Регулярная насадка для колонных аппаратов

Полезная модель относится к конструкциям регулярных насадок колонных аппаратов для реализации процессов тепло- и массообмена в системах «жидкость-жидкость» и «газ-жидкость» и может использоваться для осуществления таких процессов, как экстракция, абсорбция, ректификации и др., в нефтеперерабатывающей, нефтехимической и химической отраслях промышленности. Насадка состоит из раздвижных контактных модулей, собранных из спрофилированных и перфорированных пластин, соединяющего уголка, нижних пластин и опорных пластин со штифтами. Контактные модули соединяются между собой замком и устанавливаются на опоры-фиксаторы. Насадка позволяет равномерно распределить жидкую фазу по поверхности насадки и интенсифицировать массообмен.

Полезная модель относится к конструкциям регулярных насадок колонных аппаратов для реализации процессов тепло- и массообмена в системах «жидкость-жидкость» и «газ-жидкость» и может использоваться для осуществления таких процессов, как экстракция, абсорбция, ректификации и др., в нефтеперерабатывающей, нефтехимической и химической отраслях промышленности.

Известна массообменная насадка для колонных аппаратов [1], состоящая из рядов прямоугольных пластин, наклоненных друг к другу под углом, с отбортовкой навстречу друг к другу в верхней части пластин. Прямоугольные пластины выполнены с перфорацией в виде жалюзийной решетки, щелевые жалюзийные отверстия в перфорированной пластине толщиной не более 1 мм выполнены шириной, равной 0,3-0,5 мм, с шагом, равным не более толщины пластины, с наклоном под углом 30-45°, отношением длины щели к ее ширине от 13 до 25, направлением жалюзийных каналов к горизонтальной оси координат под углом 30-45° и расстоянием между жалюзийными каналами 1-2 мм, а отбортовки навстречу друг другу соединены между собой без зазора и образуют глухой карман с переливными планками высотой не менее величины гидравлического затвора. Наклонные прямоугольные пластины с перфорацией в виде жалюзийной сетки в вершине нижних углов соединены глухими пластинами, которые образуют между собой сливной патрубок, опущенный в глухой карман с переливными пластинами нижележащего ряда наклонных пластин.

Общим признаком известного и предлагаемого решений является наличие наклонных перфорированных профилированных пластин и расположение элементов насадки слоями.

Недостатками являются: малая ширина щелевых жалюзийных отверстий, которые при использовании тяжелых нефтяных фракций загрязняются и закоксовываются; малая толщина перфорированной пластины, которая не позволяет применять механические воздействия для очистки отверстий от отложений; наличие несекционированных переливных планок, которое требует очень высокой точности изготовления деталей насадки и выверки горизонтальности среза планок при установке насадки в колонну и что при невыполнении этих условий может привести к стоку жидкости по желобу в одну сторону и нарушению равномерного распределения потока жидкости; наличие гидрозатвора, в котором остаются и застывают тяжелые нефтяные фракции при остановке процесса в колонне.

Наиболее близкой по технической сущности и достигаемому результату к предлагаемому решению является насадка для массообменных аппаратов [2], содержащая горизонтальные гофрированные полотна с отверстиями, расположенные так, что образующие гофров соседних полотен взаимно перпендикулярны, нижние части гофров выполнены глухими или снабжены установленными под ними распределительными желобами. Кроме того между полотнами установлена сетка, в сетке выполнены окна, направляющие створки которых отогнуты к верхним частям гофров нижележащего полотна. Кроме того глухие части гофров секционированы по длине вертикальными перегородками. Края распределительных желобов выполнены зубчатыми.

Общими признаками известного и предлагаемого решений является наличие наклонных просечно-вытяжных листов и расположение элементов слоями.

Недостатками известного решения являются: малая удельная поверхность для взаимодействия фаз, неравномерное распределение потока жидкости по поверхности насадки из-за того, что образующие гофров соседних полотен взаимно перпендикулярны; глухие нижние части гофров не обеспечивают возможность изменения щелевого зазора для регулирования диапазона загрузки по тяжелой фазе; наличие горизонтально расположенных сеток или перфорированных листов способствует накоплению загрязнений и забиванию насадки, особенно для тяжелых нефтяных фракций, что ухудшает равномерность распределения фаз по сечению насадки и приводит к возрастанию гидравлического сопротивления насадки со временем.

Полезная модель направлена на повышение эффективности массообмена: увеличение поверхности контакта фаз, повышение равномерности распределения потоков и их упорядочивание, и совершенствование конструкции: повышение технологичности изготовления, снижение трудоемкости изготовления, монтажа/демонтажа и обслуживания.

Указанный технический результат достигается тем, что насадка состоит из контактных модулей, устанавливаемых в колонне послойно. Контактный модуль состоит из раздвижных частей и собирается из наклонных пленконесущих поверхностей, выполненных из специально спрофилированных и перфорированных листов, соединяющего уголка, нижних пластин, опорных пластин со штифтами. Части соединяются между собой замком. Контактные модули устанавливаются на опоры-фиксаторы так, чтобы штифты вошли в отверстия опор-фиксаторов.

Известно, что массопередача определяется поверхностью и временем контакта фаз, а также коэффициентами массопередачи и движущей силой процесса массопередачи, выражаемой разностью концентраций вещества в фазах. В связи с этим конструкция насадки направлена на создание условий по увеличению вышеперечисленных базовых составляющих.

1. Увеличение активной межфазной поверхности происходит за счет использования в качестве пленконесущей поверхности профилированного и перфорированного листа, позволяющего создать волнообразный проницаемый слой тяжелой фазы, в отличие от обычных насадок, имеющих одностороннюю рабочую поверхность слоя.

2. Профиль и перфорация пленконесущей поверхности обеспечивают упорядоченность потоков, осуществляют дробление и возмущение фаз с заданной периодичностью и турбулентное течение жидкости, в результате которого повышается вихревой перенос частиц вещества жидкости. Движение жидкости с вихревыми потоками имеет важное значение при макропереносе вещества, так как вихри являются переносчиками энергии и вещества в потоке. Гидродинамические условия свободной поверхности слоя жидкости на перфорированной поверхности принципиально отличаются от гидродинамической обстановки у твердой границы стенки обычной насадки. У свободной поверхности в рабочем режиме не происходит гашение турбулентных пульсаций.

3. Наклон пленконесущих поверхностей позволяет перераспределять потоки по сечению колонны и выравнивать поле скоростей, давлений и температур потоков. Возмущение фаз вызывает быстрое искривление поверхности раздела, нарастание разности скоростей в одних местах и уменьшение разности скоростей в других. Это приводит к быстрому разрушению поверхности

раздела на большое количество вихрей - образованию вихревого слоя.

Снижению трудоемкости изготовления и повышению технологичности конструкции способствует применение просечно-вытяжных листов, которые можно изготовить на любом просечно-вытяжном станке. Снижению трудоемкости монтажа/демонтажа способствуют опорные пластины со штифтами.

Таким образом, насадка из представленных контактных устройств обладает следующими главными достоинствами - значительное увеличение активной межфазной поверхности за счет течения одной из фаз в виде проницаемой пленки; высокоэффективное взаимодействие между фазами за счет мелкомасштабной турбулентности в тяжелой фазе в результате особой структуры пленконесущей поверхности контактного устройства; интенсивное обновление межфазной поверхности в результате многократного перекрестного дробления фаз внутри контактных устройств; выравнивание распределения контактирующих фаз по сечению колонны за счет перераспределения потоков и прозрачности пленкообразующих поверхностей.

Возможность подбора геометрических характеристик предлагаемого контактного устройства (угла между пленконесущими поверхностями, ширины и толщины пленконесущих элементов, вида профиля и перфорации листа и т.п.) позволяют изменять характеристики (свободный объем, удельную поверхность, режим течения потоков и др.) контактных устройств и дают возможность работать контактному устройству в широких диапазонах загрузки по взаимодействующим потокам. Наличие раздвижного замка позволяет уменьшить или устранить зазоры между стенкой колонны и контактным устройством. Конструкция устройств достаточна проста, а масса невелика, что обеспечивает технологичность и невысокую трудоемкость его изготовления, монтажа/демонтажа, обслуживания и ремонта.

В регулярной насадке из представленных контактных устройств сочетается общий противоток взаимодействующих фаз и эффект дробления фаз при локальном перекрестном токе встречных потоков на наклонных пленконесущих элементах. Особенностью такой насадки является простота конструкции, большой свободный объем, малая удельная масса и низкая стоимость.

На фиг.1 представлен разрез колонны с установленными контактными устройствами. На фиг.2 показан общий вид части контактного устройства с замком. На фиг.3 изображен поперечный разрез контактного устройства. На фиг.4 показана схема потоков через насадку из предлагаемых контактных устройств.

В массообменную колонну 1 монтируется многослойная насадка из горизонтальных контактных устройств 2, из состоящих из наклонных пленконесущих поверхностей 3, выполненных из просечно-вытяжных листов, соединяющего уголка 4, нижних пластин 5 и опорных пластин 6 со штифтами 7. Части контактных устройств соединяются между собой замком 8. Контактные устройства устанавливаются на опоры-фиксаторы 9 так, чтобы штифты 7 вошли в отверстия 10.

Насадка работает следующим образом. Тяжелая фаза (жидкость) поступает с верха колонны на пленконесущую поверхность 3, где растекается волнообразной пленкой. Снизу колонны поступает легкая фаза (жидкость, пар или газ) и проходит через отверстия 11 пленконесущей поверхности. В результате пленка первой жидкости дробится, возникают вихри и происходит массообмен. Далее пленка жидкости стекает с нижних пластин 5 на ниже расположенный слой насадки. В результате происходит дробление и перераспределение фаз на каждом слое насадки и многократное обновление поверхности

контакта фаз с повышенной турбулизацией потока жидкости.

Литература

1 Патент Российской Федерации RU 2257950, B 01 J 19/32, опубл. 10.08.2005.

2 Патент Российской Федерации RU 2225753, B 01 J 19/32, опубл. 20.03.2004.

Насадка для массообменных аппаратов, состоящая из сгруппированных и расположенных рядами перфорированных листов, отличающаяся тем, что спрофилированные и перфорированные пластины собраны в раздвижные контактные модули, состоящие из спрофилированных и перфорированных пластин, соединяющего уголка, нижних пластин и опорных пластин со штифтами, соединяются между собой замком и устанавливаются на опоры-фиксаторы.