МАССООБМЕННАЯ КОЛОННА С ПЕРЕКРЕСТНЫМ ТОКОМ ЖИДКОЙ И ГАЗОВОЙ ФАЗ Российский патент 2016 года по МПК B01D3/14 B01J19/32 

Изобретение относится к перекрестноточным насадочным массообменным колонным аппаратам, в которых осуществляются процессы ректификационного разделения смесей жидкость-газ (пар), перегонки смесей жидкость-газ (пар), абсорбционного разделения смесей жидкость-газ, оно может быть использовано в нефтеперерабатывающей, нефтехимической, химической, газовой, пищевой и других отраслях промышленности.

Основной особенностью массообменных колонн с использованием перекрестноточных насадочных контактных устройств является независимость проходных сечений для жидкой и газовой фаз, что позволяет разрабатывать колонные аппараты с оптимальными гидродинамическими режимами для каждой из взаимодействующих фаз, кроме того, эти аппараты характеризуются низким гидравлическим сопротивлением, что особенно важно для аппаратов, работающих при давлении ниже атмосферного.

Известна установка фракционирования углеводородов, содержащая ректификационную колонну, вход которой соединен с линией подачи сырья, снабженной теплообменником, подогревателем и сырьевой емкостью, верх колонны соединен с линией отвода пропан-бутановой фракции, снабженной воздушным холодильником, дефлегматором, а низ - с линией отвода пентан-гексановой фракции, подключенной к теплообменнику, кроме того, колонна дополнительно содержит холодильник-конденсатор, установленный параллельно теплообменнику и подключенный к линии отвода пропан-бутановой фракции перед воздушным холодильником, а в ректификационной колонне установлена перекрестноточная регулярная насадка (свидетельство на полезную модель RU 54805 U1, МПК B01D 3/14, C07C 7/04, заявлено 17.11.2005, опубликовано 27.07.2006). Недостатком данного свидетельства является отсутствие конструктивных особенностей перекрестноточной регулярной насадки, а представленная на рис. 1 схема ректификационной колонны позволяет считать, что на самом деле авторы рассматривали не перекрестноточную, а противоточную насадочную колонну.

Известна массообменная колонна с низким гидравлическим сопротивлением с поярусно расположенными перфорированными решетками по высоте колонны и слоями насадки на решетках, при этом решетки выполнены в виде наклонных ступеней, расположенных поочередно в диаметрально противоположных направлениях в смежных по высоте решетках, задние и боковые кромки ступеней по направлению уклона решетки имеют отбортовки вверх для задержки жидкости и наклонные ступенчатые решетки снабжены вертикально установленными с плотной укладкой элементами одинаковой высоты винтовой насадки, при этом пар через прорези в ступенях проходит в слой винтовой насадки, контактирует при этом с жидкостью и увлекает ее, в результате происходит образование паро-жидкостной эмульсии с высокоразвитой межфазной поверхностью массообмена, при этом происходит перекрестное движение пара и жидкости, при котором пар движется вверх практически по модели идеального вытеснения, а жидкость движется в слое насадки диаметрально по модели близкой к модели идеального вытеснения при полном перемешивании по высоте слоя насадки (патент RU 2055627 C1, МПК B01D 3/22, заявлен 16.12.1992, опубликован 10.03.1996). Недостатками данного патента являются:

- низкая эффективность работы насадочных устройств в узком диапазоне устойчивой работы в связи с необходимостью их работы лишь в условиях, близких к захлебыванию, следовательно, при изменении режима работы колонны по расходам пара и жидкости, отклоняющимся от условий эмульгирования и захлебывания, использование данной колонны не имеет смысла, как указывает и автор патента;

- функционирование колонны только при высоких расходах паровой фазы, когда избыточное давление паровой фазы приближается к гидравлическому сопротивлению контактного устройства, в противном случае происходит провал жидкой фазы через прорези в ступенях практически без контакта с паровой фазой;

- невозможность организации полного перемешивания пара и жидкости по высоте слоя насадки, поскольку слой жидкой фазы в насадке определяется только отбортовкой ступеней, а подъем ее в виде пены вверх по высоте слоя насадки практически невозможен при реальных невысоких скоростях потока паровой фазы в колонне;

- чрезмерная сложность конструктивного решения и монтажа колонны, связанная с плотной укладкой элементов винтовой насадки.

Известна также насадочная массообменная перекрестноточная колонна, включающая корпус, штуцера ввода сырья и орошения, вывода дистиллята и остатка, секции перекрестноточной насадки, разделенные по высоте горизонтальными перегородками, имеющими последовательно по ходу газовой фазы в нормальном сечении корпуса окно для прохода газа с входной стороны секции перекрестноточной насадки и сплошной участок с смотровыми люками с выходной стороны секции перекрестноточной насадки, которые чередуются на соседних по высоте горизонтальных перегородках, при этом в зоне перекрестноточной насадки горизонтальные перегородки имеют отверстия для прохождения жидкой фазы (свидетельство на полезную модель RU 18646 U1, МПК B01D 3/16, B01J 19/32, заявлено 16.12.2000, опубликовано 10.07.2001). Недостатками данного свидетельства являются:

- узкий диапазон устойчивой работы контактного устройства, связанный с нарушением гидродинамики течения жидкой пленки по поверхности насадки с разрывом струи и возможностью проскока газовой фазы через контактное устройство без контакта с жидкой фазой, отчего снижается эффективность тепломассообмена в насадке, при уменьшении расхода жидкой фазы и с неизбежностью отрыва части жидкой пленки с поверхности насадки на внешней стороне секции, дроблением сорвавшейся жидкой пленки на капли восходящим потоком газа с последующим забросом соответствующей части жидкого продукта на вышележащее контактное устройство, что ухудшает качество разделения исходной смеси в колонне в целом за счет роста гидравлического сопротивления при повышении расхода жидкой фазы;

- переток жидкой фазы через отверстия в горизонтальной перегородке, играющей роль распределителя жидкой фазы, с вышележащей на нижележащую секцию перекрестноточной насадки, приводящий к колебаниям уровня сплошной жидкой фазы в слое насадки при изменении расхода жидкой фазы, что приводит к соответствующему изменению проходного сечения газовой фазы в перекрестноточной насадке и опосредовано - к изменению эффективности разделения в колонне в целом.

Известна также массообменная колонна с установленными друг над другом насадочными блочными модулями, между которыми установлены распределители жидкой фазы, каждый блочный модуль состоит из нескольких насадочных секций, разделенных по высоте горизонтальными перегородками, имеющими последовательно по ходу газовой фазы в нормальном сечении корпуса окно для прохода газа с входной стороны насадочной секции и сплошной участок с выходной стороны насадочной секции, которые чередуются на соседних по высоте горизонтальных перегородках, при этом в зоне насадочных секций горизонтальные перегородки имеют отверстия для противоточного прохождения жидкой и паровой фаз, а в насадке реализуется перекрестный ток жидкой и газовой фаз (патент RU 2292947 C1, МПК B01D 47/14, B01D 53/18, B01J 19/32, заявлен 21.09.2005, опубликован 10.02.2007). Недостатками данного патента являются:

- отсутствие распределительного устройства между насадочными секциями насадочного блочного модуля, приводящее к нарушению однородности структуры потока жидкой фазы в пределах насадочного блочного модуля по насадочным секциям;

- противоточное прохождение жидкой и паровой фаз через отверстия горизонтальных перегородок, резко сужающее диапазон устойчивой работы колонны, поскольку при малом расходе газовой фазы начинается раздельное прохождение газовой фазы через часть отверстий горизонтальной перегородки и жидкой фазы через оставшуюся часть отверстий горизонтальной перегородки, что приводит к неравномерности орошения насадки нижележащей секции и, как следствие, к снижению эффективности ее работы, а при большом расходе газовой фазы возникает эффект захлебывания насадки вышележащей насадочной секции, что также приводит к снижению эффективности ее работы.

Известна также тепломассообменная колонна, наиболее близкая к заявляемому изобретению, включающая корпус, секции перекрестноточной насадки, ограниченные по двум противоположным сторонам сплошными боковыми стенками и разделенные по высоте горизонтальными перегородками, имеющими последовательно по ходу газовой фазы в нормальном сечении корпуса окно для прохода газа с входной стороны секции перекрестноточной насадки и сплошной участок с выходной стороны секции перекрестноточной насадки, которые чередуются на соседних по высоте горизонтальных перегородках, с расположенными между смежными секциями перекрестноточной насадки и над верхней секцией перекрестноточной насадки распределителями жидкости (авторское свидетельство SU 1044320 А, МПК B01D 53/20, заявлено 22.06.1982, опубликовано 30.09.1983). Недостатками данного авторского свидетельства являются:

- оптимальная работа колонны только при проектной (номинальной) производительности и в режиме фракционирования, когда уровень жидкой фазы в распределительных устройствах определяется отбортовкой распределительного устройства;

- низкий диапазон устойчивой работы колонны, связанный с фиксированием максимального уровня жидкой фазы в распределительных устройствах отбортовкой распределительного устройства, которые обеспечивают равномерное орошение нижележащих секций перекрестноточной насадки через отверстия в горизонтальном полотне распределителя;

- снижение уровня жидкой фазы в распределителе жидкости при уменьшении расхода, приводящее к истечению этой фазы только через часть отверстий в горизонтальном полотне распределителя, при этом орошение насадки нижележащей секции станет неравномерным в связи с прохождением газовой фазы через оставшуюся часть отверстий в вышележащую секцию, что приведет к снижению эффективности ее работы;

- переполнение объема распределителей жидкости при увеличении производительности и/или расхода орошения сверх номинальных и перелив излишка через отбортовку распределительного устройства в канал между корпусом колонны и секциями перекрестноточной насадки, по которому газовая фаза переходит из соответствующей нижележащей секции в вышележащую секцию; этот излишек жидкой фазы выводится из зоны массообмена между жидкой и газовой фазами, что приводит к снижению эффективности работы колонны в целом.

Общим недостатком рассмотренных конструкций насадочных колонн с перекрестным током жидкой и газовой фаз является узкий диапазон устойчивой работы с высокой эффективностью массообмена между жидкой и газовой фазами, определяемый проектной производительностью и режимом работы колонны. Однако в условиях промышленной эксплуатации насадочных колонн с перекрестным током жидкой и газовой фаз систематически возникают ситуации, при которых необходимо существенное отклонение от проектных характеристик колонны, в частности:

- падение производительности колонны, связанное со снижением поступления сырья на переработку или потребности в конечной продукции, что приводит к уменьшению расходов жидкой и газовой фаз по высоте колонны;

- увеличение производительности колонны, связанное с ростом потребности в конечной продукции, приводящее к возрастанию расходов жидкой и газовой фаз по высоте колонны;

- повышение качества вырабатываемого дистиллята и/или остатка при сохранении производительности колонны, что требует увеличения флегмовых и/или паровых чисел при реализации режима фракционирования и опосредовано - увеличения расходов жидкой и/или газовой фаз по высоте колонны.

Во всех рассмотренных случаях гибкая эксплуатация насадочных колонн с перекрестным током жидкой и газовой фаз невозможна без обеспечения существенного расширения диапазона устойчивой работы аппарата с высокой эффективностью массообмена между жидкой и газовой фазами.

При создании изобретения ставилась задача совершенствования конструкции массообменной колонны с перекрестным током жидкой и газовой фаз с целью существенного расширения диапазона устойчивой работы аппарата.

Поставленная задача решается за счет того, что в массообменной колонне с перекрестным током жидкой и газовой фаз, включающей корпус, штуцера ввода сырья, вывода паров дистиллята и остатка, ввода и вывода вспомогательных технологических газовых и жидких потоков, секции перекрестноточной насадки, ограниченные по двум противоположным сторонам сплошными боковыми стенками и разделенные по высоте горизонтальными перегородками, имеющими последовательно по ходу газовой фазы в нормальном сечении корпуса окно для прохода газа с входной стороны секции перекрестноточной насадки и сплошной участок с выходной стороны секции перекрестноточной насадки, которые чередуются на соседних по высоте горизонтальных перегородках, с расположенными между смежными секциями перекрестноточной насадки и над верхней секцией перекрестноточной насадки распределителями жидкости, распределитель жидкости состоит из трех последовательно сопряженных деталей А, В и С, при этом деталь А представляет собой горизонтальное полотно, герметично закрепленное на двух противоположных сплошных боковых стенках с отогнутой вниз кромкой и сопряженное с противоположной стороны с деталью В, деталь В имеет форму набора ступеней, каждая из которых выполнена из двух сопряженных сплошной торцевой и перфорированной сливной пластин, герметично закрепленных на двух противоположных сплошных боковых стенках, ограничивающих перекрестноточную насадочную секцию, при этом сливная пластина нижней ступени сопряжена с деталью С, деталь С имеет форму глухого кармана, герметично закрепленного на двух противоположных сплошных боковых стенках, с днищем и бортом, причем борт глухого кармана верхней кромкой сопряжен со сливной пластиной нижней ступени детали В, противоположная сторона глухого кармана сопряжена с корпусом, а отогнутая вниз кромка горизонтального полотна детали А опущена в деталь C с зазором относительно днища глухого кармана, верхняя ступень детали В снабжена вертикальной пластиной, перекрывающей частично выход газовой фазы из слоя насадки нижележащей секции перекрестноточной насадки и нижнюю часть слоя насадки вышележащей секции перекрестноточной насадки.

Предлагаемая конструкция распределителя жидкости позволяет в зависимости от реального расхода жидкой фазы (флегмы) вводить в технологический процесс весь объем перекрестноточной насадки насадочной секции или необходимую часть ее объема, в том числе при изменении расхода флегмы по высоте колонны включать в массообменный процесс необходимую часть объема перекрестноточной насадки каждой насадочной секции. Это позволяет расширить диапазон устойчивой работы колонны при ее эксплуатации в пределах от гипотетически минимального до гипотетически максимального расхода флегмы за счет того, что по мере возрастания расхода флегмы происходит эквивалентное заполнение ступенчатого распределителя жидкости от нижней ступени к верхней и ввод в массообменный процесс новых слоев массообменной перекрестноточной насадки от зоны выхода газовой фазы из насадочной секции при минимальном расходе флегмы из нижней ступени распределителя жидкости до зоны входа газовой фазы в насадочную секцию при максимальном расходе флегмы из всех ступеней распределителя жидкости. Сочетание деталей А, В и С делает распределитель жидкости одновременно гидравлическим затвором, разделяющим вышележащую и нижележащую секции перекрестноточной насадки и не допускающим байпасного проскока газовой фазы с нижележащей в вышележащую секцию перекрестноточной насадки.

Верхняя часть вертикальной пластины верхней ступени детали В перекрывает частично нижнюю часть слоя насадки вышележащей секции перекрестноточной насадки на высоту, обеспечивающую расход жидкой фазы через распределитель жидкости, соответствующий максимальной производительности колонны по потоку флегмы, при этом все свободное пространство распределителя жидкости между деталями А, В и С заполнено жидкостью, а также нижняя часть слоя насадки вышележащей секции перекрестноточной насадки заполнены жидкостью, обеспечивая максимальную высоту подпора жидкости в распределителе жидкости и его максимальную производительность по потоку флегмы. В случае увеличения расхода флегмы выше максимально допустимого уровня верхняя часть вертикальной пластины верхней ступени детали В служит сливным порогом, через который переливаются излишки флегмы.

Вертикальная пластина верхней ступени детали В продолжается после распределителя вниз, перекрывая частично выход газовой фазы из слоя насадки нижележащей секции перекрестноточной насадки, что позволяет предотвратить байпасный проскок газовой фазы через пространство над насадкой. Секция перекрестноточной насадки в вертикальном сечении, параллельном потоку газовой фазы, в верхнем уровне повторяет ступенчатую форму детали В распределителя жидкости, что обеспечивает постепенное расширение потока газовой фазы по мере прохождения ее через слой насадки и снижения при этом перепада давления газовой фазы из-за уменьшения гидравлического сопротивления слоя насадки и постоянство скорости потока газовой фазы в слое насадки, а в нижнем уровне является горизонтальной при опоре на горизонтальное полотно детали А.

Ступени распределителя жидкости в зависимости от проектных вариантов работы колонны с перекрестным током жидкой и газовой фаз могут иметь различную конфигурацию:

а) для ряда проектных вариантов с дискретным равномерным изменением флегмового числа в колонне с постоянным или незначительным изменением движущей силы массопереноса в системе жидкость-газ в объеме перекрестноточной насадки целесообразно сливные пластины детали В распределителя жидкости располагать горизонтально при одинаковой ширине пластин;

б) для ряда проектных вариантов с дискретным равномерным изменением флегмового числа в колонне с существенным изменением движущей силы массопереноса в системе жидкость-газ в объеме перекрестноточной насадки, в частности с уменьшением движущей силы массопереноса по ходу потока газовой фазы через перекрестноточную насадку целесообразно сливные пластины распределителя жидкости располагать горизонтально с шириной пластин постепенно возрастающей от нижней ступени к верхней;

в) для ряда проектных вариантов с широким диапазоном изменением флегмового числа в колонне, близким к непрерывному, с постоянным или незначительным изменением движущей силы массопереноса в системе жидкость-газ в объеме перекрестноточной насадки целесообразно сливные пластины распределителя жидкости выполнять наклонными и располагать под острым углом к горизонту от нижней ступени к верхней при одинаковой ширине пластин;

г) для ряда проектных вариантов с широким диапазоном изменением флегмового числа в колонне, близким к непрерывному, с существенным изменением движущей силы массопереноса в системе жидкость-газ в объеме перекрестноточной насадки, в частности с уменьшением движущей силы массопереноса по ходу потока газовой фазы через перекрестноточную насадку целесообразно сливные пластины распределителя жидкости выполнять наклонными и располагать под острым углом к горизонту от нижней ступени к верхней с шириной пластин постепенно возрастающей от нижней ступени к верхней.

Целесообразно, чтобы зазор между отогнутой вниз кромкой горизонтального полотна детали А и днищем глухого кармана детали С был выполнен с величиной не более, чем половина высоты торцевой пластины нижней ступени детали В, для формирования на нижней ступени детали С уровня жидкой фазы, превышающего перепад давления при перетекании жидкой фазы через перфорированную пластину нижней ступени детали В, который обеспечивает минимальный расход жидкой фазы в колонне.

При высокой производительности колонны с перекрестным током жидкой и газовой фаз необходимые проходные сечения для жидкой и газовой фаз секций перекрестноточной насадки становятся настолько большими, что в них нарушается структура потоков газовой и жидкой фаз. Поток газовой фазы вместо горизонтальной, близкой к линейной, траектории движения сквозь секцию перекрестноточной насадки приобретает траекторию с восходящим наклоном к горизонту с образованием застойных зон на входе и выходе потока из насадки, что приводит к уменьшению объема интенсивной массопередачи в секции перекрестноточной насадки и, как следствие, к снижению эффективности фракционирования в колонне. Кроме того, поток жидкой фазы вместо нисходящего пленочного движения по поверхности насадки начинает отслаиваться от поверхности насадки, частично дробится на капли, переходящие в свободный объем секции между элементами насадки за счет увеличения скорости потока газовой фазы в ядре потока по сравнению с расчетной из-за возникновения застойных зон. Для устранения рассмотренных негативных качеств конструкции колонны с перекрестным током жидкой и газовой фаз высокой производительности целесообразно выполнить колонну симметрично многопоточной по жидкой и газовой фазам, разместив в аппарате несколько аналогичных рядов секций перекрестноточной насадки с рассмотренными распределителями жидкости между секциями, что позволит упорядочить структуру потоков и повысит эффективность фракционирования. При многопоточном исполнении колонны целесообразно днища глухих карманов детали С двух симметрично расположенных оппозитных секций перекрестноточных насадок вертикального набора секций перекрестноточных насадок, формирующего один поток, объединять сплошной перемычкой, перекрывающей канал поступления газовой фазы.

Целесообразно также, особенно при реконструкции массообменной колонны, чтобы зазор отогнутой вниз кромки горизонтального полотна детали А, опущенной в деталь С, с днищем глухого кармана составлял высоту, равную высоте 15-30% нижних ступеней детали В, при этом кромка горизонтального полотна детали А смещается в сторону верхней ступени, снабженной вертикальной пластиной, детали В на величину, равную совокупной длине 15-30% нижних ступеней детали В, что позволяет увеличить поперечное сечение секции перекрестноточной насадки и, соответственно, производительность массообменной колонны по жидкой фазе при некотором сужении диапазона устойчивой работы колонны, составляющем от 15-30% до 100%.

На фигурах 1-11 представлено конструктивное решение заявляемого изобретения:

- на фигуре 1 - общий вид массообменной колонны с перекрестным током жидкой и газовой фаз;

- на фигуре 2 - распределительное устройство массообменной колонны;

- на фигуре 3 - принцип работы распределительного устройства при минимальном проектном расходе жидкой фазы;

- на фигуре 4 - принцип работы распределительного устройства при рабочем расходе жидкой фазы;

- на фигуре 5 - принцип работы распределительного устройства при максимальном проектном расходе жидкой фазы;

- на фигуре 6 - принцип работы распределительного устройства при расходе жидкой фазы, превышающем максимальный проектный расход;

- на фигуре 7 - деталь B в форме набора ступеней, в котором сливные пластины распределителя жидкости расположены горизонтально при одинаковой ширине пластин;

- на фигуре 8 - деталь B в форме набора ступеней, в котором сливные пластины распределителя жидкости расположены горизонтально с шириной пластин постепенно возрастающей от нижней ступени к верхней;

- на фигуре 9 - деталь B в форме набора ступеней, в котором сливные пластины распределителя жидкости выполнены наклонными и расположены под острым углом к горизонту от нижней ступени к верхней при одинаковой ширине пластин;

- на фигуре 10 - деталь B в форме набора ступеней, в котором сливные пластины распределителя жидкости выполнены наклонными и расположены под острым углом к горизонту от нижней ступени к верхней с шириной пластин постепенно возрастающей от нижней ступени к верхней;

- на фигуре 11 - фрагмент двухпоточного варианта многопоточной колонны;

- на фигуре 12 представлен принцип работы распределительного устройства при смещении кромки горизонтального полотна;

- на фигурах 13-15 приведены фотографии исследовательского стенда при различных гидродинамических режимах работы массообменной насадочной колонны с распределителем жидкости на системе вода-воздух.

На фигурах 1-12 используются следующие условные обозначения:

1 - корпус колонны,

2 - секция перекрестноточной насадки,

3 - штуцер ввода сырья,

4 - штуцер вывода паров дистиллята,

5 - штуцер вывода остатка,

6 - штуцер ввода орошения,

7 - штуцер ввода паров из ребойлера,

8 - деталь А распределителя жидкости - горизонтальное полотно с отогнутой вниз кромкой,

9 - деталь В распределителя жидкости в форме набора ступеней,

10 - деталь С распределителя жидкости в форме глухого кармана с днищем и бортом,

11 - вертикальная пластина,

12 - перемычка.

Массообменная колонна с перекрестным током жидкой и газовой фаз работает, например, при ректификации смеси исходной парожидкостной смеси углеводородов следующим образом (фигура 1). Сырье - парожидкостная смесь углеводородов - поступает на фракционирование в корпус колонны 1, в котором размещены секции перекрестноточной насадки 2, через штуцер ввода сырья 3, разделяясь в свободном пространстве колонны на жидкую и газовую, представляющую собой пар, фазы. Полученные в результате фракционирования дистиллят в газовой фазе и остаток в жидкой фазе выводятся из корпуса колонны 1 через штуцера 4 и 5 соответственно. Часть дистиллята после его конденсации в холодильнике (на фигуре 1 не показан) возвращается в корпус колонны 1 через штуцер ввода орошения 6 на жидкостное орошение верхней секции перекрестноточной насадки 2. Часть остатка после его испарения в ребойлере (на фигуре 1 не показан) возвращается в корпус колонны 1 через штуцер 7 в качестве парового орошения нижней секции перекрестноточной насадки 2. В секциях перекрестноточной насадки 2 происходит массообмен между вертикально нисходящей пленкой жидкой фазы, стекающей по насадке 2, и горизонтально проходящим потоком газовой фазы, в ходе которого жидкая фаза обогащается высококипящими компонентами исходного сырья, а газовая фаза - низкокипящими компонентами. При этом газовая фаза проходит через все вертикальное сечение секции перекрестноточной насадки 2, а жидкая фаза проходит через часть горизонтального сечения секции перекрестноточной насадки 2, пропорциональную расходу жидкой фазы, что обеспечивается конструкцией распределителя жидкости, состоящего из трех деталей А, В и С: горизонтального полотна с отогнутой вниз кромкой 8, набора ступеней 9 и глухого кармана с днищем и бортом 10 соответственно. Жидкая фаза с вышележащей секции перекрестноточной насадки 2 поступает в распределитель жидкости на горизонтальное полотно 8 и по его отогнутой вниз кромке стекает в глухой карман с бортом 10 в пропорциональном расходу жидкой фазы количестве, формируя соответствующий уровень жидкой фазы в кармане с бортом 10, сопряженным с восходящим набором ступеней 9, каждая из которых на горизонтальном участке ступени имеет перфорированные отверстия для стока жидкой фазы на нижележащую секцию перекрестноточной насадки 2, которая обеспечивает орошение соответствующего фрагмента нижележащей секции перекрестноточной насадки 2 (фигура 2). Таким образом, часть фрагментов нижележащей секции перекрестноточной насадки 2, расположенная под заполненными жидкой фазой нижними ступенями набора ступеней 9, орошается жидкой фазой и участвует в процессе массообмена, а оставшаяся часть фрагментов нижележащей секции перекрестноточной насадки 2, расположенная под не заполненными жидкой фазой верхними ступенями набора ступеней 9, не орошается жидкой фазой и остается сухой, не участвуя в процессе массообмена. В ходе работы массообменной колонны по мере увеличения расхода жидкой фазы в соответствии с технологическим режимом происходит заполнение очередных верхних ступеней набора ступеней 9 и переход в режим массообмена очередных фрагментов нижележащей секции перекрестноточной насадки 2. Подобная работа распределителя жидкости существенно расширяет диапазон устойчивой работы массообменной колонны.

При минимальном проектном расходе жидкой фазы массообменная колонна работает с уровнем жидкой фазы на первой нижней ступени набора ступеней 9, превышающим перепад давления при истечении жидкой фазы через перфорированную пластину первой нижней ступени, когда обеспечивается необходимый расход жидкой фазы в колонне на конечный фрагмент насадки нижележащей секции перекрестноточной насадки 2 по ходу движения потока пара (фигура 3).

При конкретном варианте рабочего режима с заданным расходом жидкой фазы массообменная колонна работает при уровне жидкой фазы, обеспечивающем заполнение соответствующей части нижних ступеней набора ступеней 9, когда обеспечивается необходимый расход жидкой фазы в колонне на соответствующие фрагменты насадки нижележащей секции перекрестноточной насадки 2 по ходу движения потока пара (фигура 4).

При максимальном проектном расходе жидкой фазы массообменная колонна работает в режиме, при котором заполняется весь объем распределителя жидкой фазы вплоть до заполнения жидкой фазой пространства между последней верхней ступенью набора ступеней 9 и горизонтальным полотном 8, когда обеспечивается необходимый расход жидкой фазы в колонне на все фрагменты насадки нижележащей секции перекрестноточной насадки 2 по ходу движения потока пара (фигура 5). Если реальный расход жидкой фазы превысит величину максимального проектного расхода, произойдет переполнение распределителя жидкости и излишки жидкой фазы перельются через вертикальную пластину 11 из вышележащей секции перекрестноточной насадки в глухой карман нижележащей секции перекрестноточной насадки (фигура 6).

Сливные пластины набора ступеней 9, снабженные перфорацией, в зависимости от специфики работы массообменной колонны могут быть выполнены одинаковой длины при равномерном изменении производительности колонны по жидкой фазе (фигуры 7 и 9) или различной длины при неравномерном изменении производительности колонны по жидкой фазе (фигуры 8 и 10).

Сливные пластины набора ступеней 9, снабженные перфорацией, в зависимости от специфики работы массообменной колонны могут быть выполнены горизонтальными при дискретном изменении производительности колонны по жидкой фазе (фигуры 7 и 8) или наклонными с расположением под острым углом к горизонту при возможности практически непрерывного изменения производительности колонны по жидкой фазе (фигуры 9 и 10) от минимального до максимального значения.

На фигуре 11 приведен фрагмент двухпоточного варианта многопоточной колонны, в котором для снижения гидравлического сопротивления колонны в корпусе колонны размещены два параллельных набора секций перекрестноточной насадки, где днища глухих карманов двух симметрично расположенных секций перекрестноточных насадок вертикального набора секций перекрестноточных насадок, формирующего один поток, объединяют сплошной перемычкой 12, перекрывающей канал поступления паровой фазы.

На фигуре 12 приведен фрагмент реконструированной массообменной колонны, в которой увеличено сечение секции перекрестноточной насадки, что приводит к смещению кромки горизонтального полотна распределительного устройства в глубину межсекционного пространства.

При абсорбционной очистке газа при помощи жидкого абсорбента массообменная колонна с перекрестным током жидкой и газовой фаз работает аналогично.

Заявляемое изобретение подтверждается следующими примерами.

Пример 1. В массообменной колонне непрерывного действия с условным максимальным расходом потока флегмы в колонне, равным 100%, распределители жидкости имеют набор ступеней, состоящий из 10 ступеней с горизонтальными перфорированными сливными пластинами, при этом уровень жидкой фазы на перфорированной сливной пластине нижней ступени, составляющий половину высоты торцевой пластины нижней ступени, обеспечит минимальный расход потока флегмы не менее 5%, что формирует диапазон устойчивой работы массообменной колонны в диапазоне не менее 5-100%, при этом аппарат может автомодельно реализовать не менее 11 технологических режимов по расходу потока флегмы.

Пример 2. В массообменной колонне периодического действия выполняется разделение четырехкомпонентной реакционной смеси, содержащей, соответственно, 10, 20, 30 и 40% различных компонентов с последовательно возрастающей температурой кипения и с флегмовым числом при извлечении каждого из компонентов, равным 10. Распределители жидкости имеют набор ступеней, состоящий из трех ступеней с горизонтальными перфорированными сливными пластинами одинаковой ширины. В ходе работы массообменной колонны периодического действия при отгонке первого компонента будет работать первая нижняя ступень распределителя жидкости, при отгонке второго компонента - две нижние ступени распределителя жидкости, при отгонке третьего компонента -все три ступени распределителя жидкости.

Пример 3. В массообменной колонне периодического действия выполняется разделение четырехкомпонентной реакционной смеси, содержащей, соответственно, 10, 20, 30 и 40% различных компонентов с последовательно возрастающей температурой кипения с флегмовым числом при извлечении каждого из компонентов, равным 10. Распределители жидкости имеют набор ступеней, состоящий из трех ступеней с горизонтальными перфорированными сливными пластинами одинаковой ширины. В ходе работы массообменной колонны периодического действия при отгонке первого компонента будут работать две нижние ступени распределителя жидкости, при отгонке второго компонента - только одна нижняя ступень, при отгонке третьего компонента - все три ступени распределителя жидкости.

Пример 4. В массообменной колонне непрерывного действия с условным максимальным расходом потока флегмы в колонне, равным 100%, распределители жидкости имеют набор ступеней, состоящий из 10 ступеней с горизонтальными перфорированными сливными пластинами. В ходе реконструкции колонны для повышения расхода флегмы до 120% было расширено поперечное сечение секции перекрестноточной насадки на 20%, в связи с чем число ступеней распределителя жидкости было увеличено с 10 до 12, при этом отогнутая вниз кромка горизонтального полотна детали А приподнялась над днищем глухого кармана на высоту двух дополнительных нижних ступеней детали В и сместилась в сторону верхней ступени детали В на величину, равную совокупной длине двух дополнительных нижних ступеней детали В. В результате описанной реконструкции производительность массообменной колонну увеличилась по жидкой фазе до 120% с сохранением достаточно широкого диапазона устойчивой работы колонны от 20% до 100%.

Пример 5. На стенде высотой 2000 мм и шириной 400 мм в масштабе 1:1 исследована гидродинамика работы на системе вода-воздух фрагмента двухпоточного варианта многопоточной колонны по заявляемому изобретению, где для снижения гидравлического сопротивления колонны в ее корпусе размещены два параллельных набора секций перекрестноточной насадки, в которых днища глухих карманов двух симметрично расположенных секций перекрестноточных насадок вертикального набора секций перекрестноточных насадок, формирующего один поток, объединяются сплошной перемычкой, перекрывающей канал поступления газовой фазы. На фигурах 13-15 иллюстрируются различные этапы исследования. На фигуре 13 - работа нижней части двухпоточной колонны при 80%-ном расходе жидкой фазы, на фигуре 14 - работа нижней части двухпоточной колонны при 50%-ном расходе жидкой фазы, на фигуре 15 - работа распределителя жидкости одной секции двухпоточной колонны при 90%-ном расходе жидкой фазы. Испытания показали, что диапазон устойчивой работы колонны по заявляемому изобретению лежит в пределах от 5 до 100%. Испытания показали, что диапазон устойчивой работы колонны по заявляемому изобретению лежит в пределах от 5 до 100%.

Таким образом, заявляемое изобретение позволяет решить задачу разработки высокоэффективной массообменной колонны, в которой возможно резкое изменение расходов жидкой фазы, обеспечивающей при этом существенное расширение диапазона устойчивой работы аппарата, а также возможность использования контактных устройств с различным числом потоков в одном аппарате.

Изобретение относится к перекрестноточным насадочным тепломассообменным колонным аппаратам. Массообменная колонна с перекрестным током жидкой и газовой фаз включает корпус, штуцера ввода сырья, вывода дистиллята и остатка, ввода и вывода вспомогательных потоков, секции перекрестноточной насадки, разделенные по высоте горизонтальными перегородками, имеющими последовательно по ходу газовой фазы в нормальном сечении корпуса окно для прохода газа с входной стороны насадки и сплошной участок с выходной стороны насадки, которые чередуются на соседних по высоте горизонтальных перегородках, с расположенными между смежными секциями насадки и над верхней секцией насадки распределителями жидкости, которые состоят из трех последовательно сопряженных деталей: горизонтального полотна, набора ступеней и глухого кармана. Изобретение обеспечивает высокую эффективность работы массообменной колонны, в которой возможно резкое изменение расходов жидкой фазы, расширение диапазона устойчивой работы аппарата, а также возможность использования контактных устройств с различным числом потоков в одном аппарате. 11 з.п. ф-лы, 15 ил., 5 пр.

1. Массообменная колонна с перекрестным током жидкой и газовой фаз, включающая корпус, штуцера ввода сырья, вывода паров дистиллята и остатка, ввода и вывода вспомогательных технологических газовых и жидких потоков, секции перекрестноточной насадки, ограниченные по двум противоположным сторонам сплошными боковыми стенками и разделенные по высоте горизонтальными перегородками, имеющими последовательно по ходу газовой фазы в нормальном сечении корпуса окно для прохода газа с входной стороны секции перекрестноточной насадки и сплошной участок с выходной стороны секции перекрестноточной насадки, которые чередуются на соседних по высоте горизонтальных перегородках, с расположенными между смежными секциями перекрестноточной насадки и над верхней секцией перекрестноточной насадки распределителями жидкости, отличающаяся тем, что представляет собой горизонтальное полотно, герметично закрепленное на двух противоположных сплошных боковых стенках с отогнутой вниз кромкой и сопряженное с противоположной стороны с деталью В, деталь В имеет форму набора ступеней, каждая из которых выполнена из двух сопряженных сплошной торцевой и перфорированной сливной пластин, герметично закрепленных на двух противоположных сплошных боковых стенках, ограничивающих перекрестноточную насадочную секцию, при этом сливная пластина нижней ступени сопряжена с деталью С, деталь С имеет форму глухого кармана, герметично закрепленного на двух противоположных сплошных боковых стенках, с днищем и бортом, причем борт глухого кармана верхней кромкой сопряжен со сливной пластиной нижней ступени детали В, противоположная сторона глухого кармана сопряжена с корпусом, а отогнутая вниз кромка горизонтального полотна детали А опущена в деталь C с зазором относительно днища глухого кармана, верхняя ступень детали В снабжена вертикальной пластиной, перекрывающей частично выход газовой фазы из слоя насадки нижележащей секции перекрестноточной насадки и нижнюю часть слоя насадки вышележащей секции перекрестноточной насадки.

2. Колонна по п. 1, отличающаяся тем, что сливные пластины детали В распределителя жидкости имеют горизонтальное расположение.

3. Колонна по п. 2, отличающаяся тем, что горизонтальные сливные пластины детали В распределителя жидкости имеют одинаковую ширину.

4. Колонна по п. 2, отличающаяся тем, что горизонтальные сливные пластины детали В распределителя жидкости имеют ширину, постепенно возрастающую от нижней ступени к верхней.

5. Колонна по п. 1, отличающаяся тем, что сливные пластины детали В распределителя жидкости выполняют наклонными с расположением под острым углом к горизонту от нижней ступени к верхней.

6. Колонна по п. 5, отличающаяся тем, что наклонные сливные пластины детали В распределителя жидкости имеют одинаковую ширину.

7. Колонна по п. 5, отличающаяся тем, что наклонные сливные пластины детали В распределителя жидкости имеют ширину, постепенно возрастающую от нижней ступени к верхней.

8. Колонна по п. 1, отличающаяся тем, что вертикальной пластиной перекрывают частично нижнюю часть слоя насадки вышележащей секции перекрестноточной насадки на высоту, обеспечивающую расход жидкой фазы, соответствующий максимальной производительности колонны по потоку флегмы, через распределитель жидкости.

9. Колонна по п. 1, отличающаяся тем, что зазор между отогнутой вниз кромкой горизонтального полотна детали А и днищем глухого кармана детали С выполняют с величиной не более, чем половина высоты торцевой пластины нижней ступени детали В, обеспечивающей расход жидкой фазы, соответствующий минимальной производительности колонны по потоку флегмы, через распределитель жидкости.

10. Колонна по п. 1, отличающаяся тем, что колонну сооружают симметрично многопоточной по жидкой и газовой фазам.

11. Колонна по п. 11, отличающаяся тем, что при многопоточном исполнении колонны днища глухих карманов двух симметрично расположенных оппозитных секций перекрестноточных насадок вертикального набора секций перекрестноточных насадок, формирующего один поток, объединяют сплошной перемычкой, перекрывающей канал поступления газовой фазы.

12. Колонна по п. 11, отличающаяся тем, что зазор отогнутой вниз кромки горизонтального полотна детали А, опущенной в деталь С, с днищем глухого кармана исполняют с высотой, равной высоте 15-30% нижних ступеней детали В, при этом кромка горизонтального полотна детали А смещена в сторону верхней ступени, снабженной вертикальной пластиной, детали В на величину, равную совокупной длине 15-30% нижних ступеней детали В.