Патент на изобретение №2292947

(54) РЕГУЛЯРНАЯ ПЕРЕТОЧНАЯ НАСАДКА И МАССООБМЕННАЯ КОЛОННА С ЭТОЙ НАСАДКОЙ

(57) Реферат:

Изобретение относится к аппаратам для проведения массообменных процессов в системах газ (пар) – жидкость, в частности к абсорбционным и ректификационным колоннам, и может быть использовано в газовой, химической и нефтеперерабатывающей промышленности. Регулярная переточная насадка содержит насадочные тела, изготовленные из просечно-вытяжных перфорированных листов. Просечно-вытяжные перфорированные листы выполнены прямоугольными и согнуты вдоль продольной оси симметрии в виде уголков с углом при вершине, составляющим от 110 до 130°. Уголки расположены вверх вершинами и уложены в шахматном порядке друг на друга горизонтальными рядами в каркасе с образованием насадочного блочного модуля. Кромки полок уголков вышерасположенного ряда соединены с вершинами уголков нижележащего ряда. В полках уголков и вдоль кромок полок уголков выполнены просечные секторообразные отверстия, расположенные равномерно в шахматном порядке по всей площади полок уголков. Над отверстиями выполнены выпуклые конусообразные козырьки, а вершинами конусообразные козырьки на каждой из полок уголков обращены в одну сторону параллельно линии сгиба уголка. Массообменная колонна содержит установленные друг над другом в центральной части корпуса насадочные блочные модули. В корпусе установлены горизонтальные сегментообразные перегородки, при этом перегородки расположены вдоль уголков насадочных модулей с противоположных сторон каркаса с образованием зигзагообразного канала многоходового перекрестного тока пара. В результате достигается увеличение эффективности и производительности по газу (пару) в массообменной колонне в условиях низкой нагрузки по жидкости, расширение диапазона устойчивой работы колонны в целом. 2 н. и 2 з.п. ф-лы, 5 ил.

Изобретение относится к аппаратам для проведения массообменных процессов в системах газ (пар) – жидкость, в частности к абсорбционным и ректификационным колоннам, и может быть использовано в газовой, химической и нефтеперерабатывающей промышленности.

Известна массообменная колонна, включающая вертикальный цилиндрический корпус, поддерживающие распределительные решетки, слой насадки на каждой распределительной решетке, устройство для перераспределения жидкости под промежуточными решетками (Рамм В.М. Абсорбция газов. М.: Химия, 1970, с.310).

Недостатком этой массообменной колонны является невысокая эффективность массообмена из-за неравномерности распределения жидкости по поперечному сечению слоя насадки в колонне в зависимости от диаметра колонны и особенно в колоннах больших диаметров.

Известна регулярная насадка для тепломассообменных аппаратов в виде пакетов из вертикальных гофрированных листов с наклонным рифлением, причем в смежных листах гофры имеют одинаковый, но противоположный угол наклона к вертикали, а вся гофрированная поверхность листов перфорирована горизонтальными рядами просечек, просечки выполнены с отогнутыми козырьками на ребрах и на вершинах гофр (SU №1082470, Кл. В 01 D 53/20, 30.03.1984).

Известна также регулярная насадка, у которой на каждом плоском участке выполнены проходящие в поперечном направление жалюзи. У части жалюзи кромки обращены вверх, у части – вниз и все жалюзи оканчиваются невдалеке от линии сгиба (ЕР 0492802, Кл. В 01 J 19/32, публ. 01.07.92).

Недостатком этих насадок является стекание жидкости по наклонной поверхности листов к вершине гофр. При этом всевозможные отогнутые козырьки и противоположное направление кромок жалюзи не обеспечивают должного эффекта массообмена. По мере забивания перфорированных листов механическими примесями в виде продуктов коррозии, грязи и кокса количество паровой фазы, проходящей через перфорацию листов, соответственно снижается, а большая часть ее проходит по каналам между гофрами. Все это приводит к снижению эффективности массообмена.

Наиболее близкой к изобретению в части насадки как объекта изобретения является регулярная переточная насадка, содержащая насадочные тела, изготовленные из просечно-вытяжных перфорированных листов, соединенных друг с другом с образованием в поперечном сечении ромбовидных полостей и переточных каналов в местах соединения листов друг с другом (см. SU №679230, Кл. В 01 D 53/20, 15.08.1979).

Недостатком этих насадок является невысокая устойчивость работы колонны при переменных нагрузках по жидкости и газу, ограниченная производительность, а также сравнительно высокое гидравлическое сопротивление, создаваемое горизонтальными листами, и сложность технологии изготовления насадки из отдельных плоских листов. В конечном итоге это приводит к снижению эффективности массообмена и повышению стоимости изготовления насадки.

Наиболее близкой к изобретению в части массообменной колонны как объекта изобретения является массообменная колонна, содержащая установленные друг над другом в центральной части корпуса на опорных решетках насадочные блочные модули (см. SU №1029998, Кл. В 01 D 53/18, 23.07.1983).

Недостатком этой массообменной колонны является невысокая эффективность массообмена из-за неравномерности распределения жидкости по поперечному сечению в колонне и возможность прохода части паров, минуя регулярную насадку, что ведет к снижению эффективности процесса массообмена.

Технической задачей, на решение которой направлено изобретение, является увеличение эффективности и производительности по газу (пару) в массообменной колонне в условиях низкой нагрузки по жидкости, расширение диапазона устойчивой работы колонны в целом.

Указанная задача в части насадки, как объекта изобретения достигается за счет того, что регулярная переточная насадка содержит насадочные тела, изготовленные из просечно-вытяжных перфорированных листов, соединенных друг с другом с образованием в поперечном сечении ромбовидных полостей и переточных каналов в местах соединения листов друг с другом, просечно-вытяжные перфорированные листы выполнены прямоугольными и согнуты вдоль продольной оси симметрии в виде уголков с углом при вершине, составляющим от 110° до 130°, уголки расположены вверх вершинами, при этом уголки уложены в шахматном порядке друг на друга горизонтальными рядами в каркасе с образованием насадочного блочного модуля, кромки полок уголков вышерасположенного ряда уголков соединены с вершинами уголков нижележащего ряда, в полках уголков и вдоль кромок полок уголков выполнены просечные секторообразные отверстия, расположенные равномерно в шахматном порядке по всей площади полок уголков, над отверстиями вытяжкой выполнены выпуклые конусообразные козырьки, а вершинами конусообразные козырьки на каждой из полок уголков обращены в одну сторону параллельно линии сгиба уголка, причем площадь проходного сечения каждого просечного отверстия составляет (0,7-0,8)·10^-4 м², а коэффициент живого сечения полок уголков, т.е. отношения суммарной площади отверстий на каждой полке уголка к площади полки уголка, составляет от 0,35 до 0,4.

Собранные в блочные модули уголки могут быть соединены между собой посредством точечной сварки.

Конусообразные козырьки на смежных полках уголков могут быть направлены в противоположные стороны.

Указанная задача в части колонны как объекта изобретения достигается за счет того, что массообменная колонна содержит установленные друг над другом в центральной части корпуса на опорных решетках насадочные блочные модули, при этом в корпусе установлены горизонтальные сегментообразные перегородки, сопряженные по хорде сегмента с каркасом насадочных блочных модулей по п.1 и по дуге окружности со стенкой корпуса, при этом перегородки расположены вдоль уголков насадочных модулей с противоположных сторон каркаса с образованием зигзагообразного канала многоходового перекрестного тока пара.

В ходе проведенного исследования работы массообменных колонн с регулярной переточной насадкой было установлено, что предлагаемая конструкция регулярной переточной насадки (РПН) из просечено-вытяжного листа (ПВЛ) в сочетании с пленочным распределителем жидкости позволяет осуществить направление движения контактирующих фаз в смешанном токе. Течение жидкости происходит сверху вниз под действием сил гравитации по поверхности насадочных тел, образованных просечно-вытяжными листами, при этом часть жидкости перетекает через просечные отверстия ПВЛ и смачивает их нижнюю поверхность. Восходящий паровой поток, перемещаясь в объеме насадочного блочного модуля, условно разделяется на два потока. Часть газа движется по горизонтальным каналам (перекрестный ток), образованным ромбовидными полостями между просечно-вытяжными перфорированными листами, согнутыми в виде уголков, а другая часть поднимается через просечные отверстия в полках уголков, перетекая из одного горизонтального канала в другой (противоток). В результате смешанного тока контактирующих фаз значительно возрастает их динамическое взаимодействие и, как следствие, интенсивность процесса массопереноса. Кроме того, переток части жидкости на нижнюю поверхность полок уголков обеспечивает полную их смачиваемость.

Описанное выше движение пара внутри насадочного блочного модуля, образованного ПВЛ, позволяет организовать движение поднимающегося вверх колонны пара в виде двух потоков, один из которых движется вверх, как отмечено выше, через просечные отверстия ПВЛ, а другой движется по зигзагообразному каналу, образованному горизонтальными сегментообразными перегородками и горизонтальными каналами, образованными ромбовидными в поперечном сечениями полостями. Было установлено, что при выполнении площади проходного сечения каждого просечного отверстия, составляющей (0,7-0,8)·10^-4 м², коэффициенте живого сечения полок уголков, т.е. отношении суммарной площади отверстий на каждой полке уголка к площади полки уголка, составляющем от 0,35 до 0,4, а также при выполнении просечно-вытяжных перфорированных листов прямоугольными и согнутыми вдоль продольной оси симметрии в виде уголков с углом при вершине, составляющим от 110° до 130°, с расположением уголков вверх вершинами в сочетании с описанным выше движением жидкости и пара через насадочные блочные модули снижается гидравлическое сопротивление насадочного блочного модуля, что позволяет повысить нагрузку по пару, исключая при этом возможность возникновения критического режима работы колонны, а именно зависания жидкости.

ПВЛ изготавливается из листовой стали посредством штамповки. Материалом для его изготовления служит листовая сталь толщиной 0,8-1 мм. Определяющими параметрами ПВЛ, используемого для изготовления модулей, являются: площадь проходного сечения каждого из просечных отверстий ₀ и коэффициент живого сечения .

При пленочном течении орошающей жидкости по поверхности ПВЛ в направлении, поперечном его продольной оси, возникают эффекты, определяющие величину влияния фактора поверхности и повышающие эффективность модулей. Речь идет о следующем.

В ходе штамповки ПВЛ происходят пластические деформации и локальные разрушения листа заготовки, при этом возникают зародышевые трещины и происходит возникновение пор на стыках зерен структуры металла. Возникшие зародышевые трещины и поры на поверхности улучшают адсорбционную активность ПВЛ, что способствует смачиванию и растеканию гидрофильных жидкостей (краевой угол смачивания меньше 90°) по поверхности листа.

При течении по поверхности ПВЛ пленочный поток встречает значительное количество местных гидравлических сопротивлений: выступы и волнообразные изгибы на поверхности ПВЛ, в частности конусообразные козырьки над просечными отверстиями, а также разрывов поверхности ПВЛ, образовавшихся в ходе их штамповки, что вызывает разделение и слияние струй жидкости на поверхности ПВЛ. Наблюдается перетекание жидкости через просечные отверстия и смешение струй, текущих по разным сторонам ПВЛ. При преодолении этих сопротивлений потоком в нем происходит образование зон изменения давления и множество вихрей (возмущений) на всем пути течения потока (пленки) жидкости. Завихренность жидкостного потока вызывает распад упорядоченного ламинарного течения пленки и возникновение искусственной турбулизации потока. Сочетание механизмов искусственных турбулизации и волнообразования с тонким слоем жидкой фазы, стекающей по поверхности ПВЛ, приводит к значительной интенсификации процессов тепломассопереноса.

В условиях повышенной плотности орошения, благодаря работе сил когезии при обтекании жидкостью просечных отверстий и их конусообразных козырьков, происходит образование жидкостных пленок. Жидкостные пленки частично перекрывают просечные отверстия, что, с одной стороны, приводит к увеличению свободной поверхности жидкой фазы и, соответственно, реальной контактной поверхности фаз, а с другой – повышает гидравлическое сопротивление для пара, поднимающегося через просечные окна в условиях начала барботажа.

Силы адгезии, возникающие при условии хорошей смачиваемости поверхности материала ПВЛ, обеспечивают безотрывное течение пленочного потока при достаточно больших углах наклона ПВЛ к горизонту. Угол наклона к горизонту полки уголка ПВЛ, при котором достигнут устойчивый режим течения пленочного потока, составляет от 25° до 35°. Это позволяет компоновать насадочные блочные модули с большей удельной контактной поверхностью и снизить вероятность уноса жидкости потоком пара.

При течении по плоской поверхности пленочный поток под действием поверхностных сил стремится свернуться в струю, при течении же его по поверхности ПВЛ наблюдается растекание жидкости, причем при направлении течения потока по поперечной оси наблюдается некоторое смещение оси потока в сторону направления продольной оси ПВЛ. Поэтому при сборке насадочного блока следует устанавливать насадочные тела в ряду таким образом, чтобы продольная ось ПВЛ у них была направлена в противоположную сторону, чем у насадочных тел выше и ниже лежащих рядов.

На фиг.1 представлен просечно-вытяжной лист насадочного блочного модуля регулярной переточной насадки, на фиг.2 представлен продольный разрез массообменной колонны, на фиг.3 представлен схематически поперечный разрез части насадочного блочного модуля, на фиг.4 представлен вид сбоку на насадочный блочный модуль и на фиг.5 представлен разрез А-А на фиг.2.

Регулярная переточная насадка содержит насадочные тела, изготовленные из просечно-вытяжных перфорированных листов 1, соединенных друг с другом с образованием в поперечном сечении ромбовидных полостей 2 и переточных каналов в местах соединения листов друг с другом. Просечно-вытяжные перфорированные листы 1 выполнены прямоугольными и согнуты вдоль продольной оси симметрии в виде уголков с углом при вершине, составляющим от 110° до 130°. Уголки расположены вверх вершинами, при этом уголки уложены в шахматном порядке друг на друга горизонтальными рядами в каркасе 3 с образованием насадочного блочного модуля. Кромки 4 полок уголков выше расположенного ряда уголков соединены с вершинами уголков нижележащего ряда. В полках уголков и вдоль кромок 4 полок уголков выполнены просечные секторообразные отверстия 5, расположенные равномерно в шахматном порядке по всей площади полок уголков. Над отверстиями 5 вытяжкой выполнены выпуклые конусообразные козырьки 6, а вершинами конусообразные козырьки 6 на каждой из полок уголков обращены в одну сторону параллельно линии сгиба уголка, причем площадь ₀ проходного сечения каждого просечного отверстия 5 составляет (0,7-0,8)·10^-4 м², а коэффициент живого сечения полок уголков, т.е. отношения суммарной площади отверстий на каждой полке уголка к площади полки уголка, составляет от 0,35 до 0,4.

Собранные в блочные модули уголки могут быть соединены между собой посредством точечной сварки.

Конусообразные козырьки 6 на смежных полках уголков могут быть направлены в противоположные стороны.

Массообменная колонна содержит установленные друг над другом в центральной части корпуса 7 на опорных решетках 8 насадочные блочные модули 9, при этом в корпусе 7 установлены горизонтальные сегментообразные перегородки 10 сопряженные по хорде сегмента с каркасом 3 насадочных блочных модулей 9 по п.1 и по дуге окружности со стенкой корпуса 7. Перегородки 10 расположены вдоль уголков насадочных блочных модулей 9 с противоположных сторон каркаса 3 с образованием зигзагообразного канала многоходового перекрестного тока пара.

Удельная контактная поверхность каждого ПВЛ составляет в среднем 1,527 м²/м²; вес одного квадратного метра ПВЛ ˜5 кг. Определяющим габаритным размером ПВЛ является ширина Р, которая составляет от 110 до 120 мм, преимущественно 115 мм.

Просечные отверстия 5, лежащие на линии кромок 4, обеспечивают переток орошающей жидкости на нижележащий ряд насадочного блочного модуля. ПВЛ, как правило, соединены между собой в насадочные блочные модули с помощью точечной сварки. На верхний ряд ПВЛ 1 насадочного блочного модуля 9 вплотную к нему устанавливается пленочный распределитель жидкости 11, который крепится к стойкам каркаса 3 с помощью болтов. На фиг.2 и 3 стрелками показана схема движения потоков газовой и жидкой фаз.

Сегментные объемы корпуса 7, не заполненные насадочными блочными модулями 9, использованы для создания газовых переходов 12 зигзагообразного многоходового перекрестного движения паровой фазы по горизонтальным каналам, образованным ПВЛ. Горизонтальные перегородки 10 устанавливаются вплотную к насадочному блочному модулю 9. Горизонтальные перегородки 10 крепятся с одной стороны к стенкам корпуса 7 колонны и с другой – к балке 13, связанной с каркасом 3 насадочного блочного модуля 9. Кроме того, целесообразно выполнять колонну с опорными балками (не показаны), изготовленными из неравнобоких уголков, одной своей полкой перекрывающими прилегающие к горизонтальной перегородке 10 горизонтальные каналы, исключая прорыв газов в стыке перегородки 10 с модулем 9. Количество горизонтальных перегородок (расстояние между ними) зависит от выбранного числа ходов парового потока через насадочный блочный модуль 9. В данной конструкции колонны поток пара движется двумя условными потоками – противоточным, через просечные отверстия 5 в ПВЛ 1, и по горизонтальным каналам (ромбовидным полостям 2) модулей 9.

Массообменная колонна работает следующим образом.

Газ (пар) поступает в корпус 1 колонны снизу и движется вверх, проходит через опорную решетку 8 и поступает в горизонтальный канал, образованный ромбовидной полостью 2. Одновременно через пленочный распределитель жидкости 11 в насадочный блочный модуль 9 поступает орошающая жидкость. Течение жидкости происходит сверху вниз под действием сил гравитации по поверхности насадочных тел – просечно-вытяжным листам 1, при этом часть жидкости перетекает через просечные отверстия 5 ПВЛ и смачивает нижнюю поверхность листов 1. Восходящий паровой поток, перемещаясь в объеме насадочного блочного модуля 9, условно разделяется на два потока. Часть газа (пара) движется по горизонтальным каналам (перекрестный ток), образованным ромбовидными полостями 2 между просечно-вытяжными перфорированными листами 1 в виде уголков и соединяющими их переходами 12, образованными горизонтальными перегородками 10, а другая часть поднимается через просечные отверстия 5 в полках уголков, перетекая из одного горизонтального канала в другой (противоток).

В результате происходит упорядоченное распределение потоков газа (пара) и жидкости в рядах модуля 9, и достигается максимальная эффективность массобмена при контакте пара и жидкости.

В массообменной колонне может быть установлено друг над другом несколько насадочных блочных модулей 9. Поэтому газ (пар), который вышел из нижерасположенного модуля 9, поступает в вышерасположенный модуль 9, где повторяется описанный выше процесс взаимодействия газа (пара) с орошающей жидкостью вышерасположенного модуля 9.

Настоящее изобретение может быть использовано в нефтехимической, газовой и других отраслях промышленности и, в частности, в массообменных колоннах, предназначенных для проведения процессов абсорбции, ректификации, промывки газов и ряда других тепломассообменных процессов.

Формула изобретения

1. Регулярная переточная насадка, содержащая насадочные тела, изготовленные из просечно-вытяжных перфорированных листов, соединенных друг с другом с образованием в поперечном сечении ромбовидных полостей и переточных каналов в местах соединения листов друг с другом, отличающаяся тем, что просечно-вытяжные перфорированные листы выполнены прямоугольными и согнуты вдоль продольной оси симметрии в виде уголков с углом при вершине от 110 до 130°, уголки расположены вверх вершинами, при этом уголки уложены в шахматном порядке друг на друга горизонтальными рядами в каркасе с образованием насадочного блочного модуля, кромки полок уголков вышерасположенного ряда уголков соединены с вершинами уголков нижележащего ряда, в полках уголков и вдоль кромок полок уголков выполнены просечные секторообразные отверстия, расположенные равномерно в шахматном порядке по всей площади полок уголков, над отверстиями вытяжкой выполнены выпуклые конусообразные козырьки, а вершинами конусообразные козырьки на каждой из полок уголков обращены в одну сторону параллельно линии сгиба уголка, причем площадь проходного сечения каждого просечного отверстия составляет (0,7-0,8)·10^-4 м², а коэффициент живого сечения полок уголков составляет от 0,35 до 0,4.

2. Насадка по п.1, отличающаяся тем, что собранные в блочные модули уголки соединены между собой посредством точечной сварки.

3. Насадка по п.1, отличающаяся тем, что конусообразные козырьки на смежных полках уголков направлены в противоположные стороны

4. Массообменная колонна, содержащая установленные друг над другом в центральной части корпуса на опорных решетках насадочные блочные модули, отличающаяся тем, что в корпусе установлены горизонтальные сегментообразные перегородки, сопряженные по хорде сегмента с каркасом насадочных блочных модулей по п.1 и по дуге окружности – со стенкой корпуса, при этом перегородки расположены вдоль уголков насадочных модулей с противоположных сторон каркаса с образованием зигзагообразного канала многоходового перекрестного тока пара.

РИСУНКИ