Ректификационная колонна

Изобретение относится к массообменным аппаратам для проведения процесса ректификации смеси жидкостей. Ректификационная колонна включает куб, дефлегматор, конденсатор, корпус с технологическими патрубками, состоящий из царг, между которыми размещены горизонтальные перегородки с отверстиями, снабженные теплообменными устройствами, выполненными в виде змеевиков. В нижней части колонны горизонтальные перегородки снабжены контактными патрубками, включающими тангенциальный завихритель, отбойное устройство, патрубок для отвода жидкости, внешний цилиндр и гидрозатворный стакан. Теплообменные устройства размещены в паровом пространстве царг под горизонтальными перегородками и снабжены хотя бы одной пластиной, отбортованной с торцов, горизонтально установленной с зазором под витками змеевика. В змеевиках размещены дросселирующие устройства для поддержания заданного расхода хладагента. На верхнем конце цилиндрических гидрозатворных стаканов установлены дополнительные завихрители с тангенциальными каналами. Нижние торцы внешнего цилиндра и патрубка для отвода жидкости расположены ниже каналов для прохода пара тангенциальных завихрителей. Отношение диаметра завихрителя, на котором размещены тангенциальные каналы, к диаметру патрубка для отвода жидкости выполняется равным Д_з/Д_п=1,5-3,0. Технический результат: увеличение эффективности процесса, уменьшение габаритов и металлоемкости колонны. 6 з.п. ф-лы, 7 ил.

 

Изобретение относится к тепломассообменным аппаратам для проведения процесса ректификации смеси жидкостей методами перегонки, используемых в спиртовой, нефтехимической, химической, микробиологической, лесохимической и пищевой промышленности.

Известна тарелка для контактирования газа (пара) с жидкостью [1], включающая горизонтальную перегородку, контактные устройства, выполненные в виде полых вертикальных цилиндров, коаксиально которым установлены гидрозатворные устройства, а в корпусе контактных устройств в верхней части выполнены тангенциально направленные отверстия для прохода пара газа, закрытые крышкой с пропущенной через нее паровой трубой.

Однако колонна, состоящая из таких тарелок, имеет низкую эффективность и металлоемка. По известным в литературе данным эффективность такой ступени составляет 0,3-0,8, что явно не достаточно. Металлоемкость вызвана большим количеством тарелок и некомпактным конструктивным размещением контактных устройств на горизонтальных перегородках.

Известна пленочная тарелка Лева [2], состоящая из царг, в которых размещены горизонтальные перегородки (листы) с отверстиями и патрубки для прохода пара и стекающей жидкости.

Данное устройство имеет низкое гидравлическое сопротивление и несложное конструктивное оформление, однако эффективность таких тарелок по Мерфри не превышает 0,1.

Наиболее близкой то технической сущности является контактная тарелка для вихревых тепломассообменных аппаратов [3], состоящая из полотна (горизонтальной перегородки), на котором установлен контактный патрубок, снабженный завихрителем, и коаксиально размещены отбойное устройство с внутренним и внешним цилиндрами. Полотно снабжено узлами подачи и отвода жидкости с тарелки и подвода жидкости в завихритель. Внутренний цилиндр выполнен с глухим основанием с образованием полости, в которую помещен патрубок подачи жидкой фазы, нижний срез наружного цилиндра выполнен с отбортовкой, расположенной с зазором к стенке аппарата и полотну тарелки с образованием кармана, причем полость этого кармана сообщена с узлом подвода жидкости в завихритель, а в кольцевом пространстве между контактным патрубком и внешним цилиндром отбойника установлено теплообменное устройство, соединенное с трубопроводами системы теплоносителя.

Однако и это устройство имеет низкую эффективность и высокую металлоемкость. Низкая эффективность обусловлена слабым укреплением паров на контактной тарелке, так как контакт поднимающегося пара происходит только со стекающей жидкостью на ступени, а это не достаточно эффективно, что обуславливает большое количество тарелок и повышает металлоемкость колонны.

Изобретение решает задачу повышения эффективности колонны, уменьшения ее габаритов и металлоемкости за счет:

получения пара из дополнительной флегмы с высокой концентрацией легколетучих компонентов, что позволяет укрепить поднимающийся пар и тем самым увеличить эффективность процесса ректификации;

интенсивного перемешивания пара на ступенях вызванного поперечным движением части поднимающегося пара к охлаждаемой поверхности относительно движения основного потока поднимающегося пара;

увеличения разделяющей способности паров на ступени путем обеспечения фракционной конденсации непосредственно на ступенях (заключающейся в получении конденсата из поднимающего пара с более высокой концентрацией высококипящих компонентов (труднолетучих), чем в самом паре, что обеспечивает повышение концентрации легколетучих (низкокипящих) компонентов в поднимающемся паре и увеличивает эффективность разделения).

Технический результат заключается:

в получении дополнительной флегмы на поверхности змеевиков, размещенных в паровом пространстве царг под горизонтальными перегородками;

в получении дополнительного пара с высокой концентрацией легколетучих компонентов путем нагревания и испарения дополнительной флегмы, размещенной на поверхности пластин, отбортованных с торцов, и горизонтально установленной с зазором под витками змеевиков;

в образовании на поверхности пластин, отбортованных с торцов конденсата, с повышенной концентрацией труднолетучего компонента (ТЛК) разделяемой смеси, вызванной эффектом фракционной ректификации;

интенсивного перемешивания пара вызванного поперечным движением части поднимающегося пара к охлаждаемой поверхности относительно движения основного потока поднимающегося пара.

Все это позволяет повысить концентрацию легколетучего компонента в паре и тем самым увеличить эффективность процесса ректификации, снизить высоту колонны, а следовательно, уменьшить ее габариты и металлоемкость, чему также способствует установка на верхнем конце цилиндрического гидрозатворного стакана дополнительного завихрителя с тангенциальными каналами.

Указанный технический результат достигается тем, что ректификационная колонна, включающая куб, дефлегматор, конденсатор, корпус с технологическими патрубками, состоящий из царг, между которыми размещены горизонтальные перегородки с отверстиями, снабженные теплообменными устройствами, выполненными в виде змеевиков из витков труб, соединенными с трубопроводами системы теплоносителя, в нижней части колонны горизонтальные перегородки снабжены контактными патрубками, включающими тангенциальный завихритель, отбойное устройство, патрубок для отвода жидкости, внешний цилиндр и гидрозатворную полость, выполненную из цилиндрического гидрозатворного стакана; теплообменные устройства размещены в паровом пространстве царг под горизонтальными перегородками и снабжены хотя бы одной пластиной, отбортованной с торцов, горизонтально установленной с зазором под витками змеевика, а в змеевиках размещены дросселирующие устройства для поддержания заданного расхода хладагента, причем на верхнем конце цилиндрических гидрозатворных стаканов установлен дополнительный тангенциальный завихритель, а нижние торцы внешнего цилиндра и патрубка для отвода жидкости расположены ниже каналов для прохода газа в завихрителе, при этом отношение диаметра завихрителя Д_з к диаметру патрубка для отвода жидкости Д_п, проходящего через него, поддерживается равным Д_з/Д_п=1,5-3; в верхней части колонны между змеевиком и горизонтальной перегородкой установлена распределительная отбортованная шайба; верхний конец трубопровода для вывода теплоносителя соединен патрубком со штуцером для подачи хладагента в дефлегматор; отношение площади сечения каналов f для прохода пара в тангенциальном завихрителе к площади сечения каналов f₁ для прохода пара последующего вышерасположенного завихрителя поддерживается равным f/f₁=1,05-1,25; пластина, отбортованная с торцов, выполнена хотя бы с одним отбортованным отверстием, причем отношение высоты отбортовки торцов пластины h₁ к высоте отбортовки отверстий h равно 0,8-0,99; в паровом пространстве царг размещено хотя бы одно дополнительное теплообменное устройство, например в виде змеевика, снабженного дополнительной пластиной, отбортованной с торцов; поверхность теплообменного устройства выполнена по величине равной в соответствии с зависимостью F=Q/q=Q/(10²-10⁵) м².

Размещение теплообменных устройств в паровом пространстве царг, под горизонтальными перегородками, наличие у них хотя бы одной пластины, отбортованной с торцов, горизонтально установленной с зазором под витками змеевика, а также размещение в змеевиках дросселирующих устройств для поддержания заданного расхода хладагента, установка на верхнем конце цилиндрических гидрозатворных стаканов дополнительного тангенциального завихрителя, размещение торцов внешнего цилиндра и патрубка для отвода жидкости ниже каналов для прохода пара в тангенциальном завихрителе, а также поддержание отношения диаметра завихрителя Д_з к диаметру патрубка для отвода жидкости Д_п равным 1,5-3 позволяет повысить эффективность разделения колонны, уменьшить ее габариты и металлоемкость.

Размещение теплообменных устройств (змеевиков) в паровом пространстве царг под горизонтальными перегородками устраняет их контакт со стекающей жидкостью, предотвращает тем самым переохлаждение стекающей жидкости. А главное позволяет получать дополнительную флегму из поднимающегося пара, не смешанную со стекающей жидкостью, что обеспечивает повышение эффективности.

Установка под витками змеевиков пластин, отбортованных с торцов и размещенных с зазором к их поверхности, предотвращает преждевременное попадание дополнительной флегмы в стекающую жидкость, обеспечивает ее нагревание поднимающимся паром, а затем ее испарение с получением дополнительного пара, который содержит более высокую концентрацию легколетучих компонентов, чем в поднимающемся паре, что приводит к увеличению эффективности колонны. А наличие зазора предотвращает контакт дополнительной флегмы с поверхностью змеевика и тем самым не допускает переохлаждение флегмы. Наличие отбортовки позволяет удерживать дополнительную флегму в необходимом объеме на поверхности пластин, что обеспечивает требуемую поверхность контакта.

Наличие дросселирующих устройств позволяет поддерживать в полости змеевиков заданную температуру жидкости (температуру стенки) за счет подачи определенного расхода хладагента. При отсутствии дросселирующих устройств поддержание температуры стенки не обеспечивается в требуемом диапазоне, что приводит к потере эффективной работы колонны в целом.

Установка на верхнем конце цилиндрических гидрозатворных стаканов дополнительного тангенциального завихрителя позволяет создавать две зоны контакта пара с жидкостью в царге (две тарелки в одной царге), что естественно снижает металлоемкость ступени и увеличивает ее эффективность за счет более интенсивной крутки парового потока в царге.

Установка торцов внешнего цилиндра и патрубка для отвода жидкости ниже уровня размещения каналов для прохода газа в завихрителе обеспечивает стабильную и эффективную работу колонны за счет создания гидрозатвора (который препятствует проходу пара через канал для прохода жидкости, образованный внешним цилиндрам и патрубком).

Поддержание отношения диаметра завихрителя Д_з к диаметру патрубка для отвода жидкости Д_п, проходящего через него, равным 1,5-3 позволяет обеспечить интенсивную аэрацию жидкости в зазоре, образованном патрубком и завихрителем. При выполнении отношения Д_з/Д_п<1,5 снижается объем аэрируемый жидкости на ступени, что не эффективно. При выполнении отношения Д_з/Д_п>3 снижается эффективность разделения из-за неполного контакта жидкости со струями пара, выходящих из каналов завихрителя (то есть не обеспечивается интенсивная аэрация жидкости в центральной части ступени).

Установка в верхней части колонны между змеевиком и горизонтальной перегородкой распределительной отбортованной шайбы позволяет устранить попадание стекающей жидкости с горизонтальной перегородки на поверхность змеевика, размещенного под ней, и таким образом предотвращается смешение дополнительной флегмы, образованной на змеевике со стекающей жидкостью, что позволяет повысить эффективность ступени.

Соединение патрубком верхней части трубопровода для вывода теплоносителя со штуцером для подачи хладагента в дефлегматор обеспечивает подвод в полость дефлегматора воду (хладоагент), близкую к температуре пара в дефлегматоре, что позволяет получить флегму в дефлегматоре с температурой, близкой к температуре пара, контактирующей с ней, а это увеличивает эффективность.

Выполнение отношения площади сечения каналов для прохода пара в тангенциальном завихрителе f к площади сечения каналов последующего вышерасположенного тангенциального завихрителя f₁ равным f/f₁=1,05-1,25 позволяет поддерживать одинаковую скорость выхода пара из каналов по высоте колонны, что обеспечивает требуемую крутку газожидкостной смеси по высоте колонны. Снижение скорости пара по высоте колонны происходит из-за конденсации части поднимающегося пара на каждой царге (вследствие изменения расхода пара по высоте колонны).

Выполнение отношения f/f₁<1,05 является нетехнологичным при изготовлении. При отношении f/f₁>1,2 не достигается одинаковой крутки потока по высоте колонны, а снижение крутки ведет к понижению эффективности разделения.

Выполнение у пластин отбортованных с торцов отверстий при соблюдении отношения высоты отбортовки пластины h₁ к высоте отбортовки отверстий на ней h равной h₁/h=0,8-0,99 позволяет жидкости стекать через отбортовку пластин и препятствует тем самым попаданию флегмы на поверхность змеевика, а также позволяет увеличить скорость движения пара по сечению царги, что повышает эффективность. При выполнении отношения h₁/h<0,8 обеспечивается незначительный объем флегмы на пластине, что снижает эффективность. При выполнении отношения h₁/h>0,99 флегма из-за перекосов при установке начинает стекать через отверстия, попадая на теплопередающую поверхность, что не эффективно.

Размещение в паровом пространстве царги хотя бы одного дополнительного теплообменного устройства (змеевика) и наличие под ним пластины, отбортованной с торцов, позволяет неоднократно получать дополнительную флегму на ступени и проводить ее испарение с получением вторичного пара с более высокой концентрацией ЛЛК, чем в основном паре, что приводит к увеличению эффективности.

Выполнение величины поверхности теплообменного устройства (змеевика) в соответствии с зависимостью F=Q/q=Q/(10²-10⁵) м² позволяет проводить процесс ректификации при заданной тепловой нагрузке и тем самым обеспечить каждую ступень дополнительной флегмой исходя из требуемого числа теоретических ступеней разделения (количество которых изменяются в широком диапазоне) и позволяет проводить процесс ректификации с высокой эффективностью. Где q - удельной тепловая нагрузка по конденсирующему пару на охлаждаемой поверхности, равная q=(10²-10⁵) Вт/м²; Q - тепло, затраченное на конденсацию поднимающегося пара на ступени, Вт.

При выполнении F<Q/10⁵ (м²) не обеспечивается достаточного количества флегмы на ступенях, что снижает эффективность разделения.

При выполнении F>Q/10² (м²) снижается расход поднимающего пара, которого становится уже не достаточно для эффективного ведения процесса ректификации, в этой связи снижается эффективность верхних ступеней и колонны в целом.

На фиг.1 изображен общий вид одноэлементной ректификационной колонны.

На фиг.2 представлен корпус многоэлементной ректификационной колонны.

На фиг.3 показана верхняя часть корпуса одноэлементной ректификационной колонны.

На фиг.4 представлена нижняя часть корпуса одноэлементной контактной колонны.

На фиг.5 показана верхняя часть одноэлементной колонны с размещением пластин, отбортованных с торцов между витками змеевика.

На фиг.6 показана верхняя часть корпуса одноэлементной ректификационной колонны с размещением дополнительных теплообменных устройств.

На фиг.7 показано дросселирующее устройство, размещенное в корпусе трубки змеевика.

Ректификационная колонна состоит из куба 1, снабженного теплообменной рубашкой 2, нагревателями 3, системой технологических патрубков 4, и бобышек под приборы автоматизации 5. А также включает дефлегматор 6, конденсатор 7, корпус с технологическими патрубками 8, состоящий из царг 9, в которых размещена горизонтальная перегородка 10 с отверстиями. В нижней части колонны горизонтальные перегородки 10 снабжены контактными патрубками 11, включающие завихритель с тангенциальными каналами 12, отбойное устройство 13, патрубок для отвода жидкости 14, внешний цилиндр 15 и гидрозатворную полость 16, выполненную из цилиндрического гидрозатворного стакана 17. В паровом пространстве царг 9 под горизонтальными перегородками 10 установлены змеевики 18, снабженные хотя бы одной пластиной 19, отбортованной с торцов вверх и горизонтально установленной с зазором под витком змеевика 18, выполненные из трубок 20, в которых размещены дросселирующие устройства 21, например изготовленные из цилиндрической втулки с калибровочным отверстием 22 для создания заданного расхода хладагента. Концы трубок 20 соединены при помощи муфт 23 с системой теплоносителя, состоящей из трубопроводов подвода холодной воды 24 и отвода нагретой воды 25, причем верхняя часть трубопровода 25 соединена со штуцером 26 для подачи хладагента в дефлегматор 6 патрубком 27. На верхнем конце цилиндрических гидрозатворных стаканов 17 установлен дополнительный тангенциальный завихритель 28. Причем нижние торцы внешнего цилиндра 15 и патрубка для отвода жидкости 14 размещены ниже каналов для прохода пара в тангенциальных завихрителях 12 и 28. На пластинах, отбортованных с торцов, 19 могут быть выполнены отбортованные отверстия 29. В зазоре между горизонтальными перегородками 10 и змеевиками 18 установлена распределительная отбортованная шайба 30. В паровом пространстве царг 9 размещен хотя бы один дополнительный змеевик 31 (фиг.6), снабженный дополнительной пластиной 32, отбортованной с торцов. Царги 9 стянуты между собой шпильками 33 (фиг.2).

Ректификационная колонна работает следующим образом.

Пары смеси поднимаются из куба 1 колонны, проходят через каналы тангенциальных завихрителей 12 и 28, размещенных в нижней части колонны, взаимодействуют со стекающей жидкостью на горизонтальных перегородках 10, образуя развитую межфазную поверхность и интенсивный массообмен. При этом часть поднимающегося пара конденсируется на поверхности змеевиков 18 с образованием флегмы, которая затем стекает на отбортованные пластины 19, нагревается там поднимающимся парами, что обеспечивает ее частичное испарение и образование конденсата на ее внешней поверхности, что способствует укреплению пара по высоте колонны. Затем пары смеси поступают на верхнюю (укрепляющую) часть колонны, а жидкость по патрубкам 14 поступает в куб. Пары проходят через отверстия в горизонтальных перегородках 10 и частично конденсируются на поверхности змеевиков 18 с образованием дополнительной флегмы, которая стекает на пластины 19 или дополнительную пластину 32 и испаряется с поверхности слоя жидкости, образованного на них, а затем стекает на перегородки 10. Откуда жидкость через отверстия поступает на отбортованные шайбы 30 и затем перетекает на нижележащую горизонтальную перегородку. На выходе с верхней царги укрепленные пары поступают в дефлегматор 6 с образованием флегмы, а затем в конденсатор 7, откуда жидкость отводится в виде дистиллята. Подвод охлаждающей воды в змеевики 18 осуществляется по трубопроводу холодной воды 24 в дросселирующие устройства 21 и отвод нагретой воды - по трубопроводу 25. Нагретая вода через штуцер 26 подается в дефлегматор 6.

Предлагаемая ректификационная колонна по сравнению с известными позволяет увеличить эффективность ступеней, уменьшить габариты колонны и повысить ее разделяющую способность, что снижает капитальные и текущие затраты, а следовательно, уменьшает себестоимость выпускаемого продукта.

Источники информации

[1] Авторское свидетельство №190345, МПК⁵ B01D и B01Y. Тарелка для контактирования газа или пара с жидкостью / Жаворонков Н.М., Николаев Н.А. - заявка №773280/23-5 от 09.4.1962. Опубл. 29.12.66. БИ №2.

[2] В.М.Рамм. Абсорбция газов. - М.: Химия, 1976 (стр.435 рис.5-18).

[3] Пат. РФ №2152240, МПК B01D 3/26, B01D 3/30. Контактная тарелка для вихревых тепломассообменных аппаратов / Халитов Р.А.: заявитель и патентообладатель Халитов Р.А. - заявка №96112796/12 от 18.06.1996. Опубл. 10.07.2000.

1. Ректификационная колонна, включающая куб, дефлегматор, конденсатор, корпус с технологическими патрубками, состоящий из царг, между которыми размещены горизонтальные перегородки с отверстиями и снабженных теплообменными устройствами, выполненными в виде змеевиков из витков труб, соединенными с трубопроводами системы теплоносителя, в нижней части колонны горизонтальные перегородки снабжены контактными патрубками, включающими тангенциальный завихритель, отбойное устройство, патрубок для отвода жидкости, внешний цилиндр и гидрозатворную полость, выполненную из цилиндрического гидрозатворного стакана, отличающаяся тем, что теплообменные устройства размещены в паровом пространстве царг под горизонтальными перегородками и снабжены хотя бы одной пластиной, отбортованной с торцов, горизонтально установленной с зазором под витками змеевика, а в змеевиках размещены дросселирующие устройства для поддержания заданного расхода хладагента, на верхнем конце цилиндрических гидрозатворных стаканов установлены дополнительные завихрители с тангенциальными каналами, причем нижние торцы внешнего цилиндра и патрубка для отвода жидкости расположены ниже каналов для прохода пара тангенциальных завихрителей, при этом отношение диаметра завихрителя, на котором размещены тангенциальные каналы, к диаметру патрубка для отвода жидкости выполняется равным Д_з/Д_п=1,5-3,0.

2. Ректификационная колонна по п.1, отличающаяся тем, что в царгах верхней части колонны между змеевиком и горизонтальной перегородкой установлена распределительная отбортованная шайба.

3. Ректификационная колонна по п.1 или 2, отличающаяся тем, что конец трубопровода для вывода теплоносителя соединен патрубком со штуцером для подачи хладагента в дефлегматор.

4. Ректификационная колонна по п.1, отличающаяся тем, что отношение площади сечения каналов f для прохода пара в тангенциальном завихрителе к площади сечения каналов f₁ для прохода пара последующего выше расположенного завихрителя поддерживается равным f/f₁=1,05-1,25.

5. Ректификационная колонна по п.1, отличающаяся тем, что пластина, отбортованная с торцов, выполнена с отбортованными отверстиями, причем отношение высоты отбортовки торцов пластины h₁ к высоте отбортовки отверстий на ней h равно 0,8-0,99.

6. Ректификационная колонна по п.1, отличающаяся тем, что в паровом пространстве царги размещено хотя бы одно дополнительное теплообменное устройство, например, в виде змеевика, снабженного дополнительной пластиной, отбортованной с торцов.

7. Ректификационная колонна по п.1, отличающаяся тем, что поверхность теплообменного устройства выполнена в соответствии с зависимостью F=Q/(10²-10⁵) м², где Q - тепло, затраченное на конденсацию поднимающегося пара на ступени, Вт.