РЕКТИФИКАЦИОННАЯ КОЛОННА Российский патент 1996 года по МПК B01D3/16 

Изобретение относится к массообменным аппаратам для проведения процессов ректификации и абсорбции.

Ускоренное развитие нефтеперерабатывающей, нефтехимической, химической и пищевой промышленностей, в которых используются указанные процессы, требует больших затрат на капитальное строительство. Ситуация значительно усложняется тем, что для эксплуатации колонных массообменных аппаратов необходимо строить специальные многоэтажные здания и сооружения.

Известна надежная в работе классическая (вертикального типа) ректификационная колонна, содержащая единый герметичный корпус и размещенные в нем на разных уровнях по высоте одна над другой контактные тарелки с переливными устройствами. Наиболее оптимальное расстояние по вертикали между тарелками в этой колонне составляет 0,4 0,6 м. При таком расположении тарелок реализуются условия для стабильного режима работы колонного массообменного аппарата с высокой производительностью, соответствующей проектным параметрам, заложенным в конструкцию: типу и количеству контактных тарелок, площади поперечного сечения колонны, на которой располагаются тарелки и пр. Общее количество уровней, на которых размещены контактные тарелки, практически колеблется в пределах интервала 16 65, в зависимости от назначения аппарата, при этом высота колонны может достигать 8 20 м. Однако для эксплуатации такого аппарата требуется строительство дорогостоящего многоэтажного здания [1]
Поэтому задача создания надежного в работе массообменного аппарата, не требующего для эксплуатации многоэтажных сооружений, но обеспечивающего равнозначную производительность и соответствующее качество конечного продукта, например, спирта на уровне тех же параметров ректификационной колонны классического (вертикального) типа, до настоящего времени остается актуальной.

Технический результат, полученный при реализации предложенного устройства, заключается в уменьшении в 3 5 раз высоты ректификационной колонны, выбранной за прототип, при сохранении других проектных параметров, а также равнозначной производительности и соответствующего качества конечного продукта.

Сущность изобретения заключается в том, что в известной ректификационной колонне, представляющей собой корпус и размещенные на разных уровнях по высоте тарелки, содержащие контактные устройства преимущественно барботажного типа, контактные устройства на каждом из уровней установлены со смещением их геометрических осей относительно осей контактных устройств, установленных на соседних уровнях, на величину, превышающую расстояние между уровнями, при этом габаритные размеры контактных устройств выбраны из условия, что их края не касаются друг друга при проецировании на одну плоскость.

В каждом контактном устройстве барботажные перегородки могут быть установлены ниже основания тарелки и выполнены в виде двух размещенных одна в другой фигур с замкнутыми контурами, между которыми в основании тарелки выполнено отверстие, барботажные перегородки снизу заключены в коробку, образующую полость с нижней и боковыми стенками, повторяющими по форме контуры соответственно наружной и внутренней барботажных перегородок, со стороны наиболее удаленной от ближнего нижерасположенного контактного устройства в верхней части боковых стенок коробки выполнено в каждой по одному вырезу, а ниже их с противоположной стороны в наружной стенке коробки выполнен третий вырез, который заключен в желоб и при помощи сливной трубки через отверстие в основании нижерасположенной тарелки соединен пневматически с полостью коробки ближнего контактного устройства.

Внутренняя барботажная перегородка каждого контактного устройства может быть выполнена в виде подвижного колпака.

Наличие отличительных от прототипа признаков говорит о соответствии критерию новизны, при этом благодаря установке контактных устройств на каждом из уровней со смещением их геометрических осей сохраняется расстояние между тарелками в пределах интервала 0,4 0,6 м, а высота колонны может быть уменьшена без изменения ее производительности. И в случае сохранения типа и количества контактных устройств и числа уровней, на которых они размещены по высоте колонны, обеспечивается соответствующее качество конечного продукта. В практическом плане это достигается сохранением на том же уровне таких параметров процесса ректификации, как скорость движения пара, газодинамическое сопротивление контактных устройств и соответственно время барботирования заданного количества жидкости на каждом уровне по высоте колонны.

Если контактные устройства дополнительно будут снабжены наружной и внутренней барботажными перегородками, то они приобретают вид тарелок, так называемого, двойного кипячения, которые теоретически и практически имеют более высокий КПД по сравнению с контактными устройствами других видов и типов. Однако при использовании этих контактных устройств в предлагаемой колонне целесообразно барботажные перегородки заключить в коробку с желобом, ограничивающим свободный доступ пара к барботажным перегородкам и переливному устройству, для чего со стороны, наиболее удаленной от ближайших контактных устройств, в коробке выполнены вырезы. Данная конструкция контактных устройств позволяет упорядочить поток пара между тарелками и за счет этого организовать более эффективное встречное движение жидкости и пара в процессе барботирования, что также дает возможность для дополнительного уменьшения расстояния между уровнями, на которых размещены эти контактные устройства по высоте колонны.

Кроме того, в указанной конструкции контактного устройства целесообразно внутреннюю барботажную перегородку выполнить в виде подвижного колпака, реагирующего на изменение давления пара. Благодаря этому достигается возможность автоматического регулирования глубины барботажного слоя жидкости при изменениях режима работы колонны. За счет этого обеспечивается более интенсивный сброс излишков давления пара на каждом уровне, на которых размещены контактные устройства, и при малых расстояниях между уровнями уменьшается вероятность "захлебывания" контактных устройств и прочих видов сбоя в их работе.

Совокупность уже перечисленных отличительных особенностей обеспечивает возможность существенного снижения высоты ректификационной колонны в целом.

На фиг. 1 изображен продольный разрез средней части предлагаемой ректификационной колонны; на фиг. 2 ее поперечный разрез.

В подтверждение критерия промышленной применимости можно рассмотреть следующий пример конкретного выполнения ректификационной колонны для получения спирта.

Ректификационная колонна выполнена по блочно-модульной схеме, при этом каждый блок модуль содержит корпус 1, контактное устройство 2 с наружной 3 и внутренней 4 барботажными перегородками, которые расположены ниже основания 5 и заключены в коробку 6 с желобом 7. Перегородки 3 и 4 представляют собой две расположенные одна в другой фигуры в виде окружностей. Практически возможны варианты выполнения этих перегородок в виде других фигур с замкнутыми контурами, например, многоугольники, эллипсы и пр. Между перегородками 3 и 4 в основании 5 выполнено отверстие А.

Коробка 6 образует полость Б с нижней 8 и боковыми 9 и 10 стенками, повторяющими по форме контуры соответственно наружной 3 и внутренней 4 барботажных перегородок. Со стороны, наиболее удаленной от ближнего нижерасположенного контактного устройства, в верхней части боковых стенок 9 и 10 коробки 6 выполнены вырезы для прохода пара соответственно В и Г. Ниже этих вырезов с противоположной стороны в наружной стенке 9 выполнен сливной вырез Д, который заключен в желоб 7 и при помощи сливных трубок 11 через отверстие Е в основании нижерасположенного контактного устройства соединен пневматически с полостью Ж аналогичной коробки ближнего контактного устройства.

Перегородка 4 выполнена в виде колпака, который имеет возможность перемещения за счет соединения оси 12 с отверстием И и в центральной части коробки 6, при этом суммарная масса перегородки 4 с осью 12 выбрана из условия обеспечения ее максимального перемещения под давлением пара в пределах интервала 0,01 0,05 кгс/см². В случае изготовления перегородки 4 и оси 12 из легких материалов требуемый уровень давления, необходимый для ее максимального перемещения, может быть обеспечен также путем использования дополнительной пружины.

Коробка 6 и желоб 7 выполнены таким образом, что они перекрывают свободный нерегулируемый доступ пара от нижнего блока-модуля к сливному вырезу Д и сливным трубкам 11 переливного устройства 13, а также к барботажным перегородкам 3 и 4.

По наружному периметру, за исключением вырезов В, Г и Д, коробка 6 с желобом 7 плотно поджаты снизу к основанию 5.

По наружному контуру отверстия А основание 5 герметично соединено с верхней частью барботажной перегородки 3. Непосредственно само основание 5 герметично соединено с корпусом 1.

Снаружи корпуса 1 выполнены фланцы для стыковки блоков-модулей друг с другом и патрубки для подсоединения к пневматической и гидравлической системам и к средствам контроля за режимом работы ректификационной колонны (на фиг. 1 и 2 не обозначены).

Следует отметить, что блочно-модульная конструкция наиболее целесообразна для колонн с малым диаметром и, соответственно, малой производительностью, например, по спирту до 50 дал/сутки. Такие ректификационные колонны за счет возможности их полной и быстрой разборки облегчают проведение монтажных, пусконаладочных, регламентных и ремонтных работ.

На фиг. 1 приняты следующие обозначения:
h расстояние между соседними уровнями, на которых размещены контактные устройства по высоте колонны (фактически, высота одного блока-модуля);
h₁ глубина слоя жидкости на контактном устройстве;
h₂ глубина барботажного слоя;
l₁ расстояние между краями контактных устройств;
l₂ расстояние между геометрическими осями контактных устройств, размещенных на соседних по высоте уровнях.

Конструкция ректификационной колонны выполнена таким образом, что l₁ ≥ 0, l₂ > h, h₁ ≅ 50 мм, h₂ ≅ 38,5 мм. Все детали и элементы колонны изготавливаются из материалов, химически стойких к рабочему газу (пару) и обеспечивающих механическую прочность и герметичность, например, при работе со спиртом до температуры 150 200^oC и давлении 1,5 3 кгс/см².

Предлагаемая ректификационная колонна работает следующим образом.

Рабочая жидкость поступает в колонну сверху через сливные трубки 11 и заполняет полость Б в коробке 6. При достижении в полости Б заданной глубины h₁ через сливной вырез Д, желоб 7 и аналогичные сливные трубки 11 жидкость переливается на нижележащий уровень, заполняя полость Ж аналогичным образом.

Рабочий пар поступает в полость Б снизу через отверстие Е, вырезы В, Г и на глубине h₂ контактных устройств 2 контактирует в полости Б с жидкостью. При этом пар попадает к барботажным перегородкам 3 и 4 соответственно через вырезы В и Г в стенках 9 и 10 коробки 6, выходя через отверстие А на следующий вышележащий уровень. Проконтактировавшая с паром жидкость из полости Б через сливной вырез Д, переливное устройство 10, по желобу 7 и сливные трубки 11 как изложено выше, стекает в полость Ж на нижележащий уровень, а пар через отверстие А попадает на контактное устройство вышележащего уровня, проходя также упорядоченными потоками с двух сторон желоба 7 и коробки 6, что позволяет поддерживать стабильно высокую скорость прохождения пара по высоте колонны.

При выходе на заданный режим и в случае незапланированных изменений режима работы колонны под действием избыточного давления пара внутренняя барботажная перегородка 4, преодолевая силу тяжести, поднимается вверх, изменяя глубину h₂ барботажного слоя жидкости. Это способствует процессу быстрой стабилизации величины перепада давления пара между уровнями, на которых размещены по высоте контактные устройства, и в конечном итоге, стабилизирует рабочий процесс колонны.

Предложенное расположение контактных устройств и их конструктивное оформление позволяют сохранить на уровне оптимального путь газового потока от одного контактного устройства до другого, необходимый для стабильного и надежного протекания режима работы колонны массообменного аппарата, но при этом высота колонны может быть уменьшена без снижения производительности и качества конечного продукта.

Предложенная конструкция может с успехом использоваться в спиртовом производстве как для ректификационных, так и бражных или эпюрационных колонн, при этом бражная колонна может быть смонтирована из 16 22, эпюрационная из 22 35 и ректификационная из 35 66 блоков-модулей, изображенных на фиг. 1 и 2.

Благодаря использованию данного изобретения высота колонны может быть в пределах 2,5 4,5 м, что обеспечивает возможность ее эксплуатации в типовых одноэтажных зданиях без вложения затрат на капитальное строительство многоэтажных зданий и сооружений. Такие колонные массообменные аппараты при использовании их для производства спирта могут быть максимально приближены к сырьевой базе, за счет чего может быть существенно увеличена экономическая рентабельность миниспиртзаводов.

Использование: в нефтеперерабатывающей, нефтехимической, химической и пищевой промышленности и, в первую очередь, для комплектации миниспиртзаводов. Сущность изобретения: в ректификационной колонне, представляющей собой корпус и размещенные на разных уровнях по высоте тарелки, содержащие контактные устройства, преимущественно, барботажного типа, контактные устройства на каждом из уровней установлены со смещением из геометрических осей относительно осей контактных устройств, установленных на соседних уровнях, на величину, превышающую расстояние между уровнями, при этом габаритные размеры контактных устройств выбраны из условия, что их края не касаются друг друга при проецировании на одну плоскость. В каждом контактном устройстве барботажные перегородки могут быть установлены ниже основания тарелки и выполнены в виде двух размещенных одна в другой фигур с замкнутыми контурами, между которыми в основании тарелки выполнено отверстие, барботажные перегородки снизу заключены в коробку, образующую полость с нижней и боковыми стенками, повторяющими по форме контуры соответственно наружной и внутренней барботажных перегородок, со стороны наиболее удаленной от ближнего нижерасположенного контактного устройства в верхней части боковых стенок коробки выполнено в каждой по одному вырезу, а ниже их с противоположной стороны в наружной стенке коробки выполнен третий вырез, который заключен в желоб и при помощи сливной трубки через отверстие в основании нижерасположенной тарелки соединен пневматически с полостью коробки ближнего контактного устройства. Внутренняя барботажная перегородка каждого контактного устройства может быть выполнена в виде подвижного колпака. Технический результат: уменьшена в 3 - 5 раз высота классической ректификационной колонны вертикального типа, высота предложенной колонны составляет 2,5 - 4,5 м. 2 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Ректификационная колонна, представляющая собой корпус и размещенные на разных уровнях по высоте тарелки, содержащие контактные устройства преимущественно барботажного типа, отличающаяся тем, что контактные устройства на каждом из уровней установлены со смещением их геометрических осей относительно осей контактных устройств, установленных на соседних уровнях, на величину, превышающую расстояние между уровнями, при этом габаритные размеры контактных устройств выбраны из условия, что их края не касаются друг друга при проецировании на одну плоскость. 2. Колонна по п.1, отличающаяся тем, что каждое контактное устройство выполнено с барботажными перегородками, установленными ниже основания тарелки в виде двух размещенных одна в другой фигур с замкнутыми контурами, между которыми в основании тарелки выполнено отверстие, барботажные перегородки снизу заключены в коробку, образующую полость с нижней и боковыми стенками, повторяющими по форме контуры соответственно наружной и внутренней барботажных перегородок, со стороны наиболее удаленной от ближнего нижерасположенного контактного устройства в верхней части боковых стенок коробки выполнено в каждой по одному вырезу, а ниже их с противоположной стороны в наружной стенке коробки выполнен третий вырез, который заключен в желоб и при помощи сливной трубки через отверстие в основании нижерасположенной тарелки соединен пневматически с полостью коробки ближнего контактного устройства. 3. Колонна по пп.1 и 2, отличающаяся тем, что внутренняя барботажная перегородка каждого контактного устройства выполнена в виде подвижного колпака.