Устройство для экстрагирования жидкости жидкостью
Устройство относится к многотарелочному устройству для выполнения в вертикальной колонне многостадийного экстрагирования жидкости жидкостью по принципу противотока. Устройство содержит тарелки, причем каждая тарелка после точной установки в колонне занимает горизонтальное положение, и снабжено уплотнительным кольцом, которое соприкасается с внутренней поверхностью колонны, перфорированный рабочий участок, хордальный подъемный канал, расположенный на одной стороне тарелки, и вертикальный удерживающий жидкость бортик, окружающий рабочий участок тарелки и отстоящий на расстоянии от периферии ближе к центру тарелки. Высота направленного вверх бортика достаточна, чтобы он удерживал тяжелую жидкость на рабочем участке тарелки, предотвращая попадание тяжелой жидкости на кромку тарелки, где возможна протечка вниз по причине наличия зазора между кромкой тарелки и внутренней поверхностью стенки колонны. Изобретение позволяет успешнее предотвратить протечки плотной жидкости через уплотнение вдоль кромки тарелки. 5 з.п. ф-лы, 5 ил.
Настоящее изобретение относится к многотарелочному устройству для выполнения в вертикальной колонне многостадийного экстрагирования жидкости жидкостью по принципу противотока. Более конкретно, настоящее изобретение относится к многотарелочному устройству, которое устанавливается как отдельный блок внутрь экстракционной колонны небольшого диаметра.
Жидкостное экстрагирование является известным промышленным процессом, применяемым для выделения одного компонента или группы компонентов из смеси. Жидкофазный исходный сырьевой поток контактирует с жидкофазным растворителем, который не смешивается с исходным потоком, однако обладает сильной способностью разделять определенные компоненты исходного потока. Эффективность отдельной стадии экстрагирования часто снижается совместными действиями множества факторов, которые замедляют перенос масс и задерживают установление равновесия между двумя жидкими фазами, приводимыми в соприкосновение друг с другом. Часто требуется выполнение нескольких последовательных стадий экстрагирования для достижения требуемой степени восстановления или чистоты. По этим причинам многие жидкостные экстракционные процессы осуществляют в несколько последовательных стадий контактирования и разделения по принципу противотока потоков двух жидкостей. Этот принцип можно реализовать в вертикальных экстракционных колоннах, пропуская через каждую два потока жидкостей в противоположных направлениях, при этом одна фаза течет через отверстия в рабочем участке горизонтальных тарелок, а другая фаза течет горизонтально, минуя эти отверстия, на каждой стадии контактирования. Фаза, текущая горизонтально по тарелке, поднимается вертикально на следующую тарелку, где происходит следующая стадия контактирования, обычно по трубопроводу или каналу.
В патенте US-A-5500116 на фигурах 11 и 12 изображена известная противоточная система потоков, используемая в колонне жидкостного экстрагирования. В этой системе потоков "легкая" фаза поднимается вверх через тарелки как дисперсная среда, и "тяжелая" фаза поднимается вверх по каналам и течет горизонтально по тарелке.
В патенте US-A-4247521 описаны тарелки жидкостного экстрагирования нескольких модификаций и способы их использования. В этом документе даны примеры нескольких "подъемных средств" для переноса менее плотной жидкости над рабочим участком тарелки.
Пакетного типа тарелки применяются в дистилляционных колоннах, в которых труба большого диаметра используется в качестве наружной стенки сосуда. Один или несколько пакетов тарелок вставляют в установленную вертикально трубу для построения такой колонны. Кромка тарелки не крепится к стенке трубы, поэтому кромку тарелки снабжают подвижным или упругим уплотнением. Конструкции нескольких вариантов имеющихся в продаже "пакетов тарелок" проиллюстрированы в рекламном бюллетене РТ-3, изданном отделом Наттер Инжинеринг (Nutter Engineering) Корпорации Харско (Harsco). В этом документе проиллюстрированы круглые тарелки, скрепленные в отдельный пакет, и уплотнительные кольца на кромке тарелок.
Конструкция и принцип работы пакетных тарелок также описаны в патенте US-A-3179389. Этот документ касается контактных парожидкостных тарелок, применяемых при фракционной дистилляции. В этом документе на фигурах 1 и 14 изображены тарелки 36, удерживаемые в горизонтальном "положении четырьмя несущими стойками. Сливные каналы 40 направляют текущую вниз жидкую фазу. В этом документе проиллюстрировано использование уплотнительного кольца 46, закрепленного на периферии тарелки.
Целью настоящего изобретения является создание усовершенствованной тарелки для экстрагирования жидкости жидкостью, которая используется в пакетного типа колоннах. Тарелка, соответствующая настоящему изобретению, имеет частично круглый бортик, который окружает рабочий участок тарелки, уменьшая тем самым протечку жидкости плотной фазы через уплотнение по кромке тарелки.
Основной целью настоящего изобретения является создание устройства для установки в вертикальную колонну, используемого для проведения процесса экстрагирования жидкости жидкостью, причем это устройство включает в себя несколько дискоидальных тарелок, каждая из которых после точной установки в колонне принудительно занимает горизонтальное положение, каждая тарелка снабжена уплотнительным кольцом, которое соприкасается с внутренней поверхностью колонны, центральный перфорированный рабочий участок, хордальный подъемный канал на одной стороне тарелки и вертикальный бортик, окружающий рабочий участок тарелки на некотором расстоянии от периферии ближе к центру тарелки.
Фиг.1 - перспективный вид тарелки для экстрагирования жидкости жидкостью, имеющей кольцевой бортик 3, окружающий перфорированный рабочий участок тарелки.
Фиг.2 - вид сверху тарелки, изображенной на фиг.1.
Фиг.3 - перспективный вид тарелки, которая подобна изображенной на фиг.1 тарелке, за исключением наличия на ней наклонной хордальной части, расположенной напротив подъемника 4.
Фиг.4 - перспективный вид другого варианта тарелки, которая подобна изображенной на фиг.1 тарелке, но отличается тем, что хордальная стена 4 подъемника выполнена более низкой.
Фиг.5 - перспективный вид восьми тарелок, подобных изображенной на фиг.1 тарелке, нанизанных на четыре несущих стойки, которые удерживают тарелки внутри колонны в горизонтальном положении.
Экстрагирование жидкости жидкостью является удобным способом переноса компонента или группы компонентов одного жидкого потока в другой. Целью такого переноса может быть очистка исходного потока, подвергающегося воздействию, если экстрагируемые компоненты считаются загрязнителями, или извлечение ценных компонентов из исходного потока, если экстрагируемый компонент является конечным продуктом процесса или ценным сырьем для некоторого процесса. Процесс жидкостного экстрагирования включает осуществление контакта двух несмешивающихся жидкостей или не вполне смешивающихся жидкостей, как, например, масло и растворитель, при достаточно интенсивном перемешивании, чтобы произошла передача определенного компонента между фазами, с последующим разделением этих жидкостей. Обычно две несмешивающиеся жидкости значительно различаются по плотности, что позволяет их легко разделять на одной стадии отстаивания. Этот процесс обычно проводят в вертикальных колоннах, организуя поток плотной (тяжелой) фазы навстречу потоку менее плотной (легкой) фазы.
Когда жидкостное экстрагирование выполняется в известной тарелочной колонне, одна фаза проходит вертикально через центральный перфорированный участок, занимающий большую часть площади тарелки. Другая фаза движется горизонтально вдоль тарелки от одной ее стороны к другой. Этот горизонтальный поток может проходить ниже тарелки или над тарелкой. Поток одной фазы через рабочий участок способствует экстрагированию путем создания турбулентности и перемешивания в окрестности отверстий рабочего участка, а также разделения фазы на части небольшого объема, за счет чего увеличивается площадь ее поверхности. Например, тяжелая фаза может течь вниз через отверстия и "падать дождем" через сплошную среду менее плотной жидкости, находящейся под тарелкой. Альтернативно, легкая фаза может подниматься через рабочий участок, в то время как тяжелая фаза течет по поверхности тарелки. На верхней или нижней поверхности тарелки, как это приемлемо для конкретного случая, имеется бортик для ограничения некоторого количества фазы, которая должна проходить через рабочий участок. Этот ограниченный слой создает гидравлический напор, который проталкивает ограниченную фазу через отверстия на рабочем участке.
Одним из применяемых в промышленном масштабе процессов экстрагирования жидкости жидкостью является извлечение бутадиенов из потоков С4. Другим широко применяемым процессом экстрактивного разделения является извлечение ароматических гидрокарбонатов из смеси, содержащей гидрокарбонаты с различными молекулярными структурами, подобные парафинам. Например, большое количество бензина и других ароматических гидрокарбонатов, являющихся ценным исходным сырьем для нефтепромышленности, получают экстрактивной перегонкой из смесей, содержащих другие типы гидрокарбонатов. Экстрагирование также применяют для извлечения активной массы из бульонов брожения, извлечения металлов, подобных меди и редкоземельным элементам, и получения капролактама для производства нейлона.
Перечисленные выше экстракционные процессы обычно выполняют в больших промышленных масштабах, для чего используют колонны большого диаметра; однако достаточно часто нет надобности использовать крупногабаритное оборудование. Например, если необходимо выполнить весьма простое разделение, то для этого требуется обеспечить лишь минимальное поверхностное соприкосновение. Альтернативно, подлежащее обработке количество может быть настолько малым, что возникнет вопрос о целесообразности использования большого сосуда или замены используемого сосуда. Может возникнуть желание ограничиться лишь увеличением емкости действующего экстракционного устройства. В таких случаях решение вопроса достигают использованием "картриджной" экстракционной колонны. Подобные системы представляют собой предварительно собранные многотарелочные пакеты, которые вставляют в вертикальную секцию трубы большого диаметра для создания экстракционной колонны. Таким образом снижаются затраты на создание колонны. К тому же, построение колонны упрощается, что является весьма существенным обстоятельством, поскольку в полевых условиях затруднительно собрать колонну небольшого диаметра, внутренний диаметр которой может составлять от 61 до 76 см (от 24 до 30 дюймов).
Как отмечено в брошюре корпорации Nutter Engineering, упомянутой выше, принято устраивать уплотнение на кромке тарелок, используемых для фракционной дистилляции. Уплотнение выполняют в разнообразных формах; оно может представлять собой подпружиненное устройство или упругое тело, прикрепленное к кромке тарелки. Такое уплотнение служит средством, которое направляет поднимающуюся и спускающуюся жидкости по заданным траекториям относительно тарелки. Поскольку уплотнение должно быть упругим или подвижным, чтобы обеспечивалась возможность вложения и извлечения пакетов тарелок, и труба может не быть идеально круглой, вдоль кромки тарелки могут существовать зазоры, через которые жидкости могут частично протекать мимо тарелки и избегать требуемого контакта. Недостатки таких уплотнений и трудности их использования снижают степень их полезности. Например, если уплотнение плотно прилегает к внутренней поверхности трубы, обеспечивая хорошее уплотнение, препятствующее вертикальному течению жидкости, то, вероятнее всего, для перемещения уплотнения внутри трубы надо будет прикладывать значительное усилие. Если пакет тарелок составлен из множества отдельных тарелок, то перемещение такого пакета при вложении или извлечении для осмотра и/или очистки окажется трудной операцией.
Другой недостаток, присущий уплотнениям пакетных тарелок, обнаруживается при наличии изменений диаметра или кругообразности трубы, являющихся результатами смятия, изгиба или других деформаций формы. Такие уплотнения изготавливают с учетом допуска на форму, и поэтому любое отклонение формы трубы от идеальной кругообразной неизбежно влечет появление зазора, который будет пропускать жидкость в обход тарелки. Наличие утечки может стать причиной того, что находящаяся на верхней поверхности плотная жидкость не будет попадать на рабочий участок тарелки. В зависимости от конструкции и способа эксплуатации колонны может возникнуть ситуация, альтернативная указанной выше, при которой (из-за наличия зазора) менее плотная фаза не будет попадать на рабочий участок, поднимаясь вокруг тарелки. Любая из этих ситуаций сопряжена с понижением эффективности тарелки и, следовательно, всей колонны. Настоящее изобретение направлено на улучшение ограждающей конструкции, расположенной на верхней поверхности каждой тарелки и удерживающей стекающую вниз жидкость на тарелке, препятствуя ее протеканию через любой зазор между кромкой тарелки и внутренней поверхностью сосуда. Целью настоящего изобретения является создание целостного конструктивного блока тарелок, который успешнее предотвращает протечки плотной жидкости через уплотнение вдоль кромки тарелки.
В соответствии с настоящим изобретением предлагается использовать вертикальный бортик, который окружает рабочий участок тарелки и имеет хордальную стенку, параллельную поверхности хордального подъемного канала, который граничит с рабочим участком тарелки. Эта стенка отделяет рабочий участок от уплотнения таким образом, что тяжелая жидкость, находящаяся на рабочем участке, должна переливаться через этот бортик, чтобы оказаться поверх уплотнения. Плотная жидкая фаза, втекающая на участок, ограниченный этим бортиком, не может попасть на уплотненный участок периферийной кромки тарелки до тех пор, пока уровень плотной жидкости не превысит высоту бортика. Поскольку рабочий уровень тяжелой жидкости ниже высоты бортика, то бортик предотвращает протечку плотной жидкости через любые зазоры в уплотнении на кромке тарелки при нормальном режиме работы.
Более полное понимание настоящего изобретения может быть достигнуто из следующего ниже описания, ведущегося со ссылкой на приложенные чертежи. Фиг.1 представляет предпочтительный вариант конфигурации отдельной тарелки, соответствующей существу настоящего изобретения. В центральной части тарелки 1 расположен участок, называемый рабочим участком 2 тарелки. На этом участке выполнено некоторое множество отверстий сравнительно малого диаметра. Эти отверстия предназначены пропускать плотную жидкость в виде большого числа мелких капель для максимального увеличения площади поверхности жидкости плотной фазы, которая контактирует со сплошным слоем жидкости менее плотной фазы, расположенным под этой тарелкой. Такое использование тарелки позволяет назвать ее "дождевальной доской". Менее плотная фаза медленно течет вдоль дна тарелки и поступает в "подъемник", который представляет собой устройство, ограничивающее легкую фазу при ее восхождении к следующей по высоте тарелке. Основными функциями подъемника являются сбор легкой фазы и направление ее к нижней поверхности следующей по высоте тарелки без захвата какой-либо части тяжелой фазы, собирающейся поверх тарелки. Подъемник можно выполнить в разнообразных формах при условии, что эти функции будут исполняться, и при этом нет необходимости делать его высоту равной расстоянию до следующей по высоте тарелки. Весьма часто подъемник создают в виде хордального канала на одной стороне тарелки, ограниченного частью цилиндрической стены наружного сосуда и плоской хордальной стенкой и обозначенного позицией 4 (на фиг.1). Подъемник можно разместить в некотором другом месте и выполнить в другой конструктивной форме, не используя часть стены колонны. На фиг.1 подъемник изображен на левой стороне тарелки, а на правой стороне тарелки изображен неперфорированный участок тарелки. Этот неперфорированный участок служит колпаком или крышкой подъемника, расположенного на нижележащей тарелке. Что касается тарелки, изображенной на фиг.1, жидкость легкой фазы поднимается через подъемник, изображенный на левой стороне тарелки. На расположенной выше тарелке стенка должна находиться на противоположной стороне тарелки. Поэтому жидкость легкой фазы течет по дну расположенной выше тарелки и поступает в следующий подъемник, описывая таким образом сигмоидальную кривую при подъеме по колонне. При этом капли жидкости плотной фазы падают через жидкость легкой фазы и собираются в центральной части тарелки, окруженной удерживающим жидкость бортиком 3. Капли сливаются в слой жидкости плотной фазы, которая просачивается через рабочий участок 2.
В предпочтительном варианте по крайней мере часть удерживающего жидкость бортика 3 выполнена в виде цилиндрической стенки, как это иллюстрирует фиг.1. Некоторая часть удерживающего бортика является частью подъемника. Высота этого бортика может составлять от 5 до 15 см (от 2 до 6 дюймов). Другими словами, высота бортика составляет от одной трети до одной половины шага между тарелками колонны. Удерживающий бортик расположен на тарелке 1 на некотором расстоянии от периферии 8. Ширина отступа от кромки тарелки равна ширине кольцевого участка 7 в интервале от 2,5 до 10 см (от 1 до 4 дюймов), причем конкретное значение ширины отступа выбирается в зависимости от конструкции уплотнительного кольца. Ниже в тексте этот участок называется уплотнительным кольцом, поскольку именно в этой области тарелки размещается любой механизм, предназначенный перекрывать зазор между кромкой тарелки и внутренней поверхностью колонны. На фиг.1 изображены два из четырех опорных отверстий 5 в рабочем участке тарелки. В эти отверстия вставляются несущие элементы (не изображены), которые удерживают тарелку в определенном положении внутри колонны.
Фиг.2 дает вид сверху тарелки, представленной фиг.1. На этом чертеже хорошо различимы перфорированный рабочий участок 2 в центральной части тарелки и четыре отверстия 5 для несущих элементов. На этом чертеже изображено предпочтительное равномерное распределение отверстий на рабочем участке. Отверстия могут быть круглыми с диаметром от 0,5 до 1,2 см (3/16 до 1/2 дюйма). На рабочем участке тарелки можно выполнять отверстия любой формы (например, трапецеидальной) или использовать другие конструкции, в частности откидные клапаны или фиксированные клапаны. На этом же чертеже (фиг.2) изображено предпочтительное кольцевое углубление над круглым уплотнительным кольцом, образованное внутренней поверхностью стены колонны, наружной поверхностью бортика 3 и криволинейной наружной поверхностью подъемника. В предпочтительном варианте, как показано, по крайней мере 50 процентов длины бортика имеет форму дуги окружности.
Тарелка в другом варианте исполнения изображена на фиг.3, и она во многом подобна тарелке, изображенной на фиг.1. Различие состоит в том, что удерживающий жидкость бортик 3, окружающий рабочий участок 2, имеет плоскую часть 3’, расположенную напротив подъемника. Плоская часть 3’ наклонена под таким углом, который обеспечивает стечение (жидкости) к рабочему участку. Она (наклонная часть) обеспечивает сбор тех капель жидкости плотной фазы, которые могли бы быть унесены к кромке тарелки. Другие части бортика 3 также можно выполнить с наклоном, если требуется повысить эффективность сбора жидкости плотной фазы. Угол наклона может составлять от 15 до 75 градусов. При этом бортик будет иметь форму опрокинутого усеченного конуса. На Фиг.4 изображен следующий вариант конструкции тарелки. Вертикальный удерживающий жидкость бортик 3, окружающий рабочий участок тарелки, поднимается вверх от плоскости рабочего участка тарелки до высоты, которая превышает высоту хордального канала. В этой модификации зубчатая хордальная стена подъемника тарелки 1 выполнена более низкой, чем криволинейная часть бортика 3, окружающего рабочий участок тарелки. Это можно выполнить путем увеличения высоты бортика 3 или уменьшением высоты зубчатой стены 4. Описанные выше две модификации не исчерпывают множество возможных механических модификаций элементов тарелки.
Приведенные выше описания тарелок, выполненные со ссылками на прилагаемые чертежи, носят исключительно иллюстративный характер и предназначены облегчить понимание признаков новизны изобретения, но не могут ограничивать пределы существа и объема изобретения, определенные формулой изобретения.
В соответствии с изложенным выше один из вариантов изобретения можно характеризовать как устройство для установки в вертикальную колонну, используемую для выполнения процесса экстрагирования жидкости жидкостью, причем это устройство включает в себя некоторое множество тарелок, каждая тарелка принудительно располагается внутри колонны в горизонтальной плоскости и снабжена уплотнительным кольцом, которое по крайней мере некоторой частью соприкасается с внутренней поверхностью колонны, имеет центральный перфорированный рабочий участок, хордальный подъемный канал на одной стороне тарелки и вертикальный удерживающий жидкость бортик, окружающий рабочий участок тарелки и удаленный на определенное расстояние от периферии к центру тарелки, удерживающий жидкость бортик имеет плоскую часть, общую с хордальным подъемным каналом, и вертикальные несущие тарелки элементы, проходящие через тарелки и объединяющие множество тарелок в пакет, который можно вложить в колонну как целостный конструктивный блок, причем тарелки располагаются вдоль несущих элементов с равным шагом.
Более сложная конструкция, изображенная на Фиг.5, построена из нескольких, по меньшей мере шести отдельных тарелок 1, подобных изображенной на фиг.1, которые закреплены на четырех несущих элементах 6. Тарелки закреплены на несущих элементах таким образом, чтобы предотвращалось их смещение, и вся конструкция вставляется в отрезок трубы для создания экстракционной колонны. Тарелки располагаются с равным шагом длиной от 20 до 50 см (от 8 до 20 дюймов). Шаг между тарелками обычно выбирают несколько длиннее, чем удвоенная высота цилиндрической части удерживающего жидкость бортика. Дополнительный признак новизны, который проиллюстрирован этим чертежом, состоит в том, что подъемники располагаются на противоположных сторонах соседних по высоте тарелок, чтобы поток более легкой фазы двигался вверх по колонне по сигмоидальной траектории. Исключая конструкцию из тарелок, все другие элементы и части экстракционной колонны могут быть выполнены по известным образцам. Колонна предназначена обеспечивать протекание процессов при обычных рабочих условиях, включая создание давления, достаточного для существования жидких фаз, и поддержание температуры, наиболее благоприятствующей растворимости и экстрагированию. Если растворяющей фазой является тяжелая фаза, поступающая в колонну сверху, или легкая фаза, поступающая в колонну снизу, то другая фаза является исходным сырьевым потоком, который содержит компонент (компоненты), подлежащий (-ие) переносу.
1. Устройство для экстрагирования жидкости жидкостью для установки и использования в вертикальной колонне, имеющее тарелки, причем каждая тарелка после точной установки в колонне занимает горизонтальное положение, и снабжено уплотнительным кольцом, которое соприкасается с внутренней поверхностью колонны, перфорированный рабочий участок, хордальный подъемный канал, расположенный на одной стороне тарелки, и вертикальный удерживающий жидкость бортик, окружающий рабочий участок тарелки и отстоящий на расстоянии от периферии ближе к центру тарелки.
2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что несущие элементы проходят через тарелки и объединяют тарелки в пакет, который можно вложить в колонну как целостный конструктивный блок, причем тарелки расположены друг от друга на расстоянии, которое более чем в два раза превышает высоту удерживающего жидкость бортика.
3. Устройство по п.2, отличающееся тем, что, по меньшей мере, 50% длины вертикального бортика, окружающего рабочий участок тарелки, имеет форму дуги окружности.
4. Устройство по п.2, отличающееся тем, что вертикальный бортик, окружающий рабочий участок тарелки, имеет хордальную часть, параллельную поверхности хордального подъемника, который граничит с рабочим участком тарелки.
5. Устройство по п.2, отличающееся тем, что вертикальный удерживающий жидкость бортик, окружающий рабочий участок тарелки, поднимается вверх от плоскости рабочего участка тарелки до высоты, которая превышает высоту хордального подъемного канала.
6. Устройство по п.5, отличающееся тем, что включает в себя, по меньшей мере, шесть тарелок.
