Структурированный насадочный модуль для массообменных колонн
Изобретение относится к массообменной колонне и структурированному насадочному модулю, используемому для облегчения массо- и теплообмена между текучими средами в колонне. Модуль содержит множество структурированных насадочных листов, расположенных вертикально и параллельно друг другу, при этом каждый лист имеет гофры, образованные чередующимися пиками, впадинами и боковыми стенками гофра, которые проходят между смежными пиками и впадинами, причем листы выполнены и упорядочены таким образом, что гофры каждых листов проходят под непрямым углом к гофрам каждого из смежных листов, а удельная площадь поверхности листов в модуле в целом превышает 100 м2/м3, и множество отверстий в структурированных насадочных листах для обеспечения прохождения текучей среды через листы, при этом отверстия каждого из листов открыты для каждого из смежных листов и по существу не создают препятствий, причем отверстия распределяются в каждом из листов таким образом, что боковые стенки гофра имеют более высокую плотность открытых зон, образованных отверстиями, по сравнению с любой плотностью любых открытых зон на пиках и впадинах. Массообменная колонна содержит царгу, определяющую открытую внутреннюю область, и по меньшей мере один структурированный насадочный модуль внутри открытой внутренней области. Изобретение обеспечивает увеличение удельной площади поверхности насадки, повышая эффективность без значительного падения давления в насадке, или снижение падения давления без снижения эффективности. 2 н. и 20 з.п. ф-лы, 14 ил., 1 табл.
ПЕРЕКРЕСТНАЯ ССЫЛКА НА РОДСТВЕННЫЕ ЗАЯВКИ
[0001] Настоящая заявка испрашивает приоритет по предварительной заявке на патент США №62/500033, поданной 2 мая 2017 г., описание которой включено в настоящий документ путем ссылки.
ПРЕДПОСЫЛКИ СОЗДАНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0001] Настоящее изобретение относится по существу к массообменным колоннам и, более конкретно, к структурированной насадке, используемой для облегчения массо- и теплообмена между текучими средами в таких колоннах.
[0002] Массообменные колонны выполнены с возможностью обеспечения контакта по меньшей мере двух потоков текучей среды для создания потоков продукта определенной композиции и/или температуры. Используемый в настоящем документе термин «массообменная колонна» относится к колоннам, приоритетной задачей функционирования которых является массообмен и/или теплообмен. Некоторые массообменные колонны, например применяемые в многокомпонентных дистилляционных и абсорбционных установках, обеспечивают контакт газофазного потока с жидкофазным потоком, а другие, например экстракционные колонны, могут быть выполнены с возможностью улучшения контакта между двумя жидкими фазами различной плотности. Часто массообменные колонны выполнены с возможностью обеспечения контакта восходящего потока пара или жидкости с нисходящим потоком жидкости, как правило, вдоль множества массообменных поверхностей, расположенных внутри колонны. Обычно такие массообменные поверхности образованы размещенными во внутреннем объеме колонны структурами, которые выполнены с возможностью облегчения тесного контакта между двумя фазами текучей среды. В результате работы этих поверхностей улучшается скорость и/или степень массо- и теплообмена между двумя фазами.
[0003] Структурированная насадка часто используется для создания тепло- и/или массообменных поверхностей внутри колонны. Существует множество различных типов структурированных насадок, и большинство из них включают в себя множество гофрированных структурированных насадочных листов, расположенных вертикально, параллельно друг другу и соединенных вместе для формирования структурированного насадочного модуля с каналами для текучей среды, образованными вдоль расположенных крест-накрест гофров смежных листов. Структурированный насадочный модуль сам по себе может образовывать структурированный насадочный слой, который заполняет горизонтальное внутреннее поперечное сечение колонны, или насадочный модуль может быть представлен в виде отдельных блоков, расположенных торец к торцу и бок о бок друг с другом для формирования структурированного насадочного слоя. Множество структурированных насадочных слоев обычно уложены друг на друга, причем ориентация листов в одном слое повернута относительно ориентации листов в смежных структурированных насадочных слоях.
[0004] Обычно желательно максимизировать массо- и энергообмен между паровой и жидкой фазами по мере их протекания через структурированный насадочный слой; чаще всего это достигается за счет увеличения удельной площади поверхности, доступной для массо- и энергообмена. Однако текучие среды, проходящие через структурированный насадочный слой, имеющий более высокую удельную площадь поверхности, обычно испытывают более сильное падение давления, что нежелательно с эксплуатационной точки зрения.
[0005] Таким образом, существует потребность в усовершенствованной структурированной насадке, способной обеспечить снижение падения давления без существенного снижения эффективности массо- и энергообмена. Это позволяет изготавливать насадку с меньшим падением давления и такой же эффективностью или увеличивать удельную площадь поверхности насадки, тем самым повышая эффективность без значительного падения давления в насадке.
ИЗЛОЖЕНИЕ СУЩНОСТИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0006] В одном аспекте настоящее изобретение относится к структурированному насадочному модулю, содержащему множество структурированных насадочных листов, расположенных вертикально и параллельно друг другу. Каждый структурированный насадочный лист имеет гофры, образованные чередующимися пиками и впадинами и боковыми стенками гофра, которые проходят между смежными пиками и впадинами. Структурированные насадочные листы сконструированы и расположены так, что гофры каждого из структурированных насадочных листов проходят под непрямым углом к гофрам каждого смежного из структурированных насадочных листов, а удельная площадь поверхности структурированных насадочных листов в структурированном насадочном модуле по существу превышает 100 м2/м3. Структурированный насадочный модуль также включает в себя множество отверстий для обеспечения прохождения текучей среды через структурированные насадочные листы. Отверстия в каждом из структурированных насадочных листов открыты для каждого смежного из насадочных листов и по существу не создают препятствий. Отверстия распределены в каждом из структурированных насадочных листов таким образом, что боковые стенки гофра имеют более высокую плотность открытых зон, образованных отверстиями, по сравнению с любой плотностью любой из открытых зон, которые могут находиться на пиках и впадинах.
[0007] В другом аспекте настоящее изобретение относится к массо- или теплообменной колонне, в которой размещен описанный выше насадочный модуль.
[0008] В дополнительном аспекте настоящее изобретение относится к способу осуществления массо- и/или теплообмена между текучими средами, протекающими через описанный выше насадочный модуль.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ГРАФИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ
[0009] На сопроводительных графических материалах, являющихся частью описания, на которых одинаковые компоненты на разных видах указаны под одинаковыми номерами позиций, представлено следующее:
[0010] на Фиг. 1 представлен фрагментарный вид сбоку в вертикальной проекции массообменной колонны с царгой колонны для отображения структурированных насадочных слоев настоящего изобретения, расположенных в многослойной конструкции внутри колонны;
[0011] на Фиг. 2 представлен фрагментарный вид спереди в перспективе части одного из структурированных насадочных слоев показанного на Фиг. 1 типа, но в увеличенном масштабе, отличном от показанного на Фиг. 1, для лучшей иллюстрации первого варианта осуществления структурированных насадочных листов, которые формируют структурированный насадочный слой;
[0012] на Фиг. 3 представлен фрагментарный вид сбоку в перспективе части структурированного насадочного слоя, показанного на Фиг. 2;
[0013] на Фиг. 4 представлен фрагментарный вид в перспективе одного из структурированных насадочных листов, показанных на Фиг. 2 и 3;
[0014] на Фиг. 5 представлен фрагментарный вид в перспективе второго варианта осуществления структурированного насадочного листа настоящего изобретения, который аналогичен показанному на Фиг. 4, но имеет отверстия, расположенные на пиках и впадинах гофров;
[0015] на Фиг. 6 представлен фрагментарный вид в перспективе третьего варианта осуществления структурированного насадочного листа настоящего изобретения, имеющей два ряда отверстий на каждой боковой стенке гофра;
[0016] на Фиг. 7 представлен фрагментарный вид в перспективе четвертого варианта осуществления структурированного насадочного листа настоящего изобретения, имеющей три ряда отверстий на каждой боковой стенке гофра;
[0017] на Фиг. 8 представлен фрагментарный вид в перспективе пятого варианта осуществления структурированного насадочного листа настоящего изобретения, имеющей более широкие отверстия и больший радиус вершины гофра, чем в варианте осуществления, показанном на Фиг. 4;
[0018] на Фиг. 9 представлен фрагментарный вид в перспективе шестого варианта осуществления структурированного насадочного листа настоящего изобретения, имеющей два ряда отверстий и больший радиус вершины гофра, чем в вариантах осуществления, показанных на Фиг. 1-8;
[0019] на Фиг. 10 представлен фрагментарный вид в перспективе седьмого варианта осуществления структурированного насадочного листа настоящего изобретения, причем некоторые из пиков с обеих сторон структурированного насадочного листа имеют как больший радиус вершины гофра, так и разделители, образованные участками исходной немодифицированной вершины меньшего радиуса;
[0020] на Фиг. 11 представлен фрагментарный вид в перспективе восьмого варианта осуществления структурированного насадочного листа настоящего изобретения, который аналогичен варианту осуществления, показанному на Фиг. 10, но с отверстиями, расположенными на переходе от участков с большим радиусом вершины к немодифицированным участкам с меньшим радиусом вершины;
[0021] на Фиг. 12 представлен фрагментарный вид в перспективе девятого варианта осуществления структурированного насадочного листа настоящего изобретения, имеющего один ряд отверстий на каждой боковой стенке гофра и с большим количеством отверстий меньшего размера, чем в варианте осуществления, как показано на Фиг. 4;
[0022] на Фиг. 13 представлен фрагментарный вид в горизонтальной проекции плоского листа, в котором отверстия сформированы до гофрирования с формированием структурированного насадочного листа, имеющего один ряд отверстий на каждой боковой стенке гофра; и
[0023] на Фиг. 14 представлен фрагментарный вид в горизонтальной проекции плоского листа, аналогичного представленному на Фиг. 13, но в данном случае показан двойной ряд отверстий, которые появятся в каждой боковой стенке гофра после гофрирования листа.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ
[0024] Как более подробно показано на чертежах, начиная с Фиг. 1, массообменная колонна, подходящая для применения в массообменном и теплообменном процессах, обозначена по существу номером 10. Массообменная колонна 10 включает в себя вертикальную наружную царгу 12, которая имеет по существу цилиндрическую конфигурацию, хотя возможны другие конфигурации, включая многоугольную, и они входят в объем настоящего изобретения. Царга 12 может иметь любой подходящий диаметр и высоту и может быть изготовлена из одного или более жестких материалов, которые желательно являются инертными или иным образом совместимыми с текучими средами и условиями, возникающими при работе массообменной колонны 10.
[0025] Царга 12 массообменной колонны 10 задает определяет внутреннюю область 14, в которой происходит требуемый массо- и/или теплообмен между потоками текучих сред.
Обычно потоки текучих сред содержат один или более восходящих потоков пара и один или более нисходящих потоков жидкости. В альтернативном варианте осуществления потоки текучей среды могут содержать как восходящие, так и нисходящие потоки жидкости. Потоки текучей среды направляются в массообменную колонну 10 по любому числу питающих линий (не показаны), расположенных в соответствующих местах по высоте массообменной колонны 10. Один или более потоков пара могут также формироваться внутри массообменной колонны 10, вместо того, чтобы вводиться в массообменную колонну 10 через питающие линии. Массообменная колонна 10 также, как правило, включает в себя линию верхнего продукта (не показана) для удаления парообразного продукта или побочного продукта и нижнюю отводную линию потока (не показана) для удаления жидкого продукта или побочного продукта из массообменной колонны 10. Другие обычно присутствующие компоненты колонны, такие как питающие точки, боковые отводы, линии потока флегмы, ребойлеры, конденсаторы, паровые горны, распределители жидкости и т.п., не проиллюстрированы на фигурах, поскольку, как предполагается, иллюстрация этих компонентов не является необходимой для понимания настоящего изобретения.
[0026] В соответствии с настоящим изобретением один или более структурированных насадочных слоев 16, содержащих отдельные структурированные насадочные листы 18, расположены внутри открытой внутренней области 14 и проходят через горизонтальное внутреннее поперечное сечение массообменной колонны 10. В проиллюстрированном варианте осуществления четыре структурированных насадочных слоя 16 размещены стопкой вертикально друг относительно друга, но следует понимать, что может быть предусмотрено большее или меньшее количество структурированных насадочных слоев 16. В одном варианте осуществления каждый из структурированных насадочных слоев 16 сформирован в виде единого структурированного насадочного модуля, который проходит полностью через горизонтальное внутреннее поперечное сечение колонны 10. В другом варианте осуществления каждый структурированный насадочный слой 16 образован в виде множества отдельных структурированных насадочных модулей (не показаны), называемых блоками, которые расположены торец к торцу и бок о бок друг с другом для заполнения горизонтального внутреннего поперечного сечения массообменной колонны 10.
[0027] Каждый из структурированных насадочных слоев 16 надлежащим образом поддерживается внутри массообменной колонны 10, например, на опорном кольце (не показано), прикрепленном к царге 12, на нижележащем из структурированных насадочных слоев 16, или с помощью сетки или другой приемлемой несущей конструкции. В одном варианте осуществления самый нижний структурированный насадочный слой 16 поддерживается на несущей конструкции, а вышележащие структурированные насадочные слои 16 уложены стопкой друг на друга и поддерживаются самым нижним структурированным насадочным слоем 16. Последовательные структурированные насадочные слои 16 обычно повернуты относительно друг друга так, что отдельные структурированные насадочные листы 18 в одном из насадочных слоев 16 расположены в вертикальных плоскостях, проходящих под углом относительно вертикальных плоскостей, заданных отдельными структурированными насад очными листами 18 в смежном (-ых) насадочном (-ых) слое (-ях) 16. Угол поворота обычно составляет 45 или 90 градусов, но при необходимости может быть другим. Высота каждого структурированного насадочного элемента 16 может варьироваться в зависимости от конкретного применения. В одном варианте осуществления высота находится в диапазоне от приблизительно 50 до приблизительно 400 мм.
[0028] Структурированные насадочные листы 18 в каждом структурированном насадочном слое 16 расположены вертикально и параллельно друг другу. Каждый из структурированных насадочных листов 18 изготовлен из подходящего жесткого материала, такого как любой из различных металлов, пластмасс или керамики, обладающих достаточной прочностью и толщиной, чтобы выдерживать условия обработки, возникающие в массообменной колонне 10. Каждый из структурированных насадочных слоев 18 имеет переднюю и заднюю поверхности, часть которых или поверхности целиком могут быть по существу гладкими и нетекстурированными, или они могут иметь различные виды текстурирования, тиснения, канавок или углублений. Конфигурация поверхностей насадочных листов 18 зависит от конкретного применения, в котором будут использоваться насадочные листы 18, и может выбираться для облегчения распределения и таким образом максимизации контакта между восходящими и нисходящими потоками текучей среды.
[0029] Как дополнительно показано на Фиг. 2-4, каждый из структурированных насадочных листов 18 имеет множество параллельных гофров 20, которые проходят вдоль части или всего соответствующего структурированного насадочного листа 18. Гофры 20 образованы чередующимися пиками 22, впадинами 24 и боковыми стенками 26 гофра, которые проходят между смежными пиками 22 и впадинами 24. Пики 22 на передней стороне каждого структурированного насадочного листа 18 образуют впадины 24 на противоположной или задней стороне структурированного насадочного листа 18. Аналогичным образом впадины 24 на передней стороне каждого структурированного насадочного листа 18 образуют пики 22 на задней стороне структурированного насадочного листа 18. Дополнительные примеры гофрированных насадочных листов 18 в соответствии с различными вариантами осуществления настоящего изобретения показаны на Фиг. 5-12.
[0030] В показанных на фигурах вариантах осуществления гофры 20 каждого из структурированных насадочных листов 18 проходят по всей высоте и ширине структурированного насадочного листа 18 и по существу имеют треугольное или синусоидальное поперечное сечение. Смежные структурированные насадочные листы 18 в каждом структурированном насадочном слое 16 расположены обращенными друг к другу таким образом, что передняя сторона одного из структурированных насадочных листов 18 обращена к задней стороне смежного структурированного насадочного листа 18. Смежные структурированные насадочные листы 18 дополнительно расположены таким образом, что гофры 20 в каждом из структурированных насадочных листов 18 проходят крест-накрест или поперечно-гофрированно к гофрам в смежном (-ых) структурированном (-ых) насадочном (-ых) листе (-ах) 18. В результате такой конфигурации гофры 20 в каждом из структурированных насадочных листов 18 проходят под непрямым углом к гофрам каждого из смежных структурированных насадочных листов 18. Некоторые, все или ни один из пиков 22 гофров 20 передней стороны каждого из структурированных насадочных листов 18 могут находиться в контакте с пиками 22 на задней стороне смежного из структурированных насадочных листов 18.
[0031] Гофры 20 наклонены относительно вертикальной оси массообменной колонны 10, при этом угол наклона может выбираться в соответствии с требованиями конкретных вариантов применения, в которых должны использоваться структурированные насадочные листы 18. Могут применяться углы наклона приблизительно 30°, приблизительно 45° и приблизительно 60°, а также другие углы наклона, подходящие для конкретного предполагаемого применения структурированного насадочного слоя 16.
[0032] Пики 22, впадины 24 и боковые стенки 26 гофра 20 обычно формируют в автоматизированном процессе гофрирования путем подачи плоского листа, такого как показанный на Фиг. 13 и 14, в пресс для гофрирования. Пики 22 и впадины 24 по существу выполнены в виде изогнутых дуг, которые могут быть определены радиусом вершины. Как правило, по мере увеличения радиуса вершины дуга кривизны пиков 22 и впадин 24 увеличивается, а длина боковых стенок 26 гофра между пиками 22 и впадинами 24 наоборот уменьшается для данной удельной площади поверхности. Две боковые стенки 26 каждого гофра 20 образуют угол вершины. Радиус вершины, угол вершины, высота гофрировки насадки и длина от пика 22 до пика 22 взаимосвязаны друг с другом и могут изменяться для достижения желаемой геометрии и удельной площади поверхности. Как правило, по мере уменьшения высоты гофрировки происходит увеличение количества структурированных насадочных листов 18, содержащихся в каждом структурированном насадочном слое 16 (или модуле) и связанной с ним удельной площади поверхности.
[0033] Радиус вершины, угол вершины и высота гофрировки могут варьироваться для конкретных вариантов применения. В настоящем изобретении они выбраны таким образом, что удельная площадь поверхности структурированного насадочного слоя 16 в целом превышает 100 м2/м3.
[0034] Каждый из структурированных насадочных листов 18 снабжен множеством отверстий 28, которые проходят через структурированный насадочный лист 18 для облегчения распределения пара и жидкости внутри насадочного слоя 16. Каждое отверстие 28 обеспечивает открытую зону для обеспечения прохождения текучей среды через соответствующий насадочный лист 18. Отверстия 28, выполненные в каждом структурированном насадочном листе 18, по существу не создают препятствий в том смысле, что они открыты для смежного (-ых) структурированного (-ых) насадочного (-ых) листа (-ов) 18 и не закрыты или не экранированы структурными элементами, содержащимися в структурированном насадочном листе 18 с образованными отверстиями 28, в противном случае они ограничивали бы или отклоняли поток текучей среды после ее прохождения через отверстие 28. Отверстие 28 не открыто для смежного структурированного насадочного листа 18 и не является по существу беспрепятственным, если экранирующая решетка или другая подобная структура размещена частично или полностью над отверстием 28. Отверстие 28 является открытым и по существу беспрепятственным даже в том случае, если в результате операции перфорирования, которая может использоваться для формирования отверстий 28, на границе отверстий присутствуют незначительные ребра или «заусенцы».
[0035] В случае, когда отверстия 28 открыты для прилежащего структурированного насадочного листа 18 и по существу не создают препятствий в структурированных насадочных слоях 16, которые имеют удельную площадь поверхности, как правило, более 100 м2/м3, неожиданно было обнаружено, что определенные схемы размещения отверстий 28 существенно снижают падение давления между верхним и нижним краями структурированного насадочного слоя 16, обеспечивая повышенную эффективность массообмена, или практически не оказывают негативного влияния на эффективность массообмена структурированного насадочного слоя 16. Это приводит к общему уменьшению падения давления на расчетную стадию разделения и улучшает эксплуатационные характеристики структурированного насадочного слоя 16 в процессе массообмена, происходящего внутри массообменной колонны 10.
[0036] В целом такое благоприятное падение давления и улучшение эксплуатационных характеристик достигаются, когда отверстия 28 распределены по структурированным насад очным листам 18 таким образом, что боковые стенки 26 гофра имеют более высокую плотность открытых зон, определяемых отверстиями 28, по сравнению с любой плотностью открытых зон, которые могут находиться на пиках 22 и впадинах 24. В одном варианте осуществления отверстия 28 присутствуют только на боковых стенках 26 гофра. В другом варианте осуществления некоторые из отверстий 28 присутствуют на пиках 22 и впадинах 24 для прерывания потока жидкости вдоль впадин 24 и облегчения распределения жидкости через боковые стенки 26 гофра и от одной стороны структурированного насадочного листа 18 к его противоположной стороне.
[0037] Увеличение собирательной или общей открытой зоны, образованной отверстиями 28, когда они расположены с большой плотностью в боковых стенках 26 гофра, и уменьшение размера отверстий 28, что таким образом ведет к увеличению количества отверстий 28, может дополнительно уменьшать падение давления на расчетную стадию. Дополнительно усовершенствования могут быть достигнуты путем расположения отверстий 28 в рядах или в других комбинациях, которые предпочтительно выровнены в направлении вдоль продольной длины гофров 20. Дальнейшие усовершенствования могут быть достигнуты путем увеличения радиуса вершины и/или корректировки угла вершины гофров 20.
[0038] Для предотвращения увеличения накопления жидкости в точках контакта между смежными структурированными насад очными листами 18, которое в противном случае могло бы возникнуть из-за более значительных радиусов вершин в одном варианте осуществления настоящего изобретения, как показано на Фиг. 8, и оказало бы пагубное влияние на эффективность массобмена, гофры 20 на смежных структурированных насадочных листах 18 в одном варианте осуществления могут быть отделены разделителями 32, как показано на Фиг. 10 и 11. В одном варианте осуществления эти разделители выполнены в виде участков из некоторых или всех пиков 22 на передней и/или задней стороне структурированных насадочных листов 18, где изменение большего радиуса вершины не применяется, а меньший неизменный радиус вершины и высота гофра 20 сохраняются, тем самым происходит образованием пиков 22 с двойными радиусами вершин, как показано на Фиг. 10 и 11. Разделители 32 расположены в разнесенных друг от друга местоположениях вдоль некоторых или всех пиков 22 на по меньшей мере одной стороне всех или некоторых из структурированных насадочных листов 18 и контактируют с обращенными друг к другу пиками 22 смежного структурированного насадочного листа 18, таким образом предотвращая контакт между смежными структурированными насад очными листами 18 в областях, включающих более сильное изменение радиуса вершины. В одном варианте осуществления разделители 32 могут быть выполнены путем вдавливания частей пиков 22, изначально имеющих исходные радиусы вершины меньшего размера, как показано на Фиг. 4, для создания пиков 22, имеющих более значительные радиусы вершин, как показано на Фиг. 10. Разделители 32, таким образом, образованы невдавленными участками, которые сохраняют неизмененные, меньшие радиусы вершин и исходную высоту гофрировки 20.
[0039] В различных конфигурациях отверстия 28 могут располагаться вдоль боковых стенок 26 гофра. В одном варианте осуществления отверстия 28 могут присутствовать только в боковых стенках 26 гофра насадочных листов 18, так что на пиках 28 или впадинах 22 отверстия 24 отсутствуют. В другом варианте осуществления достаточное количество отверстий 28 может располагаться на пиках 22 и впадинах 24 для прерывания потока жидкости вдоль пиков 22 и впадин 24 и обеспечения перетекания по меньшей мере части этой жидкости от одной стороны к другой стороне структурированного насадочного листа 18. Кроме того, большинство или все из отверстий 28, расположенных на боковых стенках 26 гофра, могут располагаться ближе к продольной центральной линии боковой стенки 26 гофра, чем к пику 22 или впадине 24. В результате такого размещения плотность открытых зон, образованных отверстиями 28, ближе к центральной линии больше плотности открытых зон, образованных отверстиями 28, ближе к пикам 22 или впадинам 24 на каждой боковой стенке 26 гофра. В некоторых вариантах применения было обнаружено, что увеличение плотности открытой зоны, определяемой отверстиями 28, ближе к центральной линии боковой стенки 26 гофра уменьшает падение давления при минимальном снижении общего массообмена, что приводит к общему улучшению в отношении падения давления на расчетную стадию.
[0040] Расположение отверстий 28 вдоль боковой стенки 26 гофра может зависеть по меньшей мере частично от размера, общей площади открытой зоны и общего разнесения отверстий 28. В некоторых вариантах применения эти факторы можно подобрать для структурированного насадочного листа 18 таким образом, чтобы увеличивать общую площадь открытой зоны при сведении к минимуму размера отверстий, так что общее количество отверстий 28 на единицу площади достигает максимума. Было обнаружено, что это приводит к снижению падения давления на расчетную стадию, что указывает на желаемое улучшение эксплуатационных характеристик структурированного насадочного слоя 16.
[0041] В некоторых вариантах осуществления максимальный плоскостной размер отверстий 28 может находиться в диапазоне от приблизительно 1 мм до приблизительно 13 мм, от приблизительно 1,5 мм до приблизительно 10 мм, от приблизительно 2 мм до приблизительно 8 мм или от приблизительно 2,5 мм до приблизительно 6 мм. Максимальный плоскостной размер каждого отверстия 28 измеряют вдоль самой длинной линии между двумя сторонами отверстия 28, проходящей через центр отверстия 28. Если отверстие 28 имеет круглую форму, максимальный плоскостной размер представляет собой диаметр. Хотя на чертежах показано, что отверстия имеют по существу круглую форму, отверстия 28 могут иметь другие формы, такие как треугольная форма, продолговатая форма, овальная форма, прямоугольная форма или квадратная форма. Эти и другие формы входят в объем настоящего изобретения.
[0042] В некоторых вариантах осуществления открытая зона каждого из отверстий 28 может быть сведена к минимуму, так что отдельные отверстия 20 имеют площадь открытой зоны не более приблизительно 80 мм2, не более приблизительно 50 мм2 или не более приблизительно 30 мм2, но количество отверстий на единицу площади может быть максимально увеличено, так что общая площадь открытой зоны каждого из насадочных слоев 18 находится в диапазоне от приблизительно 6 до приблизительно 20 процентов, от приблизительно 8 до приблизительно 18 процентов, от приблизительно 10 до приблизительно 16 процентов или от приблизительно 11 до приблизительно 15 процентов в расчете на общую площадь поверхности соответствующего насадочного листа 18.
[0043] Отверстия 28 могут располагаться вдоль каждой из боковых стенок 26 гофра в одном или более находящихся на расстоянии друг от друга рядах, которые проходят в направлении, по существу параллельном направлению продольного расположения пиков и впадин. Как лучше всего показано на Фиг. 13 и 14, на которых изображен насадочный листа 18 до сгибания, ряды отверстий 28 могут находиться на расстоянии друг от друга и проходить в направлении, по существу параллельном направлению расположения линий 30 сгиба гофра. В результате, ряды отверстий 28 могут проходить под непрямым углом по отношению к краям насадочного слоя. Общее количество рядов, имеющихся на каждой боковой стенке гофра, может составлять по меньшей мере один, по меньшей мере два или по меньшей мере три ряда, причем конкретная конфигурация изменяется в зависимости от конкретного применения. Отверстия 28 предпочтительно не должны располагаться случайным образом по отношению к гофрам 20 и могут быть параллельны или не параллельны краям насадочного листа 18.
[0044] Когда отверстия 28 расположены в двух или более рядах вдоль боковых стенок 26 гофра, отверстия 28 в смежных рядах могут быть выровнены относительно друг друга (не показано), или отверстия 28 могут располагаться со сдвигом относительно друг друга в направлении, параллельном направлению расположения пиков 22 и впадин 24, как показано на Фиг. 6, 7 и 9. В некоторых вариантах осуществления отверстия 28 в смежных рядах могут располагаться со сдвигом относительно друг друга вдоль центральной линии боковой стенки 26 гофра. Расстояние между смежными отверстиями 28 может изменяться в зависимости от применения и может, например, находиться в диапазоне от 1 мм до 20 мм, от 2 мм до 15 мм или от 3 мм до 10 мм при измерении между следующими друг за другом краями смежных отверстий.
[0045] В одном варианте осуществления насадочные слои 18 могут иметь угол вершины в диапазоне от 70° до 120°. В другом варианте осуществления они могут иметь угол вершины от 80° до 115°. В дополнительном варианте осуществления они могут иметь угол вершины от 90° до 110°. В различных вариантах осуществления радиус вершины может находиться в диапазоне от приблизительно 1 мм до приблизительно 15 мм, или от приблизительно 1,5 мм до приблизительно 10 мм, или от приблизительно 2 мм до приблизительно 8 мм.
[0046] Было установлено, что по существу желательно предотвращать контакт между по меньшей мере некоторыми или большинством из гофров 20 каждого структурированного насадочного листа 18 с гофрами на смежных структурированных насадочных листах 18, учитывая расстояние, превышающее или равное по меньшей мере толщине пленки жидкости, которая должна протекать вдоль гофров 20, для предотвращения нежелательного накопления жидкости в точках контакта, где гофры 20 одного структурированного насадочного листа 18 контактируют с гофрами 20 смежного с ними одного из структурированных насадочных листов 18, которое будет усугубляться в структурированных насадочных листах 18, имеющих больший радиус вершины. Например, расстояние между пиками 22 на передней стороне одного структурированного насадочного листа 18 и пиками 22 на задней стороне смежного структурированного насадочного листа 18 может находиться в диапазоне от 0,25 мм до 3 мм, от 0,35 мм до 2,5 мм или от 0,45 мм до 2 мм. Такое уменьшение контакта между пиками 22 большего радиуса гофров 20 может достигаться с помощью разделителей 32, таких как показанные на Фиг. 10 и 11 участки, образованные невдавленными участками пиков 22, которые расположены на расстоянии друг от друга вдоль всех или некоторых из пиков 22 одной или обеих сторон из всех или чередующихся листов структурированных насадочных листов 18. Длину разделителей 32 и расстояние между ними выбирают таким образом, чтобы разделители контактировали только с некоторыми из противолежащих пиков 22 или разделителей 32 в смежных структурированных насадочных листах 18 при их сборке в структурированный насадочный слой 16. Для облегчения деформации плоского листа в процессе формирования гофров 20 и разделителей 32 некоторые из отверстий 28 могут располагаться на переходах между вдавленными участками пиков 22 и разделителями 32, формируя таким образом пики 22 с двойными радиусами вершин и отверстиями 28 на переходе от больших к малым радиусам, как показано на Фиг. 11.
[0047] В эксплуатации один или более структурированных насадочных слоев 16 собраны из структурированных насадочных листов 18 и расположены в пределах открытой внутренней области 14 внутри массообменной колонны 10 для применения с целью облегчения массо- и/или теплообмена между потоками текучей среды, встречно текущими в данный момент внутри открытой внутренней области 14. По мере того как потоки текучей среды сталкиваются со структурированными насад очными листами 18 в одном или более структурированных насадочных слоев 16, потоки текучей среды распределяются по поверхностям структурированных насадочных листов 18 для увеличения зоны контакта и, следовательно, массо- и/или теплообмена между потоками текучей среды. Поток текучей среды, как правило, поток жидкости, спускается вдоль наклонной поверхности гофров, тогда как другой поток текучей среды, как правило, поток пара, аналогично способен подниматься в открытом зазоре между смежными структурированными насадочными листами 18 и входить в контакт с нисходящим потоком текучей среды для воздействия на тепло- и/или массообмен. Отверстия 28 в структурированных насадочных листах 18 облегчают распределение пара внутри структурированного насадочного слоя 16, а также выступают в роли распределителя жидкости для управления характером распространения жидкости для облегчения распределения жидкости по мере ее перемещения через структурированные насадочные листы 18 и для облегчения прохождения жидкости от одной стороны насадочного листа к другой. Размеры, форма и распределение отверстий 28 в настоящем документе могут быть, как описано выше, специально подобраны для уменьшения падения давления между верхним и нижним краями структурированных насадочных слоев 16, что приводит к неожиданному увеличению или только минимальному снижению, если это вообще имеет место, эффективности разделения, тем самым обеспечивается общее повышение эксплуатационных характеристик структурированного насадочного слоя 16 в массообменной колонне 10.
[0048] Настоящее изобретение дополнительно проиллюстрировано путем ссылки на следующую таблицу, в которой показаны нормализованные результаты расчетного моделирования динамики жидкости для стандартных структурированных насадочных листов А-Е и обладающих признаками изобретения структурированных насадочных листов 1-10, которые включают в себя различные элементы настоящего изобретения. Представленная в таблице информация приведена в качестве иллюстрации, и ничто в ней не должно рассматриваться как ограничение общей сферы действия настоящего изобретения.
[0049] Из вышесказанного следует, что настоящее изобретение является одним хорошо приспособленным для решения всех задач и достижения целей, указанных выше в настоящем документе, а также обладает другими преимуществами, присущими структуре.
[0050] Следует понимать, что некоторые признаки и подкомбинации являются полезными и могут быть использованы без ссылки на другие признаки и подкомбинации. Это предполагается объемом изобретения и входит в его состав.
[0051] Поскольку в рамках объема изобретения могут быть выполнены многочисленные возможные варианты осуществления, следует понимать, что все объекты, описанные в настоящем документе или показанные на сопроводительных чертежах, следует воспринимать в иллюстративном, а не ограничивающем смысле.
1. Структурированный насадочный модуль, содержащий:
множество структурированных насадочных листов, расположенных вертикально и параллельно друг другу, при этом каждый структурированный насадочный лист имеет гофры, образованные чередующимися пиками, впадинами и боковыми стенками гофра, которые проходят между смежными пиками и впадинами, причем структурированные насадочные листы выполнены и упорядочены таким образом, что гофры каждого из структурированных насадочных листов проходят под непрямым углом к гофрам каждого из смежных структурированных насадочных листов, а удельная площадь поверхности структурированных насадочных листов в структурированном насадочном модуле в целом превышает 100 м2/м3, и
множество отверстий в структурированных насадочных листах для обеспечения прохождения текучей среды через структурированные насадочные листы, при этом отверстия в каждого из структурированных насадочных листов открыты для каждого из смежных структурированных насадочных листов и по существу не создают препятствий, причем отверстия распределяются в каждом из структурированных насадочных листов таким образом, что боковые стенки гофра имеют более высокую плотность открытых зон, образованных отверстиями, по сравнению с любой плотностью любых открытых зон на пиках и впадинах.
2. Структурированный насадочный модуль по п. 1, в котором указанные отверстия присутствуют только в боковых стенках гофра.
3. Структурированный насадочный модуль по п. 1, в котором указанные отверстия распределены так, что более высокая плотность указанных открытых зон находится ближе к центральным линиям указанных боковых стенок гофра, в отличие от любой плотности любых открытых зон, которые могут находиться ближе к указанным пикам и впадинам.
4. Структурированный насадочный модуль по п. 1, в котором указанные отверстия упорядочены в двух или более расположенных на расстоянии друг от друга рядах, которые проходят в направлении, по существу параллельном направлению продольного расположения указанных пиков и впадин.
5. Структурированный насадочный модуль по п. 4, в котором гофры каждого из указанных насадочных слоев имеют угол вершины в диапазоне от 70° до 120°.
6. Структурированный насадочный модуль по п. 1, в котором площадь открытой зоны каждого из указанных структурированных насадочных листов находится в диапазоне от 6 до 20 процентов в пересчете на общую площадь поверхности соответствующего насадочного слоя.
7. Структурированный насадочный модуль по п. 1, в котором каждое из указанных отверстий имеет максимальный плоскостной размер в диапазоне от 1 мм до 13 мм.
8. Структурированный насадочный модуль по п. 1, в котором указанные отверстия имеют круглую форму.
9. Структурированный насадочный модуль по п. 1, включающий в себя разделители на указанных пиках, которые контактируют только с некоторыми пиками на противоположной стороне смежного с ними одного из структурированных насадочных листов.
10. Структурированный насадочный модуль по п. 9, в котором указанные разделители образованы в виде участков указанных пиков, которые имеют меньший радиус вершины, чем смежные вдавленные участки указанных пиков, которые имеют больший радиус вершины.
11. Структурированный насадочный модуль по п. 10, в котором некоторые из указанных отверстий расположены на переходах от указанных вдавленных участков указанных пиков к указанным участкам указанных пиков, которые имеют меньший радиус вершины.
12. Структурированный насадочный модуль по п. 1, в котором некоторые из указанных отверстий расположены на указанных пиках и впадинах.
13. Структурированный насадочный модуль по п. 1, в котором указанные гофры имеют радиус вершины в диапазоне от 1 мм до 15 мм.
14. Структурированный насадочный модуль по п. 1, в котором указанные отверстия присутствуют только в боковых стенках гофра и распределены таким образом, что более высокая плотность указанных открытых зон находится ближе к центральным линиям указанных боковых стенок гофра, в отличие от любой плотности любых открытых зон, которые могут присутствовать ближе к указанным пикам и впадинам, при этом указанные отверстия расположены в двух или более рядах, которые проходят в направлении, по существу параллельном направлению расположения указанных пиков и впадин, при этом открытая зона каждого из указанных насадочных слоев имеет площадь в диапазоне от 11 до 15 процентов в расчете на общую площадь поверхности соответствующего насадочного листа, а каждое из указанных отверстий имеет максимальный плоскостной размер в диапазоне от 2 мм до 8 мм, причем указанные гофры имеют угол вершины в диапазоне от 70° до 120°, радиус вершины в диапазоне от 1 мм до 15 мм, причем по меньшей мере часть гофров смежных насадочных слоев расположена на расстоянии друг от друга.
15. Массообменная колонна, содержащая:
царгу, определяющую открытую внутреннюю область, и
по меньшей мере один структурированный насадочный модуль по п. 1 внутри указанной открытой внутренней области.
16. Массообменная колонна по п. 15, в которой указанные отверстия присутствуют только в боковых стенках гофра.
17. Массообменная колонна по п. 15, в которой указанные отверстия распределены так, что более высокая плотность указанных открытых зон находится ближе к центральным линиям указанных боковых стенок гофра, в отличие от любой плотности любых открытых зон, которые могут находиться ближе к указанным пикам и впадинам.
18. Массообменная колонна по п. 15, в которой указанные отверстия расположены в двух или более расположенных на расстоянии друг от друга рядах, которые проходят в направлении, по существу параллельном направлению продольного расположения указанных пиков и впадин.
19. Массообменная колонна по п. 15, в которой площадь открытой зоны каждого из указанных структурированных насадочных листов находится в диапазоне от 6 до 20 процентов в пересчете на общую площадь поверхности соответствующего насадочного слоя.
20. Массообменная колонна по п. 15, в которой каждое из указанных отверстий имеет максимальный плоскостной размер не более 6 мм.
21. Массообменная колонна по п. 15, в которой указанные гофры имеют угол вершины по меньшей мере 70° и радиус вершины по меньшей мере 1 мм.
22. Массообменная колонна по п. 15, в которой указанные отверстия присутствуют только в боковых стенках гофра и распределены таким образом, что более высокая плотность указанных открытых зон находится ближе к центральным линиям указанных боковых стенок гофра, в отличие от любой плотности любых открытых зон, которые могут присутствовать ближе к указанным пикам и впадинам, при этом указанные отверстия расположены в одном или более рядах, которые проходят в направлении, по существу параллельном направлению расположения указанных пиков и впадин, при этом открытая зона каждого из указанных насадочных слоев имеет площадь в диапазоне от 11 до 15 процентов в расчете на общую площадь поверхности соответствующего насадочного листа, а каждое из указанных отверстий имеет максимальный плоскостной размер в диапазоне от 2 мм до 8 мм, причем указанные гофры имеют угол вершины в диапазоне от 70° до 120°, радиус вершины в диапазоне от 2 мм до 8 мм, причем по меньшей мере часть гофров смежных насадочных слоев расположена на расстоянии друг от друга.
