Узел ректификации установки разделения воздуха

Изобретение относится к теплоэнергетике, в частности к теплообменной аппаратуре, работающей в условиях кипения и конденсации рабочих сред, и может быть использовано в установках низкотемпературного разделения воздуха. Узел ректификации установки низкотемпературного разделения воздуха, содержащий нижнюю ректификационную колонну и верхнюю ректификационную колонну со встроенным в нее конденсатором-испарителем, выполненным из труб с наружным капиллярно-пористым покрытием с оптимизированной геометрией, при этом конденсатор-испаритель выполнен как вертикальный аппарат с одним или несколькими теплообменными элементами витой или прямотрубной конструкции. Каждый теплообменный элемент имеет наружную цилиндрическую обечайку для обеспечения надежной циркуляции кипящей жидкости в межтрубном пространстве. Технический результат - обеспечение надежности узла ректификации установки разделения воздуха благодаря оптимизации его конструкции при работе в режиме повышенных тепловых нагрузок, снижение металлоемкости аппарата и энергозатрат на получение чистых продуктов разделения воздуха. 9 з.п. ф-лы, 4 ил.

 

Изобретение относится к теплоэнергетике, в частности к теплообменной аппаратуре, работающей в условиях кипения и конденсации рабочих сред, и может быть использовано в установках низкотемпературного разделения воздуха.

Известен узел ректификации установки разделения воздуха [Криогенное оборудование. Каталог ЦИНТИхимнефтемаш, М., 1988. Стр. 12], содержащий верхнюю ректификационную колонну низкого давления, нижнюю ректификационную колонну высокого давления и отдельно стоящую группу конденсаторов-испарителей. Такая компоновка конденсаторами узла ректификации позволяет создавать требуемую поверхность теплообмена изменением количества конденсаторов-испарителей в группе.

Недостатками указанного узла ректификации является громоздкость группы конденсаторов для установки большой производительности, увеличенные размеры необходимых монтажных площадей в установке разделения воздуха, дополнительные трубопроводы для обвязки конденсаторов между собой, увеличенная металлоемкость за счет изготовления нескольких корпусов аппаратов, и, соответственно, высокая стоимость.

Известен узел ректификации установки разделения воздуха [Криогенное оборудование. Каталог ЦИНТИхимнефтемаш, М., 1988. Стр. 6], содержащий верхнюю ректификационную колонну низкого давления, нижнюю ректификационную колонну высокого давления, группу конденсаторов-испарителей, каждый из которых может быть выполнен как конденсатор, содержащий корпус с размещенными в нем одним или несколькими пластинчато-ребристыми теплообменными элементами с каналами конденсации и каналами кипения, коллекторы с патрубками для ввода и вывода конденсирующейся среды, при этом теплообменные элементы выполнены в виде параллелограмма, устанавливаемого наклонно к горизонтали под углом 5-И 5°, коллекторы размещены на поверхности кипения, площади боковых сечений ввода и вывода кипящей среды равновелики площадям сечений, занятых коллекторами, а насадка в зоне боковых сечений каналов кипения выполнена перфорированной.

Недостатком рассмотренного узла ректификации является то, что группа конденсаторов представляет собой автономные, требующие дополнительных монтажных площадей, цельносварные конструкции с тремя днищами (верхнее, нижнее, перегородка), причем перегородка механически перегружена избыточной массой жидкости, а работа теплообменных пластинчато-ребристых элементов не оптимизирована по уровню затопления их кипящей средой, что снижает эффективность их работы; горизонтальность каналов конденсации требует наклонного расположения теплообменных элементов для обеспечения слива конденсата из каналов конденсации, что усложняет конструкцию и увеличивает стоимость.

Наиболее близким к заявляемому техническому решению по совокупности признаков является узел ректификации установки разделения воздуха [RU 2260754] (прототип), содержащий верхнюю ректификационную колонну низкого давления с встроенным в нее конденсатором-испарителем и нижнюю ректификационную колонну высокого давления, при этом конструкция конденсатора-испарителя представляет собой многокаскадную схему.

Недостатком указанного узла ректификации является сложность конструкции конденсатора-испарителя, приводящая к увеличению стоимости ее реализации при использовании в установках разделения воздуха большой производительности.

Задачей настоящего изобретения является разработка компактного и эффективного узла ректификации установки разделения воздуха с конденсатором-испарителем трубчатой конструкции, выполненным из труб с наружным капиллярно-пористым покрытием с оптимизированной геометрией, и позволяющим применять его в технологических схемах установок низкотемпературного разделения воздуха большой производительности.

Технический результат - обеспечение надежности узла ректификации установки разделения воздуха благодаря оптимизации его конструкции при работе в режиме повышенных тепловых нагрузок, снижение металлоемкости аппарата и энергозатрат на получение чистых продуктов разделения воздуха.

Указанный технический результат достигается тем, что предложен узел ректификации установки низкотемпературного разделения воздуха, содержащий нижнюю ректификационную колонну и верхнюю ректификационную колонну со встроенным в нее конденсатором-испарителем, выполненным из труб с наружным капиллярно-пористым покрытием с оптимизированной геометрией, при этом конденсатор-испаритель выполнен как вертикальный аппарат с одним или несколькими теплообменными элементами витой или прямотрубной конструкции. Каждый теплообменный элемент имеет наружную цилиндрическую обечайку для обеспечения надежной циркуляции кипящей жидкости в межтрубном пространстве.

Капиллярно-пористое покрытие наружной поверхности труб имеет следующие оптимальные геометрические характеристики:

- открытая пористость (объем открытых пор):

ε=(0.23÷0.25)×Vкпп,

где: Vкпп - объем капиллярно-пористого слоя на трубке длиной Lтр, который определяется как:

Vкпп=(dкпп2-dнар2)×0.785×Lтр,

где: dкпп и dнар - соответственно диаметр слоя капиллярно-пористого покрытия и наружный диаметр трубки.

Величина открытой пористости ε определяется методом взвешивания образца трубки с покрытием до погружения ее в жидкость и после.

- объем пор:

Vпop=(Рпрсух)/ρ,

где: Рсух, Рпр - вес сухого образца и после пропитки, ρ - плотность пропитывающей жидкости.

Отношение измеренного объема открытых пор к вычисленному объему пористого слоя образца дает значение открытой пористости:

ε=Vпор/V. Диаметр эквивалентной поры:

dэп=(40÷50)×10-6.

Величина диаметра эквивалентной поры dэп определяется из выражения:

где и ρ - соответственно, поверхностное натяжение и плотность пропитывающей жидкости, в которую погружается образец трубки с покрытием; - высота подъема пропитывающей жидкости по капиллярно-пористому покрытию при вертикальном погружении в нее части образца трубки с покрытием; g - ускорение свободного падения (9.81 м2/сек).

Толщина слоя покрытия:

δ=(dкпп-dнар)/2=(0.4÷0.5)×10-3 м.

Применение капиллярно-пористого покрытия указанных параметров, являющихся оптимальными для конденсаторов-испарителей установок низкотемпературного разделения воздуха, позволяет максимально интенсифицировать теплоотдачу при кипении, что дает возможность иметь минимальные размеры конденсатора-испарителя и минимальные энергозатраты при эксплуатации установки низкотемпературного разделения воздуха.

Изобретение поясняется Фиг. 1-4, которые иллюстрируют, но не ограничивают возможные варианты исполнения заявленного узла ректификации.

Фиг. 1 - схема узла ректификации с нижней колонной и верхней колонной с встроенным в нее конденсатором-испарителем, состоящим из одного или нескольких теплообменных элементов витой или прямотрубной конструкции;

Фиг. 2 - элемент трубки с наружным капиллярно-пористым покрытием;

Фиг. 3 - схема теплообменного элемента витой конструкции;

Фиг. 4 - схема теплообменного элемента прямотрубной конструкции.

Условные обозначения: 1 - нижняя колонна; 2 - верхняя колонна; 3 - теплообменные элементы; 4 - патрубок; 5 - сепаратор; 6 - цилиндрическая обечайка; 7 - верхняя трубная решетка; 8 - нижняя трубная решетка.

Узел ректификации содержит нижнюю колонну (1) и верхнюю колонну (2) с размещенными внутри нее одним или несколькими теплообменными элементами (3), набранными из труб с наружным капиллярно-пористым покрытием (Фиг. 2), внутри которых конденсируется пар азота, поступающий из нижней колонны, и отводится конденсат. На корпусе верхней колонны размещен патрубок (4) для вывода пара продукционного кислорода после сепарации из него жидкой фазы в сепараторе (5).

С целью упорядочения и интенсификации циркуляции кипящего кислорода межтрубное пространство каждого теплообменного элемента ограничено внешней цилиндрической обечайкой (6). Высота обечайки теплообменного элемента витой конструкции h (Фиг. 3) равна высоте навивки трубного пучка; высота обечайки прямотрубного теплообменного элемента h1 (Фиг. 4) составляет 0.8÷0.85 расстояния между верхней (7) и нижней (8) трубными решетками, считая от нижней (8).

Увеличение высоты цилиндрической обечайки прямотрубного теплообменного элемента hi более 0.85 расстояния между трубными решетками затрудняет выход парожидкостной смеси из межтрубного пространства, создавая дополнительное гидравлическое сопротивление и ухудшая циркуляцию. Уменьшение высоты цилиндрической обечайки менее 0.8 расстояния между трубными решетками приводит к снижению скорости циркуляции кипящей жидкости из-за уменьшения движущего циркуляционного напора и как следствие снижению интенсивности теплоотдачи от кипящей жидкости к стенке трубки.

Для обеспечения подвода жидкого кислорода в межтрубное пространство прямотрубного теплообменного элемента (Фиг. 4) в нижней части цилиндрической обечайки предусмотрены отверстия общим сечением не менее:

где Dоб - диаметр цилиндрической обечайки; h2 - высота отверстий от нижнего края обечайки. Величина hi составляет не более 0.1 ее высоты h1.

Уменьшение площади проходного сечения для подвода жидкости в межтрубное пространство менее S также, как и увеличение высоты отверстия больше h2, приводит к снижению интенсивности циркуляции кипящей жидкости в межтрубном пространстве прямотрубного теплообменного элемента. При этом уменьшение S приближает режим работы полости кипения к запариванию и возникновению условий для отложения взрывоопасных примесей на поверхности кипения. Увеличение h2 снижает интенсивность циркуляции, что снижает интенсивность теплоотдачи от кипящей жидкости к стенке трубки.

В теплообменном элементе витой конструкции внутренний диаметр труб dвн составляет не менее 0.007 м, максимальная длина труб Lтр должна составлять не более 10÷12 м. При значении внутреннего диаметра труб менее 0.007 м и значении их длины более 10÷12 м существенно возрастает гидравлическое сопротивление теплообменного элемента, что приводит к снижению эффективности работы конденсатора-испарителя.

Узел ректификации работает следующим образом: пар из нижней колонны

(1) поступает в верхнюю колонну (2), в которой распределяется по внутренним полостям труб теплообменных элементов (3) (Фиг. 3-4), после чего образовавшийся конденсат выводится из конденсатора-испарителя. Кислород из верхней колонны

(2) поступает в полость кипения конденсатора, предварительно пройдя адсорбционную очистку от растворенных в нем углеводородных примесей за пределами узла ректификации и возвращаясь обратно в полость кипения конденсатора с помощью насоса обратной подачи. Теплообменные элементы (3) (Фиг. 3-4) конденсатора-испарителя, работают в режиме с естественной циркуляцией, при котором испаряющийся в межтрубном пространстве кислород в виде парожидкостной смеси поднимается в верхнюю часть теплообменного элемента и далее, после отвода пара в верхнюю колонну, оставшаяся жидкость возвращается в полость кипения и снова поступает на вход в межтрубное пространство теплообменного элемента.

Выполнение заявляемого узла ректификации установки разделения воздуха позволяет обеспечить надежное функционирование благодаря оптимизации его конструкции при работе в режиме повышенных тепловых нагрузок, снижение металлоемкости аппарата и энергозатрат на получение чистых продуктов разделения воздуха.

1. Узел ректификации установки разделения воздуха, содержащий нижнюю ректификационную колонну и верхнюю ректификационную колонну со встроенным в нее конденсатором-испарителем, содержащим один или несколько вертикальных теплообменных элементов прямотрубной или витой конструкции, состоящих из труб с наружным капиллярно-пористым покрытием, отличающийся тем, что величина открытой пористости капиллярно-пористого покрытия определяется соотношением:

величина диаметра эквивалентной поры капиллярно-пористого покрытия составляет:

dэп=(40÷50)×10-6 м,

толщина слоя капиллярно-пористого покрытия составляет:

δ=(0.4÷0.5)×10-3 м.

2. Узел ректификации по п. 1, в котором теплообменные элементы имеют наружную цилиндрическую обечайку.

3. Узел ректификации по п. 2, в котором цилиндрическая обечайка теплообменного элемента прямотрубной конструкции имеет высоту, равную 0.8÷0.85 величины расстояния между трубными решетками, считая от нижней.

4. Узел ректификации по п. 2, в котором высота цилиндрической обечайки теплообменного элемента витой конструкции равна высоте навивки.

5. Узел ректификации по п. 2, в котором цилиндрическая обечайка теплообменного элемента прямотрубной конструкции в нижней части имеет отверстия для входа циркулирующей жидкости.

6. Узел ректификации по п. 1, в котором величина общего сечения отверстий для входа циркулирующей жидкости на цилиндрической обечайке теплообменного элемента прямотрубной конструкции составляет не менее:

S≥0.5×π×Dоб×h2.

7. Узел ректификации по п. 1, в котором высота сечений отверстий для входа циркулирующей жидкости на цилиндрической обечайке теплообменного элемента прямотрубной конструкции составляет не более 0.1 ее высоты h1.

8. Узел ректификации по п. 1, в котором внутренний диаметр трубки dвн теплообменного элемента витой конструкции составляет не менее 0.007 м.

9. Узел ректификации по п. 1, в котором длина каждой трубки теплообменного элемента витой конструкции составляет не более 10÷12 м.

10. Узел ректификации по п. 1, в котором жидкий кислород из верхней колонны перед подачей его в полость кипения конденсатора, предварительно очищается в адсорбере от углеводородных примесей.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к способу и устройству низкотемпературного разделения воздуха. Способ и устройство служат в установке для разделения воздуха, которая содержит основной воздушный компрессор, основной теплообменник и систему дистилляционных колонн с колонной высокого давления и колонной низкого давления.

Предложена установка (100) разделения воздуха для получения продукта, содержащего аргон, низкотемпературным разделением сжатого и охлажденного исходного воздуха и способы ее работы.

Изобретение относится к средствам низкотемпературного разделения воздуха. Предложен способ получения по меньшей мере одного жидкого кислородсодержащего продукта (LOX) и одного газообразного кислородсодержащего продукта (GOX) низкотемпературным разделением воздуха (AIR) в системе дистилляционных колонн (S) установки разделения воздуха.

Изобретение относится к средствам низкотемпературного разделения воздуха. Предложен способ получения по меньшей мере одного жидкого кислородсодержащего продукта (LOX) и одного газообразного кислородсодержащего продукта (GOX) низкотемпературным разделением воздуха (AIR) в системе дистилляционных колонн (S) установки разделения воздуха.

Настоящее изобретение относится к способу и устройству для производства воздухоразделительных установок в удалённом местоположении, используя мобильный производственный объект.

Настоящее изобретение относится к способу и устройству для производства воздухоразделительных установок в удалённом местоположении, используя мобильный производственный объект.

Группа изобретений относится к разделению воздуха. Охлажденный воздух (AIR) при первом разделительном давлении в первой разделительной колонне (S1) разделяют на обогащенную азотом головную фракцию и обогащенную кислородом нижнюю фракцию.

Изобретение относится к холодильной и криогенной технике и может быть использовано при комплексном разделении воздуха в металлургической и химической промышленности.

Способ и устройство служат для низкотемпературного разделения на фракции жидкостной смеси. Жидкостная смесь подается в разделительную колонну.

Изобретение относится к химической промышленности и может быть использовано для распределения потока жидкости в обменных колоннах для процессов тепло- или массопереноса в процессах криогенного разделения воздуха.

Изобретение относится к процессам и устройству для выделения этанола из ферментированной биомассы. Способ выделения этанола из ферментированной биомассы, при этом указанный способ включает стадии: (a) предоставления ферментированной биомассы с высоким содержанием этанола; (b) набивки указанной ферментированной биомассы с высоким содержанием этанола в вертикальную дистилляционную колонну; (c) добавления воды в нижнюю часть указанной вертикальной дистилляционной колонны; (d) нагревания нижней части указанной вертикальной дистилляционной колонны для кипячения указанной воды с получением таким образом пара из нижней части; (e) охлаждения верхней части указанной вертикальной дистилляционной колонны для конденсации пара с верхней части с получением таким образом жидкости с верхней части с высоким содержанием этанола и (f) повторного введения фракции указанной жидкости с верхней части с высоким содержанием этанола в верхнюю часть указанной вертикальной дистилляционной колонны, при этом стадии с (d) по (f) выполняют одновременно.

Изобретение предназначено для тепломассообмена. Распределительная тарелка для колонны обмена теплом и/или массой между газом и жидкостью содержит средства (4) для прохождения указанного газа через указанную тарелку (2) и по меньшей мере один канал (6) для прохождения указанной жидкости через указанную тарелку (2).

Изобретение относится к парожидкостному контактному тарельчатому устройству для использования в разделительной колонне. Согласно первому аспекту изобретения парожидкостное контактное тарельчатое устройство включает тарелку, имеющую множество отверстий для прохождения жидкости.

Изобретение относится к парожидкостному контактному тарельчатому устройству для использования в разделительной колонне. Согласно первому аспекту изобретения парожидкостное контактное тарельчатое устройство включает тарелку, имеющую множество отверстий для прохождения жидкости.

Изобретение относится к металлическому компоненту устройства для проведения перегонки и/или ферментации. Металлический компонент устройства для проведения перегонки и/или ферментации характеризуется тем, что активная поверхность указанного компонента покрыта, полностью или частично, по меньшей мере одним слоем наноструктурированной меди.
Предложен способ очистки этилового спирта, содержащий стадии: перегонку в дистилляционной колонне потока поступающего сырья, содержащего этиловый спирт в количестве ниже его азеотропной концентрации, воду и примеси из одного или нескольких высших спиртов в количестве от 1 до 25000 мг/л абсолютного спирта, и сбор потока продукта, имеющего более высокую чистоту этилового спирта по сравнению с таковым в потоке поступающего сырья, сбор одного или нескольких потоков, имеющих более высокую чистоту в одном или большем количестве высших спиртов по сравнению с таковыми в потоке поступающего сырья.

Изобретение относится к газораспределителю. Газораспределитель для теплообменной и/или массообменной колонны, расположенный внутри указанной колонны и содержащий: впускной патрубок для подаваемого газа, проходящий через стенку корпуса колонны, по существу перпендикулярный продольной оси указанной колонны, для направления подаваемого газа перпендикулярно к вертикальной внутренней разделенной на участки цилиндрической отклоняющей стенке, которая содержит отверстие в круговую внутреннюю открытую область внутри газораспределителя, нижнюю секцию, которая продолжает внутреннюю цилиндрическую отклоняющую стенку и соответствует контуру стенки корпуса, при этом нижняя секция содержит отверстие в сливную емкость внутри колонны, и в целом горизонтальный потолок над впускным патрубком для подаваемого газа между внутренней цилиндрической отклоняющей стенкой и стенкой корпуса с заданием в целом кольцевого канала протекания газа, который образован между стенкой корпуса и внутренней цилиндрической отклоняющей стенкой, причем указанный потолок содержит отверстие.

Изобретение относится к способу отделения примесей от неочищенного пропиленоксида (ПО). Предложенный способ включает стадию, на которой дистиллируют неочищенный ПО в зоне экстрактивной дистилляции с ароматическим углеводородом, содержащим 6-12 атомов углерода.
Изобретение относится к колонне, предназначенной, в частности, для массо- и/или энергообмена между жидкостной фазой и направленной в противотоке к ней газообразной фазой.

Изобретение относится к системам фракционирования для дегидрирования короткоцепочечных насыщенных углеводородов с получением соответствующих олефинов, в частности пропилена, широко используемого в потребительских и промышленных продуктах.

Изобретение относится к теплоэнергетике, в частности к теплообменной аппаратуре, работающей в условиях кипения и конденсации рабочих сред, и может быть использовано в установках низкотемпературного разделения воздуха. Узел ректификации установки низкотемпературного разделения воздуха, содержащий нижнюю ректификационную колонну и верхнюю ректификационную колонну со встроенным в нее конденсатором-испарителем, выполненным из труб с наружным капиллярно-пористым покрытием с оптимизированной геометрией, при этом конденсатор-испаритель выполнен как вертикальный аппарат с одним или несколькими теплообменными элементами витой или прямотрубной конструкции. Каждый теплообменный элемент имеет наружную цилиндрическую обечайку для обеспечения надежной циркуляции кипящей жидкости в межтрубном пространстве. Технический результат - обеспечение надежности узла ректификации установки разделения воздуха благодаря оптимизации его конструкции при работе в режиме повышенных тепловых нагрузок, снижение металлоемкости аппарата и энергозатрат на получение чистых продуктов разделения воздуха. 9 з.п. ф-лы, 4 ил.

Наверх