МАССООБМЕННЫЙ АППАРАТ Российский патент 2006 года по МПК B01D3/32 F25J3/00 

Изобретение относится к криогенной технике, в частности к устройствам разделения криптоно-ксенонового концентрата, получаемого на воздухоразделительных установках, и может быть использовано в нефтехимической промышленности при разделении смеси, содержащей два целевых компонента, один из которых имеет температуру тройной точки, превышающей температуру кипения другого целевого компонента.

Известны массообменные аппараты (ректификационные колонны) в составе устройства разделения криптоно-ксенонового концентрата (см. патент РФ №2213609). Каждая ректификационная колонна в известном аппарате содержит заполненное насадкой с распределителем флегмы устройство для контакта жидкой и паровой фаз, разделенное приемной камерой с патрубком потока питания на концентрационную и исчерпывающую части, в голове колонны расположен конденсатор-испаритель, а внизу - куб, снабженный испарителем и/или электронагревателем. Конденсатор-испаритель имеет полость, заполняемую промежуточным теплоносителем, конденсируемым в прямотрубной трубчатке при тепловом взаимодействии с кипящим хладагентом, а приемная камера - патрубок, соединенный линией с источником криптона, подаваемым при запуске колонны в работу до появления в конце захолаживания жидкости в кубе.

Недостатками известного устройства являются низкая надежность и повышенная металлоемкость. Низкая надежность обусловлена замораживанием ксенона в потоке питания при его подаче в патрубок и приемную камеру колонны, имеющей более низкую температуру (температуру кипения криптона), что приводит к прекращению подачи потока питания, последующему удалению смеси из колонны, ее отогреву и новому захолаживанию. Повышенная металлоемкость вызвана недостаточной эффективностью массобмена в протяженном контактном устройстве с одинаковым поперечным сечением концентрационной и исчерпывающей частей, а также организацией противоточной конденсации промежуточного теплоносителя в прямотрубной трубчатке, требующей большего числа труб из-за явления захлебывания.

Целью изобретения являются повышение надежности и уменьшение металлоемкости.

Поставленная цель достигается тем, что в массообменном аппарате, включающем заполненную насадкой концентрационную часть с распределителем жидкости в форме стакана (желоба) с отверстиями в днище, приемную камеру с патрубком потока питания, заполненную насадкой исчерпывающую часть, конденсатор-испаритель с полостью промежуточного теплоносителя, конденсируемого в прямотрубной трубчатке, электронагревателем куба, отличительной особенностью является то, что приемная камера дополнительно содержит участок насадки с удельной поверхностью, меньшей удельной поверхности насадки концентрационной части, оборудована обогревателем и имеет штуцер с установленным термопреобразователем, патрубок потока питания дополнительно снабжен тепловым мостом, отверстия в днище распределителя дополнительно содержат перфорированные трубчатые вертикальные вставки, исчерпывающая часть дополнительно содержит распределитель флегмы, установленный ниже приемной камеры, концентрационная и исчерпывающая части, а также приемная камера имеют различные размеры живых поперечных сечений, концентрационная и исчерпывающая части дополнительно снабжены перераспределителями, установленными по высоте на расстоянии между собой и от распределителей флегмы L=(150÷300) d экв, где d экв - эквивалентный диаметр насадки, прямотрубная трубчатка содержит по крайней мере один канал, площадь поперечного сечения которого соизмерима с суммарной площадью проходных сечений теплообменных труб трубчатки, а электронагреватель дополнительно содержит теплопроводное основание с уложенным и засыпанным теплопроводным порошком электронагревательным элементом, которое тягами, снабженными пружинами, прижато к днищу куба.

Изобретение поясняется чертежами. На фиг.1 представлена конструктивная схема предлагаемого массобменного аппарата, на фиг.2 - узел I, распределитель флегмы, на фиг.3 - узел II, приемная камера, на фиг.4 - сечение А-А приемной камеры, на фиг.5 - узел III, перераспределитель, на фиг 6 - узел IV, электронагреватель.

Массобменный аппарат (фиг.1) содержит контактное устройство, включающее концентрационную 1 и исчерпывающую 2 части, заполненные соответственно насадками 3 и 4, приемную камеру 5, конденсатор-испаритель 6, куб 7 с электронагревателем 8 и испарителем 9.

Конденсатор-испаритель 6 содержит полость 11 паров флегмы, полость 12 промежуточного теплоносителя и полость 13 хладагента. Полость 12 промежуточного теплоносителя разделена с полостью паров флегмы 11 прямотрубной трубчаткой 14, а с полостью хладагента 13 - прямотрубной трубчаткой 15. Прямотрубная трубчатка 15 содержит кроме теплообменных труб 16 по крайней мере еще один канал 17, площадь поперечного сечения которого соизмерима с суммарной площадью проходных сечений теплообменных труб 16. Каждая полость конденсатора-испарителя содержит патрубки входа и выхода рабочей среды, патрубки для подсоединения к предохранительным клапанам, штуцеры подсоединены импульсных труб для изменения давления, уровня жидкости. В полости 11 ими являются патрубок 18 входа паров флегмы и выхода флегмы, патрубок 19 выхода паро-газовой смеси, соединенный трубопроводом с верхним коллектором трубчатки 14, патрубок 20 подсоединения к предохранительному клапану, штуцер 21 подсоединения импульсной трубы для измерения давления; в полости 12 - патрубок 22 входа газообразного промежуточного теплоносителя, соединенный трубопроводом с верхним коллектором трубчатки 15, патрубок 23 выхода жидкого промежуточного теплоносителя, патрубок 24 подсоединения к предохранительному клапану, штуцер 25 измерения давления, штуцеры 26-1 и 26-2 измерения уровня; в полости 13 - патрубок 27 входа жидкого хладагента, патрубок 28 выхода паров хладагента, патрубок 29 подсоединения к предохранительному клапану, штуцер 30 измерения давления и штуцеры 31-1, 31-2 измерения уровня.

В качестве насадки контактного устройства может быть использована, например, изготовленная из проволки спирально-призматическая насадка различных (или одинаковых) размеров для исчерпывающей и концентрационной частей, характеризуемая весьма малой высотой единицы переноса (ВЕП). На концах концентрационной и исчерпывающей частей насадка ограничена сеткой 39 (фиг.2, 3). При этом свободный объем и эквивалентный диаметр сетки равны или больше аналогичных показателей для использованной насадки. Сетка 39 крепится между цилиндрическим внутренним кольцом 40, укрепленным ребрами 41, и внешним кольцом 42 (фиг.2) или между плоскими кольцами 42-1 (фиг.3) приварена к кольцам роликовой сваркой и установлена в корпусе концентрационной, исчерпывающей частей и приемной камеры.

Непосредственно над концентрационной частью 1 и над исчерпывающей частью 2 ниже приемной камеры 5 установлены распределители флегмы 10-1 и 10-2. Распределитель флегмы концентрационной части 10-1 размещен в патрубке 18 конденсатора-испарителя (фиг.2) и содержит воронку 32, к которой несколькими ребрами 33 жестко прикреплен стакан 34, плоское горизонтальное днище 35 которого имеет равномерно расположенные отверстия со вставленными изнутри и развальцованными вертикальными трубками 36, перфорированными отверстиями 37. Каждая трубка имеет козырек 38, одинаковое количество и диаметр соответствующих отверстий и их расположение по отношению к днищу 35, а площадь проходного сечения трубки превышает суммарную площадь проходных сечений изготовленных в ней отверстий. Расстояние "h" между днищем стакана 35 и сеткой 39, зазор "в" между внутренней поверхностью патрубка 18 и боковой поверхностью стакана 34, зазор "b" между воронкой 32 и верхней кромкой стакана 34, а также диаметр "d" отверстия воронки 32 определяют исходя из минимальных вертикальных размеров распределителя флегмы, но без возникновения явлений уноса паром капельной влаги или захлебывания. Распределитель флегмы 10-2 исчерпывающей части (фиг.3) имеет аналогичную конструкцию.

Приемная камера (фиг.3, 4) содержит корпус 43, соединенный с концентрационной 1 и исчерпывающей 2 частями, с патрубком 44 потока питания, патрубком 45 подвода криптона, штуцером с установленным термопреобразователем 46 и штуцером 47 отбора импульса давления, штуцером 48 подсоединения к вакуумному коллектору, штуцерам 49 подсоединения к источнику греющего газа. Патрубок 44 потока питания снабжен тепловым мостом 56 и оканчивается в полости приемной камеры защищенным сверху козырьком 51 коллектором 57 с боковыми отверстиями 50. В верхней части приемной камеры над коллектором 57 расположен участок, заполненный насадкой 52 c удельной поверхностью, меньшей удельной поверхности насадки 3 концентрационной части (например, сеткой с более крупной ячейкой). На наружной поверхности корпуса 43 расположен обогреватель 53 с патрубком 54 подвода и патрубком 55 отвода теплоносителя.

Концентрационная и исчерпывающая части снабжены одним или несколькими перераспределителями 78 (перераспределить в исчерпывающей части 2 на фиг.1 условно не показан), установленными по высоте от распределителей жидкости 10-1, 10-2 и между собой на расстоянии L=(150÷300) d экв, где d экв - эквивалентный диаметр насадки в соответствующей части. Перераспределитель (фиг.5) содержит корпус 79, сверху и снизу ограниченный сеткой 80, укрепленной вертикальными кольцами 81, 82 роликовой сваркой. Корпус 79 содержит распределитель жидкости, аналогичный описанному выше распределителю жидкости 10-1 (фиг.2). Внутренние диаметры корпуса 79, внутреннего кольца 82, а также свободный объем сетки 80 и ее эквивалентный диаметр больше или равны внутреннему диаметру концентрационной (исчерпывающей) части и соответствующим характеристикам насадки, где установлен перераспределитель.

Электронагреватель (фиг.6) содержит теплопроводное (например из алюминиевого сплава АМцС) основание 83 с ограничительным бортиком 84, к которому скобами 85 прижат по всей длине электронагревательный элемент 86 и засыпан ровным тонким слоем теплопроводного порошка 87 (например, смесью из порошка периклаза и алюминиевых цилиндриков). В свою очередь теплопроводное основание 83 по периметру тягами 88, снабженными пружинами 89, с усилием прижато к днищу куба 7.

Массообменный аппарат работает следующим образом. Контактное пространство массообменного аппарата через патрубок 48 вакуумируют, а затем через патрубок 45 сообщают с источником криптона, поддерживая давление в контактном устройстве 0,2÷0,25 МПа. Пространство промежуточного теплоносителя конденсатора-испарителя через патрубок 22 сообщают с газообразным теплоносителем, например азотом, поддерживая давление в полости промежуточного теплоносителя в этом случае 2,6÷2,7 МПа. Через патрубок 27 в конденсатор - испаритель подают хладагент, например жидкий азот, который кипит при давлении, близком к атмосферному, охлаждая и конденсируя промежуточный теплоноситель. Пары хладагента выходят через патрубок 28. При накоплении достаточного количества жидкого промежуточного теплоносителя в прямотрубной трубчатке 14 его подачу прекращают. Одновременно с захолаживанием и появлением в прямотрубной трубчатке 14 жидкого промежуточного теплоносителя начинается конденсация криптона и захолаживание контактного устройства. Холодная зона от конденсатора-испарителя постепенно опускается и достигает приемной камеры 5 с установленным в ней термопреобразователем 46. При достижении температуры, превышающей на 10-20 К температуру кристаллизации ксенона (161,3 К), подачу криптона в контактное устройство прекращают и одновременно через патрубок 44 начинают подачу потока питания, например криптоно-ксенонового концентрата, поддерживая в контактном устройстве такое же давление 0,2÷0,25 МПа и продолжая дальнейшее захолаживание. При накоплении жидкости в кубе 7 с концентрацией, соответствующей температуре ˜165÷170 К, поток питания охлаждают в испарителе 9 и подают в приемную камеру уже охлажденным. Изменяя уровень промежуточного теплоносителя в прямотрубной трубчатке и его давление, подводимую к электронагревателю мощность, массообменный аппарат выводят в требуемый режим работы. При этом состав парового потока в приемной камере близок к составу газообразного потока питания, но его температура ниже температуры кристаллизации ксенона, находящегося в составе газообразного потока питания. Поэтому исключить вымерзание ксенона в приемной камере возможно при организации контакта газообразного потока питания с орошаемой поверхностью благодаря хорошей растворимости ксенона в криптоне и более низкой температуры замерзания раствора по сравнению с температурой кристаллизации ксенона из газового потока. Такой поверхностью в приемной камере является участок насадки 52 и отчасти мокрые стенки приемной камеры и распределителя жидкости, установленного ниже приемной камеры. Меньшая удельная поверхность насадки 52 по сравнению с удельной поверхностью насадки концентрационной части 3 позволяет уменьшить колебания давления в контактном устройстве при тепловом взаимодействии неравновесных потоков.

Патрубок потока питания, соединенный через тепловой мост 56 с корпусом приемной камеры, и защищенный козырьком 51 от жидкости коллектор 57 уменьшают теплоотвод от газообразного потока питания и исключают намерзание ксенона в этих элементах.

Предложенная конструкция электронагревателя уменьшает термическое сопротивление между электронагревательным элементом и днищем куба и увеличивает его долговечность.

Обогреватель приемной камеры позволяет сократить время выхода массообменного аппарата в рабочий режим в непредвиденных случаях (например, аварийного выключения электроэнергии), когда более холодная флегма из концентрационной части стекает вниз, охлаждая приемную камеру.

Перфорированные трубчатые вертикальные вставки, установленные в отверстия днища распределителя флегмы, позволяют изменять в широких пределах нагрузку массообменного аппарата по жидкости при незначительном изменении уровня жидкости в распределителе, максимальная высота которого определяется высотой вставок.

Дополнительно установленный распределитель флегмы в исчерпывающий части, перераспределители в исчерпывающей и концентрационных частях, а также различные размеры живых поперечных сечений концентрационной и исчерпывающей частей позволяют улучшить условия массообмена в контактном устройстве, уменьшить ВЕП и металлоемкость. При этом расположение перераспределителей между собой и от распределителей флегмы по высоте на расстоянии L=(150÷300) d экв является оптимальным. Увеличение L увеличивает ВЕП, высоту аппарата и его металлоемкость за счет ухудшения массообмена, а уменьшение - за счет увеличения количества перераспределителей, которые в этом случае становятся малоэффективными.

Включение в прямотрубную трубчатку по крайней мере одного канала, площадь поперечного сечения которого соизмерима с суммарной площадью проходных сечений теплообменных труб, позволяет подводить часть пара к поверхности конденсации сверху, увеличить количество конденсата в каждой теплообменной трубе, не опасаясь захлебывания, уменьшить их количество, размеры трубчатки и металлоемкость.

Предложенные технические решения повышают надежность и уменьшают металлоемкость массообменного аппарата.

Изобретение относится к криогенной технике, в частности к устройствам разделения криптоно-ксенонового концентрата, получаемого на воздухоразделительных установках. Массообменный аппарат содержит контактное устройство, включающее концентрационную и исчерпывающую части, заполненные насадками, приемную камеру, конденсатор-испаритель, куб с электронагревателем и испарителем. Приемная камера потока питания массообменного аппарата (ректификационной колонны) дополнительно содержит участок насадки с удельной поверхностью, меньшей удельной поверхности насадки концентрационной части, снабжена обогревателем и термопреобразователем, а патрубок потока питания - тепловым мостом Концентрационная и исчерпывающая части имеют различные размеры живых поперечных сечений, содержат распределители и перераспределители флегмы, установленные по высоте друг от друга на расстоянии L=(150÷300) d экв, где d экв - эквивалентный диаметр насадки, в сливных отверстиях днищ распределителей и перераспределителей флегмы дополнительно установлены перфорированные трубчатые вертикальные вставки. Прямотрубная трубчатка конденсатора промежуточного теплоносителя содержит по крайней мере один канал, площадь поперечного сечения которого соизмерима с суммарной площадью проходных сечений теплообменных труб, а электронагреватель куба - теплопроводное основание с уложенным и засыпанным теплопроводным порошком электронагревательным элементом, прижатым тягами, снабженными пружинами, к днищу куба. Изобретение позволяет повысить надежность аппарата и уменьшить его металлоемкость. 6 ил.

Массообменный аппарат, включающий заполненную насадкой концентрационную часть с распределителем жидкости в форме стакана с отверстиями в днище, приемную камеру с патрубком потока питания, заполненную насадкой исчерпывающую часть, конденсатор-испаритель с полостью промежуточного теплоносителя, конденсируемого в прямотрубной трубчатке, электронагревателем куба, отличающийся тем, что приемная камера дополнительно содержит участок насадки с удельной поверхностью, меньшей удельной поверхности насадки концентрационной части, оборудована обогревателем и имеет штуцер с установленным термопреобразователем, патрубок потока питания дополнительно снабжен тепловым мостом, отверстия в днище распределителя дополнительно содержат перфорированные трубчатые вертикальные вставки, исчерпывающая часть дополнительно содержит распределитель флегмы, установленный ниже приемной камеры, концентрационная и исчерпывающая части, а также приемная камера имеют различные размеры живых поперечных сечений, концентрационная и исчерпывающая части дополнительно снабжены перераспределителями, установленными по высоте на расстоянии L между собой и от распределителей флегмы, где L=(150÷300)d экв, d экв - эквивалентный диаметр насадки, прямотрубная трубчатка содержит по крайней мере один канал, площадь поперечного сечения которого соизмерима с суммарной площадью проходных сечений теплообменных труб трубчатки, а электронагреватель дополнительно содержит теплопроводное основание с уложенным и засыпанным теплопроводным порошком электронагревательным элементом, которое тягами, снабженными пружинами, прижато к днищу куба.