ВАКУУМНАЯ НАСАДОЧНАЯ СЕКЦИОНИРОВАННАЯ КОЛОННА Российский патент 1998 года по МПК B01D3/22 B01D3/24 B01D3/32 

Изобретение относится к конструкциям массообменных колонн насадочного типа для систем газ (пар) - жидкость, предназначенных для процессов абсорбции, ректификации и особенно вакуумной ректификации в условиях малых объемных нагрузок по жидкости и очень больших объемных нагрузок по газу (пару) и может найти применение в химической, нефтехимической, газовой и других отраслях промышленности.

Известна насадочная секционированная колонна, включающая вертикальный цилиндрический корпус, поддерживающую распределительную решетку, слой насадки на решетке, направляющий усеченный конус в периферийной части колонны, установленный меньшим основанием вниз, с арочными прорезями, вырубленными на поверхности конуса выпуклостью вверх, равномерно расположенными по концентрическим окружностям по отношению к оси конуса, сечение меньшего основания конуса равно не меньше 0,1 поперечного сечения колонны, перфорации поддерживающей распределительной решетки выполнены в виде арочных прорезей с направлением осей арочных прорезей от тангенциального, промежуточным между тангенциальным и радиальным, до радиального от центра к периферии, соответственно, с увеличением диаметра колонны, оси арочных прорезей на поверхности конуса направлены под острым углом к образующим конуса от поверхности к центру, сечение арочных прорезей конусов больше сечений арочных прорезей распределительных решеток (а.с. N 1755858, кл. B 01 D 3/22, 3/32).

Известная колонна обеспечивает увеличение производительности за счет наличия сепарационного пространства между решетками со слоями насадки на них и повышение эффективности массообмена по сравнению с обычной известной насадочной колонной.

Недостатком известной колонны является недостаточная поверхность массообмена между жидкостью и газом (паром) при движении жидкости от периферии к центру, провал жидкости в перфорированной части и байпассирование и каналообразование в потоках жидкости, в результате снижается эффективность массообмена между газом (паром) и жидкостью, так как при перемешивании жидкости общая эффективность массообмена ступени приближается к локальной эффективности массообмена, которая, как известно, всегда меньше 1.

Для повышения эффективности массообмена в насадочной секционированной колонне, включающей вертикальный цилиндрический корпус, внутри которого по высоте поочередно установлены центробежные секционирующие перфорированные решетки, выполненные в виде конусов, ориентированных вершинами вверх с диаметром, равным внутреннему диаметру корпуса колонны, и центростремительные секционирующие перфорированные решетки, выполненные в виде конусов, ориентированных основаниями вверх, плотно примыкающими к внутренним стенкам корпуса колонны с углом наклона образующих больше в два раза, чем для центробежных решеток, перфорации решеток выполнены в виде арочных прорезей выпуклостью вверх, равномерно расположенных по концентрическим окружностям, оси арочных прорезей на центростремительных решетках направлены под острым углом к образующим от периферии к центру в одну и ту же сторону, на каждой решетке неупорядочно уложена слоем насадка, оси арочных прорезей центробежных решеток направлены под острым углом к образующим от центра к периферии в одну и ту же сторону, высота слоя насадки на каждой решетке составляет 2,5 линейных размера элемента насадки.

Предлагаемая конструкция вакуумной насадочной секционированной колонны за счет своих отличительных признаков обеспечивает решение поставленной технической задачи - повышение эффективности в слоях насадки на центробежных решетках.

На фиг. 1 представлен схематически продольный разрез секционированной насадочной колонны.

На фиг. 2 - поперечный разрез в плоскости А-А на фиг. 1
На фиг. 3 - то же в плоскости Б-Б на фиг. 1.

На фиг. 4 - разрез по В-В на фиг. 2.

На фиг. 5 - разрез по Г-Г на фиг. 2.

На фиг. 6 - распорное кольцо, вид сверху.

На фиг. 7 - вид по Д-Д на фиг. 6.

На фиг. 8 - вид по Е-Е на фиг. 6.

Секционированная насадочная колонна (фиг.1 - 8) содержит вертикальный цилиндрический корпус 1, поярусно расположенные по высоте внутри корпуса поочередно центробежные секционирующие перфорированные решетки 2, выполненные в виде конусов, ориентированных вершинами вверх с диаметром оснований, равным внутреннему диаметру корпуса, с острым углом образующих к горизонтали, и центростремительные секционирующие перфорированные решетки 3, выполненные в виде конусов, ориентированных основаниями вверх, плотно прилегающими к стенкам корпуса 1 колонны, с углом наклона образующих к горизонтали в два раза больше, чем для центробежных решеток 2, перфорации центробежных решеток 2 выполнены в виде арочных прорезей 4 выпуклостью вверх, расположенных равномерно по концентрическим окружностям, с осями, направленными под острым углом к образующим от центра к периферии в одну и ту же сторону, перфорации центростремительных решеток 3 выполнены в виде арочных прорезей 5 выпуклостью вверх, расположенных равномерно по концентрическим окружностям, с осями, направленными под острым углом к образующим от периферии к центру в одну и ту же сторону. Для плотного прилегания центростремительных решеток 3 к стенкам корпуса 1 их наружные кромки выполнены с отбортовкой вверх для плотного прижимания отбортовок к внутренним стенкам корпуса 1 распорными кольцами 6, к концам которых прикреплены упорные пластины 7 и 8, к одной 7 из которых прикреплен упорный винт 9, проходящий свободно в отверстие другой пластины 8, по обе стороны которой на упорный винт 9 навинчены гайки 10 и 11 так, что гайка 10 между упорными пластинами 7 и 8 навинчена до упора в пластину 8 и распорное кольцо 6 плотно прижимается к внутренним стенкам корпуса 1 вместе с отбортовкой центростремительной решетки 3. Ось упорного винта 9 смещена внутрь окружности распорного кольца 6 и вверх относительно горизонтальной плоскости для возможности обслуживания гаек 10 и 11 сверху при установке распорного кольца 6 внутри центростремительной решетки 3. На центробежные 2 и центростремительные 3 решетки беспорядочно засыпан слой насадки 12 оптимальной высотой, составляющей 2,5 линейных размера элемента насадки.

Жидкость подается в колонну над центром слоя насадки 12 центробежной решетки 2 по центральной трубе 13, а газ (пар) - снизу.

Вакуумная насадочная секционированная колонна работает следующим образом.

Газ (пар) поступает в корпус 1 колонны снизу и движется вверх, проходит через арочные прорези 5 центростремительной секционирующей решетки 3 и слой насадки 12 на ней, где контактирует с жидкостью, поднимается вверх над слоем насадки 12, проходит через арочные прорези 4 центробежной секционирующей решетки 2 и слой насадки 12 на ней, где контактирует с жидкостью и поднимается вверх над слоем насадки 12 под вышерасположенную центростремительную решетку 3 и т.д.

Жидкость поступает сверху по трубе 13 в центр над слоем насадки 12 на верхней центробежной секционирующей решетке 2 и движется от центра к периферии под действием количества движения потока газа (пара), выходящего через арочные прорези 4 под острым углом к образующим от центра к периферии и под действием наклона образующих конической центробежной решетки к горизонтали, при этом жидкость частично совершает кольцевое движение в поперечном направлении по отношению к радиальному направлению движения от центра к периферии. В периферийной части жидкость стекает вниз через арочные прорези 4 центробежных решеток 2 вниз на слой насадки 12 на центростремительных решетках 3. Структура потока жидкости в слое насадки на центробежной решетке близка к модели идеального вытеснения в радиальном направлении от центра к периферии при полном перемешивании жидкости по высоте слоя насадки.

Аналогично в слое насадки 12 на центростремительной решетке 3 жидкость движется от периферии к центру, где стекает через арочные прорези 5 вниз на слой насадки 12 центробежной решетки 2. Структура потока жидкости близка к модели идеального вытеснения в радиальном направлении от периферии к центру при полном перемешивании жидкости по высоте слоя насадки. Ввиду малых объемов жидкости, стекающей по колонне в условиях вакуумной ректификации жидкость стекает через арочные прорези 4 и 5 на центробежных 2 и центростремительных 3 решетках.

Для обеспечения одинаковой средней высоты слоя жидкости на центробежных и центростремительных решетках и одинакового гидравлического сопротивления слоя жидкости, а также одинаковой эффективности массообмена секций угол наклона образующих конических центростремительных решеток принят в два раза больше, чем центробежных решеток, так как количество жидкости на центробежной решетке будет в два раза меньше, чем на центростремительной решетке, судя по объему прямого конуса при его высоте h_к, равному

а объем воронки при ее высоте h_в равен

где
r_к = r_в h_к = h_в r_к, r_в - радиусы оснований конуса и воронки.

Использование распорных колец 6 обеспечивает плотность сопряжения центростремительных решеток 3 со стенками корпуса 1, при этом не требуются специальные опорные элементы, привариваемые к стенкам корпуса 1, что намного снижает стоимость затрат на изготовление опорных средств и стенки корпуса 1 остаются гладкими и невредимыми.

Технические преимущества изобретения заключаются в повышении эффективности массообмена между газом (паром) и жидкостью вследствие изменения структуры потока жидкости в слое насадки на центробежных секционирующих решетках в сторону уменьшения продольного перемешивания за счет увеличения радиальной составляющей скорости жидкости в слое насадки.

Общественно полезные преимущества изобретения заключаются в повышении эффективности массообмена секций с центробежными решетками и колонны в целом, повышении чистоты и качества продуктов разделения, или в уменьшении необходимого флегмового числа для разделения смесей ректификацией, что выразится в уменьшении расхода тепла на ректификацию.

Может быть использовано в процессах взаимодействия системы газ (пар) - жидкость. Сущность изобретения: вакуумная насадочная секционированная колонна включает вертикальный цилиндрический корпус, внутри которого по высоте поочередно установлены центробежные секционирующие перфорированные решетки, выполненные в виде конусов, ориентированных вершинами вверх с диаметром, равным внутреннему диаметру корпуса колонны, и центростремительные секционирующие перфорированные решетки, выполненные в виде конусов, ориентированных основаниями вверх, плотно примыкающие к внутренним стенкам корпуса колонны, с углом наклона образующих больше в два раза, чем для центробежных решеток, перфорация решеток выполнена в виде арочных прорезей выпуклостями вверх, равномерно расположенных по концентрическим окружностям, оси арочных прорезей на центростремительных решетках направлены под острым углом к образующим от периферии к центру в одну и туже сторону, на каждой решетке неупорядочно уложена слоем насадка, оси арочных прорезей центробежных решеток направлены под острым углом к образующим от центра к периферии в одну и ту же сторону, высота слоя насадки на каждой решетке составляет 2,5 линейных размера элемента насадки. Изобретение позволяет повысить эффективность массообмена между газом (паром) и жидкостью за счет увеличения межфазной поверхности массообмена в свободном объеме насадки и обеспечения структуры потока жидкости, близкой к модели идеального вытеснения в горизонтальной плоскости в радиальном направлении при полном перемешивании жидкости по высоте слоя насадки в секции. 8 ил.

\ \\1 Вакуумная насадочная секционированная колонна, включающая вертикальный цилиндрический корпус, внутри которого по высоте поочередно установлены центробежные секционирующие перфорированные решетки, выполненные в виде конусов, ориентированных вершинами вверх с диаметром, равным внутреннему диаметру корпуса колонны, и центростремительные секционирующие перфорированные решетки, выполненные в виде конусов, ориентированных основаниями вверх, плотно примыкающими к внутренним стенкам корпуса колонны, с углом наклона образующих большим в 2 раза, чем для центробежных решеток, перфорации решеток выполнены в виде арочных прорезей выпуклостями вверх, равномерно расположенных по концентрическим окружностям, оси арочных прорезей на центростремительных решетках направлены под острым углом к образующим от периферии к центру в одну и ту же сторону, на каждой решетке неупорядоченно уложена слоем насадка, отличающаяся тем, что оси арочных прорезей центробежных решеток направлены под острым углом к образующим от центра к периферии в одну и ту же сторону, высота слоя насадки на каждой решетке составляет 2,5 линейных размера элемента насадки.