РЕКТИФИКАЦИОННАЯ УСТАНОВКА Российский патент 1997 года по МПК B01D3/32 

Изобретение относится к кубовым ректификационным установкам периодического действия и может применяться на заводах малой производительности ликеро-водочной и спиртовой промышленности, а также в химической промышленности и других отраслях народного хозяйства, где применяется процесс ректификации.

Известна ректификационная установка, содержащая перегонный куб, ректификационную колонну, дефлегматор и холодильник. Обычно дефлегматор в таких установках выполнен в виде кожухотрубчатого теплообменника, межтрубное пространство которого соединено с верхней частью ректификационной колонны и холодильником. (См. например, Технологическое оборудование предприятий бродильной промышленности /В.И. Попов, И.Т. Кретов, В.Н. Стабников, В.К. Предтеченский. 6-е изд. перераб. и доп. М. Легкая и пищевая пром-ть, 1983 с. 183).

Недостатком такой установки является сложность ее эксплуатации из-за необходимости постоянного поддержания заданной температуры флегмы, подаваемой в ректификационную колонну для укрепления спирта. При недостаточном охлаждении флегмы происходит выброс паров спирта в атмосферу, а при ее переохлаждении часть ректификационной колонны работает в режиме вынужденного подогревателя, что приводит к снижению производительности ректификационной установки.

Известна также ректификационная установка, содержащая перегонный куб, ректификационную колонну, конденсатор и регулятор расхода флегмы. Конденсатор в таких установках выполняет одновременно функции дефлегматора и холодильника и выполнен в виде трубчатого оребренного теплообменника, через центральную оребренную трубу которого пропускается охлаждающая вода, а верхняя часть полости корпуса конденсатора паровым трубопроводом соединена с выходом ректификационной колонны и трубопроводом подачи флегмы через регулятор расхода с верхней частью ректификационной колонны. Трубопровод подачи флегмы соединен также с холодильником. (См. например, Информационный лист государственного научно-производственного предприятия (ГНПП) "Конверсия" Универсальная установка для получения высококачественного спирта из вино-материалов, 1994 г.).

Такая установка не обеспечивает получения спирта-ректификата в одну стадию: при разгонке бражки с содержанием этилового спирта порядка 6-7% объемных в конечный продукт попадают легкая фракция, содержащая этанол, и тяжелые фракции типа сивушных масел из-за совмещения трактов возврата флегмы в ректификационную колонную и отбора готовой продукции (этилового спирта) в сборник готовой продукции. В таких установках возможно получение высококачественной продукции только путем ректификации в несколько стадий: сначала производится получение спирта-сырца, а затем разгонка его до достижения показателей этилового спирта. Из-за сложности отделения легких и хвостовых фракций приходится разгонку на ректификат повторять несколько раз, а это приводит к резкому снижению производительности установки и увеличению энергетических затрат.

Задачей предлагаемого изобретения является повышение производительности, снижение материалоемкости установки и упрощение ее эксплуатации.

Решение поставленной задачи достигается тем, что в ректификационной установке, содержащей последовательно соединенные перегонный куб, ректификационную колонну, дефлегматор и холодильник, в дефлегматоре размещен теплообменник, установленный над выходом парового патрубка, соединенного с ректификационной колонной и снабженного в верхней части пазами, в которых установлены радиальные пластины с наклонной верхней кромкой, охватываемые концентрическим карманом, сообщающимся с дефлегматором, радиальные пластины снабжены наклонными каналами, расширяющими к низу и выполненными с постоянной площадью поперечного сечения, радиальные пластины выполнены из материала с теплопроводностью выше теплопроводности материала парового патрубка и соединены с центральным патрубком, расположенным ниже выхода наклонных каналов, оребрение теплообменника дефлегматора образует два расходящихся противонаправленных лабиринтных канала, оребрение установленного в холодильнике теплообменника, образует два сходящихся противонаправленных лабиринтных канала, оребрение теплообменников выполнено в виде наклонных пластин, в концентрическом кармане установлен патрубок, соединенный с холодильником, верхний срез которого расположен выше верхнего торца радиальных пластин, теплообменники выполнены цилиндрической формы с тангенциальным срезом, соседние секции теплообменника выполнены развернутыми срезами друг относительно друга вокруг своей оси.

Размещение в дефлегматоре теплообменника, установленного над выходом парового патрубка, соединенного с ректификационной колонной и снабженного в верхней части пазами, в которых установлены радиальные пластины с наклонно верхней кромкой, охватываемые концентрическим карманом, сообщающимся с дефлегматором, обеспечивает снижение материалоемкости за счет повышения интенсивности теплообмена между паровой фазой, стенкой теплообменника и флегмой, позволяет ускорить процесс теплообмена в дефлегматоре и снизить его габариты и в то же время исключает подачу переохлажденной флегмы в ректификационную колонну. Подогретая жидкая фаза, находящаяся в кармане, постоянно перемешивается с более холодным конденсатом и, стекая по верхней поверхности радиальных пластин, дополнительно подогревается до температуры пара. Исключаются резкие колебания температуры флегмы, подаваемой в ректификационную колонну, а также ускоряется процесс конденсации в самом дефлегматоре. За счет этого повышается производительность процесса ректификации и упрощается эксплуатация установки.

Снабжение радиальных пластин наклонными каналами, расширяющимися к низу и выполненными с постоянной площадью поперечного сечения за счет изменения их конфигурации обеспечивает постоянное перемешивание флегмы на поверхностях канала в ламинарном режиме, что исключает брызгоунос в полость дефлегматора и равномерный ее прогрев перед подачей в колонну, что также увеличивает производительность процесса ректификации.

Выполнение радиальных пластин из материала с теплопроводностью выше теплопроводности материала парового патрубка и соединение их с центральным патрубком, расположенным ниже выхода наклонных каналов обеспечивает интенсификацию передачи тепла от поднимающейся паровой фазы к стекающей в ректификационную колонну флегме, так как за сет более высокой теплопроводности пластин достигается минимальный перепад температур между флегмой и паром. Соединение пластин с помощью центрального патрубка обеспечивает жесткость конструкции и подачу флегмы с температурой паровой фазы в центр парового потока, при этом брызгоунос флегмы потоком пара уменьшается, что позволяет увеличит скорости процесса и производительность установки.

Выполнение оребрения теплообменника дефлегматора таким образом, что оно формирует два расходящихся противонаправленных лабиринтных каналов, позволяет упорядочить потоки пара в дефлегматоре, при этом пар поочередно омывает пластины, повышая эффективность теплообмена между первой фазой и поверхностью теплообменника, что обеспечивает снижение материалоемкости. Расходящиеся потоки сконденсировавшегося пара стекают по стенкам дефлегматора и периферическим секциям теплообменника в карман парового патрубка. За счет упорядочения потоков исключается образование в дефлегматоре застойных зон и обеспечивается работа всей поверхности теплообменника, что позволяет использовать теплообменники с меньшей поверхностью а также снизить материалоемкость дефлегматора при одновременном повышении качества ректификатора.

Оребрение установленного в холодильнике теплообменника так, что образуются два сходящихся противонаправленных лабиринтных канала, также обеспечивает упорядочение потоков пара и жидкости, при этом пар поочередно омывает секции теплообменника, что способствует минимизации охлаждающих поверхностей холодильника и снижению его материалоемкости. Разделение парового потока упорядочивает потоки пара на поверхности теплообменника, уменьшает образование застойных зон и затраты охлаждающей воды на конденсацию по сравнению с трубчатыми, которые характеризуются чрезмерной избыточностью поверхности теплообмена для предотвращения потерь несконденсировавшихся паров при возможности их из холодильника. Схождение потоков обеспечивает равномерность подачи спирта в приемную емкость.

Выполнение оребрения теплообменника в виде наклонных пластин обеспечивает улучшение условий конденсации пара за счет образования разрывов в стекающей по поверхности теплообменника пленки жидкости, ухудшающей теплоперенос от пара к стенке, при этом пар взаимодействует непосредственно со стенкой, что обеспечивает повышение производительности теплообменника и позволяет существенно снизить его материалоемкость.

Установка в концентрическом кармане патрубка, соединенного с холодильником и расположение верхнего среза патрубка выше верхнего торца пластин обеспечивает работу холодильника в режиме теплового насоса, при этом в холодильник поступает наиболее укрепленная часть спиртовой составляющей из паровой фазы, омывшей охлаждающие поверхности дефлегматора, т.е. свободной от капель флегмы, что обеспечивает получение спирта-ректификатора с максимально достижимой для этого процесса содержанием спирта.

Выполнение теплообменников в форме цилиндра с тангенциальными срезами и разворот соседних секций теплообменника вокруг своей оси друг относительно друга обеспечивает организацию паровых потоков в холодильнике и дефлегматоре так, что эти потоки поочередно омывают поверхности теплообменников, изменяя направление движения на участках тангенциальных срезов на противоположное, обеспечивая при этом повышение эффективности работы сотовых теплообменников без существенного увеличения сложности их изготовления.

Сущность предлагаемого устройства поясняется чертежами, на которых изображены: на фиг. 1 ректификационная установка (общий вид); на фиг. 2 - вертикальный разрез дефлагматора и верхней части парового патрубка, на фиг. 3 сечение парового патрубка по А-А, на фиг. 4 показано сечение по Б-Б парового патрубка в вертикальной плоскости, на фиг. 5 показана схема потоков в дефлегматоре, на фиг. 6 схема потоков в холодильнике, на фиг. 7 показан вид на теплообменник сбоку (вид по стрелке Г).

Ректификационная установка содержит перегонный куб 1, соединенный с нагревателем 2 и ректификационной колонной 3, собранной из отдельных секций-царг. Верхняя часть колонны 3 соединена с дефлегматором 4 посредством встроенного в него парового патрубка 5. Дефлегматор 4 снабжен патрубками 6 для подвода и отвода охлаждающей среды (воды), линией эвакуации воздуха и легкой фракции 7 и патрубком 8 соединен с холодильником 9. Последний снабжен патрубками 10 подвода и отвода охлаждающей воды и расположенным в нижней части патрубком 11 посредством гидрозатвора 12 в виде двух колен на трубопроводе с приемной емкостью 13. Дефлегматор 4 содержит корпус, внутри которого установлены сотовые теплообменники 14, соединенные с патрубками 6 подвода и отвода охлаждающей воды. Для увеличения внешней поверхности теплообменники 14 снабжены внешним оребрением, причем ребра 15 выполнены наклонными и после сборки ребра соседних секций образуют лабиринтные каналы как показано на фиг. 5. Аналогично выполнены теплообменники 14 в холодильнике 9, соединенные с патрубками 10. Теплообменники 14 цилиндрической формы со срезанными сегментными участками, расположенными на противоположных сторонах соседних секций как показано на фиг. 7. В верхней части парового патрубка 5 выполнены вертикальные пазы, в которых установлены радиальные пластины 16 из материала с высокой теплопроводностью, например, из меди или алюминия, соединенные между собой сваркой через центральный патрубок 17, имеющий скошенный внутрь верхний торец. Каналы 18 в пластинах 16 выполнены расширяющимися к низу. Охватывающая паровой патрубок 5 часть корпуса образует цилиндрический карман 19 с патрубком 8, верхний торец которого расположен выше верхнего торца пластин 16. Перегонный куб 1 снабжен люком 20 и краном 21 для слива барды.

Предлагаемое устройство работает следующим образом.

Спиртосодержащая бражка через люк 20 при закрытом кране 21 заливается в перегонный куб 1 и включается нагреватель 2. При нагреве перегонного куба 1 до рабочей температуры 78 81^oC пары поднимаются в рабочем канале ректификационной колонны 3, из которой по паровому патрубку 5 поступают в полость дефлегматора 4, в котором, проходя по расходящимся лабиринтным каналам, образованным ребрами 15, конденсируются на внешних поверхностях сотового теплообменника 14, степень охлаждения которого регулируется изменение подачи охлаждающей воды через патрубки 6, при этом в начале процесса с помощью устройства 7 из перегонного куба 1 и колонны 3 сбрасываются воздух и легкая фракция. Сконденсированные пары стекают в карман 19, в котором за счет взаимодействия с пластинами 16, после заполнения по каналам 18 и внутренней поверхности трубки 17 вновь поступают в виде флегмы в ректификационную колонну 3. При движении вниз навстречу потоку пара флегма отдает пару спирт и отбирает у него воду и из колонны возвращается обратно в перегонный куб 1. Часть спиртовой составляющей паровой фазы через патрубок 8 поступает в холодильник 9, взаимодействует с секциями 14, охлаждаемыми подаваемой через патрубки 10 водой, проходит через лабиринтные каналы, образованные ребрами 15, конденсируется и через патрубок 11 и гидрозатвор 12 поступает в приемник готовой продукции 13. После окончания отгонки спирта отработанная бражка в виде барды сливается через кран 21. После заполнения перегонного куба 10 работа ректификационной установки повторяется.

Технико-экономический эффект обусловлен повышением производительности за счет исключения необходимости работы части ректификационной колонны в режиме подогревателя и упрощение эксплуатации установки счет применения теплопередающих пластин в паровом патрубке.

Использование: в кубовых ректификационных установках периодического действия на заводах малой производительности ликеро-водочной и спиртовой промышленности, а также в химической промышленности и других отраслях народного хозяйства, где применяется процесс ректификации. Сущность изобретения: ректификационная установка содержит перегонный куб, соединенный с нагревателем и ректификационной колонной, собранной из отдельных секций-царг. Верхняя часть колонны соединена с дефлегматором посредством встроенного в него парового патрубка. Дефлегматор снабжен патрубками для подвода и отвода охлаждающей среды (воды), линией эвакуации воздуха и легкой фракции и соединен с холодильником. Дефлегматор имеет корпус, внутри которого установлены сотовые теплообменники, соединенные с патрубками подвода и отвода охлаждающей воды. Для увеличения внешней поверхности теплообменники снабжены внешним оребрением, причем ребра выполнены наклонными и после сборки ребра соседних секций образуют лабиринтные каналы. В верхней части парового патрубка выполнены вертикальные пазы, в которых установлены радиальные пластины из материала с высокой теплопроводностью. 7 з.п. ф-лы, 7 ил.

1. Ректификационная установка, содержащая последовательно соединенные перегонный куб, ректификационную колонну, дефлегматор и холодильник, отличающаяся тем, что дефлегматор снабжен теплообменником, установленным над выходом парового патрубка, соединенного с ректификационной колонной и снабженного в верхней части пазами, в которых установлены радиальные пластины с наклонной верхней кромкой, охватываемые концентрическим карманом, сообщающимся с дефлегматором. 2. Установка по п.1, отличающаяся тем, что радиальные пластины снабжены наклонными каналами, расширяющимися книзу и выполненными с постоянной площадью поперечного сечения. 3. Установка по пп.1 и 2, отличающаяся тем, что радиальные пластины выполнены из материала с теплопроводностью выше теплопроводности материала корпуса дефлегматора и соединены с центральным патрубком, расположенным ниже выхода наклонных каналов. 4. Установка по п.1, отличающаяся тем, что оребрение теплообменника дефлегматора образует два расходящихся противонаправленных лабиринтных канала. 5. Установка по п.1, отличающаяся тем, что оребрение теплообменника холодильника образует два сходящихся противонаправленных лабиринтных канала. 6. Установка по пп.1, 4 и 5, отличающаяся тем, что оребрение теплообменников выполнено в виде наклонных пластин. 7. Установка по п. 1, отличающаяся тем, что в концентрическом кармане установлен соединенный с холодильником патрубок, верхний срез которого расположен выше верхнего торца радиальных пластин. 8. Установка по п.1, отличающаяся тем, что теплообменники выполнены цилиндрической формы с тангенциальным срезом и соседние секции теплообменника развернуты срезами одна относительно другой вокруг своей оси.