МАССООБМЕННОЕ УСТРОЙСТВО, ВКЛЮЧАЮЩЕЕ В СЕБЯ СТРУКТУРИРОВАННУЮ НАСАДКУ Российский патент 2015 года по МПК B01J19/32 

Изобретение относится к структурированной насадке, а также к массообменному устройству, которое содержит такую структурированную насадку, например, к абсорбционной колонне или десорбционной колонне.

Структурированные насадки изготавливают в коммерческом исполнении в виде складчатых металлических листов, расположенных один за другим, структуры которых имеет наклонные каналы, которые постоянно пересекаются один с другим. Эти каналы положительно влияют на потоки газовой фазы и жидкой фазы внутри насадки и содействуют массообмену между фазами. А именно газовая фаза и жидкая фаза приводятся в соприкосновение в каналах насадки, и массообмен между фазами, соответственно, облегчается.

Для того чтобы повысить способность структурированной насадки к отделению, поверхность структурированной насадки обычно увеличивают, что, как правило, достигается посредством увеличенного числа слоев насадки и/или более плотной геометрии каналов. Однако эти меры приводят к увеличению перепада давления в структурированной насадке. Из этого следует, однако, что для снижения перепада давления должна быть предусмотрена меньшая поверхность насадки, вследствие чего способность к отделению, а именно эффективность насадки, ухудшается. Кроме того, могут быть предоставлены более открытые пересекающиеся каналы. Более открытые пересекающиеся каналы означают, что угол наклона каналов выбран меньшим по отношению к основному направлению потока. Это означает, что должен быть найден оптимум между перепадом давления и наилучшей способностью к отделению, в зависимости от вида применения.

Пересекающиеся каналы, однако, имеют некоторое число мест контакта, которые могут действовать положительным образом в некоторых видах применения, но могут также действовать отрицательным образом в других видах применения.

Ниже по потоку от мест контакта, если смотреть в направлении протекания жидкости, могут образовываться мертвые зоны, и жидкость в указанных мертвых зонах участвует в массообмене в меньшей степени, чем остальная жидкость, которая находится на структурированной насадке. Этот феномен уже известен из US 6378332 B1, в котором описана насадка для криогенной ректификации, которая предназначена для уменьшения возникновения таких мертвых зон. Решение в соответствии с US 6378332 B1 заключается в уменьшении числа точек контакта между слоями посредством попеременных высоких и менее высоких перегибов каждого индивидуального слоя.

Из US 6378332 B1 известен, соответственно, процесс ректификации, в котором используется структурированная насадка, которая имеет структуру с пересекающимися каналами, а именно она сделана из гофрированных или складчатых металлических листов, которые расположены один на другом перекрестным образом. Смежные металлические листы контактируют один с другим вдоль выступов гофров или вдоль краев. Более летучая текучая среда, в частности газовая фаза может протекать между складчатыми металлическими листами в противотоке к менее летучей текучей среде, в частности жидкой фазе, при этом может происходить массообмен. В US 6378332 B1 представлен способ уменьшения числа точек контакта между двумя смежными металлическими листами. Для этой цели предприняты меры для изменения высоты выступов гофров или краев таким образом, что лишь некоторые из выступов гофров или краев каждого металлического листа имеют максимальную высоту. Металлические листы, таким образом, контактируют один с другим лишь при максимальной высоте вдоль выступов гофров или краев.

Недостаток насадки, предложенной в соответствии с US 6378332 B1, заключается в ее недостаточной механической стабильности. Кроме того, объем, заполненный насадкой, не идеально соответствует геометрической площади обмена вследствие частично менее высоких сгибов (складок), следовательно, этот конструкторский проект связан с потерей площади массообмена.

Поэтому целью изобретения является создание структурированной насадки, которая обладает повышенной стабильностью при том же самом или меньшем числе мест контакта.

Другой целью изобретения является улучшение массообмена в частности для абсорбера или десорбера, в котором скорость массообмена регулируется жидкой фазой.

Решение включает в себя абсорбер или десорбер, содержащий первый слой структурированной насадки, имеющий гофры, причем гофрами образовано множество открытых каналов. Первый слой структурированной насадки имеет множество открытых каналов, включающих первую впадину гофра, первый выступ гофра и второй выступ гофра, при этом первый выступ гофра и второй выступ гофра ограничивают первую впадину гофра, при этом первый и второй выступы гофра имеют первую вершину и вторую вершину. На первой вершине первого выступа гофра выполнено углубление, проходящее в направлении первой вершины, при этом первая впадина гофра имеет дно впадины, и при этом нормальное расстояние по меньшей мере одной точки углубления от дна впадины гофра меньше нормального расстояния первой вершины от дна впадины гофра.

Кроме того, предусмотрен второй слой, при этом данный второй слой содержит гофры, причем первый слой и второй слой расположены таким образом, что каналы первого слоя пересекаются с каналами второго слоя. Первый слой соприкасается со вторым слоем, при этом соприкосновение прерывается на участке каждого из углублений.

Посредством использования углублений создается дополнительная возможность для направленного протекания жидкости, а также расположение мест контакта предоставляет возможность максимального увлажнения поверхности насадки.

В соответствии с предпочтительным вариантом осуществления второе углубление расположено на второй вершине. В качестве альтернативы или в дополнение к этому, на дне первой впадины может быть расположено третье углубление. На слое может быть, естественно, предусмотрено множество первых, вторых или третьих углублений.

Каждый слой может включать первую краевую границу и вторую краевую границу, при этом первая краевая граница расположена по существу параллельно второй краевой границе. Между первой краевой границей и второй краевой границей может, в частности, быть расположено множество углублений.

Для достижения повышенной стабильности при том же самом или меньшем числе мест контакта насадка имеет гофры по существу с постоянной высотой выступов.

В соответствии с предпочтительным вариантом осуществления по меньшей мере часть вершины сформирована в виде кромки, и/или по меньшей мере некоторые из впадин гофров имеют V-образную форму.

Структурированная насадка, соответственно, включает в себя первый слой насадки в соответствии с любым из вышеуказанных вариантов осуществления и второй слой, при этом второй слой имеет гофры, аналогичные первому слою, при расположении первого слоя и второго слоя таким образом, что каналы первого слоя пересекают каналы второго слоя. Первый слой находится в контакте со вторым слоем, предпочтительно таким образом, что вершины выступов гофров первого слоя и вершины впадин гофра второго слоя соприкасаются.

Углубления могут быть расположены на каждом из первого и второго слоев. Соприкосновение первого слоя со вторым слоем прерывается углублениями.

Насадка в соответствии с данным изобретением изготовлена из структурированных насадочных слоев, все сгибы (складки) которых имеют одинаковую высоту. Тем самым обеспечивается высокая стабильность насадки, что, в частности, особенно важно в колоннах большого диаметра. Уменьшение числа точек пересечения индивидуальных слоев реализуется в соответствии с данным изобретением посредством использования углублений. Эти углубления могут быть выполнены в виде линзообразных вдавленных мест, которые могут быть образованы, например, пластической деформацией вершины. Углубления формируются на конкретных местах складчатых насадочных слоев, и слои насадки могут быть, тем самым, отделены на определенное расстояние и в определенных точках один от другого.

В качестве альтернативы, углубления могут быть сформированы в насадочном слое посредством выполнения полого пространства, в котором может быть использована вставка.

Кроме того, по меньшей мере часть углублений проходят на длину, которая соответствует самое большее 75% длины вершины. Углубление расположено предпочтительно между по меньшей мере одной из первой и второй краевыми границами, так что краевая область выполнена для увеличенной стабильности формы насадки.

Каждое из углублений может содержать промежуточный выступ, в частности, если углубление проходит самое большее до 75% длины вершины. Промежуточный выступ может затем лежать на вершине соседнего слоя или может быть расположен на расстоянии от соседнего слоя.

Каждый из слоев может содержать отверстие. Такое отверстие может содействовать перетоку газа и/или жидкости в соседний канал. Отверстия могут быть предусмотрены на участке стенки гофра на вершинах выступов гофров или впадинах гофра или также на участке углублений.

Где возможно, формирование углублений осуществляется вместе с изготовлением слоя путем профилирования. Изготовление слоя может, таким образом, выполняться при минимальном числе стадий процесса. Для этой цели углубления могут быть образованы на металлическом листе вдавливанием, тиснением или глубокой вытяжкой в определенных точках, например, на верхнем краю и нижнем краю насадочного слоя. Когда индивидуальные слои размещены один на другом, каналы не соприкасаются друг с другом, соответственно, в области углублений. Углубления отсутствуют по меньшей мере в соответствующих двух краевых областях, либо на верхнем краю, либо на нижнем краю слоя или на боковых краях слоя, так что имеется в наличии достаточно мест контакта, в частности точек контакта, чтобы поддерживать смежные слои с промежутком между ними, определяемом высотой гофров. Посредством выполнения множества углублений внутри каждой краевой области достигается существенное снижение мест контакта, а также максимизация увлажненной поверхности насадки при одновременной стабильности индивидуальных слоев и, тем самым, также насадки в целом, которая образована из множества слоев.

Расстояние между индивидуальными слоями насадки остается постоянным, даже если углубления расположены на вершинах, которые ограничивают открытые каналы. Вершина может пониматься либо как выступ гофра, либо как кромка, являющаяся концом, который образован двумя соседними боковыми поверхностями канала.

Массообмен происходит в виде множества частных стадий, протекающих последовательно, для очистки более летучей текучей среды, в частности газа. Компоненты, содержащиеся в газе, которые должны быть отделены, перемещаются к поверхности раздела жидкости посредством конвекции и диффузии. Компоненты затем должны проходить через поверхность раздела и перемещаться в жидкость. Необходимо предоставлять площадь массообмена для жидкости, которая является настолько большой, насколько это возможно, так что массообмен может быть улучшен.

Другой целью изобретения является выбор расположения мест контакта таким образом, чтобы имело место минимальное изменение массообмена вследствие мест контакта.

Места контакта, в частности, расположены в большей степени в краевой области первого слоя в устройстве в соответствии с любым из вышеуказанных вариантов осуществления. В противоположность известному уровню техники, в соответствии с которым желательно равномерное распределение мест контакта, однако число мест контакта уменьшено, это требование равномерного распределения мест контакта на протяжении поверхности насадки может быть полностью обойдено в соответствии с данным изобретением. Если меньшее число мест контакта расположено, соответственно, более плотно по отношению друг к другу, то ограничение потока влияет на противоток после мест контакта, посредством чего уменьшается площадь неувлажненной поверхности за местом контакта. Соответственно, это приводит к малому числу мест контакта с менее неувлажненной поверхностью и в итоге к минимальному соотношению площади неувлажненной поверхности и полной площади поверхности.

В соответствии с предпочтительным вариантом осуществления устройства, множество углублений расположено на каждом слое. В этом случае все слои имеют одинаковую структуру, что уменьшает производственные усилия и/или затраты. Слои могут изготавливаться непрерывно таким образом, что лента непрерывно складывается (образуются складки), и в это время формируются углубления. Складчатая лента, снабженная углублениями, разрезается до желательных размеров. Части ленты разрезают до размеров слоев, и каждый второй слой поворачивают таким образом, что создается крестообразное расположение слоев, когда они размещаются один на другом, прилегая один к другому.

Массообменное устройство, в частности колонна, может включать структурированную насадку в соответствии с любым из вышеуказанных вариантов осуществления.

Способ очистки текучих сред в массообменном устройстве, которое содержит структурированную насадку, включает следующие стадии: подают менее летучую текучую среду в массообменное устройство; распределяют поданную менее летучую текучую среду по поверхности насадки; подают более летучую текучую среду в массообменное устройство в область для введения текучей среды; распределяют более летучую текучую среду в области для введения газа по поверхности насадки, при протекании более летучей текучей среды в противотоке к жидкости; отбирают более летучую текучую среду, которая выходит из насадки в области для выпуска текучей среды, при этом структурированная насадка содержит первый слой и второй слой, при этом первый слой и второй слой имеют гофры с постоянной высотой, при этом гофры образуют открытые каналы, при этом каналы первого слоя пересекают каналы второго слоя, причем более летучая текучая среда протекает через каналы из области для введения текучей среды в направлении области для выпуска текучей среды, причем менее летучая текучая среда окружает более летучую текучую среду, которая протекает через каналы, и протекает вдоль стенок каналов. Первый слой находится в соприкосновении со вторым слоем посредством вершин выступов гофров, так что массообмен происходит между более летучей текучей средой и менее летучей текучей средой на площади массообмена, образованной каналами.

Максимальное увлажнение жидкостью поверхности насадки в массообменном устройстве сделано возможным посредством использования углублений и посредством расположения мест контакта.

Насадка предпочтительно изготовлена из структурированных слоев, складки (сгибы) которых все одинаковы по высоте. В результате создается высокая стабильность насадки, что, в частности, имеет особую важность в колоннах большого диаметра. Число точек пересечения между индивидуальными слоями уменьшено в соответствии с данным изобретением посредством формирования углублений на вершинах выступов гофров по меньшей мере одного из двух смежных слоев.

Изобретение будет пояснено далее со ссылками на чертежи. На них показаны:

Фиг. 1 - вид устройства в соответствии с данным изобретением, включающего в себя множество насадочных слоев;

Фиг. 2a - вид сечения через два смежных насадочных слоя в соответствии с данным изобретением;

Фиг. 2b - вид двух смежных насадочных слоев с гофрами в соответствии с данным изобретением;

Фиг. 3 - изображение обычного насадочного слоя с указанием пути протекания менее летучей текучей среды;

Фиг. 4 - изображение точек пересечения в соответствии с решением известного уровня техники;

Фиг. 5 - изображение точек пересечения по первому варианту осуществления данного изобретения;

Фиг. 6 - изображение точек пересечения по другому варианту осуществления данного изобретения;

Фиг. 7a - изображение варианта расположения углублений в соответствии с данным изобретением на слое в перспективе;

Фиг. 7b - вид слоя в соответствии с Фиг. 7a в направлении складок;

Фиг. 8a - иллюстрация деформации насадки в соответствии с известным уровнем техники при изгибающей нагрузке;

Фиг. 8b - иллюстрация деформации насадки в соответствии с данным изобретением при изгибающей нагрузке;

Фиг. 9 - изображение абсорбционного слоя в качестве примера применения данного изобретения;

Фиг. 10 - график, представляющий измеренные величины NTUM для газовой фазы, регулируемой абсорбционной системой или десорбционной системой;

Фиг. 11 - график, представляющий измеренные величины NTUM для жидкой фазы, регулируемой абсорбционной системой или десорбционной системой.

На фиг. 1 показано устройство 1 в соответствии с данным изобретением, включающее в себя некоторое число слоев структурированной насадки 7, которые образуют тело насадки. Под средством массообмена между двумя фазами текучей среды понимается структурированная насадка 7. Структурированная насадка 7 используется в массообменном устройстве 2. Массобменное устройство может, в частности, быть изготовлено в виде колонны 5, которая может быть использована для абсорбции или десорбции.

Структурированная насадка 7 изготовлена из множества слоев, которые находятся в регулярно повторяющемся геометрическом взаимоотношении друг с другом. Промежуток между смежными слоями может быть подобран в качестве примера для этого геометрического взаимоотношения. В соответствии с геометрическим взаимоотношением промежутки между смежными слоями, отделяющими их один от другого, могут периодически принимать одну и ту же величину, так что структура является результатом суммы слоев, которая характеризуется одними и теми же или по меньшей мере периодически одними и теми же промежутками. Периодичность обеспечивается во всей структурированной насадке, посредством чего насадке придана регулярная структура. Структура может быть, в частности, изготовлена в виде гофров.

В отличие от этого, насыпные насадки изготовлены из насыпных элементов, которые являются элементами с той же самой геометрической структурой, однако, каждый насыпной элемент может иметь любые желательные промежутки по отношению к соседним насыпным элементам, так что периодичность этих промежутков является нераспознаваемой. Насыпные элементы вводятся в колонну до заполнения. Они образуют слой в виде кучи на основании колонны. Слой в виде кучи характеризуется случайным расположением индивидуальных насыпных элементов.

Слои в соответствии с Фиг. 1 изготовлены из тонкостенных элементов, которые имеют гофры. Гофры характеризуются периодическим повторением последовательности выступающих участков, а именно выступов гофров и впадинообразных углублений, то есть впадин гофра. Эти гофры могут быть, в частности, изготовлены в виде складок с зигзагообразным поперечным сечением с резко сходящимися краями. Слои расположены относительно друг друга таким образом, что гофры двух смежных слоев имеют наклон по отношению к основному направлению потока. Гофры смежных слоев расположены пересекающимся образом по отношению друг к другу.

На Фиг. 2a показаны два смежных слоя 10, 100 структурированной насадки 7 в соответствии с Фиг. 1. Первый слой 10 расположен как соседний со вторым слоем 100. Первый слой 10 и второй слой 100 могут, в частности, включать в себя элемент из листового металла или проволочной сетки; в качестве альтернативы этому, однако, они могут также включать элементы из пластикового или керамического материала. Элемент может в этом отношении включать общий слой, однако может также образовывать лишь его часть. Элемент может иметь форму пластины, которая содержит гофры, в частности, с зигзагообразным поперечным сечением, или гофры с закругленными выступами и дном впадин. Элемент может иметь покрытия из пластика или керамики, чтобы обеспечить повышенную устойчивость слоя в отношении химических воздействий, таких как коррозия, или термических воздействий, таких как температура, или механических воздействий, таких как давление.

Первый слой 10 и второй слой 100 на Фиг. 2a показаны в виде, представляющем детали первой поверхности 8 насадки 7. Первая поверхность 8 насадки 7 расположена по существу перпендикулярно основному направлению потока 6. Направлением потока называется основное направление потока 6, в котором более летучая текучая среда, в частности газ, протекает вверх, то есть в направлении головной части колонны 5, в колонне без инсталляций. В качестве альтернативы этому, противоположное направление может также быть определено как основное направление потока. В этом случае основное направление потока соответствует направлению, в котором менее летучая текучая среда, которая обычно является жидкостью, протекает через колонну без инсталляций, то есть находится в свободном падении. В насадке направление протекания локально отклоняется от основного направления потока, поскольку поток изменяет направление слоями насадки.

Первый слой 10 структурированной насадки 7 имеет гофры с множеством открытых каналов 12, 14, 16, образованных гофрами. Каналы включают в себя первую впадину 22 гофра, первый выступ 32 гофра и второй выступ 42 гофра. Первый выступ 32 гофра и второй выступ 42 гофра ограничивают первую впадину 22 гофра. Первый выступ 32 гофра 32 и второй выступ 42 гофра имеют первую вершину 33 и вторую вершину 43. На второй вершине 43 второго выступа 42 гофра выполнено углубление 44, проходящее в направлении второй вершины 43. Первая впадина 22 гофра имеет дно 23 впадины. Первая впадина 22 гофра имеет дно 23 впадины, при этом нормальное расстояние 27 по меньшей мере одной точки углубления 34 от дна 23 впадины 22 гофра меньше нормального расстояния первой вершины 33 от дна 23 впадины 22 гофра.

Нормальное расстояние между первой вершиной 33 первого выступа 32 гофра и дном 23 первой впадины 22 гофра называется высотой 28 гофра. Высота 28 гофра соответственно больше, чем нормальное расстояние 27. В слое в соответствии с этим изобретением высота 28 впадины, в частности, по существу постоянная, то есть находится в интервале обычных отклонений, которые лежат в области 0,5 мм.

Первое углубление 34 может также быть расположено на первой вершине 33. Второе углубление 24 может по выбору также быть расположено на дне 23 первой впадины.

Второй слой 100 структурированной насадки 7 имеет гофры с множеством открытых каналов 112, 114, 116, образованных гофрами. Каналы включают в себя первую впадину 122 гофра, первый выступ 132 гофра и второй выступ 142 гофра. Первый выступ 132 гофра и второй выступ 142 гофра ограничивают первую впадину 122 гофра. Первый выступ 132 гофра 32 и второй выступ 142 гофра имеют первую вершину 133 и вторую вершину 143. На первой вершине 133 первого выступа 132 гофра выполнено углубление 134, проходящее в направлении первой вершины 133. На второй вершине 143 второго выступа 142 гофра выполнено углубление 144, проходящее в направлении второй вершины 143. Первая впадина 122 гофра имеет дно 123 впадины. Углубление 134 и углубление 144 имеют меньшее нормальное расстояние от дна 123 впадины гофра 122, чем вторая вершина 143 второго выступа 142 гофра от дна впадины 123 гофра 122. По меньшей мере часть вершины может быть изготовлена как кромка. По меньшей мере некоторые впадины гофров могут иметь V-образную форму. Нормальное расстояние между дном впадины и вершиной является по существу одним и тем же для всех выступов гофров слоя в соответствии с Фиг. 2a.

На Фиг. 2b показано два смежных слоя структурированной насадки, имеющих гофры, в соответствии с которой вершины не образуют острых краев, а напротив, изготовлены в виде закругленных участков. Ссылки в других отношениях делаются на описание Фиг. 2a.

На Фиг. 3 показано влияние расположений мест контакта на смачиваемость поверхности слоя, например слоя 10 насадки, показанного на Фиг. 2a или Фиг. 2b. Фиг. 3 в этом отношении показывает расположение в соответствии с известным уровнем техники. Слой 10 покрывает слой 100, который не виден, поскольку он находится позади него в плоскости чертежа. Первая вершина 33, вторая вершина 43, а также дно 23 впадины, расположенное между ними, представляют слой 10 посредством примера. Первая и вторая вершины 33, 43 и дно 23 впадины образуют края складок. Вершины 33, 42 наложены на дно 123 впадины, которая относится к слою 100. Каждый из слоев 10 и слоев 100 естественно содержит множество других вершин и доньев впадин, которые не обозначены более подробно, поскольку они не отличаются от обозначенных вершин и доньев впадин. На Фиг. 3 линии, относящиеся к вершинам выступов гофров, сделаны толще, чем линии, относящиеся к доньям впадин. Кроме того, пунктирная линия с длинными штрихами предоставлена для вершин выступов гофров второго слоя 100 и пунктирная линия с короткими штрихами предоставлена для доньев впадин слоя 100. Точки контакта 48, которые обозначены кружком на Фиг. 3, возникают в тех точках, где пересекаются дно впадины слоя 10 и вершина слоя 100. Точки контакта распределены равномерно по всей площади в двух показанных слоях 10, 100.

Можно видеть из Фиг. 3, что точки контакта расположены очень близко одна к другой, что приводит к очень большому числу небольших участков 46 неувлажненной поверхности и, соответственно, к сравнительной большой части неувлажненной поверхности по отношению к общей поверхности насадки. На Фиг. 3 показан лишь один единственный участок 46; стрелки 47 обозначают протекание менее летучей текучей среды.

На Фиг. 4 показан случай, в котором точки контакта уменьшены, например, посредством фальцовки слоев таким образом, как предложено в US 6378332 B1. В значительно меньшем числе, однако взамен также более крупные, неувлажненные участки 46 предположительно возникают вследствие потока менее летучей текучей среды, обозначенной стрелками 47. Потоки жидкости отклоняются в большей степени в этом варианте осуществления. В итоге, снова образуется большая часть неувлажненной поверхности на полной поверхности слоя 10. Геометрическая форма слоев в соответствии с Фиг. 4 будет показана в деталях на Фиг. 8a.

На Фиг. 5 показано расположение точек контакта 48 между двумя смежными слоями 10, 100 в соответствии с данным изобретением. Слой 100 расположен позади слоя 10. Ссылка делается на Фиг. 3 в отношении деталей представления. Число точек контакта уменьшено по отношению к поверхности слоя 10. Точки контакта, в частности, не распределены равномерно по поверхности.

Если небольшое число мест контакта, напротив, расположено вместе более тесно, соответственно, при уменьшенном расстоянии относительно друг друга, ограничение потока влияет на противоток после места контакта, посредством чего уменьшается, в свою очередь, площадь неувлажненной поверхности за местом контакта. Соответственно, это приводит к малому числу мест контакта с менее неувлажненной поверхностью и в целом к минимальному соотношению площади неувлажненной поверхности и полной площади поверхности слоя.

Слой 10 включает в себя первую краевую границу 50, а также вторую краевую границу 60, при этом первая краевая граница 50 расположена по существу параллельно второй краевой границе 60. При вертикальном расположении слоя краевая граница 50 составляет верхнюю поверхность раздела, а вторая краевая граница 60 составляет нижнюю поверхность раздела. Слой 10, кроме того, включает в себя первую краевую границу 51 и вторую краевую границу 61. Первая краевая граница 51 и вторая краевая граница 61 проходят до прилегания к внутренней стенке массообменного устройства, в частности колонны, при вертикальном расположении слоя в насадке.

Зазор, с которым расположена по меньшей мере одна дополнительная насадка, может примыкать по меньшей мере к одной из верхней поверхности раздела или нижней поверхности раздела.

Места контакта 48 расположены поблизости от первой и/или второй краевых границ 50, 51, 60, 61. Смежные слои контактируют один с другим в этих местах контакта. Другие места контакта по меньшей мере частично устранены между этими местами контакта вблизи краевых границ посредством применения углублений. Множество углублений, которые могут иметь такую же структуру, что и одно из первого, второго или третьего углублений 24, 34, 44 в соответствии с Фиг. 2a или Фиг. 2b, расположено между первой краевой границей 50, 51 и второй краевой границей 60, 61.

Углубления могут, естественно, также быть расположены поблизости от по меньшей мере одной из первой и второй краевых границ.

На Фиг. 6, кроме того, показан другой вариант, в котором места контакта расположены не одно рядом с другим, а одно над другим. Здесь также протекание жидкости вниз вдоль мест контакта приводит к минимизации площади неувлажненной поверхности между местами контакта.

Вид слоя 10 в соответствии с данным изобретением показан в перспективе на Фиг. 7a. Фиг. 7b представляет собой вид слоя в соответствии с Фиг. 7a в направлении складок. Соответствующая структурированная насадка 1 включает первый слой 10 и второй слой 100, при втором слое 100, предпочтительно имеющем гофры, подобные первому слою 10. Первый слой 10 и второй слой 100 расположены таким образом, что каналы первого слоя 10 пересекаются с каналами второго слоя 100. Первый слой 10 находится в соприкосновении со вторым слоем 100 нижних участков впадин гофров второго слоя 100, расположенных напротив выступов гофров первого слоя 10. Первая и вторая вершины 33, 43, 133, 143 расположены на каждом из первого и второго слоев 10, 100. Первая и вторая вершины 33, 43, 133, 143, которые образуют места контакта, расположены, как на Фиг. 5 или Фиг. 6. Места контакта показаны кружками на этих чертежах. В местах расположения, в которых нет кружков, отсутствуют точки соприкосновения, а имеются углубления.

Второй слой 100 для простоты не показан графически на Фиг. 7. Углубления 24, 44 первого слоя 10 имеют по меньшей мере одну точку отделения от первого и второго нижних участков, непоказанных, впадин гофров второго слоя 100, которые были бы расположены наверху на Фиг. 7. Углубления 44, которые расположены поблизости от первой краевой границы 50, предпочтительно расположены таким образом, что они образуют заниженные участки на первой стороне 11 слоя 10. Углубления 24, которые расположены между первой краевой границей 50 и второй краевой границей 60, изготовлены в виде углублений на второй стороне 13 слоя 10. Первая сторона 11 слоя 10 расположена напротив второй стороны 13 и образует соответствующую поверхность слоя.

Углубления могут быть, в частности, расположены одна под другой при вертикальном расположении первого и второго слоев 10, 100. В качестве альтернативы или в комбинации с этим, углубления могут быть расположены одно рядом с другим при вертикальном расположении первого и второго слоев.

Другие углубления, которые должны быть сделаны в виде вдавленных мест или необязательно в виде вдавленных мест, могут также быть расположены вдоль вершины слоев 10, 100. Такое углубление может включать пустое пространство, в котором содержится вставка с участком, имеющим промежуток от вершины смежного слоя. Данный участок образован таким образом, что он по меньшей мере на отдельных участках расположен ниже нормальной высоты гофра. Высота гофра понимается как промежуток между выступом гофра и соседней впадиной гофра. Если впадина гофра имеет ограниченную кривизну на ее нижнем участке, промежуток определяется как нормальное расстояние между двумя касательными к двум предельным точкам, расположенным параллельно одна другой. Если кривизна очень большая, т.е. вершина является остроконечной, и наиболее высокая точка, тем самым, не имеет четко определенной касательной, то плоскость определяется как проходящая через наиболее высокую точку и содержащая все верхние точки бокового слоя. Плоскость аналогичным образом проходит через наиболее низкую точку впадины гофра и содержит все точки впадины данного гофра и, кроме того, впадин других гофров. Данные две плоскости должны быть параллельны одна другой. Из этого следует, что высота гофра представляет собой нормальное расстояние между данными двумя плоскостями.

Углубления в соответствии с любым из вышеуказанных вариантов осуществления проходят на части вершины или края. Углубления могут быть сформированы профилированием, т.е. вдавливанием, штамповкой или глубокой вытяжкой заготовки для слоя, например, металлического листа для насадки. Углубления преимущественно формируются на одной стороне вершин выступов гофра или впадин складок.

Преимущество этого расположения заключается в том, что заготовка может быть изготовлена бесконечно длинной. Такая заготовка может быть изготовлена из ленточного материала, например, в виде пластины из металлического листа. Затем части определенной длины отрезают от ленточного материала. Эти части преобразуются в гофрированный материал, например, посредством изгибания. В качестве альтернативы этому, используется ленточный материал, который уже имеет гофры. Обрезанная часть, имеющая гофры, затем образует слой. Процедура профилирования может быть приложена к этим гофрам во время процедуры изгибания, так что углубления формируются во время процедуры изгибания. Первый слой 10 и второй слой 100 размещаются последовательно один на другой при совмещении с поворачиванием всех вторых гофрированных листов. По меньшей мере один ряд углублений расположен между всеми слоями поблизости от верхней и нижней краевых границ и/или поблизости от боковых краевых границ.

Глубина углублений предпочтительно находится в интервале от 10 до 30% от высоты слоя, так что между индивидуальными слоями образуются зазоры величиной именно в таком интервале. Минимальная величина зазоров составляет 1,5 мм для водных систем. Более узкие зазоры могут быть неблагоприятными, поскольку жидкость, в частности вода, может захватываться между двумя соседними краями, может оставаться там и может образовывать мостик из жидкости.

На Фиг. 8a показан слой в соответствии с известной формой конструкции, имеющий складки переменной высоты для уменьшения мест контакта. Недостатком этой формы конструкции является то, что слой сжимается при нагрузках на верхнюю сторону и нижнюю сторону, при этом стрелки 20, 21 указывают направление приложения усилия, в котором сжимается слой. Складки включают первую вершину 65 и вторую вершину 85, а также впадину 75 гофра, расположенную между ними. Первая и вторая вершины 65, 85 могут быть в соприкосновении с соседним слоем, который не показан. Промежуточная впадина 66 гофра и промежуточный выступ 67 гофра, которые образуют складку, расположены между первой вершиной 65 и дном 75 впадины. Промежуточная впадина 66 гофра имеет дно 68 промежуточной впадины, а промежуточный выступ 67 гофра имеет промежуточную вершину 69. Нормальное расстояние 70 между дном 68 промежуточной впадины и промежуточной вершиной 69 меньше, чем нормальное расстояние 71 между вершиной 65 и дном 75 впадины. В варианте осуществления, показанном на Фиг. 8a, нормальное расстояние 70 составляет примерно половину от нормального расстояния 71. Складка половинной высоты сформирована, соответственно, между промежуточной впадиной 66 гофра и промежуточным выступом 67 гофра. Складка половинной высоты служит в качестве участка сминания и может быть деформирована. С одной стороны, стабильная насадка не может быть образована деформацией; с другой стороны, невозможно поддержание фиксированной высоты слоя насадки. Высота слоя соответствует первоначально определенному нормальному расстоянию 71.

Этой проблемы можно избежать посредством формы конструкции в соответствии с данным изобретением. Как показано на Фиг. 8b, слой с углублениями на каждой складке может быть сжат в гораздо меньшей степени, и слой может, тем самым, подвергаться более высоким нагрузкам на верхней стороне и на нижней стороне. Это делает возможным проектирование стабильных насадок и обеспечивает по существу постоянную высоту слоя для получения определенной поверхности насадки.

В дополнение к этому, поверхность углублений пригодна для массообмена. Это означает, что не только следует ожидать увеличения площади массообмена по сравнению с известным уровнем техники, но также по сравнению с обычными насадками, которые имеют пересекающиеся слои с гофрами, высота которых является постоянной.

На Фиг. 9 показана абсорбционная система 90. Абсорбционная система 90 включает в себя два массообменных устройства, абсорбер 91 и десорбер 92, которые, в частности, изготовлены в виде колонн. Один или несколько компонентов из газового потока отделяются в абсорбере 91 в абсорбционной системе. Для этой цели используется жидкий растворитель или абсорбент. В десорбере 92 растворитель или абсорбент очищается от поглощенных компонентов.

Как абсорбция, так и ректификация являются процессами разделения, чтобы отделять один или несколько компонентов от имеющегося исходного потока 93. Ректификация используется для разделения жидких смесей на основании разных точек кипения индивидуальных компонентов, причем ректификация должна пониматься как непрерывная дистилляция, которая, в частности, включает множество отдельных стадий. При абсорбции, напротив, один или несколько компонентов отделяются от потока газа с помощью подходящего растворителя или абсорбента 94 и, тем самым, удаляются из газового потока. Головной продукт абсорбера 91 является, соответственно, потоком 95 очищенного газа. Нижний продукт 96 абсорбера 91 представляет собой абсорбент или растворитель, содержащий абсорбированный им компонент или компоненты. Может быть разумно по экономическим, энергетическим и экологическим причинам очищать абсорбент или растворитель и подавать его снова в абсорбер в качестве очищенного растворителя или абсорбента 94. Очистка абсорбента или растворителя происходит в десорбере 92. Абсорбент или растворитель с абсорбированным им компонентом или компонентами, являющийся нижним продуктом 96 абсорбера, образует исходный поток десорбера. Этот исходный поток подается в десорбер в виде жидкости в соответствии с Фиг. 10. Десорбер 92 может содержать одну или несколько насадок в соответствии с любым из вышеуказанных вариантов осуществления. Абсорбент или растворитель с абсорбированным им компонентом или компонентами протекает в направлении отстойника 95. Абсорбент или растворитель по меньшей мере частично испаряется в отстойнике, и с этой целью предоставлен испаритель 98 отстойника. Абсорбент или растворитель, испаренный в испарителе отстойника, содержит компоненты, подлежащие отделению, и абсорбирует компоненты, подлежащие отделению, во время подъема в колонне от исходного потока абсорбента или растворителя с абсорбированным им компонентом или компонентами, протекающим в направлении отстойника. Поток 99 газообразной части, соответственно, поднимается в десорбере и обогащен компонентами, подлежащими отделению. Эти компоненты, подлежащие отделению, могут быть отделены термическим путем, а именно конденсацией, или посредством других стадий отделения ниже по потоку, от потока 99 газообразной части.

В качестве альтернативы или в дополнение к этому может быть предоставлен расширительный узел, если десорбер должен функционировать при более низком давлении, чем абсорбер или сжимающий узел, если десорбер должен функционировать при более высоком давлении, чем абсорбер.

Массообмен между газом и жидкостью обычно происходит в соответствии с перепадом температур между отстойником и головной частью в обоих направлениях при ректификации. Текучая среда с более высокой температурой кипения конденсируется из газовой фазы и поглощается жидкостью, а текучая среда с более низкой температурой кипения испаряется из жидкой фазы в газообразную фазу. При абсорбции массообмен происходит лишь в одном направлении; при этом газ абсорбируется жидкостью.

Разница между ректификацией и абсорбцией заключается в том, что поток газа и поток жидкости сопряжены один с другим при ректификации; при абсорбции, в противоположность этому, оба потока могут протекать независимо один от другого: при ректификации определенное количество жидкости испаряется и поднимается вверх в направлении колонны головной части колонны. Весь пар конденсируется в головной части колонны и отводится по меньшей мере частично снова назад в колонну в виде жидкости. Максимально возможное количество жидкости, соответственно, будет соответствовать количеству полностью сконденсированного пара, который достигает головной части колонны. Если больше жидкости испаряется в отстойнике, то больше жидкости может также протекать в обратном направлении. Оба потока связаны один с другим в этом отношении, и массообмен зависит явным образом от потока пара. Виды применения ректификации, соответственно, регулируются, как правило, со стороны газа.

В противоположность этому, разные условия функционирования могут быть установлены в различных видах применения абсорбции с помощью насосов и вентиляторов: большой поток абсорбента может быть приведен в соприкосновение со сравнительно небольшим газовым потоком или также наоборот. В дополнение к этому, абсорбенты могут связывать газообразные компоненты различным образом: физически, посредством химической реакции или как физическим, так и химическим путем. В этом отношении выбор абсорбента или растворителя для конкретных газообразных компонентов и их концентрации в газе и жидкости определяется тем, регулируется ли массообмен в большей степени со стороны газа или в большей степени со стороны жидкости.

Для того чтобы проверить применимость насадки в соответствии с данным изобретением изготавливали опытный образец, который содержит углубления в соответствии с изобретением, чтобы уменьшить число точек контакта. В исследованном случае расстояние, образованное углублением между двумя выступами гофра, составляет 2,5 мм. Число точек контакта, соответственно, уменьшалось для опытного образца от 37500 м^-3 до 18000 м^-3. Таким образом, достигалось уменьшение точек контакта примерно на 50% по сравнению с известным уровнем техники при той же самой полной поверхности в 205 м²/м³.

Этот опытный образец сравнивали с известной насадкой без углубления, например насадкой в соответствии с CH398503, имеющей такую же геометрическую площадь поверхности. Углубления на опытном образце уменьшают число мест контакта. Кроме того, газ, протекающий вдоль каналов насадочного слоя, может быть введен частично в качестве бокового потока через углубление в соседний канал в расположенном пересекающимся образом насадочном слое. Вследствие этого изменения в протекании газа следует ожидать пониженной эффективности отделения для опытного образца.

Вышеуказанный опытный образец первоначально испытывался в абсорбционной колонне, имеющей внутренний диаметр 300 мм. Изопропанол абсорбировался из воздуха водой. Тем самым получали систему с регулированием в основном газовой стороны, подобно ректификации. Как и следовало ожидать, меньшее число единиц переноса или NTUM (число единиц переноса на метр) было получено измерением для опытного образца, который представлен на Фиг. 10 в виде первой серии точек измерения 52, 53, 54. Чем больше число NTUM, тем выше эффективность насадки в отношении массообмена. График показывает пример NTUM для выбранного F-фактора в 1,5 Па^0,5 для насадки в соответствии с CH398503 и насадки в соответствии с данным изобретением. Изменялась загрузка жидкости L. F-фактор является индикатором для скорости газа в пустой колонне, умноженной на корень плотности газа. F-фактор пропорционален кинетической энергии газа. Точки измерения 55, 56, 57 для известной насадки в соответствии с CH398503 показывают более высокую величину NTUM, чем точки измерения 52, 53, 54 для насадки в соответствии с данным изобретением.

Эти результаты предварительных исследований показывают, что насадка в соответствии с данным изобретением с уменьшенным числом мест контакта и большим расстоянием между насадочными слоями уменьшает перепад давления, однако, в дополнение к этому, приводит к снижению эффективности отделения, что можно видеть из более низких величин NTUM на Фиг. 10. Вследствие этого, такая насадка проявляет себя как невыгодная для абсорбции или ректификация и, тем самым, по своей сути отличается от насадки, представленной в US 6378322 B1, которая несомненным образом выгодна для ректификации.

При последующих испытаниях неожиданно было обнаружено, что существуют системы веществ, для которых насадка в соответствии с данным изобретением приводит к улучшенной эффективности отделения. Вторая исследованная система веществ представляет собой абсорбцию CO₂ из воздуха водным раствором гидроксида натрия (NaOH), посредством которого CO₂ химически связывается. На Фиг. 11 показаны точки измерения для этой системы с опытным образцом для загрузок жидкости примерно от 10 до 80 м²/м³·ч, в соответствии с которой точки измерения 58, 59, 63, 64, 72, 73, 74 дают в результате более высокую величину NTUM для опытного образца, чем измеренные величины 78, 79, 83, 84, 86, 87, 88 для известной насадки. Как показано на Фиг. 11, насадка в соответствии с изобретением приводит при уменьшенном числе мест контакта по меньшей мере к такой же эффективности отделения, что и противопоставленная насадка. Это означает, что эффективность отделения в самом деле может быть улучшена уменьшением мест контакта и подходящим расположением мест контакта. Вместе с этим может быть уменьшен перепад давления посредством применения насадки в соответствии с изобретением. Нижняя кривая на Фиг. 11 показывает NTUM для коммерческой структурированной насадки в соответствии с CH398503 при возрастающей загрузке массообменного устройства менее летучей текучей средой при F-факторе 1,5 Па^0,5, при этом загрузка L показана в м³/м²·ч на оси x графика. Верхняя кривая 102 на Фиг. 11 показывает для сравнения NTUM для структурированной насадки в соответствии с данным изобретением. Для всех точек измерения, исследованных при одной и той же загрузке L, это приводит к тому, что NTUM больше, когда используется насадка с углублениями, а не когда используется насадка без углублений.

Насадка в соответствии с данным изобретением имеет преимущества в системах, которые могут быть найдены в области абсорбционной обработки топочных газов. В таких системах из потока топочных газов должны быть извлечены проблематичные компоненты посредством реакционно-способных водных растворов. В качестве примера может быть названа абсорбция CO₂, которая может причинять ущерб окружающей среде, из топочных газов электростанций. Абсорбция выполняется средствами для абсорбции водными растворами, которые могут содержать органические или неорганические основные материалы, такие как MEA (моноэтаноламин) или карбонат калия.

Предположение, почему уменьшение мест контакта в отдельных видах применения приводит к лучшей эффективности абсорбции, заключается в следующем: вследствие слабой увлажняющей способности используемой жидкости образуются участки позади мест контакта на слое насадки, которые вообще не увлажняются жидкостью. Полная поверхность насадочного слоя не может быть использована на всем ее протяжении жидкостью. Затруднено протекание жидкости на местах контакта, и она накапливается и отклоняется к краям. То же самое может также наблюдаться, когда вода протекает вниз по плоской поверхности, такой как пленка, и поток внезапно возмущается введенным объектом (например, штифтом, размещенным на плоскости). Пленочный поток протекает с высокой скоростью позади объекта, и результатом является сухая, неувлажненная поверхность, которая увлажняется снова лишь тогда, когда объект удаляется из потока. При применении при абсорбции, в которой протекает газ, который посредством модификации в соответствии с данным изобретением не оказывает негативного влияния на эффективность отделения, достигается улучшенная эффективность отделения. В системе для абсорбции изопропанола из воздуха водой, для которой массообмен регулируется со стороны газовой фазы, степень увлажнения не оказывает заметного влияния на массоомен. В системе, в которой массообмен регулируется жидкой фазой, например, при абсорбции CO₂ из воздуха раствором гидроксида натрия (NaOH), полное увлажнение поверхности насадки происходит при увеличении NTUM.

Абсорбер содержит слой структурированной насадки, имеющий гофры. Гофрами образовано множество открытых каналов. Каналы включают в себя первую впадину гофра, первый выступ гофра и второй выступ гофра. Первый выступ гофра и второй выступ гофра ограничивают первую впадину гофра, при этом первый и второй выступы гофра имеют первую вершину и вторую вершину. На первой вершине первого выступа гофра выполнено углубление, проходящее в направлении первой вершины. Первая впадина гофра имеет дно впадины, при этом нормальное расстояние по меньшей мере одной точки углубления от дна впадины гофра меньше нормального расстояния первой вершины от дна впадины гофра. Изобретение обеспечивает улучшение массообмена для абсорбера или десорбера. 14 з.п. ф-лы, 14 ил.

1. Массообменное устройство, представляющее собой абсорбер или десорбер со структурированной насадкой, содержащей первый слой (10), который имеет первые гофры, образующие множество открытых каналов (12, 14, 16), при этом каналы включают в себя первую впадину (22) гофра, первый выступ (32) гофра и второй выступ (42) гофра, при этом первый выступ (32) гофра и второй выступ (42) гофра ограничивают первую впадину (22) гофра, при этом первый и второй выступы гофра имеют первую вершину (33) и вторую вершину (43), причем на первой вершине (33) первого выступа (32) гофра выполнено углубление (34), проходящее в направлении первой вершины (33), при этом первая впадина (22) гофра имеет дно (23) впадины, причем нормальное расстояние (27) по меньшей мере одной точки углубления (34) от дна (23) впадины (22) гофра меньше нормального расстояния (28) первой вершины (33) от дна (23) первой впадины выступа (22) гофра, при этом предусмотрен второй слой (100), который имеет вторые гофры, причем первый слой (10) и второй слой (100) расположены таким образом, что каналы первого слоя (10) пересекаются с каналами второго слоя (100), при этом первый слой (10) соприкасается со вторым слоем (100), отличающееся тем, что соприкосновение прерывается в каждом из первого, второго или третьего углублений (24, 34, 44), причем углубления (24, 34, 44) выполнены путем пластической деформации вершин (33, 34).

2. Массообменное устройство по п. 1, в котором на второй вершине (43) расположено второе углубление (44).

3. Массообменное устройство по п. 2, в котором на дне первой впадины (23) выполнено третье углубление (34).

4. Массообменной устройство по п. 1 или 2, включающее в себя первую краевую границу (50, 51), а также вторую краевую границу (60, 61), при этом первая краевая граница (50, 51) расположена по существу параллельно второй краевой границе (60, 61).

5. Массообменное устройство по п. 4, в котором первое, второе или третье углубления (24, 34, 44) расположены между первой краевой границей (50, 51) и второй краевой границей (60, 61).

6. Массообменное устройство по п. 1 или 2, в котором первое, второе и/или третье углубления (24, 34, 44) выполнены в виде линзообразного вдавленного места.

7. Массообменное устройство по п. 1 или 2, в котором высота (28) гофра является по существу постоянной.

8. Массообменное устройство по п. 1 или 2, в котором по меньшей мере часть вершины (33, 43) выполнена в виде кромки.

9. Массообменное устройство по п. 1 или 2, в котором по меньшей мере некоторые из впадин гофров имеют V-образную форму.

10. Массообменное устройство по п. 1 или 2, в котором углубления (24, 34, 34) расположены на каждом из первого и второго слоев (10, 100).

11. Массообменное устройство по п. 1 или 2, в котором углубление (24, 34, 44) проходит по длине, которая соответствует самое большее 75% длины вершины (33, 43).

12. Массообменное устройство по п. 4, в котором углубление (24, 34, 44) выполнено с внутренней стороны первой и/или второй краевой границы (50, 51, 60, 61).

13. Массообменное устройство по п. 1 или 2, в котором углубления (24, 34, 44) первого слоя (10) расположены по меньшей мере частично с перекрытием углублений второго слоя (100).

14. Массообменное устройство по п. 1 или 2, в котором углубление (24, 34, 44) содержит промежуточный выступ.

15. Массообменное устройство по п. 1 или 2, в котором первый и/или второй слой (10, 100) содержит отверстие.