Перекрестная ссылка на родственные заявки
Настоящая заявка согласно 35 U.S.С., § 119 (е) притязает на приоритет предварительной заявки №60/828900, поданной 10 октября 2006 г., полное описание которой специально включено в настоящее описание путем ссылки на него.
Область изобретения
Настоящее изобретение общим образом относится к массообменным устройствам, предназначенным для применения в химических процессах, и к массообменным реакторам и колоннам, более частным образом к элементам нерегулярной насадки, предназначенным для применения в подобных реакторах и колоннах. Настоящее изобретение также относится к способам изготовления и применения подобных элементов нерегулярной насадки.
В газожидкостных или жидкостных контактных башнях или колоннах для создания поверхности массообмена между текучей средой, стекающей вниз, обычно в виде потока жидкости, и текучей средой, поднимающейся вверх, обычно в виде потока газа, пара или другой жидкости, обычно применяют элементы нерегулярной или насыпной насадки. Элементы нерегулярной насадки могут быть использованы во многих химических процессах и процессах обработки, в том числе, например, при ректификации, отгонке, фракционировании, абсорбции, сепарации, промывке, экстракции или в любом другом химическом процессе, при теплообмене или в процессах обработки. Отдельные элементы нерегулярной насадки обычно имеют определенную геометрическую форму и сконструированы так, чтобы их характеристики при заданной площади поверхности массообмена были максимальными. Поскольку элементы нерегулярной насадки обычно загружаются навалом или случайным образом укладываются внутрь корпуса колонны с получением слоя насадки с произвольной ориентацией, для отдельных элементов нерегулярной насадки желательно наличие как высокой эффективности массообмена, так и высокой гидравлической производительности при принятии различных вращательных ориентаций внутри слоя насадки.
Элементы нерегулярной насадки, известные в уровне техники, являются разнообразными по форме и материалам. Обычно элементы нерегулярной насадки конструируют из металла, материалов наподобие керамики, пластмасс, стекла и т.п. Обычно элементы нерегулярной насадки имеют форму цилиндров, дуг или "седел" или другую форму, отличную от изогнутой, в том числе сферическую, тороидальную и т.п. Одним из недостатков элементов нерегулярной насадки, известных в уровне техники, является то, что характеристики элемента часто сильно зависят от его конфигурации и ориентации по отношению к направлению течения потока текучей среды сквозь элемент, находящийся внутри слоя насадки. Например, кольца Палля представляют собой хорошо известный тип цилиндрической насадки и имеют множество щелевых стенок и внутренних "язычков" или выступов. Если рассматривать кольцо Палля со стороны продольной оси, оно создает очень небольшую поверхность для массообмена, однако если рассматривать его перпендикулярно указанной оси, площадь поверхности элемента оказывается очень большой. Вследствие указанного различия площадь поверхности, доступной для контакта пар/жидкость или жидкость/жидкость, изменяется в зависимости от ориентации элемента, что в конечном счете затрагивает его характеристики. Кроме того, большая площадь поверхности в направлении, перпендикулярном продольной оси кольца Палля, является недостатком, поскольку она стремится к "экранированию" непосредственно соседствующих с данным колец или ослабляет поток текучей среды сквозь них в направлении нисходящего потока.
Элемент нерегулярной насадки, обладающий более равномерным распределением площади поверхности по всему его объему, описан в патенте США №5112536 (также называемом в настоящем описании "патент-536"). Описанный в нем седлообразный элемент нерегулярной насадки включает в себя чередующиеся внутренние и внешние изогнутые реберные элементы, образующие его внутренний объем. Хотя элемент насадки, описанный в патенте-536, предусматривает улучшение характеристик по сравнению с другими элементами нерегулярной насадки, известными в уровне техники, существуют ограничения, способные ухудшить его характеристики. Например, кривизна элемента насадки, описанного в патенте-536, приводит к тому, что внутренние реберные элементы располагаются вблизи друг от друга на одной и той же изогнутой поверхности, что ограничивает пути течения потоков текучих сред, проходящих сквозь элемент. Кроме того, поскольку реберные элементы элемента насадки, предложенного в патенте-536, обычно являются выровненными по центру в продольном направлении, первый реберный элемент, который встречает поток текучей среды, обычно экранирует остальные реберные элементы от контакта с жидкостью.
Подобный эффект экранирования может снижать эффективность массообмена путем снижения эффективной площади поверхности элемента, доступной для массо- и/или теплообмена.
Другой тип элемента нерегулярной насадки описан в патенте США №5882772. В указанном патенте предусмотрен элемент из множества отдельных полос; полосы, в целом имеющие синусоидальную форму, находятся между соединительными участками, имеющими вид плоских внешних перемычек. Сходный элемент нерегулярной насадки описан в патенте США №5543088, согласно которому между плоскими концевыми перемычками находится множество полос. В обоих указанных патентах отдельные полосы соединены между собой в средних точках, вследствие чего образуется участок, на котором полосы расположены тесно и сквозь который затрудняется прохождение газа. Кроме того, подобные элементы насадки должны быть изготовлены из материала, имеющего толщину и прочность, достаточные для сопротивления деформациям плоских внешних перемычек или соединительных участков. Для элемента нерегулярной насадки желательной является наличие конфигурации, стойкой к деформациям при использовании материалов относительно меньшей толщины.
Поэтому существует потребность в элементе нерегулярной насадки, сохраняющем высокую эффективность массообмена и высокую гидравлическую производительность при принятии многих различных вращательных ориентаций внутри слоя насадки. Элемент насадки предпочтительно должен обладать легкостью изготовления при небольшом количестве или отсутствии отходов и обладать конфигурацией, более устойчивой к типу деформации, описанному выше.
Краткое описание изобретения
Одной из задач настоящего изобретения является создание седлообразного элемента нерегулярной насадки, в целом обладающего равномерно распределенным свободным объемом при принятии различных вращательных ориентаций по отношению к направлению потока текучей среды, падающего на элемент насадки. Седлообразный элемент согласно настоящему изобретению содержит пару разнесенных в боковом направлении удлиненных изогнутых боковых элементов, которые могут включать в себя радиальные вертикальные выступы. Боковые элементы совместно образуют продольную ось элемента насадки по изобретению. Кроме того, элемент насадки содержит множество внутренних и внешних изогнутых реберных элементов, выходящих из боковых элементов и проходящих между ними и совместно образующих внутренний объем элемента насадки. Внутренние и/или внешние реберные элементы могут быть выровненными или поочередно смещенными относительно продольной оси элемента насадки. Внешние реберные элементы могут обладать шириной, одинаковой с шириной внутренних реберных элементов или превышающей ее не более чем вдвое либо более чем вдвое. Общее количество внутренних и внешних реберных элементов может находиться в интервале от около 3 до около 20. Использование термина "изогнутый" в описании реберных элементов имеет целью охватить как реберные элементы, обладающие изогнутой формой, так и реберные элементы, образованные из нескольких прямых линий, в том числе реберные элементы, обладающие V-образной формой, или из сочетаний кривых и прямых линий.
Седлообразный элемент нерегулярной насадки согласно настоящему изобретению также содержит, по меньшей мере, один реберный элемент, обладающий меньшей высотой по сравнению с внутренними и внешними реберными элементами и расположенный между последовательно лежащими внутренними и/или внешними реберными элементами. Реберный элемент меньшего размера включает в себя по меньшей мере одну точку капания и по меньшей мере частично находится во внутреннем объеме элемента насадки. Реберные элементы меньшего размера могут быть по меньшей мере частично непрерывными либо по меньшей мере один реберный элемент является прерывным с образованием двух коротких сегментов реберных элементов, каждый из которых обладает свободным концом. Сегменты реберных элементов могут быть расположены независимо, в том числе обладать кривизной в противоположных радиальных направлениях или в одном радиальном направлении.
Согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения, по меньшей мере около 20 процентов общей площади поверхности элемента нерегулярной насадки находится во внутреннем объеме. По сравнению с элементами нерегулярной насадки, известными в уровне техники, форма и конфигурация элемента согласно изобретению повышает эффективность массообмена путем создания более равномерного распределения площади поверхности и наличия меньших ограничений для путей протекания текучей среды при принятии элементом насадки различных вращательных ориентаций внутри слоя насадки в реакторе или колонне.
Другой задачей настоящего изобретения является создание массообменного слоя и содержащих его реактора или колонны, в которых с целью создания зоны, в которой может происходить массо- и/или теплообмен между потоками текучих сред, в большей частью случайной ориентации расположено множество описанных выше элементов нерегулярной насадки.
Краткое описание чертежей
В приложенных чертежах, являющихся частью настоящего описания и предназначенных для чтения совместно с ним, одни и те же ссылочные позиции употребляются для обозначения одних и тех же деталей на различных видах.
Фиг.1 представляет собой вид сбоку одного из вариантов осуществления элемента нерегулярной насадки согласно настоящему изобретению.
Фиг.2 представляет собой вид сверху элемента нерегулярной насадки, показанного на фиг.1, в немного увеличенном масштабе по сравнению с фиг.1.
Фиг.3-13 представляют собой различные проекции элемента нерегулярной насадки, показанного на фиг.1 и 2.
Фиг.14-26 представляют собой различные проекции другого варианта осуществления элемента нерегулярной насадки, сконструированного в соответствии с настоящим изобретением.
Фиг.27 представляет собой фрагмент схематического разреза колонны или реактора, содержащего слой насадки, образованный из элементов нерегулярной насадки согласно настоящему изобретению.
Подробное описание изобретения
Далее приводится более подробное описание чертежей, вначале фиг.1-13; один из вариантов осуществления соответствующего настоящему изобретению элемента нерегулярной насадки, в целом имеющего седлообразную форму, всюду обозначается цифрой 10. Элемент насадки 10 содержит изогнутый контур 11, имеющий форму сегмента тора. Изогнутый контур 11 может составлять примерно от 5 до примерно 50 процентов или от 10 до 25 процентов объема тора. В частном варианте осуществления, показанном на чертежах, изогнутый контур 11 элемента насадки 10 составляет примерно 25% от объема полного тора.
Элемент насадки 10 содержит пару разнесенных в боковом направлении удлиненных, в основном, параллельных изогнутых боковых элементов 12 и 14. Боковые элементы 12 и 14, возможно, но предпочтительно имеют радиальные вертикальные выступы 16 и 18, образующие два желоба 20 и 22, служащие каналами для протекания жидкости вдоль поверхности элемента насадки 10 в направлении продольных концов изогнутого контура 11 элемента насадки 10. Изогнутая конфигурация боковых элементов 12 и 14 и выступов 16 и 18 позволяет получить конфигурацию, являющуюся стойкой к деформациям, что позволяет использовать менее дорогие и более тонкие материалы по сравнению с некоторыми элементами нерегулярной насадки, известными в уровне техники. В дополнение к или в качестве альтернативы выступающим элементам 16 и 18 боковые элементы 12 и 14 могут быть упрочнены путем профилирования с приданием синусоидального или другого волнистого профиля либо другими способами.
Элемент нерегулярной насадки 10 также включает в себя множество внутренних и внешних изогнутых реберных элементов, всюду обозначенных цифрами 24 и 26 соответственно. Реберные элементы 24 и 26 обычно выходят из боковых элементов 12 и 14 и проходят между ними по всей длине изогнутого контура 11 элемента насадки 10. Противоположные концы реберных элементов 24 и 26 составляют единое целое с боковыми элементами 12 и 14 соответственно или, в другом случае, соединены с ними. В смысле, использованном в настоящем описании, термин "внешний реберный элемент" означает реберный элемент, целиком проходящий в направлении, выступающем во внешнюю сторону от радиуса изогнутого контура 11 элемента насадки. В смысле, использованном в настоящем описании, термин "внутренний реберный элемент" означает реберный элемент, целиком проходящий в направлении, выступающем внутрь к радиусу изогнутого контура 11 элемента насадки. Каждый из внешних и/или внутренних реберных элементов 24 и 26 может целиком проходить вовне и/или соответственно внутрь вдоль радиуса изогнутого контура 11 элемента насадки. В другом варианте осуществления часть внутренних и/или внешних реберных элементов 24 и 26 или все они могут проходить под углом к радиусу. Стрелками 27а и 27b всюду обозначены направления к радиусу и от радиуса элемента насадки 10, показанного на фиг.1. Общее количество внутренних и внешних реберных элементов 24 и 26 обычно может составлять примерно от 3 примерно до 20 или от 5 до 17. В изображенном на указанных чертежах варианте осуществления элемента насадки 10 имеются четыре внутренних реберных элемента 24 и пять внешних реберных элементов 26.
Как показано на фиг.1-13, внутренние и внешние реберные элементы 24 и 26 образуют внутренний объем 28, в целом ограниченный кривыми линиями и находящийся внутри изогнутого контура 11 между, над и под боковыми элементами 12 и 14. Размер, форма и ориентация внутренних и внешних дугообразных реберных элементов 24 и 26 могут частично повысить степень доступности внутреннего объема для прохождения пара и/или жидкости. Согласно одному из вариантов осуществления, внутренние и внешние дугообразные реберные элементы 24 и 26 проходят в основном радиальном направлении и имеют в основном одинаковую высоту.
Реберные элементы 24 и 26 могут быть выровненными по центру в продольном направлении или, предпочтительно, поочередно смещены относительно центральной продольной оси 30 изогнутого контура, что лучше всего показано на фиг.2. Подобное различие в положениях создает точки контакта пар/жидкость в отличие от реберных элементов, выровненных по центру, создающих плоскость контакта текучих сред. Кроме того, различие в положениях служит для открытия пути продольного течения текучей среды сквозь внутренний объем 28 изогнутого контура 11 элемента насадки 10 путем сведения к минимуму эффекта экранирования, имеющего место вследствие последовательного выравнивания реберных элементов по центру. Кроме того, различие в положениях относительно продольной оси может снизить тенденцию одного или нескольких реберных элементов одного элемента нерегулярной насадки 10 к внедрению внутрь одного или нескольких реберных элементов других элементов нерегулярной насадки 10 в насыпном слое насадки (явление, часто называемое "гнездованием"). Гнездование снижает эффективность массообмена и может приводить к образованию каналов для жидкости и пара внутри слоя насадки.
Ширина каждого внутреннего реберного элемента 24 и каждого внешнего реберного элемента 26 может быть выбрана независимо для достижения необходимых характеристик в конкретных областях применения. Например, ширина внешнего реберного элемента 28 может быть строго идентичной ширине внутренних реберных элементов 24, превосходить ее не более чем вдвое или более чем вдвое. Вследствие кривизны изогнутого контура элемента насадки 10 внутренние дугообразные реберные элементы 24 находятся ближе друг к другу, поскольку они проходят внутрь в сторону радиуса, что лучше всего показано на фиг.1. Поэтому более узкие внутренние дугообразные реберные элементы 24 могут свести к минимуму ограничения путей протекания для потоков текучих сред, протекающих сквозь элемент насадки 10 в направлении от радиуса, обозначенном стрелкой 27b. Как лучше всего видно из фиг.1, внутренние реберные элементы 24, расположенные дальше от краев изогнутого контура 11, могут иметь меньшую ширину, чем внутренние реберные элементы 24, расположенные ближе к краям, вследствие чего между внутренними реберными элементами 24 образуется больше открытого пространства. Кроме того или в другом варианте осуществления, с целью создания больших промежутков между соседними внутренними реберными элементами 24 количество внутренних реберных элементов 24 может быть снижено и/или внутренние реберные элементы могут быть отогнуты в сторону от радиального направления.
Например, ширина внутреннего дугообразного реберного элемента 24 может независимо от остальных реберных элементов составлять более примерно одного миллиметра (мм), более примерно 1,5 мм или более 2 мм. Ширина внешних дугообразных реберных элементов 26 может независимо от остальных реберных элементов составлять менее примерно 5 мм, менее примерно 4,5 мм или менее 4 мм, что позволяет избежать образования застойных зон с низким массообменом на внутренних или лежащих ниже вдоль потока сторонах чрезмерно широких реберных элементов. Подобные застойные зоны в общем случае являются нежелательными, поскольку они снижают эффективность массопереноса элемента нерегулярной насадки 10.
Элемент насадки 10 также содержит один или несколько реберных элементов 32 меньшего размера, высота которых является меньшей высоты внутренних и внешних реберных элементов 24 и 26. Реберные элементы 32 меньшего размера располагаются в продольном направлении между последовательно расположенными чередующимися внутренними и внешними реберными элементами 24 и 26 и, согласно одному из вариантов осуществления, соединены противоположными концами с боковыми элементами 12 и 14. В другом варианте осуществления один или оба конца одного или нескольких реберных элементов 32 меньшего размера могут быть соединены с соседним реберным элементом 32, 24 или 26, а не с боковыми элементами 12 и 14. Реберные элементы 32 меньшего размера по меньшей мере частично находятся во внутреннем объеме 28 изогнутого контура 11 элемента насадки 10, что позволяет более равномерно распределить поверхность массообмена по объему элемента насадки 10. Обычно во внутреннем объеме 28 изогнутого контура 11 элемента насадки 10 находится по меньшей мере 20 процентов, по меньшей мере 40 процентов или по меньшей мере 50 процентов общей площади поверхности элемента насадки 10. В варианте осуществления, изображенном на указанных чертежах, во внутреннем объеме 28 находится приблизительно 38 процентов общей площади поверхности элемента нерегулярной насадки 10.
Реберные элементы 32 меньшего размера могут независимо друг от друга быть непрерывными, прерывными или представлять собой любое сочетание таковых и быть изогнутыми любым способом или иметь любую форму. Согласно одному из вариантов осуществления, один или несколько реберных элементов меньшего размера могут быть непрерывными и изогнутыми, например, в форме синусоидальной волны с одним или несколькими максимумами и впадинами, приводящими к образованию точек капания во внутреннем объеме 28, ограниченном изогнутым контуром. В смысле, использованном в настоящем описании, термин "точка капания" означает любой непрерывный или прерывный край или точку, с которой может падать или капать жидкость. Точки капания вызывают падение жидкости с них с образованием небольших капель, что облегчает контакт с паром и, таким образом, повышает эффективность массообмена.
Согласно другому варианту осуществления, один или несколько реберных элементов 32 меньшего размера могут быть перерезаны и сделаны прерывными с образованием двух сегментов реберных элементов 34а и 34b, которые могут быть независимо ориентированы во внутреннем объеме 28 элемента насадки 10. Например, сегменты 34а и 34b реберных элементов могут в целом сохранять форму синусоидальной волны, однако их свободные концы могут быть смещены с образованием разделенных между собой точек капания. В другом примере сегменты 34а и 34b реберных элементов могут быть отогнуты в одном и том же направлении относительно радиуса с образованием зеркальных отображений друг друга в проекции на радиальную плоскость, проходящую между сегментами реберных элементов.
Ширина реберных элементов 32 меньшего размера может быть идентичной ширине внутренних и внешних реберных элементов 24 и 26, проходящих в том же направлении относительно радиуса, или отличаться от нее. В элементе насадки 10, изображенном на указанных чертежах, каждый реберный элемент 32 меньшего размера обладает примерно той же шириной, что и два внутренних реберных элемента 24, наиболее удаленных от краев изогнутого контура 11.
Количество и расположение внутренних и внешних реберных элементов 24 и 26 и реберных элементов 32 меньшего размера в продольном направлении элемента насадки 10 может изменяться в зависимости от конкретных областей применения. Предпочтительно реберные элементы 24, 26 и 32 остаются отделенными промежутками от соседних реберных элементов 24, 26 и 32 по всей своей длине, за исключением их концов, вследствие чего элемент насадки 10 обладает более открытой конфигурацией, уменьшающей возможность экранирования необходимого протекания жидкости сквозь элемент насадки 10. С целью снижения возможности сцепления сегментов 34а и 34b реберных элементов одного элемента насадки 10 с реберными элементами 24, 26, 32 или сегментами 34а и 34b реберных элементов другого элемента насадки 10 в общем случае необходимо, чтобы сегменты 34а и 34b реберных элементов не находились на том или ином продольном конце элемента насадки 10. Поэтому сегменты 34а и 34b реберных элементов предпочтительно располагаются в отдалении от продольных концов элементов насадки так, чтобы их экранировали реберные элементы 24, 26 или 32, расположенные по краям элемента насадки 10.
В варианте осуществления элемента насадки 10, изображенном на указанных чертежах, каждый реберный элемент 32 меньшего размера расположен между парой, состоящей из внутреннего реберного элемента 24 и внешнего реберного элемента 26. Естественно, является возможным независимое расположение реберных элементов 32 меньшего размера между двумя внешними реберными элементами 26, между двумя внутренними реберными элементами 24 или между любой парой реберных элементов, образованной сочетанием реберных элементов 32, внутренних реберных элементов 24 и внешних реберных элементов 26. В варианте осуществления элемента насадки 10, изображенном на указанных чертежах, по краям элемента насадки 10 находятся внутренние реберные элементы 24; между чередующимися внутренними реберными элементами 24 и внешними реберными элементами 26 находятся четыре реберных элемента 32 меньшего размера, причем два расположенных по центру реберных элемента 32 меньшего размера являются разрезанными с образованием имеющих одинаковую длину сегментов 34а и 34b реберных элементов. Количество и расположение различных реберных элементов 24, 26, 32, 34а и 34b может изменяться в зависимости от конкретной области применения.
Другой вариант осуществления элемента насадки согласно настоящему изобретению показан на фиг.14-26 и всюду обозначен цифрой 110. Элемент насадки 110 является сходным с элементом насадки 10; для обозначения сходных между ними деталей применяются те же цифровые обозначения с цифрой "1" в виде приставки.
Элемент насадки 110 содержит изогнутый контур 111, имеющий форму сегмента тора. Изогнутый контур 111 занимает приблизительно 15% объема тора. Элемент насадки 110 включает в себя изогнутые боковые элементы 112 и 114, содержащие выступающие элементы 116 и 118 соответственно, образующие желоба 120 и 122, являющиеся каналами для стока жидкости к продольным концам изогнутого контура 111.
На каждом продольном конце изогнутого контура 111 расположен внутренний дугообразный реберный элемент 124; внешние дугообразные реберные элементы расположены в промежуточных положениях вдоль боковых элементов 112 и 114. Внутренние реберные элементы 124 целиком проходят в направлении к радиусу, обозначенном стрелкой 127а; внешние реберные элементы 126 проходят в направлении от радиуса, обозначенном стрелкой 127b. Внутренние и внешние реберные элементы 124 и 126 образуют внутренний объем 128, полностью ограниченный кривыми линиями и обладающий проходящей по центру продолной осью 130.
Между парами, состоящими из соседних внутреннего реберного элемента 124 и внешнего реберного элемента 126, расположены четыре реберных элемента 132 меньшего размера. Каждый из двух наиболее удаленных от краев реберных элементов 132 меньшего размера является прерывным и образует сегменты реберных элементов 134а и 134b. Сегменты 134а и 134b реберных элементов и реберные элементы 124, 126 и 132 могут быть сконструированы, расположены и ориентированы аналогично описанному выше для соответствующих деталей элемента насадки 10. В варианте осуществления, изображенном на указанных чертежах, во внутреннем объеме 128 находится примерно 36 процентов общей площади поверхности элемента нерегулярной насадки 110. Реберные элементы 124, 126 и 132 предпочтительно расположены на расстоянии от соседних реберных элементов 124, 126 и 132 по всей их длине, за исключением соответствующих концов, вследствие чего элемент насадки 110 обладает более открытой конфигурацией, снижающей возможность экранирования необходимого потока текучих сред сквозь элемент насадки 110.
Элементы нерегулярной насадки 10 и 110, соответствующие настоящему изобретению, могут быть изготовлены из различных материалов, в том числе, например, керамики, пластмассы или металла. Элементы нерегулярной насадки 10 и 110 могут быть подвергнуты упрочнению путем наклепа, текстурирования по меньшей мере части поверхности элемента, профилирования по меньшей мере части поверхности элемента с образованием углублений на одной стороне или на обеих сторонах по меньшей мере части элемента или профилирования различных реберных элементов 124, 126 и 132 с получением изогнутого поперечного сечения реберных элементов, что показано на чертежах элемента насадки 110. Кривизна поперечного сечения предпочтительно достаточно сильно распространяется на боковые элементы 112 и 114 с целью получения структуры, служащей для разрывания потока жидкости вдоль желобов 120 и 122 и его перенаправления на реберные элементы 124, 126 и 132 вместо протекания до краев элемента насадки 110. В желобах 120 или 122 для достижения тех же целей могут быть расположены впадины или другие структуры, служащие для разрывания потока. Такая же конструкция может быть применена в отношении элемента насадки 10.
Элементы нерегулярной насадки 10 и 110 могут быть изготовлены с применением различных технологий. Согласно одному из вариантов осуществления, элементы нерегулярной насадки, соответствующие настоящему изобретению, могут быть изготовлены способом, описанным в патенте США №5112536, включенном в настоящее описание путем ссылки, согласно которому элементы насадки формуют из цельного плоского листа материала и внутренние, внешние реберные элементы и реберные элементы меньшего размера вместе с боковыми элементами образуют практически всю совокупность поверхности листового материала.
В соответствии с фиг.27, множество элементов нерегулярной насадки 10 и 110 могут быть использованы для создания поверхности массо- и/или теплообмена в реакторе и/или в контактной башне 36, служащей для создания контакта пар/жидкость или жидкость/жидкость. Элементы нерегулярной насадки 10 и 110 могут быть загружены навалом на подходящую опору в колонне или реакторе 36 с образованием слоя насадки 38 либо предварительно уложены в по большей части случайной ориентации в насадочную структуру до размещения в колонне или реакторе 36. Обсуждавшиеся выше форма и конфигурация элементов насадки, соответствующих настоящему изобретению, создают открытые и легкодоступные пути протекания жидкости и обладают относительно равномерным распределением площади поверхности при рассмотрении под различными углами, что приводит к тому, что характеристики элемента практически не зависят от его ориентации.
Следующие далее Примеры приведены для иллюстрации ориентационной независимости характеристик элемента нерегулярной насадки по изобретению и никоим образом не в целях ограничения области изобретения.
Пример 1
Вычисляли коэффициент массообмена для трех различных элементов нерегулярной насадки: контрольного элемента 1, представляющего собой седлообразную нерегулярную насадку типа, описанного в патенте США №4303599, контрольного элемента 2, представляющего собой седлообразный элемент нерегулярной насадки типа, описанного в патенте США №5882772, и элемента 3 по изобретению, представляющего собой элемент насадки 10, изображенный на фиг.1-13.
Коэффициент массообмена для каждого элемента насадки был вычислен для каждой из десяти различных ориентаций насадки, обозначенных ниже в Таблице 1 латинскими буквами от А до I. Ориентации A-I соответствуют положениям элемента под углами 0°, 45° и 90° от исходного положения относительно каждой из трех осей декартовой системы координат. Для каждого элемента насадки отклонение значений коэффициента массообмена определяли путем вычитания минимального значения коэффициента массообмена из максимального по всем положениям A-I. Затем определяли средний коэффициент массообмена для каждого элемента насадки путем усреднения отдельных коэффициентов массообмена, вычисленных для каждой из ориентаций A-I.
В общем случае более высокие значения коэффициента массообмена указывают на то, что эффективность массообмена элемента выше; более низкие значения отклонений коэффициента массообмена указывают на то, что характеристики элемента меньше изменяются с изменением его ориентации. Коэффициенты массообмена для ориентации A-I, отклонения коэффициентов массообмена и средние коэффициенты массообмена для контрольных элементов 1 и 2 и для элемента 3 по изобретению приведены в Таблице 1.
Как показано в Таблице 1, элемент 3 по изобретению обладает более низким отклонением коэффициента массообмена, более высоким коэффициентом массообмена для каждой ориентации и более высоким средним коэффициентом массообмена по сравнению с контрольными элементами 1 и 2. Поэтому элемент 3 по изобретению отличается более эффективными и менее ориентационно-зависимыми характеристиками по сравнению с контрольными элементами 1 и 2.
Пример 2
Были проведены испытания для сравнения характеристик элемента по изобретению (элемента насадки 110, изображенного на фиг.14-26) с характеристиками четырех типов коммерчески доступных нерегулярных насадок. Осуществляли дистилляцию смеси легких углеводородов с полным орошением. Колонна работала под давлением, существенно превышающим атмосферное, что является крайне типичным для условий переработки подобных смесей в промышленности и крайне типичным для условий, в которых часто используется нерегулярная насадка. Диаметр колонны и толщина слоя были достаточно высокими, что обеспечивало получение данных, релевантных для промышленных процессов. Образцы жидкости, взятые над слоем насадки и под ним, анализировали с целью определения эффективности насадки. Максимальную производительность насадки определяли путем повышения потока тепла вплоть до резкого падения давления при любом дальнейшем подводе тепла и появления значительного уноса с верха слоя (потери эффективности). Результаты сравнительных испытаний приведены в Таблице 2.
Результаты испытаний показывают, что элемент по изобретению обладает такой же или более высокой относительной производительностью и/или более высокой относительной эффективностью при использовании меньшей относительной площади удельной поверхности по сравнению с контрольными элементами насадок. Таким образом, элемент по изобретению обладает высокими относительной производительностью и относительной эффективностью при использовании меньшей относительной площади удельной поверхности.
Из изложенного выше является понятным, что настоящее изобретение пригодно для достижения всех целей и решения всех задач, поставленных выше в настоящем описании, а также обладает другими преимуществами, связанными с его структурой.
Является понятным, что некоторые признаки и субкомбинации настоящего изобретения являются полезными и могут применяться без ссылки на другие его признаки и субкомбинации. Это предусмотрено объемом притязаний формулы изобретения и находится в его рамках.
Поскольку настоящее изобретение может быть осуществлено в любых возможных вариантах, не выходящих за рамки его области, следует понимать, что все содержание настоящего описания или приложенных к нему чертежей следует интерпретировать в иллюстративном, но не в ограничительном смысле.
Изобретение относится к массообменным устройствам для применения в химических процессах и касается элементов нерегулярной насадки и содержащей их колонны. Седлообразный элемент нерегулярной насадки содержит расположенные по бокам изогнутые боковые элементы и множество внутренних и внешних изогнутых реберных элементов, выходящих из боковых элементов и проходящих между ними и образующих внутренний объем. Из боковых элементов выходит, по меньшей мере, один реберный элемент меньшего размера, по меньшей мере, частично находящийся во внутреннем объеме элемента насадки, вследствие чего, по меньшей мере, около 20 процентов площади поверхности элемента насадки находится во внутреннем объеме. Изобретение обеспечивает создание седлообразного элемента, обладающего равномерно распределенным свободным объемом при принятии различных вращательных ориентаций по отношению к направлению потока текучей среды, падающего на элемент насадки. 6 н. и 35 з.п. ф-лы, 27 ил., 2 табл.
1. Седлообразный элемент нерегулярной насадки, содержащий:
пару разнесенных в боковом направлении удлиненных изогнутых боковых элементов, совместно образующих изогнутую продольную ось, находящуюся между ними;
множество противоположно проходящих внутренних и внешних изогнутых реберных элементов, проходящих из боковых элементов и между ними для совместного образования внутреннего объема между ними;
по меньшей мере, один реберный элемент меньшего размера, расположенный продольно между внутренними и внешними изогнутыми реберными элементами и, по меньшей мере, частично расположенный в упомянутом внутреннем объеме,
причем, по меньшей мере, около 20% общей площади поверхности указанного седлообразного элемента нерегулярной насадки находится в указанном внутреннем объеме.
2. Элемент насадки по п.1, в котором общее количество указанных внутренних реберных элементов и внешних реберных элементов находится в интервале примерно от трех до примерно двадцати.
3. Элемент насадки по п.1, включающий в себя множество указанных реберных элементов меньшего размера, в котором, по меньшей мере, один из реберных элементов меньшего размера является прерывным, вследствие чего образуются первый и второй сегменты реберного элемента.
4. Элемент насадки по п.3, в котором указанные первый и второй сегменты реберного элемента являются отогнутыми в радиально противоположных направлениях.
5. Элемент насадки по п.3, в котором указанные первый и второй сегменты реберного элемента являются отогнутыми в одном радиальном направлении.
6. Элемент насадки по п.1, который представляет собой примерно от 5 до примерно 50% объема тора.
7. Элемент насадки по п.1, который представляет собой примерно от 10 до примерно 25% объема тора и содержит множество указанных реберных элементов меньшего размера.
8. Элемент насадки по п.1, в котором указанные внешние и внутренние реберные элементы, в основном, поочередно смещены относительно указанной продольной оси.
9. Элемент насадки по п.1, в котором ширина, по меньшей мере, одного из указанных внешних реберных элементов является одинаковой с шириной, по меньшей мере, одного из указанных внутренних реберных элементов или больше ее.
10. Элемент насадки по п.1, в котором ширина указанных внешних реберных элементов составляет менее чем примерно 5 мм, и/или ширина указанных внутренних реберных элементов составляет более чем примерно 1 мм.
11. Элемент насадки по п.1, в котором, по меньшей мере, один из реберных элементов меньшего размера, по меньшей мере, частично является непрерывным.
12. Элемент насадки по п.1, в котором, по меньшей мере, часть указанной общей поверхности указанного элемента насадки является текстурированной.
13. Элемент насадки по п.1, в котором, по меньшей мере, некоторые из указанных внутренних и внешних реберных элементов обладают чашеобразным поперечным сечением.
14. Элемент насадки по п.1, который является изготовленным из металла.
15. Элемент насадки по п.1, в котором указанный элемент насадки является изготовленным из пластмассы.
16. Элемент насадки по п.1, содержащий структуру, расположенную на одном или на обоих боковых элементах и предназначенную для направления потока текучей среды с одного или обоих боковых элементов на один или более внутренних и внешних реберных элементов и реберных элементов меньшего размера.
17. Колонна или реактор, содержащие слой насадки, включающий в себя множество элементов насадки по п.1.
18. Седлообразный элемент нерегулярной насадки, содержащий:
пару разнесенных в боковом направлении удлиненных изогнутых боковых элементов, совместно образующих изогнутую продольную ось, находящуюся между ними;
множество противоположно проходящих внутренних и внешних изогнутых реберных элементов, проходящих из боковых элементов и между ними для совместного образования внутреннего объема между ними;
по меньшей мере, один реберный элемент меньшего размера, расположенный продольно между внутренними и внешними изогнутыми реберными элементами и, по меньшей мере, частично расположенный в упомянутом внутреннем объеме,
причем, по меньшей мере, около 20% общей площади поверхности указанного седлообразного элемента нерегулярной насадки находится в указанном внутреннем объеме, и
причем указанный элемент насадки представляет собой примерно от 10 до примерно 25% объема тора.
19. Элемент насадки по п.18, в котором общее количество указанных внутренних реберных элементов и внешних реберных элементов равно пяти.
20. Элемент насадки по п.19, в котором примерно 36% его общей площади поверхности находится в указанном внутреннем объеме.
21. Элемент насадки по п.19, в котором, по меньшей мере, один из реберных элементов меньшего размера является прерывным, вследствие чего образуются первый и второй сегменты реберного элемента.
22. Элемент насадки по п.21, в котором указанные первый и второй сегменты реберного элемента являются отогнутыми в радиально противоположных направлениях.
23. Элемент насадки по п.21, в котором указанные первый и второй сегменты реберного элемента являются отогнутыми в одном радиальном направлении.
24. Элемент насадки по п.19, в котором, по меньшей мере, один из реберных элементов меньшего размера является непрерывным.
25. Элемент насадки по п.18, в котором общее количество указанных внутренних реберных элементов и внешних реберных элементов равно трем.
26. Элемент насадки по п.25, в котором примерно 36% его общей площади поверхности находится в указанном внутреннем объеме.
27. Седлообразный элемент нерегулярной насадки, содержащий:
пару разнесенных в боковом направлении удлиненных изогнутых боковых элементов, совместно образующих изогнутую продольную ось, находящуюся между ними;
множество противоположно проходящих внутренних и внешних изогнутых реберных элементов, проходящих из боковых элементов и между ними для совместного образования внутреннего объема между ними;
по меньшей мере, один реберный элемент меньшего размера, расположенный продольно между внутренними и внешними изогнутыми реберными элементами и, по меньшей мере, частично расположенный в упомянутом внутреннем объеме,
причем, по меньшей мере, около 20% общей площади поверхности указанного седлообразного элемента нерегулярной насадки находится в указанном внутреннем объеме, и
причем общее количество указанных внутренних реберных элементов и указанных внешних реберных элементов равно пяти.
28. Элемент насадки по п.27, в котором, по меньшей мере, один из реберных элементов меньшего размера является прерывным, вследствие чего образуются первый и второй сегменты реберного элемента.
29. Элемент насадки по п.28, в котором указанные первый и второй сегменты реберного элемента являются отогнутыми в радиально противоположных направлениях.
30. Элемент насадки по п.28, в котором указанные первый и второй сегменты реберного элемента являются отогнутыми в одном радиальном направлении.
31. Элемент насадки по п.28, в котором, по меньшей мере, один из реберных элементов меньшего размера является непрерывным.
32. Седлообразный элемент нерегулярной насадки, содержащий:
пару разнесенных в боковом направлении удлиненных изогнутых боковых элементов, совместно образующих изогнутую продольную ось, находящуюся между ними;
множество противоположно проходящих внутренних и внешних изогнутых реберных элементов, проходящих из боковых элементов и между ними для совместного образования внутреннего объема между ними;
по меньшей мере, один реберный элемент меньшего размера, расположенный продольно между внутренними и внешними изогнутыми реберными элементами и, по меньшей мере, частично расположенный в упомянутом внутреннем объеме,
причем, по меньшей мере, около 36% общей площади поверхности указанного седлообразного элемента нерегулярной насадки находится в указанном внутреннем объеме.
33. Элемент насадки по п.32, в котором, по меньшей мере, один из реберных элементов меньшего размера является прерывным, вследствие чего образуются первый и второй сегменты реберного элемента.
34. Элемент насадки по п.33, в котором указанные первый и второй сегменты реберного элемента являются отогнутыми в радиально противоположных направлениях.
35. Элемент насадки по п.33, в котором указанные первый и второй сегменты реберного элемента являются отогнутыми в одном радиальном направлении.
36. Элемент насадки по п.33, в котором, по меньшей мере, один из реберных элементов меньшего размера является непрерывным.
37. Седлообразный элемент нерегулярной насадки, содержащий:
пару разнесенных в боковом направлении удлиненных изогнутых боковых элементов, совместно образующих изогнутую продольную ось, находящуюся между ними;
множество противоположно проходящих внутренних и внешних изогнутых реберных элементов, проходящих из боковых элементов и между ними для совместного образования внутреннего объема между ними;
множество реберных элементов меньшего размера, причем каждый реберный элемент меньшего размера расположен продольно между внутренними и внешними изогнутыми реберными элементами и, по меньшей мере, частично расположен в упомянутом внутреннем объеме,
причем, по меньшей мере, около 36% общей площади поверхности указанного седлообразного элемента нерегулярной насадки находится в указанном внутреннем объеме, и
причем указанный элемент насадки представляет собой примерно от 10 до примерно 25% объема тора, и
причем общее количество указанных внутренних реберных элементов и указанных внешних реберных элементов равно пяти.
38. Элемент насадки по п.37, в котором, по меньшей мере, один из реберных элементов меньшего размера является прерывным, вследствие чего образуются первый и второй сегменты реберного элемента.
39. Элемент насадки по п.38, в котором указанные первый и второй сегменты реберного элемента являются отогнутыми в радиально противоположных направлениях.
40. Элемент насадки по п.38, в котором указанные первый и второй сегменты реберного элемента являются отогнутыми в одном радиальном направлении.
41. Элемент насадки по п.38, в котором, по меньшей мере, один из реберных элементов меньшего размера является непрерывным.
| ЭЛЕМЕНТ НЕРЕГУЛЯРНОЙ НАСАДКИ ДЛЯ НАСАДОЧНЫХ КОЛОНН | 1995 |
|
RU2081696C1 |
| ЭЛЕМЕНТ НЕРЕГУЛЯРНОЙ НАСАДКИ ДЛЯ ТЕПЛОМАССООБМЕННЫХ АППАРАТОВ | 1993 |
|
RU2074767C1 |
| ЭЛЕМЕНТ НЕРЕГУЛЯРНОЙ НАСАДКИ ДЛЯ НАСАДОЧНЫХ КОЛОНН | 1992 |
|
RU2074766C1 |
| US 5112536 A, 12.05.1992 | |||
| US 5882772 A, 16.03.1999 | |||
| US 5543088 A, 06.08.1996. | |||
