КОНТАКТНОЕ УСТРОЙСТВО ТЕКУЧАЯ СРЕДА - ТЕКУЧАЯ СРЕДА Российский патент 2001 года по МПК B01J19/32 

Изобретение относится к контактным устройствам текучая среда - текучая среда и, в частности, к структурированной набивке для использования в таких устройствах. Обычно устройства этого типа, к которому относится настоящее изобретение, используют для таких операций, как перегонка, адсорбция, мокрая очистка газа (скруббинг, отгонка легких фракций (стриппинг), теплообмен и т. д. , в которых одну текучую среду (например, жидкость) приводят в контакт с другой текучей средой (например, с газом), при этом текучие среды обычно находятся в противотоке по отношению друг к другу. В случае контакта газ (или пар)/жидкость газ составляет сплошную фазу.

Настоящее изобретение, в частности, относится к контактным устройствам текучая среда - текучая среда, в которых структурированная набивка представляет собой ряд элементов набивки, расположенных последовательно в направлении потока жидкости через устройство, которое обычно существует в форме вертикально расположенной колонны или башни. Каждый элемент набивки содержит множество профилированных листов материала, расположенных край к краю с прямоугольной гофрировкой, наклонной по отношению к направлению потока жидкости, и последовательные элементы расположены с листами в одном элементе, смещенными под углом относительно листов соседнего элемента (соседних элементов). Поставщики коммерчески доступных набивок этого типа рекомендуют смещение по углу в 90^o (Sulzer Brothers Limited) и в 70^o (Norton Chemical Company).

В их ряду набивок один поставщик (Sulzer) производит ряд набивок "X" и ряд набивок "Y". Листовые материалы, используемые в двух формах набивок, как предполагается, являются идентичными в отношении площади поверхности и обработки поверхности, но отличаются по углу наклона гофрировки. В ряду набивок "Y" угол наклона гофрировки составляет 45^o к горизонтали, в то время как ряд "X" имеет угол наклона гофрировки 60^o к горизонтали.

Элементы набивки ряда "Y" имеют более высокую эффективность, но более низкую емкость, чем элементы набивки "X". Эффективность структурированной набивки является функцией пути прохождения пара и жидкости в контакте друг с другом по всей поверхности набивки. Емкость набивки определяется емкостью в ее наиболее узком сечении по высоте. Элементы набивки ряда "X" обеспечивают меньшие изменения в направлении текучих сред вблизи промежуточного пространства между элементами благодаря большему углу по отношению к горизонтали, сообщаемому благодаря углу наклона гофрировки, и поэтому имеют большую емкость, чем эквивалентные элементы набивки ряда "Y". Перепад давления в ряду элементов набивки "Y" является более высоким, и использование площади поверхности для массопереноса является более полным, следовательно, элементы набивки ряда "Y" имеют более высокую эффективность.

Последние сообщения говорят, что емкость структурированной набивки определяется состоянием текучих сред в промежуточном пространстве между последовательными элементами набивки. Например, когда присутствует контакт жидкость-пар, перепад давления в паровой фазе является более высоким в промежуточном пространстве между последовательными элементами набивки, где жидкость и пар нагнетаются для движения из-за изменения направления, чем в корпусе каждого элемента, и в результате жидкость имеет тенденцию к накапливанию в промежуточном пространстве между элементами. Накопление жидкости происходит в диапазоне рабочих условий тем более широком, чем выше нагрузка жидкости. По этой причине предполагается, что повсеместно наблюдаемое явление потери производительности при структурированной набивке вызвано накоплением жидкости в промежуточном пространстве между последовательными элементами набивки, которое ведет к неправильному перераспределению жидкости в следующем элементе набивки в направлении потока жидкости.

В соответствии с одним из аспектов настоящего изобретения создано контактное устройство текучая среда - текучая среда, в котором структурированная набивка содержит ряд элементов набивки, расположенных последовательно в предусмотренном в конструкции направлении потока жидкости, при этом каждый элемент набивки содержит множество профилированных листов материала, расположенных край к краю, друг к другу с гофрировкой, наклонной по отношению к направлению потока жидкости, и последовательные элементы расположены с листами в одном из элементов, смещенными под углом относительно листов соседнего элемента (соседних элементов), который характеризуется созданием средств в промежуточном пространстве между последовательными элементами или вблизи него для понижения перепада давления, прилагаемого к непрерывной фазе в промежуточном пространстве между элементами.

Таким образом, является возможным обеспечение хорошей эффективности без ухудшения емкости (и наоборот). Указанные средства могут иметь эффект общего сглаживания скорости изменения давления через секцию набивки аппарата без обязательного уменьшения общего перепада давления на секции набивки (хотя такой общий перепад давления может происходить). В частности, такие средства служат для понижения скорости изменения давления в самих промежуточных пространствах между элементами и в непосредственной близости от этих промежуточных пространств.

Такие средства могут быть получены путем выполнения гофрировки на листах таким образом, чтобы обеспечить уменьшенный перепад давления.

В одном из воплощений вместо использования гофрировки под прямым углом по крайней мере некоторые (предпочтительно - большинство, если не все) листы каждого элемента набивки имеют гофрировку, у которой, по крайней мере у части которой (предпочтительно - у большей части, если не у всей), угол наклона изменяется между противоположными краями элемента набивки так, что угол наклона увеличивается вблизи хотя бы одного (предпочтительно - обоих) из указанных краев по сравнению с углом наклона вдали от краев элемента набивки.

В качестве угла наклона в конкретной точке вдоль длины гофрировки подразумевается угол между осью наклона в этой точке и плоскостью, содержащей точку и параллельной противоположным краям.

Таким образом, в типичном выполнении настоящего изобретения каждый лист элемента набивки может быть снабжен гофрировкой, которая обеспечивает изменение направления потока, когда текучая среда протекает через элемент набивки от одного края до другого края, при этом гофрировка имеет концевую часть или части (в зависимости от того, простирается ли конкретная гофрировка к одному или к обоим противоположным краям), которые пересекают края под углом до 90^o, в то время как промежуточные части каждой гофрировки по крайней мере на части ее длины простираются под углом, несколько меньшим, например обычно меньшим чем 60^o.

Угол наклона у каждой такой гофрировки плавно изменяется вдоль ее длины, хотя не исключается возможность изменения, имеющего ступенчатую природу.

Путем придания переменного угла наклона листам элементов набивки массоперенос в центре каждого элемента набивки может быть максимальным, и использование более высокого угла наклона вблизи края элемента набивки исключает экстремальное изменение направления, когда текучие среды переходят с одного элемента набивки на следующий.

В другом воплощении настоящего изобретения средства в промежуточном пространстве между последовательными элементами или вблизи него для уменьшения перепада давления в этом промежуточном пространстве могут быть выполнены путем создания по крайней мере некоторых (предпочтительно - большинства, если не всех) частей гофрировки на по крайней мере некоторых (предпочтительно - на большинстве, если не на всех) из листов каждого элемента набивки с уменьшенным поперечным сечением вблизи по крайней мере одного (предпочтительно - обоих) из краев элемента набивки, тем самым уменьшая площадь поверхности и перепад давления в этой области.

Локализованное уменьшение площади поперечного сечения гофрировки может быть осуществлено путем уменьшения глубины. Уменьшение глубины предпочтительно постепенно увеличивается по мере приближения гофрировки к конечным краям элементов набивки.

Если необходимо, такое локализованное уменьшение площади поперечного сечения гофрировки может сочетаться с изменением угла наклона, как описано выше, или может быть использовано уменьшение с гофрировкой, которая имеет конфигурацию, отличную от обычной. Уменьшение площади поперечного сечения или глубины может иметь место в возрастающей степени и может достигать такой глубины, что изгибы, завершающие более короткие ребра листов, то есть, что крайние ребра листов, являются плоскими (неизогнутыми). Поскольку уменьшение глубины должно происходить у листов, находящихся вне контакта друг с другом, если это желательно или необходимо, могут быть предусмотрены средства для поддержания листов в положении вне контакта друг с другом и/или для увеличения жесткости структуры в областях, где глубина гофрировки уменьшается. Такие средства могут включать элементы прокладок, расположенных между соседними листами, или листы могут быть снабжены деталями вдоль тех ребер, которые ограничивают промежуточные пространства между соседними элементами набивки, эти профили могут быть сконструированы для взаимодействия (например, взаимного зацепления) в промежуточном пространстве для поддержания зазора между листами и/или увеличения жесткости.

В еще одном воплощении настоящего изобретения средства в промежуточном пространстве между последовательными элементами или вблизи него для уменьшения перепада давления в промежуточном пространстве могут быть выполнены путем создания средств управления потоком текучей среды между последовательными элементами набивки, при этом локальное направление потока текучей среды, покидающей один элемент набивки, совмещается со следующим элементом набивки, так чтобы уменьшить перепад давления.

В этой связи последовательные элементы набивки отделены друг от друга в направлении объемного потока жидкости через устройство, и в зазоре расположены средства для управления потоком жидкости. Такие средства для управления могут содержать открытую структуру, имеющую ряд стенок, которые простираются между последовательными элементами набивки и которые, например, могут быть параллельны в целом друг другу и/или быть расположены в два ряда, при этом один ряд стенок пересекается с другим. Таким образом, например, средства управления могут иметь структуру открытой решетки, имеющую ячейки, через которые текучая среда, выходящая из одного элемента набивки, проходит перед входом в следующий элемент набивки, при этом ячейки имеют оси, которые по существу параллельны направлению объемного потока текучей среды через устройство или по крайней мере параллельны направлению объемного потока по сравнению с гофрировкой. Альтернативно - средства управления могут включать структуру из объектов регулярной или нерегулярной формы, таких, как кольца Рашига и/или Палла, предпочтительно ориентированные так, что большая часть площади их поверхности простирается преимущественно в направлении объемного потока, так что текучая среда, проходящая от одного элемента набивки к следующему, имеет направление потока, которое преимущественно параллельно направлению объемного потока.

В следующем воплощении настоящего изобретения средства в промежуточном пространстве между последовательными элементами или вблизи него для уменьшения перепада давления в промежуточном пространстве могут быть выполнены путем создания зазора между последовательными элементами набивки. В этом выполнении элементы набивки могут поддерживаться вне контакта друг с другом с зазором между ними, достаточным для обеспечения значительного понижения перепада давления, приложенного к сплошной фазе, когда она переходит от одного элемента набивки к следующему. Предпочтительно зазор, то есть перпендикулярное расстояние между плоскостями, содержащими крайние точки последовательных элементов набивки в каждом промежуточном пространстве, составляет по крайней мере 2 см, предпочтительно по крайней мере 4 см. Там, где элементы набивки отделены друг от друга таким образом без какой-либо промежуточной структуры, такой, как поддерживающая решетка между ними, необходимо управлять потоком нисходящей жидкой фазы таким образом, чтобы способствовать эффективному переносу от одного элемента набивки к расположенному ниже элементу набивки, иначе может проявляться тенденция для жидкой фазы проходить вдоль ребер листов с возможностью неравномерного распределения. Например, ребра листов на нижних краях элементов набивки могут иметь форму, способствующую сбору жидкости в определенных местах, так что жидкая фаза затем по каплям стекает из этих мест на расположенный ниже элемент набивки. Так, например, ребра листов на нижних краях могут иметь зигзагообразную конфигурацию, так что жидкая фаза собирается и стекает на острых концах. Ясно, что зигзагообразная конфигурация должна быть такой, чтобы большое количество мест, откуда стекает жидкость, были распределены по существу равномерно по промежуточному пространству.

Материалы для изготовления листов могут быть выбраны из материалов, которые обычно используются для структурированной набивки, например, материалы, подобные тонкой фольге (из металла или иного материала), сетчатых материалов и тому подобное. Листы могут быть перфорированными, чтобы сделать возможным проход текучей среды с одной стороны листа на другую, когда текучие среды протекают через набивку.

Поверхность материала листа может быть гладкой, или она может быть текстурирована с помощью любой соответствующей технологии для улучшения ее смачиваемости, распределения жидкости и свойств, связанных, например, с перемешиванием.

Профиль гофрировки в поперечном сечении может иметь различные формы, обычно используемые для структурированных набивок, например, полукруглый, V-образный и тому подобное. Подобно этому размеры гофрировки могут быть в целом такие же, как используют в коммерчески доступной структурированной набивке, например, которая продается Sulzer и Norton Chemical Company. Гофрировка не должна быть обязательно сплошной по всему элементу набивки. Например, как используется в коммерчески доступной структурированной набивке, гофрировка может прерываться в элементе набивки, например, таким образом, что первый ряд гофрировки простирается частично вдоль элемента, а второй ряд гофрировки затем следует за первым рядом и простирается через оставшуюся часть элемента, при этом пики и впадины первого ряда являются латерально не совпадающими с пиками и впадинами второго ряда, и на стыках между двумя рядами в листах образуются отверстия, при этом жидкости могут проходить с одной стороны листа на другую.

По настоящему изобретению массоперенос в промежуточных пространствах может быть уменьшен в промежуточных пространствах между элементами набивки. Вследствие этого размер по глубине (если рассматривать по направлению объемного потока через устройство) элемента набивки по настоящему изобретению, когда он оптимизирован в отношении эффективности, может отличаться от обычного элемента структурированной набивки, имеющего такую же эффективность (обычно является большим, чем последний).

Далее изобретение будет иллюстрироваться только в качестве примера, со ссылками на прилагаемые чертежи, в которых:
фиг. 1 представляет собой схематический вид колонны с набивкой;
фиг. 2 является видом с вырывом элемента набивки, схематически представляющим конфигурацию гофрировки у соседних листов;
фиг. 3 является видом с вырывом, представляющим (a) профиль гофрировки в положении, удаленном внутрь от пространства между соседними элементами набивки, и (b) профиль гофрировки в положении, непосредственно соседствующем с промежуточным пространством;
фиг. 4 является видом с вырывом, представляющим альтернативное выполнение;
фиг. 5 является видом с вырывом, представляющим выполнение, соответствующее выполнению фиг. 3;
фиг. 6 является видом с вырывом, представляющим выполнение, соответствующее выполнению фиг. 4.

Обращаясь к фиг. 1, изобретение будет описано со ссылками на колонну с набивкой или башню 10 для использования, например, при массопереносе или теплообмене между нисходящей жидкой фазой и восходящей паровой фазой. На ее верхнем конце колонна 10 снабжена распределителем жидкости 12 и выходом для пара 14. На ее нижнем конце колонна снабжена входом для пара 16 и выходом для жидкости 18. Ряд элементов структурированной набивки 20 послойно расположен вертикально над поддерживающим элементом 22. Каждый элемент набивки содержит ряд параллельных листов или пластин, расположенных в плоскостях, расположенных по существу вертикально, при этом листы в каждом элементе набивки расположены под углом к листам в соседнем элементе (соседних элементах) набивки. Этот угол может составлять, например, 90^o, но возможны и другие углы. Элементы набивки выполнены так, что они простираются по существу по всей ширине колонны и имеют необходимую глубину для монтажа внутри установки, обычно глубину 30 см. Каждый элемент набивки в выполнении фиг. 1 находится вне контакта с соседними элементами, между ними находятся промежуточные пространства 21.

На фиг. 2 показано, что каждый лист или пластина 24 формируется с рядами гофрировки 26 с пиками или гребнями 28, расположенными по существу наклонно между верхним и нижним краями соответствующего элемента набивки, и соседние листы ориентируются так, что их ряды гофрировки пересекаются крест-накрест. Соседние листы соприкасаются друг с другом в точках пересечения между пиками одного листа и пиками соседних листов. В противоположность коммерчески доступным структурированным набивкам ряды гофрировки не являются прямолинейными вдоль всей их длины - вместо этого каждый ряд гофрировки 26 имеет концевую часть или части 30, 32 (в зависимости от того, простирается ли он до одного края или как до верхнего, так и до нижнего края элемента набивки), расположенных под различными углами к средней части гофрировки. Как видно, ряды гофрировки 26 постепенно изменяют направление между верхним и нижним краями элементов набивки, так что концевые части 30, 32 имеют оси, которые по существу перпендикулярны этим краям, в то время как средние части наклонены по отношению к вертикали. На фиг. 2 сплошные линии обозначают пики 28 гофрировки на фасадной стороне листа, в то время как штриховые линии 28' обозначают пики гофрировки на соответствующей стороне листа непосредственно позади того, который виден. Хотя на фиг. 2 концевые части 30, 32 гофрировки пересекают верхний и нижний края по существу перпендикулярно, понятно, что преимущества настоящего изобретения могут все еще сохраняться, даже если угол пересечения составляет меньше чем 90^o.

На фиг. 3 показано выполнение рядов гофрировки, которые могут быть ориентированы в целом, как показано здесь, или они могут быть линейной конфигурации, используемой в коммерчески доступной структурированной набивке, такой как элементы набивки ряда "X" или "Y", производимые и продаваемые Sulzer Brothers Limited. Уменьшенный перепад давления сохраняется или усиливается в этом случае путем уменьшения глубины гофрировки вблизи промежуточных пространств 21 между элементами набивки (см. фиг. 1). Таким образом, профиль, представленный на фиг. 3a, представляет форму гофрировки в положениях, удаленных внутрь от промежуточных пространств 21 между элементами набивки, в то время как профиль, представленный как b, представляет собой форму гофрировки с уменьшенной глубиной в промежуточных пространствах 21 или непосредственно вблизи них. Ясно, что уменьшение глубины означает, что соседние листы не будут иметь контакта между пиками друг друга в этих областях. Если это необходимо, могут быть созданы прокладки или что-то подобное (не показано) для поддержания одинакового зазора между листами и/или увеличения жесткости структуры там, где не существует контакта между пиками.

В выполнении фиг. 1 структурированные элементы набивки 20 расположены вертикально послойно с зазором между слоями. Однако, как показано на фиг. 4, элементы набивки 20 (которые могут включать коммерчески доступные элементы, такие как те, которые описаны выше) расположены вертикально с горизонтальными зазорами для уменьшения перепада давления между последовательными элементами набивки, средства управления текучей средой 40 расположены между последовательными элементами набивки в порядке создания потока текучей среды от одного элемента набивки, более совместимого с ориентацией следующего элемента набивки. Средства управления текучей средой могут, как показано, быть в форме открытой решетчатой структуры с ячейками решетки, имеющими стенки, поверхности которых расположены по существу вертикально, при расположении плоскостей так, что жидкость и пар выходят из одного элемента под углом, соответствующим располагающимся наклонно рядам гофрировки, направляется для прохождения через решетчатую структуру перед входом в следующий элемент набивки. Таким образом, угол наклона выходящего потока изменяется так, чтобы он был по существу вертикальным, перед тем как жидкость и пар войдут в ориентированные различным образом ряды гофрировки следующего элемента набивки. Хотя они и не показаны таким образом, изгибы элементов упаковки и решетки могут быть расположены так, что ячейки в решетках эффективно образуют продолжения рядов гофрировки и служат для плавного отклонения потока сплошной фазы от одного элемента набивки по направлению потока, соответствующему ориентации гофрировки следующего элемента набивки.

Хотя настоящее изобретение описано с упоминанием контакта пар - жидкость, не исключена возможность других форм контакта текучая среда - текучая среда, в частности, контакта жидкость - жидкость, где одна жидкость, обычно менее плотная жидкость, образует сплошную фазу.

На фиг. 5, соответствующей фиг. 3, представлено воплощение с гофрировкой под прямым углом 26 и концевыми частями 32, соседствующими с промежуточным пространством 21, с формой гофрировки с уменьшенной глубиной. Глубина гофрировки 26 составляет "a", уменьшенная глубина в промежуточном пространстве 21 составляет "b". На любой высоте концевых частей 32 общая длина изогнутого листа (то есть длина разглаженного листа по любой горизонтальной линии пересечения) равна соответствующей длине гофрировки 26.

На фиг. 6, соответствующей фиг. 4, представлено воплощение со средствами управления текучей средой 40, расположенными между последующими элементами набивки 20, в форме решетки. Ячейки квадратной формы образуют продолжение гофрировки.

Устройство для контакта текучая среда - текучая среда со структурированной набивкой, включающей ряд элементов набивки, изготовленных из листов профилированного материала таким образом, что гофрировка на каждом листе простирается наклонно по отношению к направлению объемного потока текучей среды через устройство. Каждый элемент набивки имеет листы, ориентированные в плоскости, которые смещены под углом относительно листов соседних элементов. Предусмотрены средства в промежуточном пространстве между соседними элементами или вблизи него для уменьшения перепада давления, оказываемого на непрерывную фазу, когда она проходит от одного элемента к следующему. 5 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Контактное устройство текучая среда - текучая среда, включающее структурированную набивку, представляющую собой ряд элементов, расположенных последовательно в направлении потока жидкости через устройство, каждый элемент набивки содержит множество профилированных листов материала, соприкасающихся друг с другом, причем листы выполнены с гофрировкой, расположенной наклонно по отношению к направлению потока текучей среды, при этом листы одного элемента смещены под углом относительно листов соседнего элемента, средства для понижения перепада давления, создаваемого непрерывной фазой в промежуточном пространстве, размещенные в промежуточном пространстве между последовательными элементами или вблизи него, отличающееся тем, что средства выполнены посредством локального изменения в конфигурации гофрировки, непосредственно соседствующей с промежуточными пространствами, по крайней мере, несколько листов каждого элемента набивки имеют, по крайней мере, несколько рядов гофрировки с углом наклона, проходящим к промежуточному пространству, причем угол наклона постепенно изменяется вблизи, по крайней мере, одного промежуточного пространства, при этом угол наклона в элементе набивки является, по существу, постоянным, а постепенно изменяемый угол наклона является большим, чем этот постоянный угол. 2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что ряды гофрировки имеют концевую часть или части, которые пересекают промежуточные пространства под углом до 90°. 3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что, по крайней мере, некоторые части гофрировки, по крайней мере, на некоторых листах каждого элемента набивки формируются с уменьшенным поперечным сечением вблизи, по крайней мере, одного из краев элемента набивки, для уменьшения площади поверхности и перепада давления в этом месте. 4. Устройство по п.3, отличающееся тем, что, по крайней мере, некоторые из частей гофрировки имеют локализованное уменьшение глубины, по крайней мере, вблизи одного из краев элемента набивки. 5. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что средства в промежуточном пространстве между последовательными элементами или вблизи него для понижения перепада давления в промежуточной области содержат средства управления потоком текучей среды. 6. Устройство по п.5, отличающееся тем, что последовательные элементы набивки отделены один от другого зазором в направлении потока текучей среды через устройство, а средства управления потоком текучей среды расположены в зазоре.