ТЕПЛОМАССООБМЕННЫЙ АППАРАТ Российский патент 2009 года по МПК B01D3/32 B01D53/18 

Изобретение может найти применение в нефтеперерабатывающей, нефтехимической, химической и других отраслях промышленности. Эффективным может быть использование изобретения, в частности, в области производства винилароматических углеводородов, таких как стирол, альфаметил-стирол, винилтолуол, дивинилбензол, а также изопрена, бутадиена и др.

Известен скруббер с регулярной насадкой для осуществления процессов тепломассообмена, включая пылеулавливание, при противоточном движении газа и жидкости по слою насадки (В.Н.Ужов, А.Ю.Вальдберг. Подготовка промышленных газов к очистке. Москва, Издательство «Химия», 1975, стр.85). Скруббер имеет штуцер для ввода газа, расположенный в боковой стенке обечайки корпуса аппарата под слоем насадки. Недостатком указанного аппарата является низкая эффективность процессов тепломассообмена, высокое гидравлическое сопротивление и образование отложений пыли на поверхности насадки.

Известен также пенный аппарат - газопромыватель для очистки воздуха от пыли в апатитонефелиновом обогатительном производстве, включающий вертикальный прямоугольного сечения корпус, содержащий узел ввода воздуха в аппарат в виде бокового штуцера (диффузора) и расположенное над ним устройство для контактирования в виде одной перфорированной решетки (М.Е.Позин, И.П.Мухленов, Э.Я.Тарат. Пенные газоочистители, теплообменники и абсорберы, Госхимиздат, 1959, стр.47).

Известный аппарат обладает невысокой прочностью коробчатой конструкции корпуса с плоскими стенками, неравномерным распределением газового потока по поперечному сечению зоны контактирования при боковом вводе газа в аппарат и низкой эффективностью тепломассообмена.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является тепломассообменный аппарат для взаимодействия газа и жидкости, используемый для улавливания фтористого водорода из газов, отходящих от электролизеров алюминиевого производства. Известный пенный аппарат включает вертикальный цилиндрический корпус, содержащий в его верхней части патрубки для ввода жидкости и патрубок для вывода газа, а в нижней - патрубки для вывода жидкости и центральный трубопровод для ввода газа с расположенными над его верхней кромкой последовательно по ходу газа отбойником, газораспределительной решеткой и устройством для контактирования газа и жидкости в виде двух перфорированных кольцеобразных решеток (И.П.Мухленов, Э.Я.Тарат. Пенный режим и пенные аппараты. Издательство «Химия». 1977, стр.278). Аппарат содержит также расположенный в центральной части решеток распределительный короб цилиндрической формы, из которого выпуск орошающего содового раствора осуществляется в промежутке между газораспределительной решеткой и нижней перфорированной решеткой. На входе в патрубок для вывода газа установлен брызгоуловитель со сливной трубой, нижний торец которой расположен в объеме приемной коробки для ввода орошающего содового раствора.

Данный аппарат имеет более прочный корпус, что обеспечивается цилиндрической формой обечайки корпуса, лучшее распределение газа при подаче его через центральный трубопровод с отбойником и преимущество в эффективности тепломассообмена по сравнению с рассмотренным выше пенным аппаратом.

В то же время аппарат обладает следующими недостатками.

Газораспределительная решетка, установленная на все сечение аппарата, не обеспечивает необходимой равномерности распределения газового потока в зоне контактирования (в области установки кольцеобразных перфорированных решеток) в связи:

- с подачей газового потока в пристеночную зону газораспределительной решетки;

- с неравномерной подачей на газораспределительную решетку орошающей жидкости (в центральную ее часть);

- с искажением течения распределенного по всему сечению аппарата газового потока донной частью распределительного короба перед входом потока в кольцеобразную зону контактирования.

Существенная неравномерность распределения газового потока в зоне контактирования во многом определяет недостаточный уровень тепломассообмена в аппарате.

Кроме того, аппарат имеет повышенное гидравлическое сопротивление, связанное с использованием орошаемой газораспределительной решетки и комбинации из двух перфорированных решеток при соотношении их свободных сечений в области 1÷1,35.

В связи с указанными недостатками использование известного пенного аппарата в крупнотоннажных процессах, таких, например, как способ получения стирола дегидрированием этилбензола (с диаметром корпуса аппарата до шести и более метров), встречает значительные трудности.

Задачей настоящего изобретения является повышение эффективности тепломассообмена в аппарате при улучшении равномерности распределения газового потока в зоне контактирования и снижении гидравлического сопротивления.

Предлагается тепломассообменный аппарат для взаимодействия газа и жидкости, содержащий вертикальный цилиндрический корпус с патрубками для ввода жидкости и патрубком для вывода газа в его верхней части, патрубками для вывода жидкости и центральным трубопроводом для ввода газа с отбойником и устройством для контактирования газа и жидкости над ним - в его нижней части. Между верхней кромкой трубопровода для ввода газа и отбойником установлены один или несколько дисков, имеющих диаметр, равный диаметру отбойника, с центральным отверстием каждый, при этом диаметр отверстия у нижнего диска меньше диаметра трубопровода для ввода газа, а у вышерасположенных дисков диаметр отверстия меньше, чем у нижерасположенных.

Указанный отбойник может быть выполнен в форме плоского диска или в виде конуса с вершиной, направленной вверх, а также может быть перфорированным.

Диск или диски в аппарате предпочтительно устанавливать на одинаковом расстоянии от верхней кромки трубопровода для ввода газа, друг от друга и от отбойника, при этом указанное расстояние составляет:

где Н - расстояние от верхней кромки трубопровода для ввода газа до нижнего диска, расстояние между дисками, расстояние от верхнего диска до отбойника, м;

F_тр - площадь поперечного сечения трубопровода для ввода газа, м²;

- сумма диаметров отверстий дисков и диаметра трубопровода для ввода газа, м;

n=1÷5 - количество дисков;

К=0.5÷1.0 - коэффициент.

Устройство для взаимодействия газа и жидкости может быть выполнено в виде двух перфорированных кольцеобразных решеток, между которыми в центральной части расположен распределительный короб цилиндрической формы. При этом на входе в патрубок для вывода газа установлен брызгоуловитель со сливной трубой. Предпочтительно, чтобы свободное сечение нижней решетки было в 1,4÷3,5 раза больше свободного сечения верхней решетки, а отношение диаметров отбойника и распределительного короба находилось в пределах 1:0,5÷1,5.

Расстояние между решетками может составлять 0,1÷0,4 диаметра корпуса аппарата.

Нижний торец сливной трубы брызгоуловителя предпочтительно располагать в объеме распределительного короба.

Распределительный короб может быть снабжен сливной трубой, нижний торец которой расположен ниже верхней кромки трубопровода для ввода газа.

В качестве устройства для взаимодействия газа и жидкости также могут быть установлены, например, слой регулярной массообменной насадки, пакет решеток, пакет тарелок или сочетание решеток и насадок. При этом над устройством располагают распределитель жидкости, соединенный с патрубками для ввода жидкости.

Расстояние между отбойником и устройством для взаимодействия газа и жидкости предпочтительно может составлять 1÷0,4 диаметра корпуса аппарата.

Предлагаемый тепломассообменный аппарат для взаимодействия газа и жидкости может быть использован в различных процессах нефтехимической, химической промышленности, например в процессе производства стирола дегидрированием этилбензола.

На фиг.1 изображена схема одного из вариантов заявляемого аппарата - пенного аппарата для охлаждения и очистки контактного газа от катализаторной пыли и отпарки углеводородов из водного конденсата в процессе получения стирола дегидрированием этилбензола.

Аппарат имеет вертикальный цилиндрический корпус 1, центральный трубопровод для ввода газа 2 с расположенными над его верхней кромкой 3 последовательно по ходу газа осесимметрично корпусу аппарата дисками с центральными отверстиями 4 и 5, отбойником 6, перфорированными кольцеобразными решетками 7 и 8. Пространство между верхней кромкой центрального трубопровода ввода газа и отбойником делится дисками на три камеры 9, 10 и 11. Аппарат содержит также расположенный в центральной части решеток распределительный короб цилиндрической формы 12 с верхней кромкой 13 для перелива жидкости с верхней решетки. На входе в патрубок для вывода газа 14 установлен брызгоуловитель 15 со сливной трубой 16, нижний торец которой 17 расположен в объеме распределительного короба. Распределительный короб снабжен сливной трубой 18, нижний торец которой 19 расположен ниже уровня жидкости в кубовой части аппарата. Аппарат имеет штуцера 20 для ввода жидкости, кольцеобразную приемную коробку 21 с кольцевым переливным порогом 22 на верхней решетке, штуцера 23 для измерения уровня жидкости в кубовой части аппарата, штуцер 24 для слива жидкости, штуцер 25 для вывода жидкости из аппарата и люки 26 для чистки и ремонта аппарата.

Контактный газ поступает в аппарат через трубопровод 2, делится двумя дисками 4, 5 и отбойником 6 на три радиально направленных потока. В связи с тем что давление перед дисками в камерах соответственно 9, 10 и 11 отличается друг от друга (последовательно падает), скорость истечения газовых потоков из нижерасположенных камер выше, чем скорость истечения из вышерасположенных камер. В связи с этим нижний поток вытекает в расположенную на большем расстоянии пристеночную зону аппарата, а верхний - в его центральную часть. Указанные потоки не пересекаются, формируются в осевом направлении в кольцевом пространстве и поступают равномерно в кольцевое же пространство между двух перфорированных решеток, что в конечном итоге обеспечивает равномерность распределения газового потока в этой зоне. Пройдя последовательно перфорированные решетки 7 и 8, контактный газ через брызгоуловитель 15 и трубопровод 14 направляется на стадии конденсации и выделения стирола. Полученный на стадии конденсации водный конденсат направляется в предлагаемый тепломассообменный аппарат через штуцера 20 и кольцеобразную приемную коробку 21. Поток водного конденсата равномерно орошает верхнюю перфорированную решетку 8 через кольцевой переливной порог 22 на периферии решетки, проходит решетку в радиальном направлении, перекрестно потоку контактного газа, и через сливной порог, образуемый верхней кромкой 13 распределительного короба 12, сливную трубу 18, поступает под уровень слоя водного конденсата в кубовой части аппарата, откуда через штуцер 25 направляется на очистку и использование в процессе дегидрирования этилбензола.

Верхняя перфорированная решетка 8 работает в пенном режиме, т.е. при интенсивной турбулизации газожидкостной системы с превращением ее в подвижную нестабильную, но динамически устойчивую пену за счет кинетической энергии газа. В заявляемом диапазоне соотношения свободного сечения нижней и верхней решеток (1,4÷3,5) при заявляемом расположении сливных труб брызгоуловителя и распределительного короба верхняя решетка работает в непровальном по жидкости режиме, а нижняя решетка 7 остается «сухой» и работает как распределительная для газа. Такая комбинация режимов работы решеток при расстоянии между решетками 0,1÷0,4 от диаметра корпуса аппарата и при соотношении диаметров отбойника и распределительного короба 0,5÷1,5 обеспечивает увеличение равномерности распределения потоков в зоне контактирования и высокий уровень тепломассообмена при низком перепаде давления на решетках в заявляемом варианте тепломассообменного аппарата.

Для достижения более равномерного распределения газового потока в сечении аппарата расстояния от верхней кромки трубопровода 3 для ввода газа до нижнего диска 4 между дисками 4 и 5 и от верхнего диска 5 до отбойника 6 могут быть выполнены одинаковыми. Определение величины этого расстояния по указанному выше соотношению для расчета расстояния Н производится с учетом соблюдения требования деления газового потока, вытекающего из трубопровода для ввода газа, на три равных потока, направляемых в камеры 9, 10 и 11. Указанное требование выполняется путем обеспечения равенства площади центрального отверстия верхнего диска 5 и площадей колец условно образуемых в проекции вдоль оси аппарата (вдоль потока газа) окружностями центральных отверстий верхнего и нижнего диска, а также центрального отверстия нижнего диска и трубопровода для ввода газа. При этом площадь центрального отверстия верхнего диска F₁=1/3 F_тр, а нижнего диска F₂=2/3 F_тр и соответственно диаметры центральных отверстий указанных дисков составят 0,577 и 0,816 от диаметра трубопровода для ввода газа.

Так, например, при диаметре трубопровода, равном 1,4 м (F_тр=0,785·1,4²=1,54 м²), диаметр центрального отверстия верхнего диска составит ˜ 0,577·1,4=0,81 м, а для нижнего диска ˜ 0,816·1,4=1,14 м. При этом расстояние Н (в соответствии с указанным выше соотношением для расчета) составит: 0,72·1,54/1,4+1,14+0,81=0,33 м.

Увеличение количества (n) устанавливаемых дисков свыше 5 неоправданно усложняет конструкцию. В то же время уменьшение коэффициента К в приведенном соотношении для расчета до величины меньше 0,5 приводит к неоправданному увеличению гидравлического сопротивления аппарата, а увеличение К свыше 1,0 приводит к чрезмерному увеличению габаритов и металлоемкости аппарата.

Эффективность заявляемого тепломассообменного аппарата в вариантах оформления с использованием в качестве устройства для взаимодействия газа и жидкости слоя регулярной массообменной насадки, пакета решеток, пакета тарелок или комбинации решеток и насадок также увеличивается за счет существенного улучшения распределения газовых потоков.

На фиг.2 представлен вариант использования заявляемого тепломассообменного аппарата в технологической схеме процесса получения стирола дегидрированием этилбензола. В таблице приведен материальный баланс тепло-массообменного аппарата, демонстрирующий эффективность работы аппарата в процессе. Технология предусматривает дегидрирование этилбензола в присутствии водяного пара в реакторной системе 27, использование тепла контактного газа в котле-утилизаторе 28 с выработкой водяного пара, используемого в процессе дегидрирования, охлаждение и очистку контактного газа от катализаторной пыли и отпарку углеводородов из водного конденсата процесса в тепломассообменном аппарате 29. Схема содержит также узел конденсации 30, из которого полученный водный конденсат направляется на орошение тепломассообменного аппарата 29, в котором контактный газ охлаждается со 180÷250°С до 70÷90°С за счет испарения части водного конденсата, очищается от катализаторной пыли при гидравлическом сопротивлении аппарата не более 300÷500 мм водяного столба. Одновременно производится отпарка углеводородов, содержащихся в исходном водном конденсате. Отпаренные углеводороды возвращаются в контактный газ, а водный конденсат, содержащий минимальное количество примесей (см. поток из ап.29 в ап.31 в таблице), направляется на узел очистки водного конденсата 31 для подготовки его к повторному использованию в процессе. Двухступенчатая очистка конденсата в предлагаемом тепломассообменном аппарате 29 и в узле 31, например, методами фильтрации конденсата от уловленной пыли и последующей ректификации конденсата в присутствии экстрагента (бензол-толуольной фракции) позволяет получить чистоту водного конденсата (см. поток из ап.31 в ап.28 и в систему водооборота в таблице), достаточную для использования его в качестве питания котлов-утилизаторов с получением вторичного водяного пара, направляемого на разбавление при дегидрировании этилбензола.

Углеводородная часть сконденсированных в узле конденсации 30 продуктов направляется на узел выделения и очистки стирола 32.

Углеводородная часть сконденсированных в узле конденсации 30 продуктов направляется на узел выделения и очистки стирола 32.

ТаблицаМатериальный баланс тепломассообменного аппарата.Наименование компонентаКонтактный газ, кг/чВодный конденсат, кг/чВходВыходВходВыходС узла очистки водного конденсатаНаименование потокаИз ап.28 в ап.29Из ап.29 в ап.30Из ап.30 в ап.29Из ап.29 в ап.31Из ап.31 в ап.28 и в систему водооборотаВодород348348   Метан4646   Этилен2222   Диоксид углерода374374   Бензол181259791 Толуол517556402 Парафины220  Этилбензол11655116711710.1Стирол1716317191290.570.1Ксилолы1515   А-метилстирол99   Тяжелый остаток4747   Итого3037930540165,274.570.2Водяной пар (вода)56846,56177462427,7257500,2257500Всего87225,59231462592,9957504,7957500,2

Аппарат предназначен для взаимодействия газа и жидкости и может быть использован для охлаждения и очистки контактного газа от катализаторной пыли и отпарки углеводородов из водного конденсата в процессе производства стирола дегидрированием этилбензола. В цилиндрическом корпусе в верхней части расположены патрубки для ввода жидкости и вывода газа, в нижней части - патрубки для вывода жидкости и центральный трубопровод для ввода газа. Над последним установлены отбойник, затем один или несколько дисков и устройство для взаимодействия газа и жидкости. Диски выполнены с центральным отверстием каждый. Диаметр отверстия у нижнего диска меньше диаметра трубопровода для ввода газа. У вышерасположенных дисков диаметр отверстия меньше, чем у нижерасположенных. Диски имеют диаметр, равный диаметру отбойника. За счет улучшения распределения газового потока по диаметру аппарата возрастает эффективность тепломассообмена. 11 з.п. ф-лы, 2 ил., 1 табл.

1. Тепломассообменный аппарат для взаимодействия газа и жидкости, содержащий вертикальный цилиндрический корпус с патрубками для ввода жидкости и патрубком для вывода газа в его верхней части, патрубками для вывода жидкости и центральным трубопроводом для ввода газа с отбойником и устройством для взаимодействия газа и жидкости над ним - в его нижней части, отличающийся тем, что между верхней кромкой трубопровода для ввода газа и отбойником установлены один или несколько дисков, имеющих диаметр, равный диаметру отбойника, с центральным отверстием каждый, при этом диаметр отверстия у нижнего диска меньше диаметра трубопровода для ввода газа, а у вышерасположенных дисков диаметр отверстия меньше, чем у нижерасположенных.2. Аппарат по п.1, отличающийся тем, что отбойник выполнен в форме плоского диска или в виде конуса с вершиной, направленной вверх.3. Аппарат по п.2, отличающийся тем, что отбойник выполнен перфорированным.4. Аппарат по п.1, отличающийся тем, что диски установлены на одинаковом расстоянии от верхней кромки трубопровода для ввода газа, друг от друга и от отбойника, при этом указанное расстояние составляет:

где Н - расстояние от верхней кромки трубопровода для ввода газа до нижнего диска, расстояние между дисками, расстояние от верхнего диска до отбойника;

F_тр - площадь поперечного сечения трубопровода для ввода газа, м²;

- сумма диаметров отверстий дисков и диаметра трубопровода для ввода газа, м;

n=(1÷5) - количество дисков;

К=(0.5÷1.0) - коэффициент.