РЕКТИФИКАЦИОННАЯ КОЛОННА Российский патент 2001 года по МПК B01D3/20 B01D3/22 

Изобретение имеет отношение к созданию химического технологического оборудования, в котором жидкость вводится в контакт с противотоком газа. Это может происходить при выполнении различных задач, таких как десорбция компонента из потока жидкости или абсорбция компонента потоком жидкости. В более общем виде настоящее изобретение имеет отношение к созданию оборудования, предназначенного для облегчения массо- или теплопереноса между фазами.

В том типе оборудования, с которым конкретно связано настоящее изобретение, используют фракционирующие (ректификационные) тарелки поперечного потока, связанные со сливными стаканами. В таком оборудовании предусмотрена ректификационная колонна с множеством фракционирующих тарелок, установленных главным образом горизонтально внутри колонны. Каждая колонна имеет перфорированный ярус и по меньшей мере один канал, именуемый сливным стаканом, в котором протекающая над ярусом жидкость может быть накоплена и канализирована к нижней тарелке. При работе вводят газ или пар в основание колонны и пропускают его через перфорации в ярусах фракционирующих тарелок. Одновременно вводят жидкость в верхнюю часть колонны и перколируют (фильтруют) ее в нижнем направлении, пропуская над фракционирующими тарелками и через сливные стаканы вниз к нижней тарелке. В типичной конструкции жидкость выходит из сливных стаканов через открытое дно и/или переднюю сторону (сторону, обращенную к центру тарелки) сливного стакана. В некоторых случаях сливной стакан имеет поддон, в котором жидкость протекает вокруг щелей в основании и вытекает через них. В некоторых конструкциях предусмотрена перфорированная зона под сливным стаканом с контактом между паром и жидкостью, который исключен коробкой над перфорированным участком зоны под сливным стаканом. Обычно не предусмотрен контакт между паром и жидкостью в зоне под сливным стаканом, что снижает производительность колонны. Некоторые модификации, обращенные на решение указанной проблемы, приводят к использованию щелевых оснований сливных стаканов, как, например, в патенте JP-A-7318192, предназначенных для более равномерного распределения потока жидкости во всех направлениях, так чтобы были использованы все перфорации зоны под сливным стаканом. Однако при этом все еще сохраняется проблема относительно жидкости, проходящей непосредственно вниз через перфорации, предназначенные для пропускания вверх пара. В устройстве, описанном в патенте США N 3784175, вытекающий из сливного стакана поток направляют к участку тарелки, расположенному вблизи от стенки колонны, при помощи удерживаемого пружиной изогнутого элемента, который в зависимости от веса жидкости в сливном стакане может быть закрыт или открыт для выпуска жидкости из сливного стакана.

В идеальных условиях протекания процесса жидкость не должна проходить через перфорации в ярусах фракционирующих тарелок за счет давления газа, проходящего через перфорации в направлении вверх. Этот процесс является тонко сбалансированным, так как если давление слишком велико, то газ будет иметь более короткое время нахождения в колонне и менее эффективный контакт с текущей вниз жидкостью. Более высокая скорость газа может также приводить к переносу капель жидкости вверх к верхней тарелке, в результате чего снижается эффективность разделения за счет обратного перемешивания. С другой стороны, если скорость газа слишком мала, то жидкость будет проникать через перфорации в ярусах тарелок (что известно как "просачивание"), и приводить к короткому замыканию структур потока, которые предназначены для максимального увеличения контактов жидкость/газ.

Таким образом, резюмируя, можно сказать, что течение газа должно быть достаточно медленным для осуществления эффективного контакта с потоком жидкости, но достаточно быстрым для сведения к минимуму просачивания. Несмотря на то, что необходима разность давлений между пространством над фракционирующей тарелкой и пространством под ней, если эта разность слишком велика, то поток газа будет ускоряться при его прохождении через перфорации и эффективный барботажный контакт будет утерян. Для сохранения такого же объема потока газа, но уменьшения давления, необходимо максимально увеличить перфорированную зону фракционирующей тарелки или предусмотреть некоторый иной эффективный механизм для ввода в контакт с жидкостью газа, когда он проходит через фракционирующую тарелку.

Однако часто возникает проблема просачивания в том случае, когда расход жидкости особенно велик в местной перфорированной зоне, в особенности в зоне под сливным стаканом. Поэтому в некоторой степени желание достичь наивысшей эффективности контакта (что вызывает необходимость обеспечения самого низкого возможного падения давления через колонну) за счет возможно большего перфорирования части поверхности яруса противоречит желанию избежать просачивания. В соответствии с настоящим изобретением обеспечена высокая эффективность (или высокая производительность) конструкции фракционирующей тарелки, которая обеспечивает минимальную опасность просачивания.

В соответствии с настоящим изобретением предлагается ректификационная колонна, которая включает в себя первую перфорированную фракционирующую тарелку по меньшей мере с одним сливным стаканом для канализирования выходного потока от первой тарелки ко второй перфорированной фракционирующей тарелке, расположенной непосредственно под первой тарелкой, причем каждый сливной стакан канализирует протекающую вниз жидкость от первой тарелки на участок второй тарелки, смежный со стыком (местом соединения) тарелки и стенки колонны. Сливной стакан преимущественно имеет ограниченную выходную область, предназначенную для обеспечения протекания выходного потока из него исключительно в направлении периферического не перфорированного участка второй тарелки. Жидкость может, например, вытекать из сливных стаканов через радиальные щели, прямоугольные щели, зубчатые сливы или плоские сливы, специально предназначенные для направления потока к зоне стыка стенка/тарелка, из которой он может быть распределен равномерно ранее входа в контакт с перфорированной зоной фракционирующей тарелки. Нашли, что если выходной поток от сливного стакана распределен по второй тарелке указанным образом ранее входа в контакт с перфорациями, то можно избежать ситуаций с локализованным мощным потоком, которые могут приводить к просачиванию. От стыка стенка/тарелка поток естественно растекается вокруг стенки и проникает в перфорированную область. Так как поток первоначально направлен к стенке, то существенный участок зоны под сливным стаканом может быть теперь перфорирован, как простыми отверстиями, так и отверстиями с клапанами, в результате чего повышается эффективность тарелок.

В соответствии с предпочтительным вариантом осуществления настоящего изобретения перфорированный барьер разделяет зону первоначального жидкостного контакта от перфорированного участка тарелки, так что поток по перфорированной зоне распределен возможно более равномерно.

На фиг. 1 приведено поперечное сечение колонны, содержащей фракционирующие тарелки и единственный закрытый сливной стакан в соответствии с настоящим изобретением.

На фиг. 2 показан вид в плане нижней из фракционирующих тарелок, показанных на фиг. 1. Перфорации показаны в зоне под сливным стаканом.

Указанные ранее и другие характеристики изобретения будут более ясны из последующего детального описания, приведенного со ссылкой на сопроводительные чертежи, которые приведены только в качестве примера осуществления настоящего изобретения и не подразумевают никакого существенного ограничения объема настоящего изобретения.

Показанное на фиг. 1 и 2 устройство содержит резервуар 1, в котором установлены одна над другой две фракционирующих тарелки 2, главным образом в горизонтальном положении. Фракционирующие тарелки имеют множество перфораций 6 и сливной стакан 7, который имеет впускной канал 3 и выпускной канал 4. На фиг. 1 показан сливной стакан только для верхней тарелки, однако следует иметь в виду, что все тарелки имеют аналогичные сливные стаканы, но с размещением на стороне тарелки, противоположной стороне приема потока от сливного стакана, связанного с тарелкой, расположенной непосредственно сверху. Это максимально увеличивает путь прохождения потока жидкости и возможности контакта с паром.

Вытекающая из выпускного канала 4 сливного стакана жидкость направляется в зону под сливным стаканом 5, которая примыкает к стенке резервуара и не имеет перфораций. Отсюда жидкость распределяется так, как это показано на фиг. 2 стрелками, так что ни один участок тарелки не получает достаточно жидкости для того, чтобы началось просачивание через перфорации на этом участке.

Приведенная структура является весьма предпочтительной, так как она обеспечивает отсутствие канализирования жидкости, вытекающей из сливного стакана в направлении к перфорациям яруса фракционирующей тарелки, в таком количестве, которое достаточно для предотвращения потока пара через перфорации и для начала просачивания. За счет обеспечения первоначального контакта потока с областями без перфораций и равномерного его распределения в направлении всех перфорированных зон поддерживается однородная высокая степень контакта пар/жидкость.

Предложена ректификационная колонна, которая имеет перфорированные фракционирующие тарелки и сливные стаканы, позволяющие жидкости протекать с одной тарелки на расположенную непосредственно под ней тарелку, причем сливные стаканы имеют радиальные выпускные каналы, направляющие текущую вниз жидкость к стенке колонны, а не на поверхность тарелки, расположенную непосредственно под сливным стаканом. Это позволяет иметь по меньшей мере один перфорированный участок зоны под сливным стаканом, в результате чего увеличивается эффективность тарелки для обеспечения контакта пар/жидкость и обеспечивается исключение просачивания жидкости через перфорации, без необходимости увеличения давления пара. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Ректификационная колонна, которая имеет внутреннюю стенку и содержит по меньшей мере две горизонтально расположенные одна над другой перфорированные фракционирующие тарелки, в том числе включает в себя первую перфорированную фракционирующую тарелку по меньшей мере с одним сливным стаканом, примыкающим к периферии тарелки, для канализирования выходного потока от первой тарелки через по меньшей мере один выпускной канал ко второй перфорированной фракционирующей тарелке, расположенной под первой тарелкой, отличающаяся тем, что выпускной канал каждого сливного стакана выполнен направляющим весь выходной поток из него в сторону внутренней стенки колонны, смежной со сливным стаканом. 2. Ректификационная колонна по п.1, отличающаяся тем, что она имеет перфорированный барьер между перфорированной зоной второй перфорированной тарелки и зоной первоначального контакта жидкости, вытекающей из сливного стакана.