СТРУКТУРИРОВАННАЯ НАСАДКА, КОЛОННА И СПОСОБ ДИСТИЛЛЯЦИИ Российский патент 1995 года по МПК B01J19/30 B01D3/32 B01D3/00 

Изобретение относится к структурированной насадке колонны из гофрированного листового материала, имеющего текстурированную поверхность.

Известна структурированная насадка колонны для использования в дистилляционной колонне для ректификации смесей текучей среды. Известна структурированная насадка, включая насадку Стедмана, в которой отдельные элементы имеют определенную ориентацию по отношению друг к другу и к оси колонны (патент США N 2047444, кл. 261-94, 1956).

Недавние достижения в области структурированных насадок включают разработку структурированной насадки, выполненной из тонких листов гофрированного материала. Обычно таким материалом является металл. Эта структурированная насадка изготовлена путем гофрирования тонких листов таким образом, что гофры формируются диагонально на листах. В колонне используется насадка с листами, имеющими вертикальную ориентацию, так что гофры находятся под углом к оси колонны.

Усовершенствованием в структурированной гофрированной насадке является текстурирование поверхности листов насадки (патент США N 4186159, кл. 261-94, 1959; патент США N 4296050, кл. 251-112, 1961; патент США N 4929399, кл. 252-60, 1962). Текстурирование улучшает равномерное растекание жидкости по поверхности насадки, тем самым улучшая контакт паров с жидкостью и массоперенос внутри колонны. Известны многие различные способы текстурирования, такие как образование гофра, резка кислородным копьем или насечка рельефа на поверхности листа. Другие способы текстурирования включают перфорацию листа. Другие способы текстурирования включают перфорацию листа с оставлением выступов вокруг отверстия и перфорацию листа с оставлением заусенцев вокруг отверстия.

Хотя было показано, что известные текстурированные гофрированные структурированные насадки позволяют достичь хороших результатов, они иногда плохо функционируют в некоторых ситуациях, таких как изменение параметров. Например, было замечено, что жидкость имеет тенденцию затекать в углы гофров, что вредно для функционирования насадки. Это требует удаления или разрушения накопившейся жидкой фракции в углах или делает необходимым мириться с ухудшающимся функционированием. Поэтому желательно иметь текстурированную гофрированную структурированную насадку, которая хорошо функционирует при всех условиях дистилляции, включая изменение параметров.

Предложена структурированная насадка, включающая текстурированный гофрированный листовой материал, имеющий острые углы в гофрах, отношение разности в толщине обработанного листа в углах к разности в толщине обработанного листа между углами, которое превышает 0,6, и углы, в которых отношение удвоенного радиуса угла к высоте гофра составляет менее 0,75.

Предложен способ осуществления дистилляции, включающий прохождение пара и жидкости в противоположных направлениях в колонне, содержащей структурированную насадку, выполненную из текстурированного гофрированного листового материала, имеющего острые углы в гофрах, отношение разности в толщине обработанного листа в углах к разности в толщине обработанного материала между углами, которое превышает 0,6, и углы, в которых отношение удвоенного радиуса к высоте гофра составляет менее 0,75.

Предложена колонна, содержащая элементы контакта пара с жидкостью, включающая в себя структурированную насадку, выполненную из текстурированного гофрированного листового материала, имеющего острые углы в гофрах, отношение разности в толщине обработанного листа в углах к разности в толщине обработанного листа между углами, которое превышает 0,6, и углы, в которых отношение удвоенного радиуса к высоте гофра составляет менее 0,75.

Используемый здесь термин "толщина обработанного листа" означает очевидную общую толщину текстурированного листа. Она может быть измерена, например, верньерным измерителем, который простирается над рядом элементов, образующих текстурирование.

Используемый здесь термин "разность в толщине обработанного листа" означает разность между толщиной обработанного листа и толщиной нетекстурированного листа в любой определенной точке структурированной насадки.

Используемый здесь термин "НЕТР" означает высоту насадки, свыше которой достигается композиционное изменение, эквивалентное композиционному изменению, достигаемому теоретической тарелкой.

Используемый здесь термин "теоретическая тарелка" означает контактный процесс между паром и жидкостью, происходящий таким образом, что выходящие потоки пара и жидкости находятся в состоянии равновесия.

Используемый здесь термин "структурированная насадка" означает насадку, в которой отдельные элементы имеют определенную ориентацию по отношению друг к другу и к оси колонны. Примеры структурированных насадок включают насадку Стедмана (патент США N 2047444) и разработанные позднее структурированные насадки, такие как описанная в патенте США N 4186159 Хьюбер, в патенте США N 4296050 Мейер, и в патенте США N 4929399 Локетт и др.

Используемый термин "диапазон изменения параметров" означает процесс при скоростях потока, которые меньше, чем предусмотренные нормальные скорости потока.

Используемый термин "радиус угла" означает внутренний радиус искривления металла в углу, образующем гофр.

Используемый термин "высота гофра" означает расстояние между плоскостью, проходящей через гребни, и плоскостью, проходящей через впадины гофров.

Термин "колонна", используемый в настоящем описании и формуле изобретения, означает дистилляционную или фракционную колонну или зону, т.е. контактную колонну или зону, в которой жидкая и паровая фазы контактируют в противоположных направлениях с целью осуществления, например, сепарации смеси текучей среды, например, путем контактирования паровой и жидкой фаз на некотором количестве вертикально разнесенных лотков или тарелок, смонтированных внутри колонны и/или на элементах насадки.

Контактные процессы сепарации пара и жидкости зависят от разности в значениях давления пара для компонентов. Компонент с высоким давлением пара (или более летучий, или с более низкой точкой кипения) будет, как правило, концентрироваться в паровой фазе, тогда как компонент с низким давлением пара (или менее летучим, или с более высокой точкой кипения) будет, как правило, концентрироваться в жидкой фазе. Дистилляция является процессом сепарации, в котором нагревание жидкой смеси может быть использовано для концентрации летучего компонента в паровой фазе и, следовательно, менее летучего компонента в жидкой фазе. Парциальная конденсация является процессом сепарации, в котором охлаждение паровой смеси может быть использовано для концентрации летучего компонента в паровой фазе, и, следовательно, менее летучего компонента в жидкой фазе. Ректификация, или непрерывная дистилляция, является процессом сепарации, который сочетает последовательные парциаль- ные испарения и конденсации, достигаемые в результате прохождения паровой и жидкой фаз в противоположных направлениях. Противоточное контактирование паровой и жидкой фаз является адиабатическим и может включать интегральный или дифференциальный контакт между фазами. Установки для процесса сепарации, в которых используются принципы ректификации для разделения смесей зачастую с возможностью замены одного термина другим, называются ректификационными колоннами, дистилляционными колоннами или фракционными колоннами.

Термин "удвоенная колонна" используется для обозначения колонны с повышенным давлением, верхний конец которой путем теплообмена связан с нижним концом колонны с пониженным давлением.

Используемый термин "аргоновая колонна" обозначает колонну, в которой поднимающийся вверх пар постепенно обогащается аргоном за счет противоположного потока опускающейся жидкости и из колонны извлекается аргонный продукт.

На фиг. 1 представлена текстурированная гофрированная структурированная насадка, которая используется для демонстрации различий между изобретением и известными структурированными насадками; на фиг. 2 проекция вдоль линии А-А на фиг. 1 и которая предназначена для иллюстрации концепции толщины обработанного листа; на фиг. 3 проекция вдоль линии В-В на фиг. 1, которая предназначена для иллюстрации типовой толщины обработанного листа в углах известной текстурированной гофрированной структурированной насадки; на фиг. 4 проекция вдоль линии С-С на фиг. 1, которая иллюстрирует толщину обработанного листа в углах текстурированной гофрированной структурированной насадки данного изобретения; на фиг. 5 зависимость НЕТР и перепада давления от гидродинамической нагрузки для пара известной текстурированной гофрированной структурированной насадки; на фиг. 6 зависимость НЕТР и перепада давления от гидродинамической нагрузки для пара в усовершенствованной текстурированной гофрированной структурированной насадке данного изобретения; на фиг. 7 концепции углового радиуса и высоты гофра; на фиг. 8 установка для сепарации воздуха, включающая в себя удвоенную колонну, соединенную с аргоновой колонной.

Изобретение включает в себя в общем виде изменение в отношении текстурированной поверхности в углах к текстурированной поверхности между углами гофрированной под определенным острым углом гофрированной структурированной насадки в отличие от известной структурированной насадки. Усовершенствование согласно данному изобретению позволяет осуществлять дистилляцию, особенно в условиях изменения параметров, при заметно более низких значениях НЕТР, чем это возможно в известных структурированных насадках.

Структурированная насадка может включать в себя некоторое количество тонких гофрированных текстурированных листов материала, как правило, металла, такого как алюминий, медь или нержавеющая сталь, которые вертикально ориентированы внутри колонны с гофрами под углом к оси колонны. Типичный единственный лист гофрированной текстурированной структурированной насадки показан на фиг. 1. Поверхностное текстурирование листа (фиг. 1) выполнено путем образования гофра.

На фиг. 2 показано сечение поперек листа вдоль линии А-А на фиг. 1, на которой эта линия параллельна углу гофров и сечение осуществлено на равном расстоянии между гребнем и впадиной, т.е. в стороне от углов плоской части листа. На фиг. 3 и 4 показано сечение поперек листа вдоль линий В-В и С-С соответственно на фиг. 1, на которой эти линии параллельны углу гофров и сечение выполнено вдоль угла гофра.

На фиг. 2, 3 и 4 толщина нетекстурированного листа обозначена буквой t. Толщина текстурированного материала после обработки может быть представлена буквой Т_f для ровной части листа и буквой Т_с для листа в углу гофров. Толщина текстурированного материала после обработки может быть с удобством измерена верньерным измерителем. Измеряющая поверхность этого измерителя должна простираться по крайней мере над двумя элементами, которые образуют текстуру поверхности и которые в случае, показанном на фиг. 1, 2, 3 и 4, включают по крайней мере два гофра. Это означает, что измеритель замеряет толщину обработанного материала T_f или Т_с, а не толщину листового металла t.

Разность толщины обработанного листа в углах может быть представлена как T_c-t, а разность толщины обработанного листа в точках, промежуточных между углами, может быть представлена как T_f-t. Как можно видеть на фиг. 2 и 3, разность толщины обработанного листа в углах (или T_c-t) значительно меньше разности толщины обработанного листа в промежутке между углами (или T_f-t). Не желая ограничивать себя какой-либо теорией, заявители считают, что эта большая разница является неотъемлемым результатом способа, которым была изготовлена такая насадка. Этот способ изготовления включает в себя, во-первых, текстурирование ровного листа материала и затем его гофрирование. В процессе гофрирования материал раздавливается или выравнивается в углах, что приводит к значительному неравенству между разностью толщины обработанного листа в углах и промежуточных точках.

Неравенство при определенных значениях острого угла является причиной наблюдаемого плохого функционирования текстурированной гофрированной структурированной насадки в условиях изменения параметров. Изобретение включает в себя текстурированную гофрированную структурированную насадку, имеющую острые углы и определенное высокое отношение разности толщины обработанного листа в углах к разности толщины обработанного листа в промежуточных точках. Изобретение позволяет осуществлять дистилляцию в колонне, избегая ухудшение функционирования при изменении параметров, которое до сих пор наблюдалось в известных текстурированных гофрированных структурированных насадках.

Изобретение включает в себя текстурированную гофрированную структурированную насадку, имеющую определенное высокое отношение R, которое превышает 0,6 и которое определяется как отношение разности толщины обработанного листа в углах к разности толщины обработанного листа между углами, или в символическом выражении как R (T_c t)/(T_f t) > 0,6. Изображение Т_с и t показано на фиг. 4, Т_с для изобретения значительно превышает Т_с для известной насадки, как показано на фиг. 3. В предпочтительном варианте отношение R превышает 0,7 и в самом предпочтительном варианте превышает 0,8. Кроме того, изобретение требует, чтобы отношение удвоенного радиуса гофра r к высоте гофра Н было менее 0,75, т.е. чтобы углы были острыми. Концепции радиуса гофра r и высота гофра Н показаны на фиг. 7. В символических выражениях это отношение острого угла S определяется как S 2r/H < 0,75. Это второе требование появляется из-за того, что для синусоидальной кривой, у которой отношение S превышает 0,75 и может приближаться к 1,0, во-первых, в процессе изготовления текстура поверхности может не раздавливаться или выравниваться, как это происходит при остром угле, и, во-вторых, такой угол синусоидальной кривой предотвращает сфокусированное скапливание жидкости. Является предпочтительным, чтобы все углы листа насадки отвечали этим техническим условиям, хотя ценность изобретения не будет утрачена, если несколько углов не будут находиться в соответствии.

Изобретение может использоваться в любом процессе дистилляции, в котором пар и жидкость, двигаясь в противоположных направлениях, вступают в контакт в колонне с целью осуществления сепарации на более летучий и менее летучий компонент. Изобретение особенно полезно для криогенной дистилляции, особенно процессов сепарации воздуха, в которых смесь текучей среды содержит два или более компонентов, подвергающихся сепарации: кислород, азот и аргон. На фиг. 8 показана удвоенная колонна системы сепарации воздуха, включающая в себя удвоенную колонну, содержащую колонну 1 высокого давления, колонну 2 пониженного давления, главный конденсатор 3 и аргоновую колонну 4.

Возможным способом изготовления структурированной насадки согласно изобретению с целью превышения отношения R значения 0,6 является следующий. Процесс текстурирования выполняется, а затем зазор между рабочими частями штампов, используемыми для процесса гофрирования, может изменяться. В зависимости от глубины текстурирования и особенностей используемого материала предпочтительный зазор между рабочими частями штампа может быть достигнут такой, чтобы отношение R превышало 0,6 при одновременном формировании соответствующих острых углов с отношением менее 0,75.

Следующие примеры, в том числе сравнительные, приводятся только в целях наглядности и не предназначены для ограничения объема изобретения.

В современной установке для криогенной дистилляции воздуха были проведены испытания. Внутренний диаметр колонны составлял 12 дюймов, а общая высота структурированной насадки, содержащейся в колонне, составляла 115 дюймов. Колонна эксплуатировалась в режиме одноразовой загрузки при полном орошении. Смесь аргона и кислорода использовалась в качестве испытываемой смеси при абсолютном давлении в верхней части колонны 22 фунта на кв. дюйм и при молярном проценте содержания кислорода, равном 95, на низу насадки. Испытываемая насадка представляла собой гофрированную структурированную насадку с листами, имеющими гофр для текстурирования поверхности, подобный тому, который показан на фиг. 1. Насадка имела площадь поверхности примерно 350 м²/м³. Гофры были направлены под углом 45^о к вертикали, и 11 слоев насадки были использованы, каждый из которых был отклонен на 90^о по отношению к двум соседним слоям.

Испытывались две насадки: одна насадка представляла собой известную текстурированную гофрированную структурирован- ную насадку и имела отношение R 0,57. Другая насадка представляет собой структурированную насадку согласно изобретению и была специально сконструрирована, чтобы получить отношение R 0,85. В данном случае высокое значение отношения R было достигнуто путем увеличения расстояния между рабочими частями штампа, использованными в процессе гофрирования. Все другие геометрические параметры насадки оставались неизменными. Обе насадки были сконструированы с обеспечением отношений S величиной 0,48.

В испытаниях каждой насадки измерялась зависимость НЕТР и перепада давления от гидродинамической нагрузки для пара в колонне, обозначенная как CV и выраженная в виде
CV где M_G расход пара, фут/с
e_G концентрация пара, фунт/куб. фут
e_L концентрация жидкости, фунт/куб. фут
А_Т площадь поперечного сечения колонны, кв. фут.

На фиг. 5 показана зависимость НЕТР и перепада давления от значения CV для первой насадки. Эта насадка функционировала плохо при величинах CV ниже 0,15 фут/с, где НЕТР возрастала от 11,5 дюймов при CV 0,15 фут/с до более 14 дюймов при CV 0,10 фут/с. На фиг. 6 показаны испытания с использованием другой насадки. Для этой насадки при снижении CV от 0,15 до 0,10 фут/с величина НЕТР увеличивалась только слегка и значительно меньше, чем для первой насадки. Заметной разницы в перепаде давления между двумя насадками не было.

Тот факт, что перепад давления у обеих насадок был по существу одинаковым, служит подтверждением того, что между двумя насадками не было значительных различий в геометрии, за исключением различия в величинах R. Различия в геометрии между насадками, такие, как, например, те, которые вызывают различие в межфазной поверхности, приходящейся на объем установки, могут также создавать различие в величине НЕТР между насадками. Однако такое различие в геометрии само свидетельствовало бы о различии между характеристиками перепада давления этих насадок.

Увеличение величины НЕТР у первой насадки при уменьшенных значениях расхода компонентов является нежелательным, поскольку снижение сепарационной эффективности насадки привело бы к снижению извлечения продукта при использовании в функционирующей установке для дистилляции, такой, как установка для сепарации воздуха.

Использование: для использования в дистиляционной колонне для ректификации смесей текучей среды. Сущность: структурированная насадка колонны с гофрами и текстурированными поверхностями имеет определенную конструкцию углов гофра, что позволяет значительно повысить эффективность, особенно в условиях диапазона изменения параметров. 3 с. и 17 з.п. ф-лы, 8 ил.

1. Структурированная насадка, содержащая текстурированный гофрированный листовой материал, отличающаяся тем, что листовой материал имеет острые углы в гофрах, а отношение разности толщин обработанного листа в углах к разности толщин обработанного листа между углами превышает 0,6 и отношение удвоенного радиуса листа к высоте гофра менее 0,75. 2. Насадка по п.1, отличающаяся тем, что отношение разности толщин обработанного листа в углах к разности толщин обработанного листа между углами превышает 0,7. 3. Насадка по п.1, отличающаяся тем, что отношение разности толщин обработанного листа в углах к разности толщины обработанного листа между углами превышает 0,8. 4. Насадка по п.1, отличающаяся тем, что текстура включает в себя образование гофра. 5. Насадка по п.1, отличающаяся тем, что она имеет отверстия, проходящие сквозь листовой материал насадки. 6. Насадка по п.1, отличающаяся тем, что она выполнена из алюминия. 7. Насадка по п.1, отличающаяся тем, что она выполнена из меди. 8. Насадка по п.1, отличающаяся тем, что она выполнена из нержавеющей стали. 9. Колонна, содержащая элементы для контакта пара с жидкостью, структурированную насадку, включающую текстурированный гофрированный листовой материал, отличающаяся тем, что листовой материал имеет острые углы в гофрах, а отношение разности толщин обработанного листа в углах к разности толщин обработанного листа между углами превышает 0,6 и отношение удвоенного радиуса угла к высоте гофра менее 0,75. 10. Колонна по п. 9, отличающаяся тем, что структурированная насадка имеет отношение разности толщин обработанного листа в углах к разности толщин обработанного листа между углами, превышающее 0,7. 11. Колонна по п. 9, отличающаяся тем, что структурированная текстура структурированной насадки включает образование гофра. 12. Колонна по п.9, отличающаяся тем, что структурированная насадка имеет отверстия, проходящие сквозь листовой материал насадки. 13. Колонна по п.9, отличающаяся тем, что структурированная насадка выполнена из алюминия. 14. Колонна по п.9, отличающаяся тем, что она является колонной пониженного давления в системе удвоенной колонны. 15. Колонна по п.9, отличающаяся тем, что она является колонной повышенного давления в системе удвоенной колонны. 16. Колонна по п. 9, отличающаяся тем, что она является аргоновой колонной установки для сепарации воздуха, имеющей систему удвоенной колонны. 17. Способ дистилляции, включающий в себя прохождение пара и жидкости в противоположных направлениях в колонне, содержащей структурированную насадку, включающую текстурированный гофрированный листовой материал, отличающийся тем, что листовой материал имеет острые углы в гофрах, а отношение разности толщин обработанного листового материала в углах к разности толщин обработанного листового материала между углами превышает 0,6 и отношение удвоенного радиуса угла к высоте гофра менее 0,75. 18. Способ по п.17, отличающийся тем, что отношение разности толщин обработанного угла в углах к разности толщины обработанного листа между углами превышает 0,7. 19. Способ по п. 17, отличающийся тем, что дистилляция является криогенной. 20. Способ по п.17, отличающийся тем, что пар и жидкость внутри колонны включает в себя по крайней мере два компонента из группы кислород, азот и аргон.