха 1 над получающим жидкость внутренним участком 2 корпуса,
c) средство 10 для распределения жидкости в получающем жидкость внутреннем участке 2 корпуса,
d) вывод жидкости 12 из собирающего жидкость внутреннего участка 6 корпуса, который в процессе работы уплотнен от просачивания через него газа,
е) ввод газа 13 в собирающий жидкость внутренний участок корпуса,
f) ряд пористых тарелок 14-16, разделяющих поперек на разных уровнях всю траекторию потока в промежуточном внутреннем участке 4 корпуса, каждая тарелка 14-16 перфорирована по всей разделяющей площади и является опорой для уплотненного слоя на ней, и в процессе работы имеет с уплотненным слоем, поддерживаемым прямо над ней, распределяет активную жидкость через любой уплотненный слой под ней и
g) множество дискретных набивных элементов 18 для контактирования газа-жидкости, опирающихся на каждую тарелку 14-16, содержит:
i) набивные элементы 18, образующие уплотненные слои 20-22, каждый из которых заполняет всю разделенную часть промежуточного внутреннего участка корпуса 4 над тарелками 14-16, на которые опираются уплотненные слои 20-22, активные тарелки вспенивают и распределяют жидкость для обеспечения в процессе работы заданной степени контролирования уровня жидкости на каждой тарелке, чтобы обеспечить вспенивание над тарелкой и внутри насадки, посредством чего каждая тарелка 14-16 вместе со всем каждым уплотненным слоем 20-22 и соответственно всем промежуточным внутренним участком 4 корпуса существенно содействует контакту газ-жидкость в корпусе 1.

Устройство 10 для распределения жидкости по всему получающему жидкость внутреннему участку 2 корпуса содержит трубу 24 с расположенными с промежутком отдельными разбрызгивающими жидкость соплами 26 для распределения жидкости по всему верху насадки.

Вывод жидкости 12 содержит трубу 27 с U-образным сифоном 28, образующим жидкостной затвор основания колонны для облегчения удаления жидкости и предотвращения утечки пара через трубу 27.

В процессе работы жидкость разбрызгивается на самый верхний уплотненный слой, тогда как газ поступает через ввод 13 и поднимается через самый нижний уплотненный слой 20.

Жидкость просачивается струйками вниз через уплотненные слои 20-22 в направлении стрелки 7, тогда как газ проходит вверх через них в направлении стрелки, 9 создавая противоток газового и жидкостного потока.

Газ, проходя вверх через перфорации в тарелках, сразу же вызывает на каждой из тарелок 14-16 вспенивание жидкости до уровня, обозначенного как 23.

Найдено, что можно извлечь выгоду из существенного увеличения высоты пены над соответствующей тарелкой. Согласно этому изобретению характер вспенивания может быть усовершенствован за счет использования вспенивания и распределения жидкости активной тарелкой. Термин "активная" предназначен для того, чтобы отличить обсуждаемую тарелку, конструкция которой не способствует или не поддерживает вспенивание. Активные тарелки, естественно, исключают использование перфорированных тарелок, не обеспечивающих контролируемую задержку жидкости на тарелке, т.к. текущий вверх пар не может расширять вниз пену в насадке над тарелкой.

Такие тарелки не могут нормально обеспечить задержку жидкости, являются обыкновенными опорными тарелками с относительно большими перфорациями, позволяющими жидкости свободно течь через еще сохранившиеся части насадки над тарелкой. Кроме того, исключаются тарелки, предотвращающие или задерживающие вспенивание другими средствами. Исключаются также такие тарелки, которые обеспечивают только течение пара вверх через тарелку с незначительным или полным отсутствием нисходящего потока жидкости через тарелку, например, ситчатые тарелки и колпачковые тарелки, запутывающие и закручивающие поперечный поток жидкости внутри тарелки по направлению к спускной трубе к соответствующей стороне следующей тарелки.

Приемлемые активные тарелки, следовательно, входят в категорию таких тарелок, которые могут развить желаемую степень вспенивания и насадке, допуская при этом нисходящий поток жидкости через тарелку на насадку непосредственно под тарелкой. Тарелка имеет достаточное количество перфораций или отверстий, чтобы обеспечить адекватное перераспределение текущей вниз жидкости над непосредственно нижележащей насадкой. Понятно, что обеспечить усовершенствование этого свойства активного типа тарелки могут различные конфигурации тарелок с различными типами отверстий.

Так направляющая линия конфигурации тарелки может быть лучше всего охарактеризована в предпочтительном варианте изобретения, где площадь перфораций тарелки может составлять 10-40% от площади поперечного сечения колонны, разделенной тарелкой. Примерные типы тарелок показаны на фиг. 2 и 4. Размер отверстий предпочтительно составляет 0,125-1 дюйм (3,2-25,4 мм). Тарелка на фиг. 2 подобна типу опорных тарелок, обычно используемых для основания колонн с насадкой, только модифицирована вытянутыми перфорациями и их размерами, выполненными в вышеуказанных пределах. Тарелка на фиг. 4 подобна тарелке на фиг. 2, но ее поперечное сечение модифицировано таким образом, что по ее поверхности проходит ряд параллельных спускной трубе желобов. Большая часть жидкости течет вниз через спускные трубы и распределяется над нижележащим уплотненным слоем, тогда как пар течет вверх через перфорированные участки между спускными трубами. Спускные трубы снабжены переливами для задержания на тарелке достаточного количества жидкости, чтобы развить заданную высоту пены над тарелкой и внутри набивки. Ссылаясь на колонну на фиг.1, уплотненные слои 20-21 заполняют все разделенное пространство промежуточного внутреннего участка 4 кожуха и величина перфорированной поверхности и площади поперечного сечения перфорированных тарелок выбираются из условия обеспечения заданного контролируемого уровня жидкости на каждой тарелке, чтобы способствовать вспениванию над тарелкой и внутри насадки, так чтобы каждая активная тарелка 14-16 вместе с каждым уплотненным слоем 20-22 значительно содействовали контакту газ-жидкость внутри кожуха.

Для улучшения результатов, площадь перфораций каждой тарелки 14-16, находилась в вышеупомянутых пределах, предпочтителен более узкий диапазон 20-40% площади поперечного сечения, отделенного этой тарелкой, и как показано на фиг. 2, отверстия 17 имели диаметр в диапазоне 0,125-1 дюйм (3,2-25,4 мм). При таком типе структуры активной тарелки достигается и поддерживается в процессе работы заданная высота 23 пены, так же как и заданное распределение текущей вниз жидкости.

Также для улучшения результатов тарелки 14-16 разделяли траекторию потока в корпусе 1 на высоте в диапазоне 10-80 дюймов (250-2000 мм).

На фиг. 2 и 3, как ранее описано, тарелки 14-16 соответствуют альтернативному варианту настоящего изобретения и имеют такие спускные трубы, как спускные трубы 32-35, показанные на тарелке 16. Каждая спускная труба 32-35 имеет наплывы переливов, такие как 36 и 38 и перфорированные боковые и донные плиты, такие как боковые плиты 40 и 42 и донная плита 44. Такое расположение плит функционирует так же как тарелка на фиг. 2. Переливы 36 и 38 имеют достаточную высоту для задержания жидкости на поверхности тарелки над перфорированными участками 30 между соответствующими спускными желобами, так что текущий вверх через отверстия 17 в направлении стрелок 45 пар развивает пену в насадке заданной высоты, в основном до обозначенного на фиг. 3 уровня 23. Количество спускных желобов 32, желобов 35 выбирается для размера тарелки, чтобы обеспечить адекватное распределение текущей вниз жидкости над насадкой, расположенной непосредственно под тарелкой. Как показано стрелками 46, спускной желоб направляет поток жидкости диспергированием так, чтобы равномерно распределить текущую вниз жидкость над нижележащей насадкой.

Испытания для проверки настоящего изобретения были проведены на имеющей 30 см диаметр метанола/вода перегонной колонне с 5 тарелками, смежные тарелки были расположены с промежутком 46 см. Испытания показали, что при низкой концентрации метанола для двухпоточных тарелок, с 20% перфорацией типа показанных на фиг. 2, комбинированных с 46 см слоями насадки на 25 мм мини колец высота насадки, эквивалентная одной теоретической тарелке (HETP) была 12 дюймов, тогда как для такой же насадки, оборудованной серийной опорной решеткой, значение HEPT было равно 30 дюймам. Результаты показали, что настоящее изобретение может улучшить эффективность колонны с насадкой до значения 2,5, которое является отношением HETP известной колонны к HETP данного изобретения, т.е. 30/12.

Дальнейшие исследования проводились для демонстрации улучшения эффективности колонн, обеспечиваемого данным изобретением. Колонна типа, показанного на фиг. 1, использовалась для разделения смеси метанола (MeOH) и воды (H₂O). Исследовалась эффективность различных насадок для определения лучшей насадки для колонны. Результаты на фиг. 5 показали лучшую насадку из колец, имеющую самое низкое значение HEPT. На фиг. 5 F-фактор является выражением кинетической энергии газа, которая определяется как U_v,
где U_v - скорость газа, м/с, P_v - плотность газа, кг/м². На фиг. 6 показаны результаты в процессе работы колонны при различных условиях, включая с или без предпочтительных мини-колец. Сравниваются двухпоточная тарелка фиг. 2, колонна с насадкой из мини-колец без любых разделяющих тарелок и изобретение, включающее двухпоточные тарелки и полную насадку из мини-колец в промежутках между тарелками. На фиг. 6 NTP/M равно числу теоретических тарелок на метр, обратно пропорциональному HETP, т.е. I/HETP. График данных, полученных при работе колонны при вышеупомянутых условиях, выполнен для значения F = 1,6. Из фиг. 6 следует, что эффективность тарелки с полной из мини-колец насадкой более чем вдвое выше эффективности двухпоточной тарелки. Эффективность изобретения также выше эффективности стандартной насадки из мини-колец но крайней мере в 1,3 раза.

Хотя на графике фиг. 6 не показано, коэффициент массопередачи ситчатой тарелки со слоем набивки на ней, как указывают Чен и др. Примерно в 1,1 раза выше, чем у двухпоточной тарелки без насадки. Следовательно, данное изобретение обеспечивает повышение коэффициента массопередачи над Ченом и др. с фактором 2 или более. Это чрезвычайно высокое достижение в области массопередачи, если сравнить 200% выгоду против 10% увеличения эффективности, которую обычно считают вполне значительной.

Согласно изобретению, установке вспенивающих и распределяющих жидкость активных тарелок по всей колонне обеспечивает более частное перераспределение текущей вниз жидкости, в то же время увеличивая контакт газа-жидкости по всей высоте колонны. В отличие от обычных систем, в которых распределители жидкости расположены через каждые 6-8 м колонны, в изобретении предусмотрены распределители в виде активных тарелок через каждые 0,3-0,5 м. Уже отмечено, что активные тарелки могут быть такого типа, как показано на фиг. 2 и 4, из которых понятно, что спускные желоба тарелок на фиг. 4 полезнее при больших диаметрах тарелок, например, превышающих 1 м, или при больших скоростях нисходящего потока.

Хотя предпочтительные варианты изобретения подробно описаны в данном описании, специалистам понятно, что могут быть сделаны его видоизменения, не отступающие от характера изобретения или объема притязаний, изложенных в формуле.

Формула изобретения

1. Колонна с насадкой для массопередачи газ-жидкость, содержащая вытянутый вверх корпус, имеющий верхний участок для получения жидкости, промежуточный участок для формирования траектории потока проходящей вниз через него активной жидкости и проходящего вверх через него газа и нижний участок для сбора жидкости, патрубок вывода газа, выходящий из корпуса над верхним участком, средство для распределения жидкости поперек верхнего участка, патрубок вывода жидкости из нижнего участка, патрубок ввода газа в нижний участок, ряд расположенных с промежутком перфорированных тарелок, разделяющих поперек на разных уровнях всю траекторию потока в промежуточном участке, множество дискретных газ-жидкость контактных набивных элементов, опирающихся на каждую тарелку, отличающаяся тем, что набивные элементы образуют уплотненные слои, каждый из которых заполняет всю разделенную часть промежуточного участка над тарелкой, на которую опирается уплотненный слой, а тарелки являются вспенивающими и распределяющими жидкость, причем каждая тарелка имеет множество параллельных расположенных с промежутком отдельных желобов с переливами, причем переливы выполнены высотой, обеспечивающей создание и поддержание необходимого для вспенивания восходящим потоком пара уровня жидкости.

2. Колонна с насадкой по п.1, отличающаяся тем, что каждая тарелка имеет перфорированную зону в диапазоне 10-40% от площади поперечного сечения, отделенной этой тарелкой.

3. Колонна с насадкой по п.1, отличающаяся тем, что диаметр перфораций равен 3,2-25,2 мм.

4. Колонна с насадкой по п.1, отличающаяся тем, что перфорированная зона составляет 20-40%.

5. Колонна с насадкой по п.1, отличающаяся тем, что тарелки разделяют траекторию потока в промежуточном участке корпуса на высоте 20-200 см.

6. Колонна с насадкой по п.1, отличающаяся тем, что насадка выбирается из группы, содержащей мини-кольца, подкладки и насадки упорядоченного типа.

7. Колонна с насадкой по п.1, отличающаяся тем, что насадкой является мини-кольца.

8. Колонна с насадкой по п.7, отличающаяся тем, что коэффициент массопередачи тарелки составляет 4 теоретические тарелки на 1 м.

9. Колонна с насадкой по п.1, отличающаяся тем, что тарелка выполнена плоской с множеством отверстий в ней, каждое отверстие обеспечивает противоток газ-жидкость через него и заданную степень задержки жидкости на каждой тарелке.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6