Способ и аппарат для прямоточной парожидкостной контактной очистки
Изобретение относится к высокопроизводительным и высокоэффективным аппаратам прямоточной парожидкостной контактной очистки для использования в ректификационных колоннах и других устройствах парожидкостной контактной очистки. Аппарат отличается тем, что модули (20) контактной очистки расположены не на тарелках, а на горизонтальных ступенях. Модули образуют прямоточный контактный объем (56). В одном из вариантов конфигурации модулей (20) они включают в себя распределитель жидкости (22), туманоуловитель (24), приемный поддон (26) и канал (28). Модули одной ступени повернуты таким образом, что они не параллельны модулям ступени, расположенной ниже или расположенной выше, либо модулям обоих ступеней. Способ парожидкостной контактной очистки включает пропускание потока пара вверх в контактный объем (56), подачу жидкости в контактный объем (56), захват жидкости паром и перемещение ее в направлении потока пара в туманоуловитель (24) для отделения жидкости от пара. Настоящее изобретение обеспечивает повышение производительности и коэффициента полезного действия аппарата по сравнению с аппаратами, существующими в данной области техники. 2 н. и 8 з.п. ф-лы, 10 ил.
Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к аппаратам, которые могут применяться при проведении фракционной перегонки или других видов парожидкостной контактной очистки с использованием массо- и/или теплопередачи. Более конкретно данное изобретение относится к процессам и аппаратам и в нем разработан аппарат для высокопроизводительной прямоточной фракционной перегонки с высоким коэффициентом полезного действия, который может применяться в ректификационных колоннах для сепарации таких летучих химических соединений как углеводороды.
Уровень техники
Такие устройства парожидкостной контактной очистки как тарелки и фильтрующие набивки ректификационной колонны применяются для осуществления практически бесконечного числа сепарационных операций в нефтяной и нефтехимической промышленности. Тарелки используются, например, для сепарирования множества различных углеводородных соединений, таких как парафины, ароматические соединения и этиленовые углеводороды. Тарелки используются при сепарировании определенных соединений, таких как различные этаноловые соединения, эфиры, алкильные ароматические соединения, мономеры, растворители, неорганические соединения, атмосферные газы и т.д., а также для сепарирования большого числа таких кипящих смесей, как нефтяные фракции, включающие сырую нефть, тяжелый бензин и сжиженный нефтяной газ. Парожидкостные тарелки контактной очистки также используются при переработке, очистке и абсорбции газа. К настоящему моменту разработано большое множество тарелок и других устройств контактной очистки, обладающих различными достоинствами и недостатками.
Преобладающее распространение получили стандартные аппараты для фракционной перегонки в форме тарелок и фильтрующих набивок ректификационных колонн. Они широко используются в химической, нефтехимической и нефтеперерабатывающей промышленности для обеспечения парожидкостной контактной очистки в ректификационных колоннах. Обычно ректификационная колонна включает в себя от 10 до 250 отдельных тарелок. Часто все тарелки колонны имеют одинаковую конструкцию, но также известны варианты, в которых конструкции соседних в вертикальном направлении тарелок могут отличаться. Тарелки устанавливаются горизонтально, обычно на равном расстоянии по вертикали, которое называется шагом тарелок колонны. Это расстояние может быть разным на разных участках колонны. Часто тарелки устанавливаются на кольцо, приваренное к внутренней поверхности колонны.
Фракционная перегонка традиционно проводится в противоточных устройствах контактной очистки, в которых общий поток жидкости направлен вниз, а поток пара направлен вверх. В некоторой точке аппарата пар и жидкость входят в контакт, происходит обмен компонентами парообразной и жидкой фаз и достигается взаимное равновесие. Пар и жидкость затем разделяются, перемещаются в соответствующем направлении и вновь входят в контакт с очередным объемом соответствующей жидкости. Во многих стандартных устройствах парожидкостной контактной очистки контакт между паром и жидкостью на каждой ступени осуществляется в противотоке. Аппарат альтернативной конструкции отличается от традиционных систем многоступенчатой контактной очистки тем, что хотя общий поток в аппарате продолжает оставаться противоточным, реальный контакт на каждой ступени между жидкостью и паром осуществляется в прямоточной зоне переноса массы.
При фракционной перегонке с использованием стандартных тарелок пар, образующийся на дне колонны, поднимается, проходя через большое число отверстий малого размера, рассредоточенных по верхней зоне тарелки, на которой находится некоторое количество жидкости. При прохождении пара через жидкость образуется слой пузырьков, называемый пеной. Большая площадь поверхности пены способствует быстрому установлению структурного равновесия между паром и жидкостью на тарелке. После этого пена свободно разделяется на пар и жидкость. При массообмене менее летучие вещества из пара переходят в жидкость, в результате по мере поднятия пара вверх при проходе через каждую тарелку его летучесть несколько повышается. Одновременно с этим по мере перемещения жидкости вниз от тарелки к тарелке в ней повышается концентрация менее летучих соединений. Жидкость отделяется от пены и перемещается вниз к следующей тарелке. Такое непрерывное образование пены и разделение пара и жидкости осуществляется на каждой тарелке. Таким образом, устройства парожидкостной контактной очистки выполняют две функции, заключающиеся в обеспечении контакта поднимающегося пара с жидкостью и последующем разделении двух фаз для отправки их в различных направлениях. При осуществлении данных этапов соответствующее число раз на разных тарелках обеспечивается сепарирование химических соединений на основе их относительной летучести.
В результате попыток усовершенствования оборудования, выполняющего данные функции в нефтеперерабатывающей, химической и нефтехимической промышленности, разработано множество различных типов устройств парожидкостной контактной очистки, включающих в себя тарелки и фильтрующие набивки. Различным аппаратам присущи различные преимущества. Например, использование множества тарелок со сливными стаканами обеспечивает возможность прохождения большого объема жидкости, а также возможность эффективной работы в весьма широком диапазоне рабочих расходов. Фильтрующая набивка заданной структуры мало снижает давление, благодаря чему она может применяться при осуществлении операций, выполняемых при низких давлениях или в условиях вакуума. Двумя очень важными характеристиками оборудования парожидкостной контактной очистки, постоянно служащими объектами усовершенствований, являются производительность и коэффициент полезного действия. Устройство прямоточной контактной очистки считается аппаратом, который обеспечивает высокую производительность за счет применения таких устройств парожидкостной сепарации, как туманоуловители или центробежные направляющие устройства, улучшающие сепарацию пара и жидкости на каждой ступени. В устройстве прямоточной контактной очистки за счет прямоточного взаимодействия мелких капель жидкости с паром может быть достигнута высокая эффективность массообмена.
Аппарат прямоточной парожидкостной контактной очистки, имеющий параллельную компоновку, продемонстрирован в патенте US 6682633, в котором описывается аппарат модульной конструкции для обеспечения прямоточного контакта пара и жидкости в ряде конструкционных модулей, расположенных на горизонтальных уровнях колонны или другой емкости. Модули конструкции каждой ступени или каждого уровня разнесены в горизонтальном направлении, чтобы обеспечить пространство для сливных стаканов модулей следующей расположенной выше ступени. Конструкционные модули каждой ступени параллельно совмещены с конструкционными модулями ступеней, расположенных выше и ниже. По сливным стаканам жидкость поступает к одному из двух наклонных контактных каналов и по этим каналам пар и жидкость подаются в сепарационные камеры в верхней части модуля. Поток пара направляется из сепарационных камер вверх к контактному каналу следующего расположенного выше модуля, а поток жидкости идет вниз через центральный одиночный сливной стакан к следующей контактному каналу.
В патенте US 5837105 и связанным с ним патенте US 6059934 описывается тарелка ректификационной колонны, имеющая совокупность прямоточных контактных участков рассредоточенных по тарелке. Жидкость, собранная в отстойнике, проходит через совокупность сливных стаканов к следующей расположенной ниже тарелке, где она захватывается паром, поднимающимся через паровые отверстия тарелки и передается в одно из двух улавливающих устройств тарелки. Жидкость из каждого улавливающего устройства затем течет в отстойник. В патенте изложен ряд компоновочных схем, включающих схемы с параллельным и непараллельным центрированием ступеней.
Известно, что в случае неравномерного распределении жидкости или пара в аппарате парожидкостной контактной очистки с параллельным расположением соседних ступеней жидкость не может быть быстро перераспределена по длине аппарата. Таким образом, неравномерность распределения жидкости или пара может распространиться от ступени к ступени, снижая производительность и коэффициент полезного действия аппарата. В связи с этим необходимо устройство прямоточной парожидкостной очистки с дополнительной степенью свободы для перераспределения жидкости. Кроме того, использование тарелок с отверстиями на относительно малой площади внутри колонны может существенно увеличить потерю давления, даже при большой площади отверстий тарелки. Поэтому требуется разработка усовершенствованного устройства прямоточной парожидкостной контактной очистки с непараллельными ступенями и конструкциями для перемещения жидкости со ступени на следующую, расположенную ниже без снижения возможностей по обработке жидкости. Кроме того, подобное устройство с оптимальным использованием пространства колонны для движения потока жидкости и контактной очистки необходимо для получения высокой производительности, высокого коэффициента полезного действия и обеспечения малых потерь давления.
Раскрытие изобретения
Изобретение представляет собой новый высокопроизводительный и высокоэффективный аппарат прямоточной парожидкостной контактной очистки для использования в ректификационных колоннах и других устройствах парожидкостной контактной очистки. Аппарат отличается тем, что модули контактной очистки расположены не на тарелкообразных конструкциях, а на горизонтальных ступенях. Модули одной ступени повернуты таким образом, что они не параллельны модулям ступени, расположенной ниже или расположенной выше, либо модулям обоих ступеней. Модули контактной очистки включают в себя, по меньшей мере, распределитель жидкости и туманоуловитель, которые определяют контактный объем. Поднимающийся пар заходит в контактный объем и захватывает жидкость, которая подается из распределителя жидкости, и перемещает ее в том же направлении к туманоуловителю. Туманоуловитель также, называемый парожидкостным сепаратором, разделяет пар и жидкость таким образом, что пар и жидкость после взаимодействия раздельно перемещаются вверх и вниз соответственно. Жидкость из туманоуловителя стекает в приемный поддон и далее через канал. Каждый из каналов, связанный с отдельным приемным поддоном, направляет жидкость в отдельный распределитель жидкости, который связан со ступенью контактной очистки, расположенной ниже. Возможные изменения могут касаться количества и конструкции таких отдельных элементов, как туманоуловитель, распределитель жидкости, каналы и контактные объемы, а также общей компоновки аппарата.
В одном из вариантов осуществления данное изобретение включает в себя аппарат для осуществления прямоточной парожидкостной контактной очистки. Аппарат включает в себя совокупность ступеней, снабженных одним или большим числом модулей контактной очистки. Модуль контактной очистки включает в себя распределитель жидкости, имеющий выходное отверстие в районе контактного объема, приемный поддон, расположенный в основном параллельно распределителю жидкости, по меньшей мере, один канал и туманоуловитель. Верхний конец каждого из каналов гидравлически соединен с приемным поддоном, а нижний конец гидравлически соединен с отдельным, расположенным ниже распределителем жидкости. Туманоуловитель имеет входную поверхность, которая расположена рядом с контактным объемом, а также выходную поверхность, которая расположена выше приемного поддона. Модуль контактной очистки, по меньшей мере, одной ступени повернут по отношению к модулю контактной очистки другой ступени.
В другом варианте осуществления данное изобретение включает в себя аппарат для осуществления прямоточной парожидкостной контактной очистки. Аппарат включает в себя совокупность ступеней, имеющих, по меньшей мере, одни модуль контактной очистки и совокупность приемных поддонов. Модуль контактной очистки включает в себя пару в основном параллельно разнесенных в стороны туманоуловителей, распределитель жидкости, расположенный между парой туманоуловителей. Распределитель жидкости взаимодействует совместно с туманоуловителями, образует контактный объем и его выходное отверстие гидравлически связано с контактным объемом. Входная поверхность каждого туманоуловителя одного модуля гидравлически связана с контактным объемом, а выходная поверхность находится над отдельными приемными поддонами ступени. По меньшей мере, часть модуля контактной очистки расположена между парой приемных поддонов, связанных с парой туманоуловителей. Каждый приемный поддон имеет, по меньшей мере, один канал, а каждый канал приемного поддона обеспечивает гидравлическую связь с отдельным расположенным ниже распределителем жидкости. По меньшей мере, одна из ступеней повернута относительно другой ступени таким образом, что модули контактной очистки двух ступеней расположены не параллельно друг другу.
В другом варианте изобретение включает в себя метод парожидкостной контактной очистки. Метод включает в себя этапы подачи поднимающегося потока пара в контактный объем и подачи жидкости через выходное отверстие первого распределителя жидкости в контактный объем: захват жидкости потоком пара и перемещение ее в направлении потока пара в туманоуловитель; отделение жидкости от потока пара в туманоуловителе; подачу жидкости, выходящей из туманоуловителя, в приемный поддон и подачу потока пара, выходящего из туманоуловителя, в контактный находящийся выше объем; пропуск жидкости из приемного поддона, по меньшей мере, через один канал, который направляет жидкость в распределитель жидкости, расположенный ниже. Каждый канал, связанный с приемным поддоном, направляет жидкость в отдельный расположенный ниже распределитель жидкости. Расположенный ниже распределитель жидкости не параллелен первому распределителю жидкости.
Преимущество настоящего изобретения заключается в том, что не параллельная ориентация одной ступени контактной очистки по отношению к соседней по вертикали ступени обеспечивает дополнительную степень свободы для распределения пара и жидкости в разных направлениях. При неравномерном распределении жидкости или пара жидкость может быть быстро перераспределена. Таким образом, неравномерное распределение жидкости или пара исключается, по меньшей мере, на одной из двух ступеней, следовательно, повышается производительность и коэффициент полезного действия аппарата по сравнению с аппаратами, существующими в данной области техники. Настоящее изобретение также обеспечивает относительно беспрепятственный проход пара, поднимающегося с расположенной ниже ступени в расположенный выше контактный объем, что дает преимущество, заключающееся в снижении потерь давления по сравнению с предыдущими конструкциями аппаратов.
Краткое описание чертежей
Фиг.1. Схематическое изображение поперечного сечения колонны парожидкостной контактной очистки, использующей прямоточные модули контактной очистки настоящего изобретения.
Фиг.2. Схематическое изображение поперечного сечения одного модуля.
Фиг.3. Вид сверху ступени колонны, изображенной на фиг.1, на котором показаны туманоуловители и распределители жидкости.
Фиг.4А, 4В. Туманоуловители, показанные на фиг.3.
Фиг.5. Вид сверху ступени колонны, приведенной на фиг.1, на котором показаны приемные поддоны и распределители жидкости.
Фиг.6А. Вид сверху приемного поддона, приведенного на фиг.1.
Фиг.6В. Схематическое изображение поперечного сечения приемного поддона, показанного на фиг.1.
Фиг.7А. Схематическое изображение вида сверху распределителя жидкости, показанного на фиг.1.
Фиг.7В. Вид в изометрии края распределителя жидкости, показанного на фиг.1.
Фиг.8. Схематическое изображение поперечного сечения распределителя жидкости, показанного на фиг.1, снабженного альтернативным вариантом канала.
Фиг.9A-9G. Схематическое изображение вида сбоку различных конструкций для парожидкостной сепарации настоящего изобретения.
Фиг.10А-В. Альтернативные варианты осуществления модулей контактной очистки данного изобретения.
Соответствующие обозначения используются для соответствующих элементов на нескольких видах. Приведенные здесь примеры демонстрируют несколько вариантов осуществления изобретения, но их не следует истолковывать как некие ограничения объема изобретения.
Подробное описание изобретения
На фиг.1 показан вариант осуществления аппарата прямоточной парожидкостной контактной очистки настоящего изобретения внутри сосуда 10. Сосуд 10 может представлять собой, например, ректификационную колонну, абсорбционную колонку, контактный теплообменник или другой сосуд, используемый для проведения парожидкостной контактной очистки. Сосуд 10 содержит ступени 12 контактной очистки, соответствующие предмету изобретения, а также может содержать два коллектора/распределителя. Верхняя часть колоны содержит верхний коллектор/распределитель 14, а нижняя часть колонны содержит нижний коллектор/распределитель 16. С целью упрощения чертежа на нем показаны только три ступени контактной очистки. Как хорошо известно специалистам в данной области техники, ректификационная колонна может содержать несколько секций. Каждая секция может содержать совокупность ступеней контактной очистки и между секциями и/или внутри секций может быть выполнена совокупность каналов для подвода и/или отвода жидкости. Также на одной ступени и/или на разных ступенях одной той же самой колонны могут быть установлены комбинации различных устройств контактной очистки типа прямоточных устройств контактной очистки и других стандартных устройств фракционной перегонки. Сосуд 10 включает в себя внешнюю оболочку 11, которая обычно имеет форму цилиндра или в альтернативном варианте исполнения любую другую форму.
В представленном на фиг.1 варианте осуществления изобретения каждая ступень 12 контактной очистки повернута на 90 градусов относительно ступеней, находящихся непосредственно над и под ней. Таким образом, каждая ступень 12 контактной очистки распределяет жидкость в направлении, перпендикулярном расположенной непосредственно над ней, и снижает неравномерность распределения жидкости. В других вариантах осуществления изобретения расположенные рядом по вертикали ступени контактной очистки могут быть повернуты на угол от 0 до 90 градусов. В дополнительных вариантах осуществления изобретения ступени контактной очистки повернуты на угол от 9 до 90 градусов. Угол поворота ступени контактной очистки может быть одинаковым для каждой ступени, либо может меняться. То есть изобретение охватывает также те варианты осуществления изобретения, в которых угол поворота соседних по вертикали ступеней контактной очистки является переменным. В приведенном варианте осуществления изобретения каждая ступень 12 контактной очистки включает в себя совокупность модулей 20 контактной очистки и приемных поддонов 26.
Как показано на фиг.2, 3 и 5, модули 20 контактной очистки в данном варианте осуществления изобретения включают в себя распределитель 22 жидкости, расположенный между двумя туманоуловителями 24. Распределитель жидкости и туманопоглотители совместно образуют прямоточный объем 56 контакта потока. В дополнение к модулям 20 контактной очистки каждая ступень также включает в себя совокупность приемных поддонов 26, в которых имеется совокупность каналов 28. На фиг.5 показан вид сверху двух соседних ступеней, на которых для того, чтобы лучше было видно расположение приемных поддонов 26, каналов 28 и распределителей жидкости 22, туманоуловители условно не показаны. На каждой ступени приемные поддоны 26 в основном параллельны и разнесены в стороны в поперечном сечении сосуда. Распределитель жидкости 22 модуля расположен между каждой парой соседних приемных поддонов 26, в результате чего получается чередующаяся конфигурация приемных поддонов 26 и модулей 20. Приемные поддоны, расположенные между двумя модулями, являются центральными поддонами ряда, а приемные поддоны, расположенные между модулем и оболочкой сосуда, являются замыкающими приемными поддонами ряда. На фигуре видно, что центральные приемные поддоны являются общими для двух соседних модулей. В другом варианте осуществления изобретения, не показанном на фигурах, пара приемных поддонов встроена в каждый модуль контактной очистки. Когда такие модули располагаются в основном параллельно друг другу вдоль ступени, они примыкают друг к другу таким образом, что между каждой парой соседних распределителей жидкости находится два приемных поддона. Между двумя соседними модулями 20 контактной очистки может устанавливаться вертикальная перегородка 21 для перехватывания пара, выходящего из туманоуловителей 24, в основном для уменьшения взаимодействия выходящих жидкостей в объеме 58 транспортировки жидкости, расположенном над приемными поддонами 26. Вертикальная перегородка 21 расположена между туманоуловителями 24 соседних модулей 20 контактной очистки в основном параллельно туманоуловителям.
Распределитель 22 жидкости приведенного варианта осуществления изобретения в верхней части имеет входное отверстие 32 распределителя жидкости, а в нижней части совокупность выходных отверстий 34. Две наклонных стенки 30 распределителя 22 жидкости сужают распределитель 22 жидкости к низу. Дно в основном V-образного распределителя жидкости может быть заостренным или криволинейным, или плоским, как показано на фиг.2. Могут быть разработаны альтернативные варианты осуществления изобретения с распределителями жидкости различных форм, как ступенчатых, так и имеющих уклоны и ступени. В других вариантах осуществления изобретения поперечное сечение может иметь правильную форму типа прямоугольника или квадрата или быть криволинейным, неправильной формы, или иметь иную форму, которая определяет требуемый объем для контактной очистки и обеспечивает подачу жидкости в него. Тем не менее в приведенном варианте осуществления изобретения используется распределитель жидкости, имеющий V-образную форму, для обеспечения одновременного получения большого объема контактной очистки между туманоуловителями 24 и стенками 30 распределителя жидкости в нижней части каждой ступени 12 и обеспечения большого входного отверстия 32 распределителя жидкости в верхней части для размещения увеличенных каналов 28 для повышения производительности обработки жидкости. Входное отверстие 32 распределителя жидкости имеет форму, обеспечивающую ему контакт с каналами 28. Между соседними по вертикали распределителями жидкости могут устанавливаться входные пластины 36. Входные пластины 36 распределителя жидкости закрывают входное отверстие распределителя жидкости в районе выходных отверстий 34 распределителя жидкости, расположенного выше распределителя 22 жидкости. Две кромки 36 на каждой входной пластине 36 направляют жидкость от расположенного выше распределителя 22 жидкости к объему над туманоуловителем 24, где жидкость захватывается поднимающимся паром. Это дает дополнительное преимущество, обеспечивающее высокую эффективность, за счет того, что предотвращается попадание жидкости в распределитель 22 жидкости непосредственно из распределителя жидкости, расположенного выше, при котором была бы упущена возможность проведения ее контактной очистки.
Выходные отверстия 34 распределителя жидкости образованы совокупностью прорезей или других типов отверстий, расположенных в один или большее число рядов в районе дна распределителя 22 жидкости. Выходные отверстия 34 могут располагаться в стенках 30 и/или в дне распределителя жидкости. При работе уровень жидкости в распределителе жидкости обеспечивает уплотнение, предотвращающее попадание поднимающегося пара внутрь распределителя жидкости через выходные отверстия 34. Отверстия 34 предпочтительно распределены по длине распределителя 22 жидкости и могут быть расположены таким образом, что отверстия имеют разные размеры или число или отсутствуют на участках распределителя 22 жидкости, находящихся над расположенным ниже распределителем жидкости. Таким образом, компоновка выходных отверстий распределителя жидкости может использоваться как дополнительное средство предотвращения непосредственного попадания жидкости из одного распределителя жидкости в расположенный ниже распределитель жидкости.
Комбинации этих и других, рассматриваемых ниже подобных средств, могут быть использованы для устранения потенциальной опасности того, что жидкость обойдет ступень контактной очистки.
Туманоуловители 24 расположены по длине распределителя жидкости 22 рядами с обеих сторон распределителя жидкости, что хорошо видно на фиг.3. Следует заметить, что для того чтобы нагляднее показать ортогональное расположение модулей соседних ступеней представленного варианта осуществления изобретения, приемные поддоны на фиг.3 условно не показаны. Туманоуловительные ряды 24 могут набираться из множества туманоуловительных модулей 40, показанных на фиг.4А и 4 В. Туманоуловительные модули 40 могут дополнительно включать в себя охватываемую концевую пластину 46 и охватывающую концевую пластину 48, каждая из которых, взаимодействуя с ответной концевой пластиной соседнего туманоуловительного модуля 40, образует уплотнение, которое в основном не допускает возникновения протечек жидкости через соединение. Данные охватываемые и охватывающие концевые пластины представляют собой один из типов замкового механизма, который может использоваться при создании туманоуловительного ряда 24 из туманоуловительных модулей 40. Возможно использование любого известного замкового механизма. В других вариантах осуществления изобретения модули 40 могут соединяться при помощи других известных средств, таких как болты, клипсы, шпильки, хомуты, бандажи или сварные или клеевые соединения. Механизмы с использованием комбинаций охватываемого выступа и охватывающей прорези обладают преимуществом быстроты сборки и разборки. Модульная конструкция туманоуловителей 24 позволяет производителю выпускать туманоуловительные модули 40 одного или небольшого числа стандартных размеров для сборки в туманоуловительные ряды 24 различной длины. Некоторые число туманоуловительных модулей специального размера может потребоваться для особенно коротких туманоуловительных рядов 24 или для подгонки под длину распределителя жидкости 22 в зависимости от размеров аппарата и разнообразия имеющихся туманоуловительных модулей 40 стандартных размеров. Модульная конструкция имеет еще одно преимущество, заключающееся в простоте сборки модуля 20 контактной очистки, поскольку туманоуловительные модули 40 имеют меньший вес, чем туманоуловительный ряд, образованный из единого модуля. Однако в других вариантах осуществления изобретения весь туманоуловительный ряд 24 образован одиночным туманоуловительным модулем 40.
Туманоуловительные модули 40 включают в себя устройство 41 парожидкостной сепарации, которое может иметь стандартную конструкцию. Для отделения капель жидкости от потока пара используются различные известные конструкции. Одним из примеров являются пластинчатые туманоуловители, которые имеют различные каналы и жалюзи, выполненные таким образом, что поток жидкости, проходящий через туманоуловитель, несколько раз меняет свое направление, что вызывает столкновение капель жидкости с участками сепарационного устройства 41 и их отекание на дно туманоуловителя. Другим примером известных устройств для парожидкостной сепарации являются сетчатые подушки или переплетенные металлические нити. Также возможно применение комбинации этих туманоуловительных устройств.
Как показано на фиг.2, различные дополнительные элементы могут взаимодействовать и/или быть встроенными в туманоуловитель для дополнительного улучшения характеристик и/или структурной целостности аппарата. В качестве примера показаны перфорированная впускная пластина 42 в качестве входной поверхности, перфорированная выпускная пластина 44 в качестве выходной поверхности и сплошная верхняя пластина 45. Перфорированные пластины являются одним из типов элементов управления потоком, которые могут работать совместно с туманоуловителем. Другие, не ограничивающие примеры устройств управления потоком включают в себя металлическую сетку, пористые твердые тела, сетчатые подушки, экраны, решетки, сетки, экраны из фасонной проволоки и сотовые конструкции. Было обнаружено, что относительная свободная площадь устройств управления потоком влияет как на эффективность сепарирования, так и на потери давления в туманопоглотителе. Для оптимизации эффективности сепарирования и потерь давления в туманопоглотителе относительная свободная площадь устройств управления потоком на разных сторонах и на одной и той же стороне туманоуловителя может изменяться. В одном туманоуловителе могут использоваться различные типы устройств управления потоком. В других вариантах осуществления изобретения на нескольких или на некоторых входных и выходных поверхностях туманоуловителя устройства управления потоком не применяются.
Перфорированная впускная пластина 42 расположена рядом с распределителем жидкости 22. Перфорированная выпускная пластина 44 идет вдоль большей части стороны туманоуловителя напротив перфорированной пластины 42 и вдоль дна туманоуловительного модуля 40. Сплошная верхняя пластина 45 не дает жидкости непосредственно выходить из верхней части туманоуловительного модуля 40 и повышает эффективность парожидкостной сепарации. На неперфорированной верхней пластине 45 с обеих сторон имеются отогнутые полосы, одна идет вдоль стенки 30 распределителя жидкости для крепления к стенке, а другая идет вдоль перфорированной выпускной пластины 44 туманоуловителя 40 для крепления к перфорированной выпускной пластине 44. Было установлено, что неперфорированная полоса, выступающая вниз на определенное расстояние сверху перфорированной выпускной пластины 44, также повышает эффективность парожидкостной сепарации. В одном из вариантов осуществления изобретения данная полоса выступает настолько, что она перекрывает 10% высоты выпускного отверстия туманоуловителя. В другом варианте осуществления изобретения полоса выступает на 30% высоты выпускного отверстия туманоуловителя. В еще одном варианте осуществления изобретения полоса выступает на 50% высоты выпускного отверстия туманоуловителя.
Каждый из приемных поддонов 26, показанных на фиг. 2, 5, 6А и 6В, включает в себя кромки, идущие в вертикальном направлении по периметру плоского основания 50. Опорные балки 52 туманоуловителя образованы формованной металлической пластиной, прикрепленной к каждой из двух кромок вдоль продольной оси поддона 26. Крайние приемные поддоны могут включать в себя только одну опорную балку 52 туманоуловителя. Жидкость, собранная в приемном поддоне 26, направляется к множеству каналов 28. В одном из вариантов осуществления изобретения собирающий жидкость поддон 26 включает в себя дополнительную перегородку 54, показанную на фиг.6А и 6В. Опорные балки 52 контактируют с основанием туманоуловительных модулей 40 в определенном туманоуловительном ряду 24. Опорный уголок, прикрепленный к дну каждого туманоуловительного модуля 40, вставляется в опорную балку 52, а верхняя часть туманоуловителя перекрепляется к стенке 30 распределителя жидкости рядом с входным отверстием 32 распределителя жидкости. Опорные балки 52 обеспечивают конструкционную опору для туманоуловительных модулей 40 даже до прикрепления туманоуловительных модулей 40 к распределителю жидкости 22. В данном варианте осуществления изобретения каждый центральный приемный поддон является опорой для двух туманоуловительных рядов 24, каждый из которых принадлежит одному из соседних модулей 20 контактной очистки, в то время как крайние приемные поддоны, расположенные рядом с оболочкой 11 сосуда, являются опорой для одного туманоуловителя крайних модулей ступени. Таким образом, отдельный приемный поддон может быть общим для двух модулей контактной очистки. Таким образом, в соответствии с описанием представленного варианта осуществления изобретения конструкция каждой ступени может быть одинаковой, по меньшей мере, в части колонны, что упрощает изготовление и установку аппарата.
Совокупность каналов 28 проходит через приемный поддон и идет во входное отверстие 32 распределителя жидкости. Каждый из каналов 28, который проходит через отдельный приемный поддон 26, направляет жидкость в другой расположенный ниже распределитель жидкости 22, что хорошо видно из фиг.5. В текущем варианте осуществления изобретения верхняя часть канала 28 выполнена заподлицо с горизонтальной поверхностью 50 приемного поддона 26 для того, чтобы жидкость могла свободно и беспрепятственно вытекать из приемного поддона 26 в канал 28. В других вариантах осуществления изобретения каналы могут выступать из приемного поддона за счет наличия кромки, опирающейся на плоское основание 50 приемного поддона после установки каналов через отверстия. Каналы также могут крепиться на нижней поверхности приемных поддонов. Для соединения каналов с приемными поддонами могут использоваться любые стандартные средства, включающие в себя подвешивание, использование болтовых, сварных соединений, а также соединений с натягом, но не ограничивающиеся перечисленными вариантами. Для предотвращения протечек в соединениях приемных поддонов и каналов могут применяться уплотнения и/или герметики. В других вариантах осуществления изобретения каналы могут быть, по меньшей мере, частично образованы участком плоского основания приемного поддона, который может прорезаться и загибаться или выдавливаться наружу при формировании отверстий. Кроме того, верхнее устье канала 28 может быть расширено и выполнено шире, чем входное отверстие 32 распределителя жидкости, как показано на фиг.2, для повышения производительности обработки жидкости и снижения опасности образования пробок у входного отверстия канала. Боковые стенки каналов 28 имеют уклон, выполненный таким образом, что каналы 28 заходят в распределители жидкости 22 с некоторым зазором для упрощения установки и отвода пара, что показано на фиг.2 и 7. Пар может попадать в распределитель жидкости 22 вместе с потоком жидкости с расположенной выше ступени или через выходные отверстия 34 распределителя жидкости при неполном уплотнении выходных отверстий жидкостью, находящейся в распределителе жидкости 22. Если в распределителе жидкости 22 пар не будет выводиться из верхней части 32 распределителя жидкости должным образом, то он будет вытесняться в каналы 28, что может привести к образованию пробки в потоке жидкости, идущем через каналы и вызвать серьезный унос жидкости и преждевременное переполнение аппарата. Поэтому то, что пар из распределителя жидкости 22 выводится через зазоры между каналами 28 и распределителем жидкости 22 или отверстиями в верхней части распределителя жидкости 22 между каналами 28, является преимуществом представленного варианта осуществления изобретения. Нижняя часть канала 28 оканчивается совокупностью наконечников или одним непрерывным желобом или единичным отверстием большего размера, через которые жидкость попадает в распределитель жидкости 22. В штатном режиме работы каналы 28 изолированы от потока пара либо динамическим уплотнением, создаваемым жидкостью, которая находится в каналах 28, либо статическим уплотнением, образуемым жидкостью в распределителе жидкости 22.
В альтернативном варианте осуществления изобретения, показанном на фиг.8, канал 28 лишь незначительно выступает вниз от входного отверстия 32 распределителя жидкости и в своей нижней части снабжен отверстием, имеющим такие же размеры, что и поперечное сечение основной части канала 28. Канал 28 не уплотнен ни жидкостью канала 28, ни жидкостью распределителя жидкости 22. Вместо этого над входным отверстием 32 распределителя жидкости может устанавливаться закрывающая его уплотнительная пластина 37. Каналы 28 плотно прилегают к краям отверстий уплотнительной пластины для предотвращения попадания пара в каналы 28 из верхней части распределителя жидкости 22. Первый вариант осуществления изобретения имеет преимущество над данным альтернативным вариантом осуществления изобретения, поскольку в альтернативном варианте при попадании пара в распределитель жидкости 22 через выходные отверстия 34 или вместе с потоком жидкости с расположенной выше ступени пар не отводится из верхней части 32 распределителя жидкости. Вместо этого пар вытесняется в каналы 28 расположенной выше ступени, что может привести к запиранию потока жидкости, идущего через каналы.
Объем между входной поверхностью туманоуловителя 24 и соседней стенкой 30 распределителя жидкости 22 образует контактный объем 56, показанный на фиг.2. Пока не произошло разделение пара и жидкости, контактная очистка жидкости продолжается в туманоуловительных модулях 40. Перфорированная пластина 42 или другое устройство управления потоком около входного отверстия туманоуловителя улучшает подачу потока жидкости в туманоуловитель и процесс парожидкостного сепарирования. Устройство управления потоком также может повышать качество контактной очистки жидкости и ее массообмен. Объем над приемным поддоном 26 ограниченный установленными на нем туманоуловительными рядами 24 определяет объем 58 транспортировки жидкости. Туманоуловительные ряды 24 могут быть установлены под некоторым углом по отношению к вертикали, как показано на фиг.2, для обеспечения оптимального сочетания контактного объема 56, который в настоящем варианте осуществления изобретения сужается к верху в соответствии с формой убывающего потока жидкости, и объема 58 транспортировки жидкости, который в настоящем варианте осуществления изобретения расширяется к верху в соответствии с формой увеличивающегося потока пара.
Распределители жидкости 22 и приемные поддоны 26 могут устанавливаться на не показанные на фигуре опорные кольца, которые скреплены с внутренней поверхностью стенки колонны при помощи сварки или другим стандартным способом. Распределители жидкости 22 и приемные поддоны 26 могут крепиться к опорному кольцу на болтах, хомутах или другим способом, обеспечивающем неподвижность распределителей жидкости 22 и приемных поддонов 26 в процессе работы. В специальном варианте осуществления изобретения концевой участок распределителя жидкости 22 включает в себя концевое уплотнение 59а и кронштейн 59b, как показано на фиг.7 В. Концевое уплотнение 59а приварено к концевому участку распределителя жидкости 22 для уплотнения концевого участка распределителя жидкости 22. Кронштейн 59b приварен герметичным швом к нижней части концевого уплотнения 59а и при помощи болтов, хомутов или другим способом закреплен на опорных кольцах. Концевые участки туманоуловительных рядов 24 и приемных поддонов 26 могут крепиться при помощи болтов к концевому уплотнению 59а и кронштейну 59b. В некоторых вариантах осуществления изобретения распределители жидкости 22 и приемные поддоны 26 являются основными опорными элементами для модуля 20 контактной очистки, однако для колонн значительных размеров может потребоваться включение дополнительных опорных балок. Кроме того, внутри распределителей жидкости 22 и приемных поддонов 26 могут применяться такие повышающие прочность элементы, как ребра жесткости, распорки, утолщения и дополнительные опоры. Края распределителей жидкости 22 могут иметь различную конфигурацию, повторяющую контуры оболочки сосуда. Например, на фиг.7А показано, что противоположные края распределителя жидкости 22 могут повторять контуры оболочки сосуда ступенчато или непрерывно.
В некоторых вариантах осуществления изобретения туманоуловитель является пластинчатым туманоуловителем, состоящим из гофрированных листов, плоских листов и выполненных с ними за одно целое жалюзи. Гофрированные листы и плоские листы чередуются таким образом, что листы и выполненных с ними за одно целое жалюзи образуют, по меньшей мере, один искривленный канал для потока жидкости, идущий от входного до выходного отверстия туманоуловителя. Для закрепления листов относительно друг друга достаточно применения внешнего корпуса или каркаса. Некоторые изменения могут затрагивать порядок чередования гофрированных и плоских листов, способ формирования жалюзи: в гофрированных листах, в плоских листах или и в тех и других. Дополнительно может изменяться форма и размер жалюзи, а также форма и размеры гофрированных листов и форма внешнего каркаса. Преимущество туманоуловителя данного типа заключается в том, что при использовании гофрированных листов с жалюзи они легко располагаются друг над другом, образуя несущее сепарационное устройство 41. То есть расположенные один над другим листы и образуемые ими каналы для потока жидкости могут сохранять требуемые зазоры без необходимости использования других элементов типа проставок, крепежных элементов и сварочных соединений. Чтобы обеспечить высокую степень парожидкостной сепарации без возникновения при этом нежелательных потерь давления, в конструкцию направляющих пластин и жалюзи могут быть внесены дополнительные изменения.
Хотя внешний каркас может включать в себя сплошные и перфорированные пластины, аналогичные описанным пластинам туманоуловителя, показанным на фиг.2, он также может представлять собой уголковую или плоскую опору, которая удерживает края расположенных друг над другом несущих листов. В других вариантах осуществления изобретения полосы или ленты образуют каркас, связывающий листы между собой. Каркас может включать в себя набор этих и/или других стандартных элементов для прижимания листов друг к другу. Каркас может крепиться любыми известными способами. Не ограничивающие примеры включают в себя сварные, болтовые, клеевые соединения, обвязку, обжатие, шарнирные соединения, соединения с натягом. Таким образом, применение каркаса является достаточным для обеспечения такого взаимного прижимания листов, при котором на поверхностях или в точках контакта, в которых листы соприкасаются, они плотно прилегают друг к другу, и не происходит существенных утечек жидкости через точки контакта листов.
Возможно множество вариантов применения чередующихся гофрированных и плоских листов, а также выполненных с ними за одно целое жалюзи, образующих устройство парожидкостной сепарации туманоуловителя, некоторые из не ограничивающих вариантов показаны на фиг.9A-9G. Сепарационное устройство 41, показанное на фиг.9А, включает в себя формованные (гофрированные) листы 60, расположенные между двумя плоскими листами 62. Совокупности выполненных за одно целое с ними жалюзи 64 образованы путем разрезания и сгибания формованных листов 60, как это показано пунктирными линиями на левой стороне фиг.9А. Пар с захваченной им жидкостью перемещается в основном в направлении стрелок через проходы в формованном листе 60, образованные при формировании жалюзи 64. Капли жидкости улавливаются карманами, образованными жалюзи 64, и таким образом отделяются от пара по мере прохождения парожидкостной смеси через каналы для текучей среды туманоуловителя, при котором она несколько раз меняет направление движения. Пар продолжает свое движение через проходы и дренажные отверстия вниз вдоль формованных листов 60 в нижнюю часть перфорированной выпускной пластины 44. Сепарационное устройство 41 на фиг.9В имеет аналогичную конструкцию, образованную формованными листами 60 и плоскими листами 62, однако его жалюзи 64 являются закругленными. Закругленная форма снижает потери давления при прохождении потока через пластины. В еще одном варианте конструкции, снижающем потери давления при прохождении потока через пластины, используются наклонные жалюзи 64, показанные на фиг.9С. На фиг.9С показаны интервалы или расстояния между гофрированными листами 60 и плоскими листами 62 для четкого различения чередования двух типов листов. Данный интервал выбирается при скреплении листов внешним каркасом между собой и с туманоуловителем.
Сепарационное устройство 41 на фиг.9D включает в себя формованный лист 60, имеющий жалюзи 64, а также два плоских листа 62а и 62b между гофрированными листами 60. Плоские листы 62а и 62b включают в себя жалюзи 66а и 66b. В результате такой конфигурации образуются карманы, направленные как по направлению движения потока, так и против этого направления, благодаря чему снижается повторное захватывание жидкости и повышается пропускная способность канала. Альтернативный вариант осуществления изобретения, схематически показанный на фиг.9Е, аналогичен сепарационному устройству 41, приведенному на фиг.9D, однако в нем для снижения потерь давления при прохождении потока чрез пластины используются наклонные жалюзи 64. На фиг.9F показана еще одна модификация сепарационного устройства 41, приведенного на фиг.9Е, включающая в себя наклонные жалюзи 64 и прямые жалюзи 66а и 66b. В другом альтернативном варианте осуществления сепарационного устройства 41, показанном на фиг.9G, формованный лист 60 не содержит жалюзи, а плоский лист 62 включает в себя жалюзи 66. В других вариантах осуществления изобретения, не показанных на фигурах, жалюзи могут иметь совокупность изгибов. Для упрощения производства и установки туманоуловители вместе с сепарационным устройством, использованном в изобретении, обычно имеют одинаковую конфигурацию. Аналогичным образом, отдельные каналы для потока жидкости в туманоуловителе также имеют одинаковую конфигурацию. Однако ни одно из этих условий не является обязательным. Например, крайние туманоуловители могут иметь форму, отличающуюся от формы центральных туманоуловителей, а каналы для потока жидкости в районе концевых пластин могут иметь конфигурацию, отличную от конфигурации других каналов того же туманоуловителя.
В альтернативных вариантах осуществления изобретения туманоуловительные модули 40 используют стандартные сепарационные устройства, конструкция которых может иметь множество вариантов. Важным фактором является ее эффективность при отделении захваченной жидкости от перемещающегося потока пара. В настоящее время считается, что она зависит от наличия множества препятствий на пути потока, которые вызывают столкновение капель жидкости с твердой поверхностью. Тупиковый тип препятствий, показанных на фигурах, может привести к возникновению относительно статических участков, наличие которых также способствует отделению жидкости.
В некоторых вариантах осуществления изобретения может применяться один или несколько коллекторов/распределителей. Подобные устройства не являются обязательными в данном изобретении, однако их использование дает преимущество, заключающееся в том что за счет точного направления потока пара и/или жидкости удается довести до максимума взаимодействие пара и жидкости, а также их сепарацию на каждой ступени аппарата. Например, верхний коллектор/распределитель 14, показанный на фиг.1, включает в себя трубчатый распределитель 70 и лотковый распределитель 72. Трубчатый распределитель 70 и лотковый распределитель 72 направляют жидкость в распределители жидкости 22 верхней ступени 12 контактной очистки. Восстановленный пар может подаваться для осуществления последующего процесса или к конденсатору, чтобы затем вновь направиться в колонну частично в виде идущей в противоположном направлении жидкости. При отсутствии верхнего коллектора/распределителя или других эквивалентных приспособлений стекающая жидкость попадала бы в объемы 58 транспортировки жидкости, таким образом, минуя объемы парожидкостной контактной очистки верхней ступени. Подобное течение жидкости может также нарушить поднимающийся вверх поток пара и снизить эффективность работы одной или нескольких расположенных ниже ступеней.
Нижний коллектор/распределитель 16 направляет пар под днище ступени контактной очистки и собирает жидкость из каналов 74 нижней ступени. Пар может подаваться между каналами 74, а не под ними. Восстановленная жидкость может передаваться для осуществления следующего процесса или направляться в ребойлер для повторной подачи в колонну частично в виде пара. Каналы 74 на нижней ступени могут иметь конструкцию, отличную от каналов остальных ступеней. Например, на нижней ступени под приемным поддоном 26 вместо множества каналов 74 может использоваться один непрерывный канал 74. В конструкцию отверстий на приемном поддоне 26 также вносятся соответствующие изменения. При отсутствии верхнего коллектора/распределителя или других эквивалентных приспособлений часть поднимающегося потока пара проходила бы мимо объемов парожидкостной контактной очистки нижней ступени и сразу бы шла через объемы транспортировки потока. Установка дополнительных коллекторов/распределителей в дополнение к рассмотренным выше верхним и нижним коллекторам/распределителям может оказаться полезной при их размещении в любой точке колонны, в которой в нее входит или выходит поток жидкости, таких как одна или несколько точек подачи потока и/или другие точки, через которые идет поток продукта, такие как боковые прорези.
Протекание потока через модуль 20 контактной очистки средней ступени 12 описывается ниже. Жидкость из расположенной выше ступени направляется в распределитель жидкости 22 из нескольких расположенными выше приемных поддонов 26 через каналы 28. Жидкость выходит из распределителя жидкости 22 через выходные отверстия 28 распределителя жидкости и попадает в контактный объем 56. В контактном объеме 56 пар имеет высокую скорость, направленную вверх, и жидкость, попадающая в контактный объем 56, захватывается паром. Часть жидкости, попадающая в контактный объем, может попасть на впускную пластину 36 в верхней части расположенного ниже распределителя жидкости 22. Впускные пластины 36 с кромками 38 направляют жидкость в область, в которой пар имеет высокую скорость, где жидкость захватывается паром и перемещается обратно в контактный объем 56. Впускная пластина 36 на расположенном ниже распределителе жидкости не допускает перемещения потока жидкости с расположенного выше распределителя жидкости по кратчайшему расстоянию к расположенному ниже распределителю жидкости, минуя контакт с паром.
Захваченная жидкость переносится паром вверх, к впускным поверхностям 42 туманоуловительных модулей 40. Пар и жидкость разделяются при помощи сепарационного устройства 41 внутри туманоуловительных модулей 40, и пар выходит из туманоуловительных модулей 40 через выпускную поверхность 44 в объем 58 транспортировки потока. После этого пар продолжает движение вверх к контактному объему 56 расположенной выше ступени 12. Жидкость выходит из туманоуловительных модулей 40 через нижний участок выпускной поверхности 44 и попадает в приемный поддон 26. Приемный поддон 26 направляет жидкость в совокупность каналов 28, каждый из которых направляет жидкость в свой, расположенный ниже распределитель 22.
В альтернативном варианте осуществления изобретения ступени 12 контактной очистки установлены в виде множества секций с параллельными ступенями аналогично описанным в патенте US 6682633. Однако каждая из секций параллельных ступеней повернута по отношению к ступеням, расположенным ниже и выше. Ступень на участке перехода от одной секции к другой включает в себя характерные особенности, соответствующие рассматриваемому изобретению, обеспечивающие необходимое перемещение потока между не параллельными секциями.
Края модуля 20 контактной очистки, т.е. конечные участки модуля 20, которые находятся напротив внутренней поверхности стенки 11 окружающего его сосуда, могут уплотняться для предотвращения непреднамеренного перемещения пара или жидкости в обход аппарата контактной очистки. В данном варианте осуществления изобретения края модуля 20 являются скошенными или имеют криволинейную форму для того, чтобы соответствовать кривизне окружающей его конструкции. В альтернативном варианте края модулей 20 являются плоскими, зазор между модулем 20 и стенкой окружающего его сосуда перекрывается неперфорированной выступающей пластиной.
Для специалистов в данной области техники понятно, что на основе компоновки рассматриваемого изобретения может быть разработано гораздо большее число модификаций. Например, угол наклона стенок 30 распределителя жидкости может существенно изменяться в диапазоне от 0 до 30 и более градусов. В одном из вариантов осуществления изобретения боковая стенка 30 распределителя жидкости может располагаться как в основном вертикально, так и наклонно под углом 8 градусов от вертикали. Другой наклонной поверхностью является поверхность вертикальных стенок туманоуловительных рядов 24. В одном варианте осуществления изобретения угол ее наклона от вертикали составляет 8 градусов и может меняться в диапазоне от 0 до 30 градусов. В некоторых вариантах осуществления изобретения верхняя часть туманоуловителя расположена ближе в воображаемой вертикальной центральной плоскости модулю, чем нижняя часть туманоуловителя.
Другое изменение может состоять в том, что рассматриваемые модули 20 могут использоваться совместно с тарелками ректификационной колонны и фильтрующими подушками либо выше, ниже или между секциями колонны, в которой используется рассматриваемый аппарат. Модули рассматриваемого изобретения также могут использоваться в ректификационных колоннах с разделенными стенками. Хотя большинство ректификационных колонн имеет цилиндрическую форму, это не является необходимым условием для использования данного аппарата и он с одинаковым успехом может работать в колоннах с различной геометрией поперечного сечения, например прямоугольного или квадратного. Предполагается что ректификационная колонна может содержать от 10 до 250 или большее число ступеней 12 контактной очистки. Конструкция модулей 20 может быть в основном одинаковой в пределах колонны на многих установочных местах; однако она может выполняться разной в пределах одной колонны для того, чтобы, например, соответствовать разным расходам потока в различных частях колонны.
На фигурах показаны не все варианты и/или дополнения к базовому аппарату. Перечисление подобных дополнений заняло бы много места, поскольку в их число входят дополнительные опоры, крепежные элементы, ленты и т.д., которые относятся к области общего машиностроения и могут иметь практически бесконечное количество вариантов конструкций.
Модули 20 контактной очистки могут быть симметричными относительно воображаемой центральной вертикальной плоскости, которая рассекает модуль вдоль его длины, как показано на поперечном сечении модуля на фиг.2, который включает в себя распределитель жидкости 22, расположенный между двумя туманоуловителями. Другой вариант осуществления изобретения, в котором модуль контактной очистки дополнительно включает в себя приемные поддоны и связанные с ними каналы на каждой стороне туманоуловителей, также может быть симметричным.
Фиг. 10А и 10В приведены для того, чтобы подчеркнуть необязательность симметричности модулей, и для того, чтобы проиллюстрировать некоторые дополнительные не ограничительные варианты осуществления изобретения. Например, на фиг.10А показано, что распределитель жидкости 22' не обязательно должен идти по всей своей длине на уровне приемного поддона 26 ступени. Крайние участки распределителя жидкости могут иметь форму, обеспечивающую установку выступающей части на опорное кольцо, прикрепленное к стенке сосуда, или на другой опорный механизм, упомянутый здесь, или на иные известные в данной области техники конструкции. Распределитель жидкости 22' также демонстрирует, что стенки 30' и нижняя или донная часть распределителя жидкости могут иметь различную конфигурацию, при которой выходные отверстия 34' направляют жидкость в большей степени вниз, чем в бок. Различные варианты туманоуловителей также показаны на примере расположенного слева туманоуловителя 24', который расположен вертикально и находится на некотором расстоянии от верхней части распределителя жидкости. Верхняя неперфорированная пластина 45' имеет такую форму, что она перекрывает зазор между распределителем жидкости 22' и туманоуловителем 24' и в основном уплотняет верхнюю часть контактного объема 56', обеспечивая прямоточное взаимодействие пара и жидкости и их последующее разделение при прохождении через ступени туманоуловителей. В другом варианте осуществления изобретения, не показанном на фигурах, вертикальный туманоуловитель 24' соединяется с распределителем жидкости у верхнего участка стенки 30'. Стенка 30' имеет такую форму, что в сочетании с вертикальным туманоуловителем 24' она определяет контактный объем 56'. На фиг.10 В показано, что верхняя часть распределителя жидкости 22'' может находиться ниже верхней части туманоуловителей 24'' и что канал 28'' и/или стенки 30'' распределителя жидкости или их участки могут быть выполнены в основном вертикальными. Как показано на фигуре, выпускные отверстия 34'' не обязательно должны быть симметричными. Туманоуловители 24'' могут располагаться на плоском основании приемных поддонов как в вертикальном, так и в наклонном положении. Нижняя внутренняя поверхность туманоуловителя может уплотняться, например, сплошной пластиной или выступающим участком приемного поддона для предотвращения возвращения в контактный объем 56'' жидкости, отделенной в туманоуловителе. Сплошная верхняя пластина 45'' может иметь такую форму, при которой она достигает до распределителя жидкости и при необходимости в основном уплотняет верхнюю часть контактного объема 56''. Даже если не используется сплошная пластина, как в туманоуловителе с правой стороны модуля, изображенного на фиг.10В, применяется какое-либо средство для уплотнения верхней части контактного объема для предотвращения обхода туманоуловителей. Таким образом, видно, что туманоуловители могут располагаться в основном параллельно друг другу, даже если они имеют различную конфигурацию.
Хотя модули 20 контактной очистки могут быть весьма короткими, предусматривается вариант, при котором их длина будет больше ширины, при этом ширина измеряется как максимальное расстояние между перфорированными выпускными пластинами 44 противоположных туманоуловительных рядов 24. Длина модулей 20 определяется внутренним размером колонны или окружающего сосуда. Модули 20 могут изготавливаться несущими, либо они могут опираться через конструкционные элементы, проходящие во внутреннем объеме колонны. Как и туманоуловительные модули 40, распределитель жидкости отдельного модуля 20 может простираться на всю ширину колонны, либо распределитель жидкости может изготавливаться в виде двух или большего числа отдельных секций, которые соединяются друг с другом, край к краю или в виде перекрывающихся секций, идущих через колонну. Аналогичным образом модули 20 контактной очистки могут изготавливаться в виде секционных модулей, которые включают в себя каждый элемент модуля и соединяются край в край при установке и образовании рядов модулей контактной очистки. В другом варианте осуществления изобретения модули 20 могут изготавливаться в виде модулей, являющихся половинами модулей, соединяемых по длине, например, при установке. Такой вариант легко представить, если рассечь модуль, показанный на фиг.2, вдоль воображаемой центральной вертикальной плоскости, которая пересекает модуль вдоль его длины. Подобная половина модуля могла бы выполнять функцию целого модуля при наличии в ней распределителя жидкости и приемного поддона, соответствующих приведенным здесь описаниям. Таким образом, в одном из вариантов осуществления изобретения модуль может включать в себя распределитель жидкости, туманоуловитель и приемный поддон, имеющий, по меньшей мере, один канал. Во многих приложениях каждая ступень включает совокупность модулей контактной очистки; однако в некоторых вариантах осуществления изобретения для осуществления требуемой парожидкостной контактной очистки может оказаться достаточным использовать один модуль на ступень.
Фигуры дают лишь представление о конструкции реального аппарата и выполнены не в масштабе. Размеры различных элементов аппарата устанавливаются на основе ожидаемых максимальных расходов, которые должен обеспечить аппарат. В качестве ориентировочных рекомендаций для конструкции аппарата можно указать, что входное отверстие 32 распределителя жидкости 22 обычно имеет ширину в пределах от 8 до 25 см. В других вариантах осуществления изобретения эта ширина находится в диапазоне 10-15 см. Вертикальное расстояние меду одинаковыми точками двух уровней аппарата находится в диапазоне 25-75 см. В других вариантах осуществления изобретения вертикальное расстояние колеблется в пределах 30-45 см. Туманоуловительные модули 40 имеют ширину от 7 до 20 см, замеренную между вертикальными входной и выходной поверхностями 42 и 44. Нижняя часть туманоуловительного модуля 40 расположена на высоте 2,5-7,5 см над приемным поддоном 26, таким образом, что между дном туманоуловительного модуля 40 и приемным поддоном 26 образуется зазор для облегчения дренажа жидкости из туманоуловительного модуля 40 в приемный поддон 26 и для обеспечения перетекания жидкости из приемного поддона 26 в каналы 28. В других вариантах осуществления изобретения туманоуловительный модуль 40 опирается на плоское основание 50 приемного поддона. В других вариантах осуществления изобретения днище туманоуловителя располагается на 15 см выше приемного поддона 26.
В соответствии со специальным вариантом осуществления изобретения вместо перфорированных впускных пластин 42 впускное отверстие туманоуловительных модулей 40 закрывается пористым плоским фильтром типа сетчатой подушки. Было обнаружено, что использование данного пористого плоского фильтра повышает парожидкостную сепарацию, особенно при работе с высоким расходом пара. Пористый плоский фильтр может быть выполнен из стандартного сетчатого материала, используемого для отделения капель жидкости или в так называемых "туманоуловителях". Обычно он состоит из очень редко переплетенных нитей, образующих плоский фильтр с большой площадью поверхности, мало снижающий давление проходящего через него потока. Сетчатый плоский фильтр предназначен для соединения мелких капель подачи жидкости к сепаратору. Альтернативным вариантом конструкции является установка сетки в углублении внутри сепарационного устройства 41 или полностью внутри туманоуловительного модуля 40. Другие элементы типа перфорированных пластин могут устанавливаться внутри контактного объема 56 для повышения качества парожидкостной контактной очистки и улучшения массообмена.
В качестве материалов для изготовления рассматриваемого аппарата могут использоваться материалы, обычно применяемые для аппаратов парожидкостной контактной очистки. Для настоящего изобретения могут рассматриваться конструкционные материалы, которые могут выдерживать воздействие парообразных и жидких соединений, работать в условиях, характерных для парожидкостной контактной очистки, и другие конструкционные материалы, используемые для данных процессов. Обычные материалы включают в себя металл стандартной толщины, лежащей в диапазоне толщин 7-30. Требуемая толщина металла может меняться от части в зависимости от прочности металла и состава сплава. В качестве материала можно выбираться металл из диапазона от углеродистой до нержавеющей стали, применяемой в ситуациях, когда необходимо обеспечить большую коррозионную стойкость, или другие металлы, включающие титан. Аппарат также может изготавливаться из композиционных и полимерных материалов, включающих армированный пластик. Аппарат может изготавливаться из одного материала типа металла стандартной толщины или, в качестве альтернативного варианта, аппарат изготавливается из нескольких разных материалов.
Еще одно изменение, которое может быть внесено в конструкцию рассматриваемого аппарата, заключается в размещении катализатора в различных точках внутри аппарата, например, находящихся внутри распределителя жидкости 22 или в других местах в свободных объемах, используемых для транспортировки пара или жидкости, для проведения каталитической фракционной перегонки. Наилучшее место расположения катализатора отчасти определяется тем, в какой фазе проходит требуемая реакция: в жидкой или в газообразной.
Условия работы ректификационной колонны определяются физическими свойствами соединений, разделяемых в колонне. Рабочая температура и давление в колонне могут меняться в пределах этих ограничений для минимизации эксплуатационных затрат при работе колонны и для достижения других экономических целей. Рабочая температура может варьироваться от очень низких температур, используемых при криогенной сепарации, до температур на пределе тепловой стабильности соединений. Таким образом, подходящие для рассматриваемого процесса условия включают в себя температуры в широком диапазоне от -50 до 400°С. Колонна работает при давлении, достаточном для поддержания, по меньшей мере, части подаваемых в нее соединений в жидком состоянии.
1. Аппарат для осуществления прямоточной парожидкостной контактной очистки, включающий совокупность ступеней (12), имеющих, по меньшей мере, один модуль (20) контактной очистки и совокупность приемных поддонов (26), при этом модуль включает
a) два в основном параллельных туманоуловителя (24), разнесенных в стороны
b) распределитель жидкости (22), расположенный между двумя туманоуловителями (24) и совместно с туманоуловителями (24) образующий контактный объем (56), рапределитель жидкости (22) имеет выходное отверстие (34), гидравлически связанное с контактным объемом (56), а также
c) каждый туманоуловитель (24) имеет входную поверхность (42), гидравлически связанную с указанным контактным объемом, и выходную поверхность (44), расположенную выше и разделяющую приемные поддоны (26) указанной ступени;
в котором, по меньшей мере, часть модуля контактной очистки расположена между двумя приемными поддонами (26), каждый приемный поддон имеет, по меньшей мере, один канал (28), каждый канал одного приемного поддона обеспечивает гидравлическую связь с отдельным, расположенным ниже распределителем жидкости (22); а модуль контактной очистки, по меньшей мере, одной из ступеней установлен не параллельно относительно модуля контактной очистки другой из указанных ступеней.
2. Аппарат по п.1, в котором каждый из каналов (28) связан с соответствующим расположенным ниже распределителем жидкости (22).
3. Аппарат по п.1, в котором каждый канал имеет увеличенное устье, а проход для пара образован между каждым каналом (28) и соответствующим распределителем жидкости (22).
4. Аппарат по п.1, в котором, по меньшей мере, один из приемных поддонов (26) является общим для двух модулей.
5. Аппарат по п.1, в котором туманоуловители (24) установлены на приемные поддоны (26).
6. Аппарат по п.1, который дополнительно включает впускную пластину (36), закрывающую часть распределителя жидкости рядом с днищем расположенного выше распределителя жидкости, причем пластина (36) включает совокупность боковых стенок (38), форма которых подобрана таким образом, чтобы жидкость направлялась в объем, в котором имеется поднимающийся поток пара.
7. Аппарат по п.1, в котором, по меньшей мере, одни из приемных поддонов (26) дополнительно включает разделительный экран (54), по меньшей мере, между двумя каналами (28).
8. Аппарат по п.1, в котором контактный объем (56) расширяется к низу модуля (20).
9. Аппарат по п.1, который дополнительно включает в основном замкнутый вертикальный внешний сосуд (10), содержащий ступени, причем сосуд включает в себя, по меньшей мере, одно входное отверстие подачи и два отверстия для выхода жидкости.
10. Способ парожидкостной контактной очистки, осуществляемый в аппарате по пп.1-8, включающий следующие этапы:
a) пропускание потока пара вверх в контактный объем (56);
b) подача жидкости через выходное отверстие (34) первого распределителя жидкости (22) в контактный объем (56);
c) захват жидкости паром и перемещение ее в направлении потока пара в туманоуловитель (24);
d) отделение жидкости от пара в туманоуловителе (24);
e) пропускание потока пара, выходящего из туманоуловителя (24) в расположенный выше контактный объем (56);
f) подача жидкости, выходящей из туманоуловителя (24) в приемный поддон (26); и
g) пропускание жидкости из приемного поддона (26), по меньшей мере, через один канал (28), который направляет жидкость в расположенный ниже распределитель жидкости (22);
в котором каждый канал (28), связанный с приемными поддонами (26), подает жидкость в отдельные, расположенные ниже распределители жидкости (22), при этом расположенные ниже распределители жидкости расположены непараллельно первому распределителю жидкости.
