РЕКТИФИКАЦИОННАЯ КОЛОННА Российский патент 1997 года по МПК B01D3/32 

Изобретение относится к тепломассообменным аппаратам, в которых пар барботируют через слой жидкости, например к кубовым ректификационным установкам периодического действия и может применяться на заводах малой производительности ликеро-водочной и спиртовой промышленности, а также в химической промышленности и в других отраслях народного хозяйства, где применяется процесс ректификации.

Известны ректификационные колонны, содержащие многоколпачковые контактные тарелки со сливными перегородками и переливными каналами в виде вертикальных патрубков. Такие тарелки могут использоваться для перегонки жидкостей, не содержащих взвешенных частиц [1]
Недостатком такого устройства является сложность разборки для очистки рабочих поверхностей колонны от отложений, а также большие габариты, обусловленные необходимостью разнесения контактных тарелок по высоте для уменьшения брызгоуноса, снижающего эффективность работы колонны.

Известна также пленочная ректификационная колонка, содержащая вертикальный корпус с цилиндрическим рабочим каналом, проволочную спираль, установленную соосно в рабочем канале с зазором, и средство для сообщения спирали вращательного движения, причем спираль выполнена из проволоки так, что витки спирали имеют форму треугольников. В таком устройстве жидкость образует пленку, стекающую вниз по стенкам колонки и по спирали. При этом обеспечивается контактирование жидкости с газом или паром [2]
Такое устройство характеризуется низкой производительностью, так как массообмен происходит в пленочном режиме на трубчатой поверхности корпуса колонки и увеличение диаметра спирали возможно только при увеличении ее сечения, что резко снижает производительность. Увеличение количества трубок также нецелесообразно, так как привод для вращения большого количества спиралей резко усложняет конструкцию колонны.

Задачей предлагаемого изобретения является повышение производительности.

Решение поставленной задачи достигается тем, что в ректификационной колонне, содержащей вертикальный корпус, собранный из отдельных секций царг, в котором размещена насадка в виде проволочных спиралей, установленных параллельно оси рабочего канала, витки спирали имеют форму треугольников, развернутых под углом друг к другу, торцы спиралей взаимодействуют с распределительным устройством, имеющим форму перфорированного усеченного конуса, снабженного концентрическими зигами, обращенного вершиной к насадке и соединенного посредством стяжного болта с решеткой, установленной на противоположном торце насадки, распределительное устройство выполнено в виде двух соединенных основаниями усеченных конусов, в распределительном устройстве над усеченными конусами установлены развернутые относительно друг друга перфорированные пластины, снабженные тангенциальными каналами, колонна выполнена из отдельных царг, содержащих установленную над насадкой из спиралей контактную колпачковую тарелку с переливным патрубком прямоугольной формы, торец стороны которого, обращенной к корпусу, выполнен с дугообразной выемкой, тарелки содержат борты, верхняя часть которых изготовлена под углом к корпусу, а нижняя снабжена фаской, и между торцами тарелок установлено кольцевое уплотнение, в верхней части установлены царги с контактными колпачковыми тарелками, не содержащие насадку из спиралей, кольцевое уплотнение выполнено из пористого материала, кольцевое уплотнение выполнено в виде замкнутой открытопористой трубки, верхние царги колонны содержат колпачковые контактные тарелки, причем каждая верхняя тарелка снабжена пробоотборником в виде патрубка, установленного в промежуточном фланце между царгами, верхняя царга закреплена на внешней опоре посредством упругого элемента, нижняя царга установлена с возможностью перемещения в горизонтальной плоскости.

Выполнение торцов спиралей взаимодействующими с распределительным устройством, имеющим форму перфорированного усеченного конуса, снабженного концентрическими зигами, обращенного вершиной к насадке и соединенного посредством стяжного болта с решеткой, установленной на противоположном торце насадки, обеспечивает прижим пружин друг к другу и к корпусу, регулирование шага пружин за счет их осевого сжатия, что позволяет изменять гидродинамические характеристики насадки, ее эффективность, тем самым повышая производительность колонны.

Выполнение распределительного устройства в виде двух соединенных основаниями усеченных конусов обеспечивает поджатие спиралей насадки для создания участков с капиллярным движением жидкости на участках смыкания витков. Движение пара происходит в центре каждой спирали, при этом уменьшается брызгоунос и улучшается контакт жидкости и пара. Одновременно исключается прорыв паровой фазы вдоль поверхности стенки колонны за счет создания нижним конусом распирающего усилия, прижимающего спирали к стенке царги, и обеспечивается равномерность подачи жидкости на насадку и повышение производительности колонны.

Установка в распределительном устройстве над усеченными конусами развернутых относительно друг друга перфорированных пластин, снабженных тангенциальными каналами, обеспечивает дополнительную равномерность подачи жидкости на насадку, тем самым исключая прорыв паровой и жидкой фаз через насадку без взаимного контакта, тем самым повышая производительность колонны.

Выполнение царг, содержащих установленную над насадкой из спиралей контактную колпачковую тарелку с переливным патрубком прямоугольной формы, торец стороны которого, обращенной к корпусу, выполнен с дугообразной выемкой, обеспечивает прием жидкой фазы из царги, расположенной выше, и работу колонны при различных расходах флегмы: при малых значениях флегмового числа, при которых жидкость может переливаться через участок с выемкой, и при увеличенных расходах, при которых жидкость переливается по всему периметру верхнего торца переливного патрубка. При этом сглаживаются пульсации величины расхода и не происходит турбулизация потока, "запирающего" патрубок за счет увеличения его гидродинамического сопротивления.

Выполнение борта контактной тарелки с отбортовкой внутрь его верхней части под углом к корпусу, снабжение нижней ее части фаской и установка между торцами тарелок кольцевого уплотнения обеспечивает герметизацию тарелок в корпусе колонны, исключая переток жидкой и прорыв газообразной вдоль стенки корпуса, а также упрощает сборку царги ректификационной колонны.

Установка в верхней части колонны царг с контактными колпачковыми тарелками, не содержащими насадку из спиралей, упрощает отбор жидкой фазы с заданным фракционным составом за счет снижения эффективности массообмена по сравнению со спиральной насадкой.

Выполнение кольцевого уплотнения из пористого материала обеспечивает снижение монтажных нагрузок при сборке за счет снижения усилий на деформацию кольца, что облегчает конструкцию узла герметизации, одновременно уменьшается влияние температуры на геометрические размеры кольца, так как пористый материал в меньшей степени изменяет свои размеры при изменении температуры.

Выполнение кольцевого уплотнения в виде замкнутой открытопористой трубки также обеспечивает герметизацию, но при этом снижается расход материала на изготовление уплотнения.

Выполнение верхних царг колонны с колпачковыми контактными тарелками, причем каждая верхняя тарелка снабжена пробоотборником в виде патрубка, установленного в промежуточном фланце между царгами, обеспечивает отбор жидкой фазы заданного фракционного состава, не вызывая усложнения конструкции.

Закрепление верхней царги на внешней опоре посредством упругого элемента обеспечивает отсоединение нижних царг без разборки всей колонны и применимо для колонн с малым диаметром при необходимости промывки нижней царги от сивушных масел при их попадании в колонну.

Установка нижней царги с возможностью перемещения в горизонтальной плоскости обеспечивает удобство работы при необходимости промывки нижней царги.

Сущность предлагаемого устройства поясняется чертежами, на которых изображены: на фиг. 1 изображена ректификационная колонна (общий вид); на фиг. 2 продольное сечение царги с колпачковыми тарелками, на фиг. 3 колпачковая тарелка, вид сверху (вид по стрелке Г), на фиг. 4 показано продольное сечение царги со спиральной насадкой, на фиг. 5 поперечное сечение спирали, на фиг. 6 показана распределительная пластина, на фиг. 7 то же, сечение по Б-Б, на фиг. 8 показана конструкция переливного патрубка, на фиг. 9 показан промежуточный фланец и на фиг. 10 вид сбоку колпачка колпачковой тарелки.

Ректификационная колонна содержит вертикальный цилиндрический корпус 1, собранный из отдельных секций-царг. В царгах 2, расположенных в нижней части корпуса 1, размещена насадка в виде проволочных спиралей 3, установленных параллельно оси корпуса 1, витки спирали имеют форму треугольников, развернутых под углом друг к другу, торцы спиралей 3 взаимодействуют с распределительным устройством 4, имеющим форму перфорированного усеченного конуса 5, снабженного концентрическими зигами, обращенного вершиной к насадке 3 и соединенного посредством стяжного болта 6 с решеткой 7, установленной на противоположном торце насадки 3. Распределительное устройство 4 снабжено также вторым усеченным конусом 8, выполненным из перфорированного листа и соединенного с конусом 5 своим основанием, и установленными над ними развернутыми относительно друг друга перфорированными пластинами 9, снабженными тангенциальными каналами. В верхней части царги 2 установлена колпачковая тарелка 10 с переливным патрубком 11 прямоугольной формы, торец стороны которого, обращенной к корпусу, выполнен с дугообразной выемкой. Тарелки 10 содержат борты, верхняя часть которых выполнена под углом к корпусу 1, а нижняя снабжена фаской, и между торцами тарелок установлено кольцевое уплотнение 12, выполненное в виде замкнутой открытопористой трубки. В верхней части корпуса 1 установлены царги 13 с контактными тарелками 10 без насадки 3. Каждая верхняя тарелка 10 снабжена пробоотборником в виде патрубка 14, установленного в промежуточном фланце 15 между царгами 13. Верхняя царга 13 соединена с дефлегматором 16, закрепленным на внешней опоре посредством упругого элемента 17. Нижняя царга 2 снабжена цапфами 18, установленными на направляющих, на чертеже условно не показанных, для перемещения царги в горизонтальной плоскости. Нижняя царга 2 подсоединена к кубу 19.

Предлагаемое устройство работает следующим образом.

Пары исходной смеси, например этилового спирта, при нагреве куба 19 поднимаются в рабочем канале корпуса 1 ректификационной колонны, контактируя с жидкостью, стекающей из дефлегматора 14 через царги 13 и 2. В царгах 13 пар за счет барботажа в щелевых колпачковых тарелках перемешивается со стекающей флегмой, при этом из пара удаляется жидкость (вода), а из флегмы в пар переходят пары спирта. Пар через паровые патрубки тарелок 10 продолжает восходящее движение к следующей вышерасположенной тарелке, а жидкость через переливной патрубок 11 сливом перетекает на ниженаходящуюся тарелку 10. Описанный процесс повторяется по всей верхней части колонны от тарелки к тарелке. При этом перетеканию жидкости по внутренней поверхности стенки колонны препятствуют уплотнения 12. Из нижней царги 13 флегма поступает на верхнюю тарелку 10 царги 2, из которой через переливной патрубок 11 флегма поступает на верхнюю перфорированную пластину 9, снабженную тангенциальными канавками, а затем через перфорацию на дне канавок на нижерасположенные пластины 9. Так как пластины 9 развернуты в горизонтальной плоскости друг относительно друга, обеспечивается достаточно равномерное распределение флегмы по всему живому сечению колонны. Из нижней пластины 9 флегма поступает на перфорированные конусы 5 и 8, снабженные концентрическими зигами предотвращения стекания флегмы к центру колонны и через перфорацию поступает на насадку 4, имеющую вид пучка спиралей 3, которые сжаты в осевом направлении конусом 5 за счет взаимодействия болта 6 с решеткой 7 так, что витки соседних спиралей 3 входят друг в друга и образуют вертикальные участки, обеспечивающие стекание флегмы вниз в пленочном режиме, а в центральной части спиралей 3 образуются вертикальные каналы для прохода пара вверх. При этом флегма взаимодействует с паром, отбирая у него воду и улавливая взвеси, захваченные паром из разделяемой жидкости, нагреваемой в кубе 19. Контроль за содержанием улавливаемых веществ осуществляется через патрубки 14, установленные в промежуточных фланцах 15. Для очистки от отложений нижние царги 2 отсоединяются от куба 19 и царг 13 и отводятся по направляющим, взаимодействующим с цапфами 18 для промывки или разборки с последующей механической очисткой распределительного устройства 4 и насадки в виде спиралей 3. После этого винтом 6 спирали 3 поджимаются конусом 5 так, чтобы обеспечивался контакт спиралей друг с другом и не было протечек жидкости вдоль стенки корпуса 1.

Технико-экономический эффект обусловлен снижением металлоемкости и трудоемкости изготовления за счет применения спиральной насадки, взаимодействующей с поджимным устройством.

Использование: в тепломассообменных аппаратах, в которых пар барботирует через слой жидкости, например в кубовых ректификационных установках периодического действия, используемых на заводах малой производительности ликеро-водочной и спиртовой промышленности, а также в химической промышленности и в других отраслях народного хозяйства, где применяется процесс ректификации. Сущность изобретения: ректификационная колонна содержит вертикальный цилиндрический корпус, собранный из отдельных секций-царг. В царгах, расположенных в нижней части корпуса, размещена насадка в виде проволочных спиралей. Торцы спиралей взаимодействуют с распределительным устройством, имеющим форму перфорированного усеченного конуса, снабженного концентрическими зигами, обращенного вершиной к насадке, и соединенного посредством стяжного болта с решеткой, установленной на противоположном торце насадки. Распределительное устройство выполнено в виде двух соединенных основаниями усеченных конусов. 10 з.п. ф-лы, 10 ил.

1 1. Ректификационная колонна, содержащая вертикальный корпус, собранный из отдельных секций-царг, в котором размещена насадка в виде проволочных спиралей, установленных параллельно оси рабочего канала, витки спирали имеют форму треугольника, развернутых под углом друг к другу, отличающаяся тем, что торцы спиралей взаимодействуют с распределительным устройством, имеющим форму перфорированного усеченного конуса, снабженного концентрическими зигами, обращенного вершиной к насадке и соединенного посредством стяжного болта с решеткой, установленной на противоположном торце насадки.2 2. Колонна по п. 1, отличающаяся тем, что распределительное устройство выполнено в виде двух, соединенных основаниями, усеченных конусов.2 3. Колонна по пп.1 и 2, отличающаяся тем, что в распределительном устройстве над усеченными конусами установлены развернутые относительно друг друга перфорированные пластины, снабженные тангенциальными каналами.2 4. Колонна по п.1, отличающаяся тем, что царги содержат установленную над насадкой из спиралей контактную колпачковую тарелку с переливным патрубком прямоугольной формы, торец стороны которого, обращенный к корпусу, выполнен с дугообразной выемкой.2 5. Колонна по пп. 1 и 4, отличающаяся тем, что тарелки содержат борты, верхняя часть которых выполнена под углом к корпусу, а нижняя снабжена фаской и между торцами тарелок установлено кольцевое уплотнение.2 6. Колонна по пп.1 и 4, отличающаяся тем, что в верхней части установлены царги с контактными колпачковыми тарелками, не содержащие насадку из спиралей.2 7. Колонна по пп.1 и 5, отличающаяся тем, что кольцевое уплотнение выполнено из пористого материала.2 8. Колонна по пп.1 и 5, отличающаяся тем, что кольцевое уплотнение выполнено в виде замкнутой открытопористой трубки.2 9. Колонна по пп.1 и 4, отличающаяся тем, что верхние царги колонны содержат контактные колпачковые тарелки, причем каждая верхняя тарелка снабжена пробоотборником в виде патрубка, установленного в промежуточном фланце между царгами.2 10. Колонна по пп. 1 и 5, отличающаяся тем, что верхняя царга закреплена на внешней опоре посредством упругого элемента.2 11. Колонна по пп.1 и 4, отличающаяся тем, что нижняя царга установлена с возможностью перемещения в горизонтальной плоскости.