Тепломассообменная колонна

Изобретение относится к конструкциям тепломассообменных насадочных колонн и может быть использовано при осуществлении ректификационных процессов. Тепломассообменная колонна состоит из корпуса с расположенными по высоте по меньшей мере двумя пакетами косорифленой насадки, расположенными между ними по меньшей мере одним коллектором и по меньшей мере одним распределителем жидкости, при этом каждый пакет насадки, каждый коллектор, каждый распределитель жидкости установлен в обечайку. Тепломассообменная колонна по всей высоте содержит как минимум два уплотнительных кольца, расположенных так, что верхнее расположено на верхней границе верхней обечайки насадки, а нижнее - на нижней границе нижней обечайки насадки. Изобретение позволяет повысить интенсивность ректификационных процессов в тепломассообменной колонне за счет полного исключения явления пристеночного уноса жидкости, вторичного перераспределения жидкости, уменьшения явления брызгоуноса и введения дополнительной теплоизоляции без значительного увеличения вертикальных габаритов тепломассообменной колонны. 1 з.п. ф-лы, 4 ил.

 

Группа изобретений относится к конструкциям тепломассообменных насадочных колонн и может быть использована при осуществлении ректификационных процессов.

Наиболее близким первому аспекту настоящей группы изобретений, по технической сущности и совокупности признаков, является технологическая инженерная колонна [см., например, патент RU 2656503 С2, МПК B01D 3/32, B01D53/18, дата публикации 05.06.2018], которая содержит первый вход для первой текучей среды, второй вход для второй текучей среды, более легкой, чем первая текучая среда и комбинированный коллектор и перераспределитель текучих сред. Первый вход расположен возле верхней части колонны. Второй вход расположен возле нижней части колонны. Комбинированный коллектор и перераспределитель текучих сред расположен между первым и вторым входами.

Наиболее близким второму аспекту настоящей группы изобретений, по технической сущности и совокупности признаков, является коллектор текучей среды для сбора первой текучей среды [см., например, патент RU 2656503 С2, МПК B01D 3/32, B01D 53/18, дата публикации 05.06.2018], который содержит пластину для сбора текучей среды, по меньшей мере одну опускную трубу, по меньшей мере одну вытяжную трубу.

Наиболее близким третьему аспекту настоящей группы изобретений, по технической сущности и совокупности признаков, является распределитель из желобов [И.А. Александров, Ректификационные и абсорбционные аппараты. Методы расчета и конструирования. Изд. 2-е. М. «Химия» 1971, с. 296], который содержит желоба для распределения жидкости.

К основным недостаткам рассмотренной технологической инженерной колонны следует отнести низкую интенсивность ректификационных процессов, обусловленную явлением пристеночного уноса жидкости, отсутствием контактирования текучих сред в вертикальном пространстве комбинированного коллектора и перераспределителя текучих сред, отсутствием сепарирующего эффекта и дополнительной теплоизоляции.

К основным недостаткам рассмотренного коллектора текучей среды для сбора первой текучей среды следует отнести понижение интенсивности ректификационных процессов, вследствие отсутствия контактирования текучих сред в коллекторе и отсутствия сепарирующего эффекта.

К основному недостатку рассмотренного распределителя из желобов следует отнести большую вероятность пролива жидкости мимо нижних желобов через прорези в верхнем желобе.

Техническим результатом тепломассообменной колонны является повышение интенсивности ректификационных процессов в тепломассообменной колонне за счет полного исключения явления пристеночного уноса жидкости, уменьшения явления брызгоуноса, и введения дополнительной теплоизоляции без значительного увеличения вертикальных габаритов тепломассообменной колонны.

Техническим результатом коллектора является введение сепарирующего эффекта.

Техническим результатом распределителя жидкости является одновременный перелив жидкости из первичного желоба во вторичные без пролива мимо вторичных желобов.

Технический результат тепломассообменной колонны достигается тем, что в тепломассообменной колонне, содержащей корпус с установленными соосно один над другим N контактными пакетами насадки из косорифленых листов, установленными между ними M≤N-1 коллекторами, состоящими из пластины для сбора текучей среды и опускной трубы, и М≤N-1 распределителями жидкости, состоящими из первичного желоба и, по меньшей мере, одного вторичного желоба, каждый пакет насадки, каждый коллектор и каждый распределитель жидкости установлены в обечайку с внешним диаметром d=(0,9…0,99)D, где D - внутренний диаметр корпуса тепломассообменной колонны, при этом в нижней и верхней частях корпуса тепломассообменной колонны, с внутренней стороны, на заданном расстоянии друг от друга выполнены пазы, в которые установлены уплотнительные кольца.

Технический результат коллектора достигается тем, что коллектор, состоящий из пластины для сбора текучей среды и опускной трубы, установлен в обечайку с внешним диаметром d=(0,9…0,99)D, где D - внутренний диаметр корпуса тепломассообменной колонны, при этом опускная труба установлена по продольной оси тепломассообменной колонны, а пластина для сбора текучей среды выполнена в виде К желобов, в форме усеченного сектора, при этом желоба размещены в двух уровнях, на заданном расстоянии друг от друга по высоте, и установлены наклонно под заданным углом к продольной оси тепломассообменной колонны, при этом нижний уровень желобов установлен с перекрытием относительно верхнего уровня желобов, опускная труба выполнена в виде полого цилиндра, в стенках которого выполнены отверстия в двух уровнях, в количестве равном количеству желобов, каждый желоб жестко закреплен по дуге большего диаметра с обечайкой, а меньшего диаметра - с нижней частью отверстия во внешнем диаметре опускной трубы, при этом боковые стенки каждого желоба закреплены Т-образно по отношению к его дну, при этом в обечайке под верхними желобами, на заданном расстоянии от каждого желоба, выполнены отверстия.

Технический результат распределителя жидкости достигается тем, что распределитель жидкости, состоящий из первичного желоба и, по меньшей мере, одного вторичного желоба, установлен в обечайку с внешним диаметром d=(0,9…0,99)D, где D - внутренний диаметр корпуса тепломассообменной колонны, при этом на дне первичного желоба над вторичными желобами установлены L переливных труб, где L - количество вторичных желобов, высота которых меньше высоты боковых стенок первичного желоба.

Сущность изобретения тепломассообменной колонны заключается в том, что каждый пакет насадки, каждый коллектор и каждый распределитель жидкости установлены в обечайку с внешним диаметром d=(0,9…0,99)D, где D - внутренний диаметр корпуса тепломассообменной колонны, при этом в нижней и верхней частях корпуса тепломассообменной колонны, с внутренней стороны, на заданном расстоянии друг от друга выполнены пазы, в которые установлены уплотнительные кольца.

Сущность изобретения коллектора заключается в том, что коллектор установлен в обечайку с внешним диаметром d=(0,9…0,99)D, где D - внутренний диаметр корпуса тепломассообменной колонны, при этом опускная труба установлена по продольной оси тепломассообменной колонны, а пластина для сбора текучей среды выполнена в виде K желобов, в форме усеченного сектора, при этом желоба размещены в двух уровнях, на заданном расстоянии друг от друга по высоте, и установлены наклонно под заданным углом к продольной оси тепломассообменной колонны, при этом нижний уровень желобов установлен с перекрытием относительно верхнего уровня желобов, опускная труба выполнена в виде полого цилиндра, в стенках которого выполнены отверстия в двух уровнях, в количестве равном количеству желобов, каждый желоб жестко закреплен по дуге большего диаметра с обечайкой, а меньшего диаметра - с нижней частью отверстия во внешнем диаметре опускной трубы, при этом боковые стенки каждого желоба закреплены Т-образно по отношению к его дну, при этом в обечайке под верхними желобами, на заданном расстоянии от каждого желоба, выполнены отверстия.

Сущность изобретения распределителя жидкости заключается в том, что распределитель жидкости установлен в обечайку с внешним диаметром d=(0,9…0,99)D, где D - внутренний диаметр корпуса тепломассообменной колонны, при этом на дне первичного желоба над вторичными желобами установлены L переливных труб, где L - количество вторичных желобов, высота которых меньше высоты боковых стенок первичного желоба.

Сущность группы изобретений поясняется чертежами.

На фиг. 1 представлена тепломассообменная колонна, где обозначено: 1 - вход для жидкой фазы; 2 - вход для газовой фазы; 3 - отбор газообразного продукта; 4 - отбор жидкого продукта; 5 - корпус тепломассообменной колонны; 6 - распределитель жидкой фазы; 7 - коллектор; 8 - распределитель жидкости; 9 - уплотнительные кольца; 10 - верхний пакет гофрированной косорифленой насадки; 11 - нижний пакет гофрированной косорифленой насадки. На фиг. 2 представлен пакет гофрированной косорифленой насадки в обечайке, где обозначено: 25 - обечайка насадки. На фиг. 3 представлен коллектор, где обозначено 15 - верхний уровень желобов, 16 - обечайка коллектора, 17 - опускная труба, 18 - нижний уровень желобов, 19 - Т-образные стенки желобов, 26 - отверстия. На фиг. 4 представлен распределитель жидкости, где обозначено: 21 - первичный желоб, 22 - вторичные желоба, 23 - переливные трубы, 24 - обечайка распределителя жидкости.

Тепломассообменная колонна, содержащая корпус с установленными соосно один над другим N контактными пакетами насадки из косорифленых листов, установленными между ними M≤N-1 коллекторами, и М≤N-1 распределителями жидкости, при этом каждый пакет насадки, каждый коллектор и каждый распределитель жидкости установлены в обечайку с внешним диаметром d=(0,9…0,99)D, где D - внутренний диаметр корпуса тепломассообменной колонны.

В корпусе тепломассообменной колонны, с внутренней стороны, выполнены пазы, например, диаметром D_np, удовлетворяющим выражению D_np=(1,02…1,03)D, в которые установлены уплотнительные кольца 9, например, из фторопласта, внешним диаметром равным D, внутренним диаметром равным d и высотой h_к, удовлетворяющей выражению h_к=(0,98…1,02)(D_np-d). Расстояния между кольцами выбираются исходя из вертикальных размеров тепломассообменной колонны, так чтобы нижнее уплотнительное кольцо было расположено на нижней границе обечайки нижней насадки, а верхнее - на верхней границе обечайки верхней насадки. Уплотнительные кольца 9 препятствуют свободному движению жидкости и газа по пристеночному пространству тепломассообменной колонны, и создают теплоизолирующее пространство между корпусом тепломассообменной колонны и обечайками: насадки 25, коллектора 16, распределителя жидкости 24. Приведенная конструкция тепломасообменной колонны увеличивает интенсивность ректификационных процессов, вследствие полного исключения явления пристеночного уноса жидкости.

Коллектор, состоящий из обечайки коллектора 16, желобов 15, 18, выполненных в форме усеченных секторов, установленных наклонно под заданным углом к продольной оси тепломассообменной колонны, при этом угол наклона желобов выбирается из условий текучести жидкости, и опускной трубы 17, установленной вдоль продольной оси тепломассообменной колонны. Желоба расположены двумя уровнями: верхним 15 и нижним 18 - один под другим на заданном расстоянии, определяемом в зависимости от свойств жидкости и газа, находящихся во взаимодействии в тепломассообменной колонне, расстояние между уровнями выбирается так, чтобы гидравлическое сопротивление коллектора было меньше гидравлического сопротивления одного пакета насадки.

Опускная труба 17 выполнена в виде полого цилиндра, в стенках которого выполнены отверстия в двух уровнях, в количестве равном количеству желобов 15, 18, каждый желоб жестко закреплен по дуге большего диаметра с обечайкой коллектора 16, а меньшего диаметра - с нижней частью отверстия во внешнем диаметре опускной трубы 17. Нижний уровень желобов 18 установлен с перекрытием относительно верхнего уровня желобов 15 с целью исключения сквозного проскока жидкости после насадки 10.

Стенки 19 желобов 15, 18 закреплены Т-образно по отношению ко дну желобов. Стенки 19 желобов имеют двойное назначение. С верхней стороны желобов обеспечивают исключение перелива жидкости через край, а с нижней стороны создают явление сепарации при изменении направления движения поднимающегося газа (И.А. Александров, Ректификационные и абсорбционные аппараты. Методы расчета и конструирования. Изд. 2-е. М. «Химия» 1971, с. 296).

В обечайке коллектора 16 под верхними желобами 15 на заданном расстоянии от верхних желобов выполнены отверстия 26 через которые происходит заполнение межстеночного пространства газом и создание, тем самым, дополнительной теплоизоляции.

Распределитель жидкости состоит из одного первичного желоба 21, любого количества вторичных желобов 22 и обечайки распределителя жидкости 24. Перелив жидкости из первичного желоба 21 во вторичные 22 осуществляется через переливные трубы 23, расположенные в дне первичного желоба 21 над каждым вторичным желобом 22.

С целью исключения возможности перелива жидкости через края первичного желоба 21, переливные трубы 23 выполняются меньшей высоты, чем боковые стенки первичного желоба 21, а внутренний диаметр переливных труб d_ПT, для примера, удовлетворяет выражению , где d_вн - внутренний диаметр опускной трубы 17, L - количество вторичных желобов 22.

В нижней части опускной трубы 17 выполнены вырезы, для удобства монтажа всего устройства непосредственно в тепломассообменной колонне, в которые при сборке входят центральные переливные трубы 23.

В боковых стенках вторичных желобов выполнены прорези для распределения жидкости на насадку 11. Форма и количество прорезей выбираются исходя из величины расхода жидкости (И.А. Александров, Ректификационные и абсорбционные аппараты. Методы расчета и конструирования. Изд. 2-е. М. «Химия» 1971, с. 296).

В обечайках насадки, коллектора и распределителя жидкости выполнены с верхней стороны бортики, а с нижней - совмещаемые с ними выемки, для исключения явления пристеночного уноса жидкости и упрощения монтажа в тепломасообменной колонне, а также предоставления возможности вращать насадку, коллектор и распределитель жидкости на любой угол относительно друг друга, добиваясь наилучшего орошения нижней насадки.

Жидкость непрерывно подается через вход 1, расположенный ближе к верхней части тепломассообменной колонны, который соединен с распределителем жидкой фазы 6. Распределитель 6 жидкой фазы широко известен из уровня техники и не раскрывается подробно. Жидкая фаза стекает после распределителя 6 равномерно на насадку 10, установленную в обечайке насадки 25. Как и в предыдущем случае, применение такой насадки хорошо известно из уровня техники и не раскрывается подробно.

Весь поток жидкости из распределителя жидкой фазы 6, прошедший через насадку 10, можно разделить на четыре вероятных потока: поток, попадающий на обечайку насадки 25, поток, попадающий в опускную трубу 17 через верхнее отверстие, поток, попадающий на верхний уровень желобов 15 и поток, попадающий на нижний уровень желобов 18, находящийся между верхним уровнем желобов.

Приведенная конструкция коллектора обеспечивает направление всех четырех вероятных потоков течения жидкости внутрь опускной трубы 17, чем полностью исключает унос жидкости по стенкам тепломассообменной колонны.

Через опускную трубу 17 жидкость поступает в распределитель жидкости, где наполняет первичный желоб 21 до уровня переливных труб 23, затем поступает одновременно через переливные трубы 23 во вторичные желоба 22, которые наполняет до нижних краев прорезей боковых стенок вторичных желобов 22 и через данные прорези переливается вниз. Размеры прорезей выбираются из литературы (И.А. Александров, Ректификационные и абсорбционные аппараты. Методы расчета и конструирования. Изд. 2-е. М. «Химия» 1971, с. 296).

Жидкость после распределителя жидкости равномерно попадает на насадку 11. Насадка 11, после равномерного орошения, оказывается полностью смоченной, и, следовательно, полностью работающей без значительных зон обхода жидкостью.

Газ непрерывно подается через вход 2, расположенный ближе к нижней части тепломассообменной колонны. Поднимаясь вверх по колонне газ поступает в нижнюю насадку 11, идентичную насадке 10, где контактирует с стекающей по поверхности насадки вниз жидкостью, проходит через распределитель жидкости и коллектор.

В коллекторе часть газа заполняет через отверстия 26 межстеночное пространство, обеспечивая выравнивание давления внутри обечаек и корпуса тепломассообменной колонны и создание дополнительного теплоизолирующего пространства. В коллекторе также происходит тепломассообмен - газ контактирует со стекающей по желобам 15, 18 пленкой жидкостью. Газ, проходя коллектор, несколько раз меняет направление своего движения, так как желоба 15, 18 установлены с перекрытием, исключающим свободное движение газа. На нижней части желобов 15, 18 наблюдаются явления конденсации низколетучего компонента из газа, вследствие разности температур кипения жидкости, стекающей вниз по верхней поверхности желобов и конденсации газа, поднимающегося по нижней поверхности указанных желобов, и сепарации влаги на нижней части Т-образных стенок, вследствие изменения направления движения газа. Образующаяся капельная влага стекает по нижней поверхности желобов 15, 18 на внешнюю часть опускной трубы 17, откуда попадает в первичный желоб распределителя жидкости 21 (И.А. Александров, Ректификационные и абсорбционные аппараты. Методы расчета и конструирования. Изд. 2-е. М. «Химия» 1971, с. 296). Далее газ поступает на насадку 10, где контактирует с стекающей вниз жидкостью.

Применение данного устройства позволяет интенсифицировать ректификационные процессы, происходящие в тепломассообменной колоннах, благодаря исключению пристеночного уноса жидкости, введению дополнительного сепарирующего эффекта и дополнительной теплоизоляции, необходимой в криогенной технике.

Указанное устройство может быть изготовлено на предприятиях РФ, что соответствует критерию «промышленная применимость».

1. Тепломассообменная колонна, содержащая корпус с установленными соосно один над другим N контактными пакетами насадки из косорифленых листов и установленными между ними M<N-1 коллекторами, состоящими из пластины для сбора текучей среды и опускной трубы, при этом опускная труба установлена по продольной оси тепломассообменной колонны, а пластина для сбора текучей среды выполнена в виде K желобов, в форме усеченного сектора, при этом желоба размещены в двух уровнях, на расстоянии друг от друга по высоте и установлены наклонно под углом к продольной оси тепломассообменной колонны, при этом нижний уровень желобов установлен с перекрытием относительно верхнего уровня желобов, опускная труба выполнена в виде полого цилиндра, в стенках которого выполнены отверстия в двух уровнях, в количестве, равном количеству желобов, каждый желоб жестко закреплен по дуге большего диаметра с обечайкой, а меньшего диаметра - с нижней частью отверстия во внешнем диаметре опускной трубы, при этом боковые стенки каждого желоба закреплены Т-образно по отношению к его дну, при этом в обечайке под верхними желобами, на расстоянии от каждого желоба выполнены отверстия, и с установленными в корпусе M<N-1 распределителями жидкости, состоящими из первичного желоба и по меньшей мере одного вторичного желоба, при этом на дне первичного желоба над вторичными желобами установлены L переливных труб, где L - количество вторичных желобов, высота которых меньше высоты боковых стенок первичного желоба, а внутренний диаметр переливных труб d_ПТ удовлетворяет выражению где d_вн - внутренний диаметр опускной трубы, в боковых стенках вторичных желобов выполнены прорези, а в нижней части опускной трубы выполнены вырезы, в которые при сборке входят центральные переливные трубы, при этом каждый пакет насадки, каждый коллектор и каждый распределитель жидкости установлены в обечайку с внешним диаметром d=(0,9…0,99)D, где D - внутренний диаметр корпуса тепломассообменной колонны, с верхней стороны которой выполнены бортики, а с нижней - выемки, в нижней и верхней частях корпуса тепломассообменной колонны, с внутренней стороны, на расстоянии друг от друга выполнены пазы, в которые установлены уплотнительные кольца.

2. Тепломассообменная колонна по п. 1, в которой насадка, коллектор и распределитель жидкости выполнены с возможностью вращения на любой угол относительно друг друга.