НАБИВКА С ПЕРЕКРЕСТНО-КАНАЛЬНОЙ СТРУКТУРОЙ ДЛЯ МАССООБМЕННОЙ НАБИВНОЙ КОЛОННЫ С ВЫСОКОЙ УДЕЛЬНОЙ ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТЬЮ РАЗДЕЛЕНИЯ, А ТАКЖЕ СПОСОБ ЭКСПЛУАТАЦИИ ТАКОЙ КОЛОННЫ Российский патент 2002 года по МПК B01J19/32 F25J3/04 

Изобретение относится к набивке с перекрестно-канальной структурой для массообменной набивной колонны с высокой удельной производительностью разделения, а также к способу эксплуатации такой колонны.

Набивки с перекрестно-канальной структурой известны уже в течение многих лет (см. , например, заявку ФРГ 2601890). Они складываются, как правило, из нескольких расположенных друг над другом элементов набивки, причем каждый элемент набивки выполнен из множества параллельных слоев. Слои касаются друг друга и образуют с открытыми друг к другу проточными каналами, наклоненными к вертикали (оси колонны), перекрестно-канальную структуру. С помощью такой набивки колонны может быть осуществлен массо- и/или теплообмен, а именно между оросительной пленкой на поверхности набивки и газовым потоком, протекающим по каналам.

В стандартном учебнике по дистилляции (H.Z.Kister. "Distillation Design", McGraw-Hill, Inc. 1992, стр.441-458) описаны набивки с перекрестно-канальной структурой для осуществления способов разделения веществ. Эти набивки оптимальны в использовании тогда, когда не требуется слишком высокая удельная производительность разделения. Удельную производительность разделения можно обозначить величиной NTSM, которая указывает число n теоретических ступеней на метр (или у Кистера измеренной в дюймах величиной НЕТР "высота, эквивалентная теоретической тарелке", являющейся, в основном, обратным значением к величине NTSM). Удельная производительность разделения понимается здесь как высокая, когда NTSM больше 4,5 м^-1 (т.е. n>4,5).

В известных областях применения на практике оказалось, что оптимальным является класс набивок, у которых угол наклона каналов одинаков. В качестве значения этого угла наклона в этом учебнике указано 45^o (см. Kister, Таблица 8.1, в частности, класс набивок "Mellapak^®" 125.Y, 250.Y, 350.Y и 500.Y). У класса набивок "Mellapak^®" (далее набивки 125.Y,...) этот угол составляет не 45, а 42,5^o; он оказался более оптимальным.

Изобретатель столкнулся с проблемой создания набивок для разделительных колонн, для которых удельная производительность разделения является высокой и которые предпочтительны особенно в способах разделения воздуха. При этом он обнаружил, что целесообразно провести в отношении принципа действия набивок с перекрестно-канальной структурой дополнительные основополагающие опыты, с тем чтобы на основе заново полученных результатов можно было предложить критерии для более экономичных набивок.

Задачей изобретения является создание набивки с перекрестно-канальной структурой, характеризующейся высокой удельной производительностью разделения и обеспечивающей, по возможности, экономичный способ разделения. Эта задача решается посредством набивок, относящихся к раскрытому в п.1 формулы изобретения классу набивок.

Набивка с перекрестно-канальной структурой для массообменной колонны должна иметь высокую удельную производительность разделения. Набивка характеризуется удельной поверхностью а и углом наклона каналов ϕ. Она относится к классу набивок с а=a_c1 и ϕ = ϕ_cl согласно следующим данным:
- для протекающих в набивке жидкостей для всех набивок заданы соответственно одинаковые потоки жидкостей;
- эмпирически определяемое для набивки число n теоретических ступеней разделения на метр, а именно величина NTSM, изображается первой функцией f₁(a, ϕ) переменных а и ϕ;
- гидравлическое сопротивление, возникающее для протекающего через набивку газового потока, характеризуется потерей давления на метр, Δp, в качестве второй функции f₂(a, ϕ);
- Δp принимает при дополнительном условии n=const относительный минимум, для которого переменные а и ϕ в зависимости от величины n принимают соответственно значения а_m(n) и ϕ_m(n);
- справедливы условия n>4,5, a_c1< а_m(n), ϕ_cl>ϕ_m(n), а также ϕ_cl>45^°.
Зависимые пп. 2-7 формулы изобретения относятся к особым формам выполнения набивки согласно изобретению. Предметом пп. 8 и 9 является способ эксплуатации колонны с такой набивкой.

Изобретение необходимо проиллюстрировать двумя примерами.

Набивка 750. Y (удельная поверхность а = 750 м^-1, угол наклона каналов ϕ = 42,5^°) имеет 5,5 ступеней разделения на метр (n=5,5). При увеличении угла до 50^o необходимая для разделения веществ поверхность набивки может быть уменьшена до 500 м²/м³, благодаря чему затраты на материал набивки сокращаются на 66%. При этом производительность разделения при практически неизменном гидравлическом сопротивлении набивки (потеря давления Δp = 2 мбар/м при также остается неизменной. При равной производительности разделения можно экономить дополнительный материал, правда, за счет увеличенного гидравлического сопротивления (для а=450 м^-1 и ϕ=57^o, Δp= 2,7 мбар/м).

Для набивки 500.Y (а=500 м^-1, ϕ=42,5^o) n=4,5. Для ϕ=46^o, а=450 м^-1, т.е. затраты на материал сокращаются на 90%, причем гидравлическое сопротивление практически неизменное. Для ϕ=50^o, а=400 м^-1 (затраты на материал 80%), однако гидравлическое сопротивление увеличивается на 123% от значения, ожидаемого для набивки 500.Y.

Изобретение более подробно поясняется ниже с помощью чертежей, на которых изображают:
фиг.1 - верхнюю часть колонны с элементами набивки;
фиг. 2 - фрагмент набивки с перекрестно-канальной структурой (идеальная форма "Mellapak^®");
фиг. 3 - диаграмму, на которой потеря давления показана в зависимости от удельной поверхности для набивки по фиг.2;
фиг. 4 - таблицу с тройками значений к показанной на диаграмме фиг.3 кривой.

Колонна 2 с осью 20 (фиг.1) содержит набивку 1 и распределитель 21 жидкости (питающая труба 210, распределительные каналы 211). Несколько элементов 10, 10', 10'' расположены друг над другом. У особых форм выполнения колонны 2 в элементах 10 набивки различают нижнюю зону 102, среднюю зону 100 и верхнюю зону 101. В зонах 101 и 102 на краях элементов 10 набивки вследствие подходящей формы гидравлическое сопротивление уменьшено по сравнению с гидравлическим сопротивлением средней зоны. Такие предпочтительные формы выполнения известны из международной заявки WO 97/16247 (= Р.6765).

Каждый элемент 10 набивки выполнен из множества параллельных слоев 11', 12' (фиг.2). В слоях 11', 12' за счет зигзагообразно сложенных пленок 11, 12 образованы параллельные каналы 13 треугольного сечения 14. (Пленки 11, 12 могут быть также, например, синусообразно гофрированы.) Каналы наклонены к вертикали 20' (параллель к оси 20 колонны): они заключают с ней угол ϕ наклона. В плоскости 15 касания между соседними слоями 11', 12' открытые в этой плоскости каналы 13 слоя 12' пересекаются с соответствующими каналами соседнего слоя 11'. Сечение 14 имеет форму равнобедренного треугольника высотой h(= ширине слоя 12'), сторонами s и основанием b. Угол σ между стороной s и основанием b составляет во многих случаях 45^o. Удельная поверхность а этой набивки в идеальном случае, когда складки не имеют скруглений, задана выражением
На фиг. 3 изображены результаты новейших основополагающих опытов для набивок 1 с изображенной на фиг.2 структурой, причем σ=45^o, а ϕ принимает значения в диапазоне между 20 и 70^o. Эти результаты были получены для постоянных потоков жидкости и (V_G=скорость течения, ρ_G = плотность газа G). Число n теоретических ступеней разделения на метр, а именно величина NTSM, определяется эмпирически и выражается первой функцией f₁(a,ϕ) переменных а и ϕ. Гидравлическое сопротивление, возникающее для протекающего через набивку газового потока, характеризуется потерей давления на метр, Δp, в качестве второй функции f₂(a,ϕ). Путем исключения ϕ из функций f₁ и f₂, Δp можно выразить как функцию а и n. На диаграмме фиг.3 эта функция изображена в виде семейства кривых 31, 32,... 36, причем каждая из этих кривых имеет относительный минимум, для которого переменные а и ϕ принимают соответственно значения a_m(n) и ϕ_m(n). Минимальные точки лежат на штрихпунктирной кривой 30. Для значений а_m и ϕ_m приближенно действительны числа, приведенные в таблице на фиг.4. Эти ряды чисел выражаются формулами, дополнительно приведенными на фиг.4. Для других набивок с перекрестно-канальной структурой, для которых σ составляет не 45^o или которые выполнены, например, из гофрированных пленок, следует ожидать, разумеется, иных чисел для значений а_m и ϕ_m.
Минимальные точки кривой 30 имеют особое значение, поскольку кривые 31,. .., 36 в области своего минимума очень плоские. Для минимальных точек гидравлические сопротивления для заданной производительности разделения наименьшие. Можно перейти к меньшей удельной поверхности а без существенного возрастания при этом гидравлического сопротивления, а именно при остающейся постоянной производительности разделения. По мере увеличения расстояния от минимальной точки гидравлическое сопротивление, однако, прогрессивно возрастает. Где-то существует оптимум. Критериями оптимума являются, с одной стороны, затраты на набивку, в частности, на материал набивки, а, с другой стороны, потери давления газового потока при эксплуатации колонны. Как осуществить оптимизацию, зависит от особых обстоятельств конкретного случая.

Штриховая прямая 40, для которой ϕ =42^°, приближенно указывает значения Δp для известного класса набивок 125.Y,... (см. нижний край диаграммы на фиг. 3). Как видно, эта прямая 40 для а<550 м^-1 проходит на меньшем расстоянии слева рядом с кривой 30 с минимальными точками. Это соответствует тому известному факту, что использование набивок 125.Y,... является оптимальным для не слишком высокой производительности разделения.

Прямая 40 пересекает кривую 30 при приблизительно а=550 м^-1. Это означает, что для приблизительно а>500 м^-1 или n>4,5 (кривая 34') класс набивок 125. Y, . .. не подходит больше для экономичного способа разделения веществ. Поэтому для высокой производительности разделения необходимо использовать новый класс набивок, для которых а=a_c1 и ϕ = ϕ_cl и справедливы следующие условия: n>4,5, a_c1<а_m(n), а также ϕ_cl>45^°.
Благодаря этим условиям открытая вверх область над кривыми 34', 50 и 30 ограничена. Из-за прогрессивного возрастания гидравлического сопротивления эта область не может произвольно простираться вверх. Ограничение вверх возникает за счет уже упомянутых оптимизаций. Произвольно взятым ограничением является прямая 60, на которой ϕ постоянно равно 55^o. Заштрихованная область 3 устанавливает тогда значения а=a_c1 и ϕ = ϕ_cl, определяющие согласно изобретению класс набивок с перекрестно-канальной структурой.

Из практических соображений целесообразно образовать подкласс с n (или NTSM) в качестве выбираемого параметра, для которого аналогично классу набивок 125.Y,... ϕ = ϕ_cl является постоянной. Преимущественно для ϕ_cl выбирают 50^o или другое значение, которое примерно на 2 или 3^o может отличаться от 50^o.

Как видно из диаграммы на фиг.3, гидравлическое сопротивление на кривой 30 прогрессивно возрастает по мере увеличения n. Поэтому нецелесообразно стремиться для удельной производительности разделения к слишком высоким значениям. Верхний предел для n, предпочтительно не превышаемый, задан для n=7.

Набивка согласно изобретению особенно хорошо пригодна для осуществления разложения воздуха. С помощью набивки согласно изобретению можно осуществлять, например, также реактивную дистилляцию. При этом способе материал на поверхностях набивки оказывает, по меньшей мере частично, каталитическое действие.

Набивка с перекрестно-канальной структурой для массообменной набивной колонны должна иметь высокую удельную производительность разделения. Набивка характеризуется удельной поверхностью а и углом ϕ наклона каналов. Она относится к классу (с1) набивок с а=a_с1 и ϕ = ϕ_c1 согласно следующим данным: для протекающих в набивке жидкостей заданы соответственно одинаковые потоки жидкостей; эмпирически определяемое для набивки число n теоретических ступеней разделения на метр, а именно величина NTSM, изображается первой функцией f₁(a,ϕ) переменных а и ϕ; гидравлическое сопротивление, возникающее для протекающего через набивку газового потока, характеризуется потерей давления на метр, Δp, в качестве второй функции f₂(a,ϕ);Δp принимает при дополнительном условии n=const относительный минимум, для которого переменные а и ϕ в зависимости от величины n принимают соответственно значения а_m(n) и ϕ_m(n); справедливы условия n>4,5, а_c1<а_m(n), ϕ_c1> ϕ_m(n), а также ϕ_c1> 45^°. Набивка обеспечивает экономичный способ разделения. 2 с. и 7 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Набивка (1) с перекрестно-канальной структурой для массообменной колонны (2) с высокой удельной производительностью разделения, характеризуемая удельной поверхностью а и углом ϕ наклона каналов и относящаяся к классу (с1) набивок с а= a_c1 и ϕ = ϕ_c1 согласно следующим данным: для протекающих в набивке жидкостей заданы соответственно одинаковые потоки жидкостей; эмпирически определяемое для набивки число n теоретических ступеней разделения на метр, а именно величина NTSM, является первой функцией f₁(a, ϕ) переменных а и ϕ; гидравлическое сопротивление, возникающее для протекающего через набивку газового потока, характеризуется потерей давления на метр, Δp, и является второй функцией f₂(а, ϕ); Δp принимает при дополнительном условии n= const относительный минимум, для которого переменные а и ϕ в зависимости от величины n принимают соответственно значения а_m(n) и ϕ_m(n); причем n>4,5, a_c1<а_m(n), ϕ_c1>ϕ_m(n), а также ϕ_c1> 45^°.
2. Набивка по п. 1, отличавшаяся тем, что ϕ_c1< 55^°.
3. Набивка по п. 1 или 2, отличающаяся тем, что для подкласса c n в качестве выбранного параметра, ϕ_c1 является постоянной составляющей, предпочтительно около 50^o. 4. Набивка по одному из пп. 1-3, отличающаяся тем, что каналы (13) образованы зигзагообразно сложенными пленками (11,12), при этом функции а_m(n) и ϕ_m(n) для где V_G - скорость течения газа, ρ_G - плотность газа, заданы приближенно следующими полиномами: a_m= (152-13n+n²) NTSM, ϕ_m= 27^o+n(n+1)0,5^o. 5. Набивка по одному из пп. 1-4, отличающаяся тем, что конкретные значения a_c1 и ϕ_c1 установлены посредством оптимизации, осуществленной на основе критериев, зависимых от соответствующего применения, и при этой оптимизации, например, с одной стороны, затраты на набивку (1), в частности на материал набивки, и, с другой стороны, потери давления газового потока при эксплуатации колонны (2) могут поддерживаться оптимальным образом низкими. 6. Набивка по одному из пп. 1-5, отличающаяся тем, что в колонне (2) друг над другом расположено несколько элементов (10,10', 1'') набивки, причем каждый элемент набивки выполнен из множества параллельных слоев (11', 12'). 7. Набивка по п. 6, отличающаяся тем, что в элементах (10) набивки различают соответственно верхнюю (101), среднюю (100) и нижнюю (102) зоны, при этом в зонах (101,102) на краях элементов набивки вследствие подходящей формы гидравлическое сопротивление уменьшено по сравнению с гидравлическим сопротивлением средней зоны (100). 8. Способ эксплуатации массообменной набивной колонны (2) с набивкой по пп. 1-7, отличающийся тем, что разделение веществ осуществляют при удельной производительности разделения набивки (1), для которой n составляет величину, больше 4,5 и, предпочтительно меньше 7. 9. Способ по п. 8, отличающийся тем, что при разделении воздуха или при реактивной дистилляции материал на поверхностях набивки оказывает по меньшей мере частично каталитически активное действие.