Массообменная колонна с перекрестным током жидкой и газовой (паровой) фаз системы "ПЕТОН" Российский патент 2017 года по МПК B01D3/14 B01D53/18 

Изобретение относится к перекрестноточным насадочным массообменным колонным аппаратам, в которых осуществляются процессы ректификационного разделения смесей жидкость-пар, перегонки смесей жидкость-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 (паровой) 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, опубл. 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 парожидкостной 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 на изобретение RU 2055627 С1, МПК B01D 3/22, заявлен 16.12.1992, опубл. 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 со 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, опубл. 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, что приводит к снижению эффективности тепломассообмена в насадке, при уменьшении расхода жидкой фазы и с неизбежностью отрыва части жидкой пленки с поверхности насадки на внешней стороне секции, дроблением этой части 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 С1, МПК B01D 47/14, B01D 53/18, B01J 9/32, заявлен 21.09.2005, опубл. 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, опубл. 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 (паровой) 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 (паровой) 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 (паровой) фаз по высоте колонны;

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

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

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

Поставленная задача решается за счет того, что массообменная колонна с перекрестным током жидкой и газовой (паровой) фаз системы «ПЕТОН», включающая корпус, штуцера ввода сырья, вывода паров дистиллята и остатка, ввода орошения и паров, секции перекрестноточной насадки, разделенные по высоте горизонтальными опорными перегородками, сопряженными с распределителями жидкости, при этом распределитель жидкости изготовляют в форме набора ступеней, каждую из которых выполняют из двух сопряженных торцевой и сливной пластин, ограничивающих перекрестноточную насадочную секцию, образующую прямоугольный карман в нормальном сечении, при этом сливную пластину ступени снабжают перфорированными круглыми отверстиями, в каждом из которых установлен с возможностью свободного перемещения шток положительной плавучести с ограничителем подъема штока в нижней части штока и поплавком штока в верхней части штока, сливную перегородку распределителя жидкости располагают на верхней ступени распределителя жидкости и продолжают после распределителя вниз, перекрывая частично выход газовой (паровой) фазы из слоя насадки нижележащей секции перекрестноточной насадки, секции перекрестноточной насадки в вертикальном сечении, параллельном потоку газовой (паровой) фазы, в верхнем и нижнем уровнях секций повторяют ступенчатую форму распределителей жидкости и удалены от них на расстоянии, превышающем длину свободного перемещения штока.

Предлагаемая конструкция распределителя жидкости в форме набора ступеней за счет ограничения перекрестноточной насадочной секции образует прямоугольный карман в нормальном сечении, площадь которого увеличивается по мере заполнения жидкой фазой (флегмой) от нижней ступени распределителя к верхней в зависимости от расхода жидкой фазы (флегмы) от минимальной до максимальной величины, позволяет в зависимости от реального расхода жидкой фазы (флегмы) вводить в технологический процесс весь объем секции перекрестноточной насадки 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 расширяет диапазон устойчивой работы колонны при ее эксплуатации в пределах от гипотетически минимального до гипотетически максимального расхода флегмы за счет того, что жидкая фаза последовательно стекает с вышележащих ступеней распределителя жидкости на нижележащие и по мере возрастания расхода флегмы происходит эквивалентное заполнение ступенчатого распределителя жидкости от нижней ступени к верхней, а также ввод в массообменный процесс новых слоев массообменной перекрестноточной насадки, начиная от зоны выхода газовой (паровой) фазы из насадочной секции при минимальном расходе флегмы из нижней ступени распределителя жидкости и заканчивая зоной входа газовой (паровой) фазы в насадочную секцию при максимальном расходе флегмы из всех ступеней распределителя жидкости. Для того чтобы удельная нагрузка по жидкой фазе, истекающей из конкретной ступени распределителя жидкости, заполненной жидкой фазой, в каждом работающем фрагменте перекрестноточной насадки насадочной секции была постоянной независимо от уровня жидкой фазы на данной ступени распределителя жидкости, в круглых отверстиях сливной пластины ступени размещены штоки положительной плавучести с ограничителем подъема штока в нижней части штока и поплавком штока в верхней части штока, которые перекрывают круглые отверстия сливной пластины ступени, незаполненной жидкой фазой, не допуская при этом байпасного прохождения газовой (паровой) фазы через круглые отверстия сливной пластины ступени из нижележащей насадочной секции в вышележащую без массообмена с жидкой фазой.

Сливная перегородка распределителя жидкости в форме набора ступеней расположена на верхней ступени распределителя жидкости и продолжается после распределителя вниз, перекрывая частично выход газовой (паровой) фазы из слоя насадки нижележащей секции перекрестноточной насадки, что позволяет, во-первых, при превышении расхода жидкой фазы сверх допустимого значения, при котором приток жидкой фазы на распределитель жидкости в форме набора ступеней с вышележащей секции перекрестноточной насадки равен ее максимальному расходу на нижележащую секцию перекрестноточной насадки, и заполнении ею всего объема ступеней распределителя жидкости сбрасывать излишек жидкой фазы, не допуская перехода работы вышележащей секции перекрестноточной насадки в режим «захлебывания» и снижения эффективности массопереноса, а, во-вторых, сформировать затвор, не допускающий байпасного проскока газовой (паровой) фазы в пространстве между распределителем и насадкой нижележащей секции перекрестноточной насадки. Секция перекрестноточной насадки в вертикальном сечении, параллельном потоку газовой (паровой) фазы, в верхнем и нижнем уровнях повторяет ступенчатую форму верхнего и нижнего распределителей жидкости, что обеспечивает постепенное расширение потока газовой (паровой) фазы по мере прохождения ее через слой насадки и снижения при этом давления газовой (паровой) фазы из-за гидравлического сопротивления слоя насадки, обеспечивая постоянство скорости потока газовой (паровой) фазы в слое насадки. Слой насадки в секции перекрестноточной насадки удален от ступеней верхнего и нижнего распределителей жидкости в форме набора ступеней на расстоянии, превышающем длину свободного перемещения штока, что гарантирует его свободное вертикальное перемещение вверх и вниз в соответствии с изменением расхода жидкой фазы через соответствующий распределитель жидкости.

Ступени распределителя жидкости в зависимости от проектных вариантов работы колонны с перекрестным током жидкой и газовой (паровой) 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 горизонтальное расположение сливных пластин распределителя жидкости в форме набора ступеней 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 (паровой) фазы через перекрестноточную насадку, целесообразно горизонтальное расположение сливных пластин распределителя жидкости в форме набора ступеней с шириной пластин, постепенно возрастающей от нижней ступени к верхней;

в) для ряда проектных вариантов с широким диапазоном изменения флегмового числа в колонне, близким к непрерывному, с постоянным или незначительным изменением движущей силы массопереноса в системе жидкость-газ в объеме перекрестноточной насадки, целесообразно наклонное выполнение сливных пластин распределителя жидкости в форме набора ступеней и расположение их под острым углом к горизонту от нижней ступени к верхней при одинаковой ширине пластин;

г) для ряда проектных вариантов с широким диапазоном изменения 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 (паровой) фазы через перекрестноточную насадку, целесообразно выполнение наклонными сливных пластин распределителя жидкости в форме набора ступеней и расположение их под острым углом к горизонту от нижней ступени к верхней с шириной пластин, постепенно возрастающей от нижней ступени к верхней.

Целесообразно также, чтобы ограничитель подъема штока обеспечивал в предельном верхнем положении штока постоянную площадь кольцевого сечения истечения жидкой фазы в распределителе жидкости в форме набора ступеней между границей перфорированного круглого отверстия сливной пластины и окружностью сечения штока на любой ступени, что формирует постоянство геометрии при истечении жидкости через распределитель на соответствующий элемент нижележащей перекрестноточной насадки независимо от уровня заполнения ступени жидкой фазой.

Сливная перегородка распределителя жидкости имеет высоту, обеспечивающую соответствующий максимальной производительности колонны по потоку флегмы расход жидкой фазы через распределитель жидкости в форме набора ступеней, когда весь объем ступенчатого распределителя жидкости заполнен жидкой фазой.

При высокой производительности колонны с перекрестным током жидкой и газовой фаз необходимые проходные сечения для жидкой и газовой (паровой) фаз секций перекрестноточной насадки становятся настолько большими, что в них нарушается структура потоков газовой (паровой) и жидкой фаз. Поток газовой (паровой) фазы вместо горизонтальной траектории движения сквозь секцию перекрестноточной насадки, близкой к линейной, 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 дробиться на капли, переходящие в свободный объем секции между элементами насадки в связи с тем, что происходит увеличение скорости потока газовой (паровой) 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 (паровой) фаз высокой производительности целесообразно выполнить колонну симметрично многопоточной по жидкой и газовой (паровой) фазам, разместив в аппарате несколько аналогичных рядов секций перекрестноточной насадки с рассмотренными распределителями жидкости в форме набора ступеней между секциями, что позволит упорядочить структуру потоков и повысить эффективность фракционирования. При многопоточном исполнении колонны целесообразно сливные пластины последних нижних ступеней двух симметрично расположенных оппозитных секций перекрестноточных насадок вертикального набора секций перекрестноточных насадок, формирующего один поток, объединить сплошной перемычкой, перекрывая канал поступления газовой (паровой) фазы между симметрично расположенными секциями и направляя разделяющийся на две равные части газовый поток в симметрично расположенные секции перекрестноточных насадок.

На фигурах 1-11 представлено конструктивное решение заявляемого изобретения:

- на фигуре 1 - общий вид массообменной колонны с перекрестным током жидкой и газовой (паровой) фаз системы «ПЕТОН»;

- на фигуре 2 - распределитель жидкости массоообменной колонны в форме набора ступеней;

- на фигуре 3 - конструктивное размещение ниппеля в перфорации сливной пластины ступени распределителя жидкости в форме набора ступеней;

- на фигуре 4 - принцип замыкания ниппелем распределителя жидкости в форме набора ступеней в зоне отсутствия жидкой фазы;

- на фигуре 5 - принцип работы распределителя жидкости в форме набора ступеней при частичном заполнении сливной пластины ступени распределительного устройства жидкой фазой;

- на фигуре 6 - принцип работы распределителя жидкости в форме набора ступеней при полном заполнении сливной пластины ступени распределительного устройства жидкой фазой;

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

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

- на фигуре 9 - фрагмент распределителя жидкости в форме набора ступеней, в которых 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 - фрагмент распределителя жидкости в форме набора ступеней, в которых 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 фигурах 1-11 массообменная колонна и сопутствующие ей элементы представлены следующими позициями:

1 - колонна,

2 - секция перекрестноточной насадки,

3 - штуцер ввода сырья,

4 - штуцер вывода дистиллята,

5 - штуцер вывода остатка,

6 - штуцер ввода орошения,

7 - штуцер ввода паров из ребойлера,

8 - опорная перегородка,

9 - распределитель жидкости в форме набора ступеней,

10 - сливная перегородка,

11 - шток,

12 - ограничитель подъема штока,

13 - поплавок штока,

14 - сплошная перемычка.

Массообменная колонна с перекрестным током жидкой и газовой (паровой) фаз системы «ПЕТОН» может быть использована, например, при ректификации смеси исходной парожидкостной смеси углеводородов, следующим образом (фигура 1). Сырье - парожидкостная смесь углеводородов - поступает на фракционирование в колонну 1, в котором размещены секции перекрестноточной насадки 2, через штуцер ввода сырья 3, разделяясь в свободном пространстве колонны на жидкую и паровую фазы. Полученные в результате фракционирования дистиллят в паровой фазе и остаток в жидкой фазе выводятся из колонны 1 через штуцер вывода дистиллята 4 и штуцер вывода остатка 5, соответственно. Часть дистиллята после его конденсации в холодильнике (на фигуре 1 не показан) возвращается в колонну 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 колонну 1 через штуцер ввода паров из ребойлера 7 в качестве парового орошения нижней секции перекрестноточной насадки 2. Секции перекрестноточной насадки 2 разделяются между собой опорной перегородкой 8, сопряженной с одной стороны с корпусом колонны 1, а с другой - с распределителем жидкости в форме набора ступеней 9, имеющим окна для прохождения паров из нижележащей секции перекрестноточной насадки в вышележащую секцию перекрестноточной насадки. В секциях перекрестноточной насадки 2 происходит массообмен между вертикально нисходящей пленкой жидкой фазы, стекающей по насадке, и горизонтально проходящим потоком паровой фазы, в ходе которого жидкая фаза обогащается высококипящими компонентами исходного сырья, а паровая фаза - низкокипящими компонентами (фигура 2). При этом паровая 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 в форме набора ступеней 9. Каждая из ступеней распределителя жидкости в форме набора ступеней 9 выполнена из двух сопряженных торцевой и сливной пластин, при этом верхняя ступень служит приемником жидкой фазы, стекающей из вышележащей секции насадки, нижняя ступень служит накопителем жидкой фазы, стекающей на нижележащую секцию насадки. Во избежание «захлебывания» насадки жидкой фазой распределитель жидкости в форме набора ступеней 9 сопряжен со сливной перегородкой 10, перекрывающей нижнюю часть секции перекрестноточной насадки 2 и служащей переливным порогом избыточной жидкой фазы, которая самотеком поступает на опорную перегородку 8 нижележащей секции перекрестноточной насадки 2. Совокупность распределителя жидкости в форме набора ступеней 9 и опорной перегородки 8 формирует в пространстве колонны карман, который обеспечивает накопление жидкой фазы (флегмы) и ее перераспределение между вышележащей и нижележащей секциями перекрестноточной насадки 2. При этом жидкая фаза (флегма) из вышележащей секции перекрестноточной насадки сначала стекает слева на верхние ступени распределителя, затем по распределителю жидкости в форме набора ступеней 9 перетекает в образовавшийся карман, обеспечивая оппозитное орошение справа нижележащей секции перекрестноточной насадки 2.

Сливная пластина каждой ступени распределителя жидкости в форме набора ступеней 9 снабжена перфорированными круглыми отверстиями, в которых свободно перемещается шток 11 положительной плавучести, который имеет ограничитель подъема штока 12 в нижней части и поплавок штока 13 в верхней части (фигура 3).

В том случае, когда соответствующая сливная пластина не покрыта жидкой фазой, поплавок штока 13 перекрывает перфорированное круглое отверстие сливной пластины, препятствуя прохождению паровой фазы сквозь распределитель жидкости в форме набора ступеней 9 (фигура 4).

В том случае, когда соответствующая сливная пластина частично покрыта жидкой фазой, поплавок штока 13 всплывает над перфорированным круглым отверстием сливной пластины, обеспечивая сток жидкой фазы сквозь распределитель жидкости в форме набора ступеней 9 на соответствующий фрагмент нижележащей секции перекрестноточной насадки 2 (фигура 5).

В том случае, когда уровень жидкости на соответствующей сливной пластине достаточно высок или эта пластина полностью заполнена жидкой фазой, поплавок штока 13 всплывает над перфорированным круглым отверстием сливной пластины на максимальную высоту штока 11 с учетом упора ограничителя подъема штока 12, обеспечивая сток жидкой фазы сквозь распределитель жидкости в форме набора ступеней 9 на соответствующий фрагмент нижележащей секции перекрестноточной насадки 2 (фигура 6).

Сливные пластины ступеней распределителя жидкости в форме 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 ступеней распределителя жидкости в форме 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 и расположенными 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, в которых нижние ступени распределителей жидкости в форме набора ступеней 9 двух симметрично расположенных секций перекрестноточных насадок вертикального набора секций перекрестноточных насадок 2, формирующего один поток, объединяются сплошной перемычкой 14, перекрывающей канал поступления паровой фазы.

При абсорбционной очистке газа при помощи жидкого абсорбента массообменная колонна с перекрестным током жидкой и газовой (паровой) фаз системы «ПЕТОН» работает аналогично.

Заявляемое изобретение подтверждается следующими примерами.

Пример 1. В массообменной колонне непрерывного действия с условным максимальным расходом потока флегмы в колонне, равной 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 составляет 0,5 от 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 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 будут работать две нижние ступени распределителя жидкости, при отгонке третьего компонента будет работать 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 будет работать только одна нижняя ступень распределителя жидкости, при отгонке третьего компонента будут работать все три ступени распределителя жидкости.

Таким образом, заявляемое изобретение позволяет решить задачу разработки высокоэффективной массообменной колонны, в которой возможно резкое изменение расходов жидкой фазы, обеспечивающее 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, в которых осуществляются процессы ректификационного разделения смесей жидкость-пар, перегонки смесей жидкость-пар, абсорбционного разделения смесей жидкость-газ. Оно может быть использовано в нефтеперерабатывающей, нефтехимической, химической, газовой, пищевой и других отраслях промышленности. Массообменная колонна с перекрестным током жидкой и газовой (паровой) фаз системы «ПЕТОН» включает корпус, штуцера ввода сырья, вывода паров дистиллята и остатка, ввода орошения и паров, секции перекрестноточной насадки, разделенные по высоте горизонтальными опорными перегородками, сопряженными с распределителями жидкости, изготовленными в форме набора ступеней, каждую из которых выполняют из двух сопряженных торцевой и сливной пластин, ограничивающих перекрестноточную насадочную секцию, образующую прямоугольный карман в нормальном сечении. Сливную пластину ступени снабжают перфорированными круглыми отверстиями, в каждом из которых установлен с возможностью свободного перемещения шток положительной плавучести. Технический результат: разработка высокоэффективой 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. 10 з.п. ф-лы, 11 ил.

1. Массообменная колонна с перекрестным током жидкой и газовой (паровой) фаз системы «ПЕТОН», включающая корпус, штуцера ввода сырья, вывода паров дистиллята и остатка, ввода орошения и паров из ребойлера, секции перекрестноточной насадки, разделенные по высоте горизонтальными опорными перегородками, сопряженными с распределителями жидкости, отличающаяся тем, что распределитель жидкости изготовляют в форме набора ступеней, каждую из которых выполняют из двух сопряженных торцевой и сливной пластин, ограничивающих перекрестноточную насадочную секцию, образующую прямоугольный карман в нормальном сечении, сливную пластину ступени снабжают перфорированными круглыми отверстиями, в каждом из которых установлен с возможностью свободного перемещения шток положительной плавучести с ограничителем подъема штока в нижней части штока и поплавком штока в верхней части штока, сливную перегородку распределителя жидкости располагают на верхней ступени распределителя жидкости и продолжают после распределителя вниз, перекрывая частично выход газовой (паровой) фазы из слоя насадки нижележащей секции перекрестноточной насадки, секции перекрестноточной насадки в вертикальном сечении, параллельном потоку газовой (паровой) фазы, в верхнем и нижнем уровнях секций повторяют ступенчатую форму распределителей жидкости и удалены от них на расстоянии, превышающем длину свободного перемещения штока.

2. Массообменная колонна по п. 1, отличающаяся тем, что сливные пластины распределителя жидкости в форме набора ступеней располагают горизонтально.

3. Массообменная колонна по п. 2, отличающаяся тем, что горизонтальные сливные пластины распределителя жидкости в форме набора ступеней имеют одинаковую ширину.

4. Массообменная колонна по п. 2, отличающаяся тем, что горизонтальные сливные пластины распределителя жидкости в форме набора ступеней имеют ширину, постепенно возрастающую от нижней ступени к верхней.

5. Массообменная колонна по п. 1, отличающаяся тем, что сливные пластины распределителя жидкости в форме набора ступеней выполняют наклонными с расположением под острым углом к горизонту от нижней ступени к верхней.

6. Массообменная колонна по п. 5, отличающаяся тем, что наклонные сливные пластины распределителя жидкости в форме набора ступеней имеют одинаковую ширину.

7. Массообменная колонна по п. 5, отличающаяся тем, что наклонные сливные пластины распределителя жидкости в форме набора ступеней имеют ширину, постепенно возрастающую от нижней ступени к верхней.

8. Массообменная колонна по п. 1, отличающаяся тем, что ограничитель подъема штока обеспечивает в предельном верхнем положении штока постоянную площадь кольцевого сечения истечения жидкой фазы в распределителе жидкости в форме набора ступеней между границей перфорированного круглого отверстия сливной пластины и окружностью сечения штока.

9. Массообменная колонна по п. 1, отличающаяся тем, что сливную перегородку распределителя жидкости в форме набора ступеней исполняют с высотой, обеспечивающей расход жидкой фазы через распределитель жидкости, соответствующий максимальной производительности колонны по потоку флегмы.

10. Массообменная колонна по п. 1, отличающаяся тем, что колонну выполняют симметрично многопоточной по жидкой и газовой (паровой) фазам.

11. Массообменная колонна по п. 1, отличающаяся тем, что при многопоточном исполнении колонны сливные пластины последних нижних ступеней двух симметрично расположенных оппозитных секций перекрестноточных насадок вертикального набора секций перекрестноточных насадок, формирующего один поток, объединяют сплошной перемычкой, перекрывающей канал поступления газовой (паровой) фазы.