КОЛЬЦЕВОЙ ЭЛЕМЕНТ ДЛЯ НАБИВКИ МАССООБМЕННОЙ КОЛОННЫ И МАССООБМЕННАЯ КОЛОННА Российский патент 1997 года по МПК B01J19/32 

Изобретение относится к кольцевому элементу для набивки массообменной колонны. Изобретение относится также к массообменной колонне с такими кольцевыми элементами. Сменный элемент такой колонны, в которой, в частности поступающий в колонну газ (пар) и текущая в противотоке к нему жидкость вводится в контакт, состоит из набивки, которая заполняет поперечное сечение колонны до кольцевого зазора в стенке колонны. Кольцевые элементы, которые опоясывают набивку, служат для отклонения потоков материала. С помощью кольцевых элементов газовый поток устремляется в набивку и тем самым, предотвращается частичное протекание газа в краевой зоне колонны без контакта с жидкостью. Набивка является, в частности такой упорядоченной системой, которая обеспечивает распределение обоих потоков материала по поперечному сечению колонны.

Набивка составляется, например, из слоев волнообразно или зигзагообразно сложенных пластинок. Пластинки состоят из пленочного материала, при этом края складок или гребней имеют наклон к оси колонны, причем угол с осью составляет, например, 45 или 30^o. Слои, образованные пластинками, направлены параллельно оси, при этом сгибы складок расположены попеременно таким образом, что образуются наклонные, открытые и перекрещивающиеся каналы. Набивка делится на отдельные участки, которые отличаются ориентацией слоев. Ориентация между соседними участками меняется на 90^o.

За счет наклонно проходящих каналов набивки часть жидкости течет в краевую зону. Для того, чтобы эта жидкость не вступала в контакт со стенкой колонны, предусмотрен кольцевой зазор, а именно открытый верх кольцевой зазор. Без этого зазора значительная часть жидкости текла бы вперед вдоль стенки колонны. С помощью кольцевого зазора становится возможным возврат подходящей к краю набивки жидкости через другие каналы снова вовнутрь набивки. На практике однако нельзя исключить, что все-таки некоторая часть жидкости подойдет к стенке колонны и тем самым произойдет ухудшение массообмена. Кольцевые элементы имеют дополнительную функцию направления жидкости от стенки колонны обратно к набивке, где жидкость затем направляется через один из каналов снова внутрь набивки.

Известен кольцевой элемент набивки, который называется "воротником".

В известном элементе на нижних частях встроенных элементов (участок набивки) закреплены отводящие элементы, выполненные в виде воротников, которые уплотняют кольцевой элемент между корпусом набивки и стенкой колонны и способствует направлению стекающей по внутренней стенке жидкости внутрь к нижней стороне каждого встроенного элемента. Такие воротники могут размещаться на различной высоте встроенных элементов.

Отдельный участок набивки массообменной колонны может быть состоять из подвешенного встроенного элемента, он может быть, в частности при большом диаметре колонны, составлен из нескольких сегментов. Для упрощения монтажа колонны необходимо, чтобы воротники уже перед монтажом набивки закреплялись на встроенных элементах или сегментах. Так как набивка выполнена из тонкостенного материала, прикрепление воротников осуществляется, например, путем сварки (а также привинчиванием или клепкой), что является экономичным с точки зрения затрат при изготовлении.

Задачей изобретения является создание благоприятного с точки зрения затрат на изготовление решения по монтажу воротников. Эта задача решается кольцевыми элементами, выполняющими функции воротников.

На фиг. 1 представлена часть поперечного сечения колонны с элементом сегмента набивки; на фиг. 2 часть набивки в аксонометрическом изображении; на фиг. 3 часть известного воротника, отделенного от колонны; на фиг. 4 - соответствует фиг. 3 первому варианту выполнения кольцевого элемента согласно изобретению; на фиг. 5 7 другие примеры выполнения; на фиг. 8,а-d-профиль поперечного сечения кольцевого элемента, представленного на фиг. 4 7, на фиг. 8,е-h -профили поперечного сечения других кольцевых элементов согласно изобретению.

На фиг. 1 показана часть кольцевого или кругового зазора 12 между стенкой 10 массообменной колонны 1 и набивкой 2. Слои набивки 2, состоящие из зигзагообразно согнутых пластин 20 и 21, направляет жидкость по стрелке 25 от внутренней зоны набивки к краю, образованному кромками пластин 200 и 210, а также в противоположном направлении по стрелке 26. На фиг. 2 показано расположение элементов на краю набивки. Показанные на чертеже лишь частично пластины 20 и 21, соприкасающиеся лишь в точках C и C¹ покрыты пленкой жидкости. Жидкость, направляемая по пластинам 20 наружу (стрелка 25) образует на кромках 200 усиленный поток жидкости, обозначенный стрелкой 27.

На выступах A, A, A, часть этого потока 27 смешивается на кромках 210 соседних пластин 21 в точках B, B (стрелка 28, 28) и в заключении жидкость снова направляется внутрь набивки (стрелки 26, 26). Если бы между набивкой 2 и стенкой колонны 10 происходит контакт, то жидкость, которая направляется к краю, имела бы тенденцию снова течь ко внутренней стенке 11.

Выше уже указывалось, что для газового потока необходимо создавать в кольцевом зазоре препятствия. Такие препятствия выполняют в форме воротников, которые закрепляют на краю набивки. На фиг. 3 в перспективном изображении и в виде отдельных участков можно видеть известный воротник 13, который будучи отделен от набивки все-таки изображен на месте своего нахождения на стенке 10 колонны. Места соединения 40 обозначены штриховыми кружками. Воротник 13 можно изготовить очень просто из пленочной полосы с помощью боковых надрезов, таким образом между надрезами 301 получаются лапкообразные части 30, с помощью которых путем сгиба по линии 302 создается значительный навес над круговым зазором 12. По ненадрезанной части 30а пленочного полотна в известной колонне воротник 13 сваривается с набивкой (или же свинчивается или приклепывается). Жидкость, попадающая по нависающим элементам 30 в колонну, которые контактируют со стенкой 10 своими внешними кромками 300, снова направляется к набивке.

В отличие от известных воротников 13 кольцевой элемент 3 согласно изобретению представляет собой самостоятельный конструкутивный элемент, не закрепленный по краю набивки, удерживающийся в кольцевом зазоре 12 между стенкой 10 колонны и набивкой 2 силой подпружинивания и силой трения. Четыре примера выполнения кольцевого элемента 3 показаны на фиг. 4 7 (в перспективном изображении) и на фиг. 8а (соответствующие профили поперечного сечения).

В первом примере выполнения на фиг. 4 кольцевой элемент 3 согласно изобретению собран из двух частей, в частности части 13 и части 31. Часть 13 имеет в основном такую же форму, как и известный воротник 13. Часть 31 представляет собой пленочный ленточный элемент, имеющий шишкообразные выступы 32 и отверстия 35. Отверстия 35 служат для жидкости, которая отводится по нависающим элементам 30 от стенки 10 колонны в качестве проходов к набивке. Так как передача усилий осуществляется через элементы 30 между стенкой 10 колонны и кольцевым элементом 3 в верхней зоне кольцевого элемента 3, возникает момент опрокидывания, приводящий к тому, что набивка не контактирует с элементом 31 в своей нижней части, вследствие чего мог бы ухудшиться возврат жидкости к набивке. С помощью шишковидных выступов 32 можно обеспечить, чтобы нижний край 333 кольцевого элемента не входил бы в контакт со стенкой 10, благодаря чему предотвращается переток жидкости от этого края 333 к стенке и вследствие этого жидкость каплями может снова поступать на набивку. В противоположность известным воротникам 13 в предмете заявки нависающие части 30 могут упруго соединяться с остальными частями кольцевого элемента 3, в частности таким образом, что кольцевой элемент будет находиться в краевом зазоре 12 в напряженном состоянии, в котором он фиксируется.

Во втором примере выполнения на фиг. 5 кольцевой элемент 3 согласно изобретению состоит только из одной части. Передача усилия на стенку 10 колонны осуществляется по линии 130 и 133 внутренней стенки, с одной стороны, через кромки 300 нависающих частей 30, а с другой стороны, через сгибы 330 складок. Эти сгибы 330 образованы складками 33 в нижней зоне кольцевого элемента 3, которые имеют в качестве границ сверху линию складки 332 и боковые надрезы 331. Надрезы 331 не доходят до нижнего края 333, там остается маленький не прорезанный участок 334. Является также возможным во всяком случае, с учетом стоимости создания стабильности кольцевого элемента 3 - довести эти надрезы до кромки 333. За счет клинообразных отверстий в надрезах 301 между нависающими частями 30 может проходить жидкость, эта жидкость улавливается складками 330 и направляются через отверстия 36 к набивке. Между нависающими частями 30 и сложенными участками 33 расположена зона, касающаяся набивки, через которую передается по меньшей мере часть усилия между кольцевым элементом 3 и набивкой. Другая часть передаваемого усилия осуществляется через кромку 333.

Монтаж набивки осуществляется участок за участком, при этом на уже смонтированный отрезок набивки по периметру поперечного сечения колонны распределяются сначала кольцевые элементы 3. Затем на кольцо из кольцевого элемента 3 надвигается следующий отрезок набивки (в виде единого целого или в виде сегментов), причем, кольцевые элементы 3 прижимаются к стенке 10 колонны. Во второй форме выполнения кольцевого элемента 3 возможно, чтобы нижняя кромка 333 в месте стыка с участком набивки не полностью внедрялась в краевой зазор 12. Вследствие этого возникает небольшой зазор в месте стыка, который является нежелательным. Появление таких зазоров между участками набивки можно избежать, применив форму выполнения по фиг. 6 и 7.

Форма выполнения по фиг. 6 представляет собой вариант второго примера выполнения, в котором в нижней зоне кольцевого элемента 3 удлинена по меньшей мере одна часть 31а (при этом надрезы 331 доходят вплоть до кромки 333, 310). Таким образом, нижние кромки 310 этой части 31а, которая является частью элемента 31, контактирующей с набивкой, образуют наиболее глубоко расположенные точки кольцевого элемента 3. Так как при монтаже набивки кромка 333 благодаря части 31а располагается на расстоянии от уже смонтированного отрезка набивки, проблема, возникающая во втором примере выполнения, более не существует. Второе решение этой проблемы обеспечивается кольцевым элементом 3 согласно фиг. 7. Здесь необходимое расстояние кромки 333 от нижележащего участка набивки устанавливается с помощью по меньшей мере одной привариваемой полосы 33b (точка сварки 42). Эта полоса 32b также является частью участка 31, контактирующего с набивкой и ее нижний край 310 образует наиболее глубоко расположенные точки кольцевого элемента 3.

На фиг. 8,а показан профиль поперечного сечения кольцевого элемента 3, представленного на фиг. 4. Свободный кольцевой элемент 3 имеет радиальный размер, определяемый участком "a". При зажиме в краевом зазоре 12 этот размер уменьшается до ширины зазора. После зажима возникает контакт со стенкой колонны кроме кромки 300 также и наиболее выступающей точке 320 выступ 32. Обе части 13 и 31 соединены друг с другом в местах сварки 41. Профили поперечного сечения по фиг. 8,а-8 относятся к примерам выполнения по фиг. 5 7 и поэтому не требует дополнительных пояснений.

На фиг. 8, e и 8 показаны другие варианты второго примера выполнения (фиг. 5, фиг. 8,a) создаваемые полосообразным удлинением 31e или 31 на нижней линии кромки 333. В случает фиг. 8,а в направлении вверх удлинении 31 выполнены отверстия 37. В складке 33 не имеется отверстие 36, тем самым, создается только одна возможность и это не должно обозначать, что такие отверстия должны отсутствовать. Удлинения 31c или 31 относятся также к зонам 31, контактирующим с набивкой.

Кольцевой элемент 3 по фиг. 8 представляет собой вариант первого примера выполнения (фиг. 4, фиг. 8,а), с тем лишь основным отличием, что в качестве замены выступов 32 могут применяться лапкообразные удлинения 34 на нижнем краю части 13. В кольцевом элементе 3 по фиг. 8 контакт со стенкой колонны осуществляется только через нависающие части 30. Здесь речь идет опять о структуре, аналогичной первому примеру выполнения, однако, эту конструкцию получают из отрезка полосы путем складывания по линии 350 под отверстиями 35. Кромка 300 расположена в средней части кольцевого элемента таким образом, что практически не возникает момент на опрокидывания и тем самым, отпадает необходимость таких выступов, которые применяются в первом примере выполнения.

Массообменная колонная 1 с кольцевыми элементами 3 согласно изобретению имеет по меньшей мере замкнутое по периметру кольцо из кольцевых элементов на каждом участке набивки, кольцо может состоять лишь из одного кольцевого элемента. Предпочтительным является лишь изготовление кольцевого элемента из того же материала, что и набивка. В качестве материала для набивки или кольцевого элемента предпочтительно применяется металлический сплав. Набивка, представленная на фиг. 1 и 2 приведена лишь в качестве примера выполнения. Так набивка может иметь любую структуру, которая способствует распределению обрабатываемого материала в направлении, поперечном к линии складки. Кольцевые элементы также, как и набивка, предпочтительно можно изготавливать из пленочного материала, толщина которого колеблется в пределах от 0,05 до 1 мм, предпочтительно 0,2 мм.

Использование: в процессах массообмена для систем газ-жидкость. Сущность изобретения: кольцевой элемент (3) для набивки (2) массообменной колонны (1), в которой вводится в контакт подаваемый в колонну поток газа и текущая в противотоке к нему жидкость с применением участвующей в обмене детали (2), служащей для отклонения этих потоков. Кольцевой зазор (12), имеющийся между набивкой и стенкой (12) колонны в значительной мере перекрывается имеющими форму лапок участками (30) кольцевого элемента. Согласно изобретению этот кольцевой элемент является самостоятельным конструктивным элементом, имеющим следующие признаки: плоские вытянутые участки (31) кольцевого элемента находятся в контакте с набивкой (2), нависающие части (30) находятся в упругом соединении с участками (31), контактирующими с набивкой, профиль поперечного сечения кольцевого элемента имеет радиальный размер, обеспечивающий фиксацию кольцевого элемента в кольцевом зазоре (12) за счет подпружинивания и силы трения. Согласно изобретению оснащение колонны такими кольцевыми элементами обеспечивает экономичность ее изготовления. 10 з.п. ф-лы, 8 ил.

1. Кольцевой элемент для набивки массообменной колонны, перекрывающий кольцевой зазор между набивкой и стенкой колонны посредством направленной радиально внутрь поверхности, имеющей кромку, отличающийся тем, что кольцевой элемент выполнен в виде самостоятельного конструктивного элемента, поверхность которого состоит из плоскостно-вытянутого участка, предназначенного для контакта с набивкой, и упруго соединенных с ним нависающих частей, находящихся в контакте со стенкой колонны, при этом профиль поперечного сечения имеет радиальный зазор, обеспечивающий фиксацию кольцевого элемента в кольцевом зазоре под действием силы подпружинивания и силы трения. 2. Элемент по п. 1, отличающийся тем, что он выполнен из пленочного материала, толщина которого лежит в диапазоне 0,05 1 мм, предпочтительно 0,2 мм. 3. Элемент по пп. 1 и 2, отличающийся тем, что кромки нависающих элементов имеют множество точек контакта, через которые осуществляется передача усилий между стенкой колонны и кольцевым элементом. 4. Элемент по п. 3, отличающийся тем, что дополнительное множество точек контакта образовано шишкообразными выступами. 5. Элемент по п. 3, отличающийся тем, что дополнительное множество точек контакта образовано по меньшей мере складкой. 6. Элемент по пп. 1 5, отличающийся тем, что он выполнен с отверстиями для жидкости, возвращаемой к набивке. 7. Элемент по пп. 1 6, отличающийся тем, что нижняя граница плоскостно-вытянутого участка, контактирующего с набивкой, образует наиболее глубоко расположенные точки кольцевого элемента. 8. Массообменная колонна, содержащая кольцевые элементы, выполненные по одному из пп. 1 7, отличающаяся тем, что на каждом участке набивки имеется по меньшей мере одно кольцо кольцевых элементов, замкнутое по окружности. 9. Колонна по п. 8, отличающаяся тем, что кольцо состоит только из одного кольцевого элемента. 10. Колонна по пп. 8 и 9, отличающаяся тем, что кольцевые элементы выполнены в основном из того же материала, что и набивка. 11. Колонна по п. 10, отличающаяся тем, что материалом набивки или кольцевых элементов является металлический сплав.