Экстрактор колонного типа с регулярной противоточной насадкой
Изобретение относится к конструкциям экстракторов колонного типа с противоточной регулярной насадкой. Экстрактор колонного типа с регулярной противоточной насадкой включает корпус, штуцера ввода исходного сырья и растворителя, штуцера вывода рафинатного и экстрактного растворов, штуцера ввода вспомогательных технологических потоков, коллекторы ввода диспергируемых тяжелой и легкой фаз, устройства для определения границы раздела фаз, сопряженные с корпусом экстрактора опорные решетки, на которых размещают пакеты регулярной противоточной насадки, при этом каждый пакет регулярной противоточной насадки изготавливают из соприкасающихся между собой металлических чередующихся плоских просечных и гофрированных просечных листов, установленных вертикально и параллельно друг другу с образованием свободных каналов и скрепленных с помощью горизонтальных шпилек, проходящих сквозь соосные отверстия металлических чередующихся плоских просечных и гофрированных просечных листов и фиксируемых гайками, просечки металлических чередующихся плоских просечных и гофрированных просечных листов выполняют в форме ромба с шириной b и высотой h, причем h>b, ввод исходного сырья и растворителя в экстрактор колонного типа осуществляют по одному из четырех вариантов в зависимости от их плотности и расхода. Технический результат - снижение металлоемкости конструкции. 10 з.п. ф-лы, 6 ил., 6 табл.
Изобретение относится к конструкциям экстракторов колонного типа с противоточной регулярной насадкой и может быть использовано для процессов селективной очистки масел, экстракционного разделения смесей на фракции и/или индивидуальные компоненты в нефтеперерабатывающей, нефтехимической и других отраслях промышленности.
Известен жидкостной экстрактор, содержащий корпус, в котором установлена хаотичная насадка, а также трубопровод подачи исходной смеси, трубопровод подачи экстрагента, трубопровод отвода экстракта, трубопровод отвода рафината, который дополнительно содержит проточное массообменное насадочное контактное устройство, при этом трубопровод подачи экстрагента снабжен каналом, соединенным с трубопроводом подачи исходной смеси (патент РФ на полезную модель RU №159318 U1, МПК B01D 11/04, заявлен 16.07.2015, опубликован 10.02.2016). Недостатками данной полезной модели являются:
1) хаотичность насадки, приводящая к неоднородности процесса экстракции на различных по гидродинамическим условиям участках насадки;
2) подача легкого экстрагента в верхнюю часть экстрактора на смешение с исходной смесью, приводящая к выводу легкого экстрагента из аппарата через штуцер отвода рафината (рафинатного раствора) и его исключению из противоточного процесса экстракции, что снижает кратность экстрагент(растворитель):сырье и, как следствие, ухудшает экстракционное разделение.
Известен массообменный аппарат для жидкостной экстракции фенолом вязких и средневязких полициклических и смолистых соединений из масляных погонов и деасфальтенизированных остатков перегонки нефти, содержащий корпус со штуцерами для подвода и вывода взаимодействующих сред, опорные решетки с установленной на них регулярной насадкой в виде горизонтальных рядов колец, а также снабженный пакетами диспергации, установленными на чередующихся тарелках кольцевого и сплошного сечения, расположенных над опорными решетками, и защитной тарелкой, выполненной в виде двух одинаковых сегментов, установленных оппозитно и зеркально, находящейся в верхней части аппарата, при этом опорные решетки снабжены вторым слоем регулярной насадки в виде горизонтальных рядов колец меньшего типоразмера, установленных на сетчатой диафрагме, размещенной на регулярной насадке опорных решеток, пакеты диспергации выполнены в виде набора вертикально расположенных сеток, разделенных дистанционными решетками (патент РФ на полезную модель RU №19769 U1, МПК B01D 3/20, заявлен 05.03.2001, опубликован 10.10.2001). Недостатками данной полезной модели являются:
1) конструкция установленных в корпусе аппарата чередующихся тарелок кольцевого и сплошного сечения с пакетами диспергации, практически не способствующая диспергации, а наоборот, приводящая к захлебыванию массообменного аппарата по причине запора поднимающихся капель легкой фазы в слое опускающейся сплошной тяжелой фазы, возникающего из-за уменьшения площади сечения потока тяжелой фазы при малой движущей силе процесса экстракции в случае близких плотностей растворителя и исходного сырья и увеличении скорости движения сплошной тяжелой фазы;
2) исполнение пакетов диспергации в виде набора вертикально расположенных сеток, способствующее образованию мелких капель легкой фазы с настолько низкой скоростью всплытия, что вместо подъема вверх по регулярной насадке мелкие капли легкой фазы увлекаются нисходящим потоком сплошной тяжелой фазы, снижая эффективность экстракционного разделения из-за перехода компонентов рафинатного раствора в экстрактный;
3) конструкция контактных массообменных устройств, представляющих собой опорные решетки с установленной на них регулярной насадкой в виде горизонтальных рядов колец, требующая больших материальных и временных затрат при монтаже по причине укладки колец вручную поштучно для обеспечения регулярности насадки.
Известна массообменная насадка для колонных аппаратов, состоящая из рядов прямоугольных пластин, наклоненных друг к другу под углом, с отбортовкой навстречу друг к другу в верхней части пластин, выполненных с перфорацией в виде жалюзийной сетки, в которой щелевые жалюзийные отверстия имеют толщину не более 1 мм, ширину S=0,3-0,5 мм, шаг не более толщины пластины, наклон под углом α=30-45 градусов, отношение длины L к ее ширине S от 13 до 25, направление жалюзийных каналов к горизонтальной оси координат под углом β=30-45 градусов, и расстояние между жалюзийными каналами 1-2 мм, при этом отбортовки навстречу друг к другу соединены между собой без зазора и образуют глухой карман с переливными планками высотой не менее величины гидравлического затвора, наклонные прямоугольные пластины с перфорацией в виде жалюзийной сетки в вершине нижних углов соединены глухими пластинами, которые образуют между собой сливной патрубок, опущенный в глухой карман с переливными пластинами нижележащего ряда наклонных пластин (патент РФ на изобретение RU №2257950 С1, МПК B01J 19/32, заявлен 15.03.2004, опубликован 10.08.2005). Недостатками данного изобретения являются:
1) большие объемы пространства в форме ромбовидных призм, в которых отсутствует контакт массообменивающихся фаз, снижающие эффективность массообмена в контактном устройстве, протекающего только на поверхности прямоугольных пластин;
2) конструкция массообменной насадки, применяемая для реализации массообмена в системах «жидкость-газ» процессов ректификации и абсорбции благодаря высокой скорости потоков, но неприемлемая для массообмена в системах «жидкость-жидкость» процесса экстракции из-за низких скоростей движения противоточных фаз;
3) образующиеся при щелевых жалюзийных отверстиях шириной S=0,3-0,5 мм капли дисперсной фазы с диаметром не более 1 мм и небольшой скоростью движения, увлекаемые сплошной фазой, со снижением эффективности массопереноса;
4) сложность изготовления и монтажа массообменной насадки непосредственно в колонном аппарате;
5) наличие конструктивных зазоров между корпусом колонного аппарата и массообменной насадкой, приводящее к появлению пристеночных эффектов, снижающих эффективность массообмена, или дополнительному усложнению конструкции колонного аппарата при герметизации зазоров.
Известны многочисленные регулярные насадки и массообменные колонны с этими насадками, которые, в частности, образованы пакетами горизонтальных просечно-вытяжных перфорированных листов треугольной формы (патент РФ на изобретение RU №2292947 С1, МПК B01J 19/32, B01D 47/14, B01D 53/18, заявлен 21.09.2005, опубликован 10.02.2007; патент РФ на изобретение RU №2225753 С1, МПК B01J 19/32, заявлен 27.10.2003, опубликован 20.03.2004) или пакетами гофрированных листов двух разных видов с вырезами и прорезями в вершинах гофр, при этом гофрированные листы располагают в пакете попеременно и вертикально вершинами гофр друг к другу так, что вершины гофр листа первого вида входят в прорези вершин гофр соседнего листа второго вида с образованием между ними щелей (патент РФ на изобретение RU №2452560 С1, МПК B01J 19/32, заявлен 28.02.2011, опубликован 10.06.2012; патент РФ на изобретение RU №2602118 С1, МПК B01J 19/32, заявлен 13.07.2015, опубликован 10.11.2016). Общими недостатками перечисленных изобретений являются сложность монтажа пакетов насадки и, главное, неприемлемость их использования в экстракторах колонного типа по причине низкой эффективности массопереноса в системах «жидкость-жидкость» и, как следствие, работоспособность только в системах «газ-жидкость» для процессов ректификации и абсорбции.
Наиболее близкой к заявляемому изобретению является регулярная насадка для колонных аппаратов, состоящая из вертикально расположенных пленконесущих элементов из плетеных сеток, просечно-вытяжных, перфорированных или перфорировано-гофрированных листов и расположенных между ними горизонтально турбулизирующих элементов, которые располагаются в корпусе (патент на полезную модель RU №82133 U1, МПК B01D 3/28, заявлен 17.09.2008, опубликован 20.04.2009). Недостатками данной полезной модели являются:
1) турбулизирующие элементы, в действительности не создающие при массопереносе для систем «жидкость-жидкость» в условиях низких скоростей противоточных жидких сплошной и дисперсной фаз и низких чисел Рейнольдса локальных вихрей и не турбулизирующие жидкие фазы, а имеющие исключительно конструктивный характер организации свободного пространства в регулярной насадке, что повышает металлоемкость конструкции регулярной насадки;
2) расположенные горизонтально турбулизирующие элементы, уменьшающие диапазон нагрузок эффективной работы колонного аппарата вследствие возникновения дополнительного гидравлического сопротивления для движущихся в насадке фаз, что при больших нагрузках приводит к «захлебыванию» колонного аппарата;
3) наличие цельного металлического корпуса, с собранными в нем вертикально расположенными пленконесущими элементами и расположенными между ними горизонтально турбулизирующими элементами, увеличивающее металлоемкость конструкции регулярной насадки;
4) поверхность турбулизирующих элементов и места их стыковки с пленконесущими элементами, формирующие согласно опыту эксплуатации экстракционных колонн деасфальтизации и селективной очистки масел с данными контактными устройствами центры осаждения и забивки регулярной насадки смолистыми отложениями и механическими примесями, снижающие эффективность тепломассобмена и уменьшающие продолжительность межремонтного пробега экстракторов колонного типа.
Общим недостатком противоточных экстракторов колонного типа с регулярными насадками является наличие ряда внутренних противоречий в сущности самого процесса, не позволяющего достичь высокой массообменной эффективности контактных устройств. С позиции массопереноса из одной сплошной фазы, например растворителя, в дисперсную фазу исходного углеводородного сырья для интенсификации процесса необходимо обеспечить максимальную поверхность раздела фаз, достигаемую дроблением дисперсной фазы на мелкие капли (аналогичная ситуация будет при контакте дисперсной фазы растворителя и сплошной фазы исходного сырья). Однако при этом дисперсная фаза перемещается в объеме сплошной фазы в ламинарном режиме и движущая сила экстракционного процесса на границе раздела фаз уменьшается, что снижает интенсивность массопередачи в целом. Для турбулизации сплошной фазы вокруг движущихся капель дисперсной фазы необходима высокая скорость движения капли, достигаемая лишь для относительно крупных капель, уменьшающих поверхность раздела фаз для совокупности капель, что ухудшает массоперенос. С позиции гидродинамики в пространстве регулярной насадки уменьшение диаметра капель дисперсной фазы приводит к уменьшению скорости осаждения/всплытия и, опосредовано, к снижению производительности экстрактора колонного типа по потоку сплошной фазы, т.к. скорость движения сплошной фазы не должна превышать противоположно направленную скорость движения дисперсной фазы, чтобы избежать «захлебывания» по дисперсной фазе. Кроме того, контактные устройства, представляющие собой регулярную насадку в виде плоских или профилированных пластин в виде сеток или с жалюзийными отверстиями, могут достаточно эффективно функционировать лишь в единственном режиме работы, соответствующем проектному регламенту, а в условиях изменения расхода и состава исходного сырья и маркетинговых требований к качеству конечного продукта экстракторы колонного типа с регулярными насадочными устройствами имеют слишком узкий диапазон эффективной работы. Например, при увеличении вязкости очищаемого масла в 2,0 раза для сохранения гидродинамического режима работы колонны необходимо обеспечить увеличение диаметра капель дисперсной фазы в 1,6 раз, что невозможно без изменения конструкции регулярной насадки, а при работе с меньшим размером капель требуется снижение производительности.
При создании заявляемого изобретения были поставлены следующие задачи:
- обеспечить достаточную эффективность работы экстрактора колонного типа в широком диапазоне изменения свойств исходного сырья с учетом использования различных растворителей;
- сформировать оптимальную структуру потоков сплошной и дисперсной фаз;
- снизить металлоемкость пакетов регулярной насадки;
- упростить и механизировать процесс изготовления пакетов регулярной насадки;
- сократить длительность процессов монтажа и демонтажа пакетов регулярной насадки;
- уменьшить интенсивность образования отложений на поверхности пакетов регулярной насадки;
- упростить проведение регенерации пакетов регулярной насадки.
Решение указанных задач достигается за счет того, что экстрактор колонного типа с регулярной противоточной насадкой включает корпус, штуцера ввода исходного сырья и растворителя, штуцера вывода рафинатного и экстрактного растворов, штуцера ввода вспомогательных технологических потоков, коллекторы ввода диспергируемых тяжелой и легкой фаз, устройства для определения границы раздела фаз, сопряженные с корпусом экстрактора опорные решетки, на которых размещают пакеты регулярной противоточной насадки, каждый из которых изготавливают из соприкасающихся между собой металлических чередующихся плоских просечных и гофрированных просечных листов, установленных вертикально и параллельно друг другу с образованием свободных каналов и скрепленных с помощью горизонтальных шпилек, проходящих сквозь соосные отверстия металлических чередующихся плоских просечных и гофрированных просечных листов и фиксируемых гайками, просечки металлических чередующихся плоских просечных и гофрированных просечных листов выполняют в форме ромба с шириной b и высотой h, причем h>b, при этом ввод исходного сырья и растворителя в экстрактор колонного типа осуществляют одним из следующих вариантов:
а) при плотности исходного сырья меньше плотности растворителя и расходе растворителя больше расхода исходного сырья исходное сырье подают через штуцер ввода исходного сырья и коллектор ввода диспергируемой легкой фазы, расположенные в средней части корпуса экстрактора, а растворитель - через штуцер ввода растворителя, расположенный в верхней части корпуса экстрактора;
б) при плотности исходного сырья больше плотности растворителя и расходе растворителя больше расхода исходного сырья исходное сырье подают через штуцер ввода исходного сырья и коллектор ввода диспергируемой легкой фазы, расположенные в средней части корпуса экстрактора, а растворитель - через штуцер ввода растворителя, расположенный в нижней части корпуса экстрактора;
в) при плотности исходного сырья меньше плотности растворителя и расходе растворителя меньше расхода исходного сырья исходное сырье подают через штуцер ввода исходного сырья, расположенный в средней части корпуса экстрактора, а растворитель - через штуцер ввода растворителя и коллектор ввода диспергируемой тяжелой фазы, расположенные в верхней части корпуса экстрактора;
г) при плотности исходного сырья больше плотности растворителя и расходе растворителя меньше расхода исходного сырья исходное сырье подают через штуцер ввода исходного сырья и коллектор ввода диспергируемой тяжелой фазы, расположенные в средней части корпуса экстрактора, а растворитель - через штуцер ввода растворителя, расположенный в нижней части корпуса экстрактора.
Пакеты регулярной противоточной насадки в виде соприкасающихся между собой металлических чередующихся плоских просечных и гофрированных просечных листов, установленных вертикально и параллельно друг другу с образованием свободных каналов, обеспечивают противоточное перемещение сплошной фазы и капель дисперсной фазы в образующихся свободных каналах с осуществлением между ними массопередачи, формирование капель дисперсной фазы на просечке металлических чередующихся плоских просечных и гофрированных просечных листов, создание зон пленочного течения по фрагментам просечной поверхности металлических чередующихся плоских просечных и гофрированных просечных листов дисперсной фазы с осуществлением массообмена при противотоке объема сплошной фазы, интенсифицируемого за счет малой толщины пленки дисперсной фазы относительно диаметра капель дисперсной фазы. Скрепление металлических чередующихся плоских просечных и гофрированных просечных листов с помощью горизонтальных шпилек, проходящих сквозь соосные отверстия металлических чередующихся плоских просечных и гофрированных просечных листов и фиксируемых гайками, формирует пакет регулярной противоточной насадки с минимумом затрат дополнительного металла, не участвующего в процессе массообмена, и одновременным обеспечением пространственной жесткости пакета регулярной противоточной насадки. Компактные пакеты регулярной противоточной насадки легко доставляются внутрь корпуса экстрактора колонного типа через люки-лазы и монтируются на опорных решетках. Просечки металлических чередующихся плоских просечных и гофрированных просечных листов имеют форму ромба шириной b и высотой h, причем h>b: островершинный в направлении перемещения дисперсной фазы ромб просечки обеспечивает формирование капель и пленок дисперсной фазы в зависимости от физико-химических свойств дисперсной фазы. При низких вязкости и поверхностном натяжении дисперсной фазы в вершинах ромба просечки образуются капли дисперсной фазы небольшого диаметра d (d<b), легко соскальзывающие с вершины ромба просечки в пространство насадки. При увеличении вязкости и поверхностного натяжения дисперсной фазы в вершинах ромба просечки образуются капли дисперсной фазы большего диаметра d=b и d>b, выдавливаемые из пространства ромба просечки в пространство насадки. Кроме того, на поверхности металлических чередующихся плоских просечных и гофрированных просечных листов происходит коалесценция мелких капель и диспергирование крупных капель дисперсной фазы, что приводит к постоянному обновлению состава поверхности раздела фаз и интенсификации массообмена. Универсальность работы экстрактора колонного типа при изменении физико-химических свойств (плотности) и расходов исходного сырья и растворителя обеспечивается вариативностью их ввода в экстрактор (варианты а, б, в, г) без изменения конструкции экстрактора.
Целесообразно для снижения металлоемкости пакета регулярной противоточной насадки металлические чередующиеся плоские просечные и гофрированные просечные листы изготавливать из листовой стали толщиной 0,5-1,0 мм, при этом выполняя просечку металлических чередующихся плоских просечных и гофрированных просечных листов в форме ромба шириной b=4-5 мм, высотой h=10-13 мм и перемычкой между ромбами не более 1 мм.
Также для снижения металлоемкости пакета регулярной насадки целесообразно гофрированные просечные листы изготавливать с амплитудой 4-13 мм в зависимости от плотности и вязкости исходного сырья:
- 4-8 мм для маловязкого сырья с низкой плотностью;
- 8-10 мм для маловязкого сырья с высокой плотностью;
- 8-10 мм для вязкого сырья с низкой плотностью;
- 10-13 мм для вязкого сырья с высокой плотностью.
Такие просечные листы имеют порозность 0,73, что обеспечивает, с одной стороны, дробление крупных капель дисперсной фазы при ударе их о тонкие ребра перемычки между ромбами просечки, а с другой - коалесценцию мелких капель при их контакте с плоскостью перемычки между ромбами просечки и пленками жидкой дисперсной фазы в пространстве просечки.
Целесообразно пакеты регулярной противоточной насадки изготавливать с конфигурацией квадрата, прямоугольника, трапеции или полусегмента в нормальном сечении, что позволяет образовать на опорной решетке сплошной слой пакетов регулярной противоточной насадки.
Целесообразно для обеспечения необходимого качества массообмена на опорной решетке формировать несколько сплошных слоев пакетов регулярной противоточной насадки.
Целесообразно для предотвращения образования устойчивых локальных струй дисперсной фазы в объеме регулярной противоточной насадки на опорной решетке каждый из сплошных слоев пакетов регулярной противоточной насадки устанавливать повернутым относительно соседнего слоя на 15, 30, 45 или 90 градусов, что приводит к местному разрушению локальной струи при ее переходе из одного сплошного слоя пакетов регулярной противоточной насадки в другой.
Целесообразно для облегчения монтажа во избежание случайного сцепления между собой просечных листов различных пакетов регулярной противоточной насадки к двум смежным вертикальным граням пакета регулярной противоточной насадки крепить металлический плоский сплошной лист.
Целесообразно во избежание появления пристеночного эффекта между корпусом экстрактора в месте его сопряжения с ребрами сплошного слоя пакетов регулярной противоточной насадки выполнять окантовку.
Целесообразно также сплошными слоями пакетов регулярной противоточной насадки заполнить все свободное пространство или часть пространства цилиндрической части корпуса экстрактора, за исключением зон, где размещается вспомогательное оборудование (устройства для определения границы раздела фаз, коллекторы и т.п.), в зависимости от необходимой глубины очистки исходного сырья, что позволит использовать экстрактор в широком диапазоне изменения свойств исходного сырья с учетом использования различных растворителей.
На фигурах 1-6 представлено конструктивное решение заявляемого изобретения:
• фигура 1 - общий вид пакета регулярной противоточной насадки;
• фигура 2 - движение дисперсной легкой и сплошной тяжелой фаз в разрезе пакета регулярной противоточной насадки;
• фигура 3 - пакет регулярной противоточной насадки с конфигурацией прямоугольника в нормальном сечении;
• фигура 4 - пакет регулярной противоточной насадки с конфигурацией трапеции в нормальном сечении;
• фигура 5 - пакет регулярной противоточной насадки с конфигурацией сегмента в нормальном сечении;
• фигура 6 - общий вид экстрактора колонного типа с регулярной противоточной насадкой с вводом исходного сырья и растворителя по варианту а.
На фигурах 1-6 используются следующие условные обозначения:
1 - металлический плоский просечной лист;
2 - металлический гофрированный просечной лист;
3 - горизонтальная шпилька;
4 - гайка;
5 - окантовка;
6 - пакет регулярной противоточной насадки;
7 - металлический плоский сплошной лист;
8 - корпус экстрактора колонного типа;
9 - штуцер ввода исходного сырья;
10 - штуцер ввода растворителя;
11 - штуцер вывода рафинатного раствора;
12 - штуцер вывода экстрактного раствора;
13 - штуцер ввода вспомогательного технологического потока;
14 - коллектор ввода диспергируемой легкой фазы;
15 - устройство для определения границы раздела фаз;
16 - опорная решетка;
17 - люк-лаз.
Пакет регулярной противоточной насадки 6 (фигура 1), в которой противотоком друг к другу движутся сплошная тяжелая фаза 1 и дисперсная легкая фаза 2, выполняют из соприкасающихся между собой металлических чередующихся плоских просечных 1 и гофрированных просечных 2 листов, установленных вертикально и параллельно друг другу с образованием свободных каналов. Скрепление металлических чередующихся плоских просечных 1 и гофрированных просечных 2 листов осуществляют с помощью горизонтальных шпилек 3, проходящих сквозь соосные отверстия металлических чередующихся плоских просечных 1 и гофрированных просечных 2 листов и фиксируемых гайками 4, для обеспечения пространственной жесткости пакета регулярной противоточной насадки 6.
В вершинах ромба просечки металлических чередующихся плоских просечных 1 и гофрированных просечных 2 листов пакета регулярной противоточной насадки (фигура 1) образуются капли дисперсной легкой фазы 2 небольшого диаметра d<b, легко соскальзывающие в пространство пакета регулярной противоточной насадки (фигура 2). Образующаяся пленка дисперсной легкой фазы 2, наоборот, перемещается вдоль поверхности пакета регулярной противоточной насадки (фигура 2).
Во избежание пристеночного эффекта между корпусом экстрактора в месте его сопряжения с ребрами сплошного слоя пакетов регулярной противоточной насадки выполняют окантовку 5 (фигура 2). При этом окантовка 5 за счет особенности своего исполнения (фигура 2) используется для любой формы нормального сечения аппарата.
Для образования сплошного слоя пакетов регулярной противоточной насадки пакеты регулярной противоточной насадки 6 изготавливают в следующих конфигурациях: квадрата, прямоугольника (фигура 3), трапеции (фигура 4) или полусегмента (фигура 5).
Во избежание сцепления пакетов регулярной противоточной насадки 6 краями металлических плоских просечных 1 или гофрированных просечных 2 листов в ходе монтажа к двум соседним вертикальным граням пакета регулярной противоточной насадки 6 крепится металлический плоский сплошной лист 7 (фигуры 3-5). При этом пакеты регулярной противоточной насадки 6 укладывают таким образом, чтобы открытая грань пакета регулярной противоточной насадки 6 соприкасалась с закрытой металлическим плоским сплошным листом 7 гранью соседнего пакета регулярной противоточной насадки 6.
В соответствии с вводом исходного сырья и растворителя в экстрактор колонного типа с регулярной противоточной насадкой по варианту а при плотности исходного сырья меньше плотности растворителя и расходе растворителя больше расхода исходного сырья, например, при жидкостной экстракции фенолом смолисто-асфальтеновых, полиароматических и смолисто-нафтеновых соединений из деасфальтизированных остатков перегонки нефти, экстрактор колонного типа функционирует согласно общему виду, представленному на фигуре 6. Исходное сырье в виде деасфальтизированного остатка перегонки нефти подается в среднюю часть корпуса экстрактора колонного типа 8, в котором размещены пакеты регулярной противоточной насадки 6, через штуцер ввода исходного сырья 9 и коллектор ввода диспергируемой легкой фазы 14. Растворитель в виде фенола поступает в верхнюю часть корпуса экстрактора колонного типа 8 через штуцер ввода растворителя 10 и движется сверху вниз противотоком к диспергированной фазе исходного сырья. В пространстве пакетов регулярной противоточной насадки 6, установленных через люки-лазы 17 и размещенных на сопряженных с корпусом экстрактора колонного типа 8 опорных решетках 16, происходит массообмен между сплошной фазой растворителя и каплями дисперсной фазы исходного сырья. Рафинатный раствор в виде очищенного деасфальтизированного остатка перегонки нефти выводится с верха корпуса экстрактора колонного типа 8 через штуцер вывода рафинатного раствора 11. В нижнюю часть корпуса экстрактора колонного типа 8 через штуцер ввода вспомогательного технологического потока 13 в качестве антирастворителя подается водный раствор фенола для снижения растворимости удаленных из исходного сырья соединений в экстрактном растворе, который выводится с низа корпуса экстрактора колонного типа 8 через штуцер вывода экстрактного раствора 12. Также вдоль корпуса экстрактора колонного типа 8 установлены устройства для определения границы раздела фаз 15, позволяющие регулировать протекание процесса жидкостной экстракции.
Эффективность заявляемого изобретения подтверждается следующими примерами.
Пример 1. В ходе натурных испытаний пакетов регулярной противоточной насадки по заявляемому изобретению на стенде, моделирующем гидродинамику работы верхней части экстрактора колонного типа и состоящем из 5 царг, каждая из которых имеет диаметр 600 мм и высоту 600 мм, общей высотой 3000 мм на опорных решетках было установлено два контактных устройства: одно состояло из трех слоев пакетов регулярной противоточной насадки высотой 300 мм каждый, второе - из двух слоев пакетов регулярной противоточной насадки высотой 300 мм каждый - с общей высотой пяти слоев пакетов регулярной противоточной насадки 1500 мм. Металлические чередующиеся плоские просечные и гофрированные просечные листы для пакетов регулярной противоточной насадки были изготовлены из листовой стали толщиной 0,5 мм, при этом ромб просечки металлических чередующихся плоских просечных и гофрированных просечных листов имеет ширину b=4 мм и высоту h=10 мм при перемычке между ромбами просечки 1 мм, а гофрированные просечные листы изготовлены с амплитудой 10 мм. Каждая царга была оборудована смотровым окном, позволяющим наблюдать визуально структуру потоков в пакете регулярной противоточной насадки и измерять размеры капель. В низ стенда через штуцер ввода исходного сырья и коллектор ввода диспергируемой легкой фазы в условиях циркуляции поступало 3 м3/ч масляной фракции - сырья установки селективной очистки масел (плотность масла при 20°С не более 0,885 г/см3 и вязкость масла при 50°С - 8 мм2/c, при минус 30°С - 1100 мм2/c). На верх стенда через штуцер ввода растворителя подавалась вода, моделирующая использование в качестве растворителя N-метилпирролидона (плотность воды 1,000 г/см3, плотность N-метилпирролидона 1,038 г/см3), в количестве 6 м3/ч. Моделировалось соотношение растворитель : углеводородное сырье 2:1. В ходе испытаний стенда наблюдалась хорошая организация потока дисперсной масляной фракции в виде капель: отсутствие подвисаний или «захлебывания» стенда сплошной водяной фазой и струйного режима подъема масляной фазы. Диаметр капель масла составлял в среднем d=6 мм.
Пример 2. В ходе натурных испытаний пакетов регулярной противоточной насадки по заявляемому изобретению на стенде, моделирующем гидродинамику работы верхней части экстрактора колонного типа и описанном в примере 1, масляная фракция подавалась в количестве 2,7 м3/ч, а вода - 8 м3/ч для моделирования соотношения растворитель:углеводородное сырье 3:1. В ходе испытаний стенда наблюдалась хорошая организация потока дисперсной масляной фракции: отсутствие подвисаний или «захлебывания» стенда сплошной водяной фазой и струйного режима подъема масляной фазы. Диаметр капель масла составлял в среднем d=6-7 мм.
Пример 3. Для интенсификации процесса экстракции необходимо, чтобы капли дисперсной фазы (масло) поднимались в противотоке к сплошной фазе (растворитель) в турбулентном режиме, формируя вокруг всплывающей капли вихри сплошной фазы, способствующие перемешиванию и, опосредовано, понижению концентрации экстрагируемого компонента в растворителе вблизи границы раздела фаз (вокруг капли), а также увеличению движущей силы массопередачи. Граница турбулентного режима соответствует числу Архимеда Ar 82 500. Сообразно с этим был рассчитан диаметр капель дисперсной масляной фазы d в сплошной водной фазе (вода моделирует поведение растворителя N-метилпирролидона) при порозности неоднородной системы e=0,66 - в случае примера 1 и e=0,75 - в случае примера 2. Расчеты показали, что турбулизация потока сплошной фазы обеспечивается при диаметре капель масла d 4 мм (таблица 1), что хорошо согласуется с экспериментальными данными примеров 1 и 2. Это позволяет считать, что разработанная регулярная противоточная насадка обеспечивает формирование капель масла в сплошной водной фазе с турбулизацией последней. В таблицу 1 также включены скорости всплывания соответствующих капель масла в неподвижной сплошной водной фазе.
Пример 4. Аналогично примеру 3 были рассчитан диаметр капель дисперсной масляной фазы d в сплошной фазе растворителя N-метилпирролидона) при порозности неоднородной системы e=0,66 - в случае примера 1 и e=0,75 - в случае примера 2. Расчеты показали, что турбулизация потока сплошной фазы обеспечивается при диаметре капель масла d 5,5 мм (таблица 2), что также хорошо согласуется с экспериментальными данными примеров 1 и 2. Это позволяет считать, что разработанная регулярная противоточная насадка обеспечивает формирование капель масла в сплошной водной фазе с турбулизацией последней. В таблицу 2 также включены скорости всплывания соответствующих капель масла в неподвижной сплошной фазе растворителя N-метилпирролидона.
Сравнение данных таблиц 1 и 2, достаточно хорошо коррелирующих друг с другом, позволяет считать, что при использовании растворителя N-метилпирролидона вместо воды на стенде, моделирующем гидродинамику работы верхней части экстрактора колонного типа по примеру 1, структура потоков практически не изменится.
Пример 5. Известно, что при больших значениях числа Рейнольдса Re происходит переход дисперсной фазы из капельного режима в струйный, что снижает поверхность раздела фаз и эффективность экстракции (Лаптев А.Г. Модели переноса и эффективность жидкостной экстракции. Казань, Казанский государственный энергетический университет, 2005, 229 с.), в частности для системы «вода-масло», описанной в примерах 1 и 2, струйный режим всплывания масла должен наблюдаться при Re>438. В примерах 1 и 2 наблюдался только устойчивый капельный режим всплывания дисперсной масляной фазы. Расчеты (таблица 3) показали, что при формировании в регулярной противоточной насадке капель диаметром d=6-7 мм, наблюдаемых на исследовательском стенде, действительно создаются условия для капельной структуры потоков.
Пример 6. Формирование капель при прохождении дисперсной фазы сквозь просечные листы регулярной противоточной насадки определяется величиной поверхностного натяжения на границе раздела сплошной и дисперсной фаз, при этом диаметр образующейся капли d определяется равенством подъемной (отрывной) силы Архимеда и силой поверхностного натяжения (удерживающей), откуда
d=(6⋅L⋅S/(3,14⋅g⋅(r-rD)))1/3=(0,028⋅10-6)1/3,
где L - периметр касания насадки формируемой каплей, м;
S - поверхностное натяжение на границе раздела вода-масло, 20⋅10-3 н/м;
g - ускорение свободного падения, 9,81 м/с2;
r - плотность сплошной фазы, кг/м3;
rD - плотность дисперсной фазы, кг/м3.
В таблице 4 приведены размеры капель, которые могут образовываться при прохождении дисперсной фазы (масла) сквозь заявляемую регулярную противоточную насадку через канал просечки различными способами: от полного до частичного заполнения канала просечки. Расчеты показали, что формирование капель дисперсной фазы масла диаметром d=6-7 мм, наблюдаемое в примерах 1 и 2, обеспечивается заполнением маслом большей части канала просечки.
Пример 7. Выполнен технико-экономический анализ промышленного экстрактора колонного типа по заявляемому изобретению с предложенной конфигурацией и стандартной насадочной колонны с расчетом металлоемкости аппаратов и материального баланса при одинаковом расходе исходного сырья (таблицы 5 и 6).
В соответствии с проанализированными данными по заявляемому изобретению можно сделать следующие выводы:
• снижение металлоемкости конструкции на 46,6 тонн приводит к сокращению капитальных затрат на 7,9 млн. руб с НДС (таблица 5);
• увеличение отбора рафината с 58,42% до 60,42 % (на 2%) - в годовом выражении на 3584 т - позволяет увеличить выпуск индустриального масла и петролатума на 3046 т/год и 540 т/год, соответственно. Учитывая, что при этом объем получаемого экстракта и, как следствие, объем получаемого вакуумного газойля и кокса снижаются, это позволяет увеличить годовой доход до 155,5 млн. руб (таблица 6).
Таким образом, снизив затраты на 7,9 млн. руб. с НДС и увеличив годовой доход на 155,5 млн. руб, за 20 лет коммерческой эксплуатации изобретение позволит увеличить совокупный дисконтированный доход на 1,06 млрд. руб (с учетом дисконтирования по ставке 10%).
1. Экстрактор колонного типа с регулярной противоточной насадкой, включающий корпус, штуцера ввода исходного сырья и растворителя, штуцера вывода рафинатного и экстрактного растворов, штуцера ввода вспомогательных технологических потоков, коллекторы ввода диспергируемых тяжелой и легкой фаз, устройства для определения границы раздела фаз, сопряженные с корпусом экстрактора опорные решетки, на которых размещают пакеты регулярной противоточной насадки, отличающийся тем, что каждый пакет регулярной противоточной насадки изготавливают из соприкасающихся между собой металлических чередующихся плоских просечных и гофрированных просечных листов, установленных вертикально и параллельно друг другу с образованием свободных каналов и скрепленных с помощью горизонтальных шпилек, проходящих сквозь соосные отверстия металлических чередующихся плоских просечных и гофрированных просечных листов и фиксируемых гайками, просечки металлических чередующихся плоских просечных и гофрированных просечных листов выполняют в форме ромба с шириной b и высотой h, причем h>b, при этом ввод исходного сырья и растворителя в экстрактор колонного типа осуществляют одним из следующих вариантов:
а) при плотности исходного сырья меньше плотности растворителя и расходе растворителя больше расхода исходного сырья исходное сырье подают через штуцер ввода исходного сырья и коллектор ввода диспергируемой легкой фазы, расположенные в средней части корпуса экстрактора, а растворитель – через штуцер ввода растворителя, расположенный в верхней части корпуса экстрактора;
б) при плотности исходного сырья больше плотности растворителя и расходе растворителя больше расхода исходного сырья исходное сырье подают через штуцер ввода исходного сырья и коллектор ввода диспергируемой легкой фазы, расположенные в средней части корпуса экстрактора, а растворитель – через штуцер ввода растворителя, расположенный в нижней части корпуса экстрактора;
в) при плотности исходного сырья меньше плотности растворителя и расходе растворителя меньше расхода исходного сырья исходное сырье подают через штуцер ввода исходного сырья, расположенный в средней части корпуса экстрактора, а растворитель – через штуцер ввода растворителя и коллектор ввода диспергируемой тяжелой фазы, расположенные в верхней части корпуса экстрактора;
г) при плотности исходного сырья больше плотности растворителя и расходе растворителя меньше расхода исходного сырья исходное сырье подают через штуцер ввода исходного сырья и коллектор ввода диспергируемой тяжелой фазы, расположенные в средней части корпуса экстрактора, а растворитель – через штуцер ввода растворителя, расположенный в нижней части корпуса экстрактора.
2. Экстрактор по п. 1, отличающийся тем, что металлические чередующиеся плоские просечные и гофрированные просечные листы изготавливают из листовой стали толщиной 0,5-1,0 мм.
3. Экстрактор по п. 2, отличающийся тем, что просечку металлических чередующихся плоских просечных и гофрированных просечных листов выполняют в форме ромба шириной b=4-5 мм, высотой h=10-13 мм и перемычкой между ромбами не более 1 мм.
4. Экстрактор по п. 3, отличающийся тем, что гофрированные просечные листы изготавливают с амплитудой 4-13 мм в зависимости от плотности и вязкости исходного сырья:
4-8 мм для маловязкого сырья с низкой плотностью;
8-10 мм для маловязкого сырья с высокой плотностью;
8-10 мм для вязкого сырья с низкой плотностью;
10-13 мм для вязкого сырья с высокой плотностью.
5. Экстрактор по п. 1, отличающийся тем, что пакеты регулярной противоточной насадки изготавливают с конфигурацией квадрата, прямоугольника, трапеции или полусегмента в нормальном сечении.
6. Экстрактор по п. 5, отличающийся тем, что совокупность пакетов регулярной противоточной насадки, имеющих в нормальном сечении конфигурацию квадрата, прямоугольника, трапеции или полусегмента, устанавливают на опорной решетке, образуя сплошной слой пакетов регулярной противоточной насадки.
7. Экстрактор по п. 6, отличающийся тем, что на опорной решетке формируют несколько сплошных слоев пакетов регулярной противоточной насадки.
8. Экстрактор по п. 7, отличающийся тем, что на опорной решетке каждый из сплошных слоев пакетов регулярной противоточной насадки устанавливают повернутым относительно соседнего слоя на 15, 30, 45 или 90 градусов.
9. Экстрактор по п. 5, отличающийся тем, что к двум смежным вертикальным граням пакета регулярной противоточной насадки крепят металлический плоский сплошной лист.
10. Экстрактор по п. 6, отличающийся тем, что в месте сопряжения корпуса экстрактора с ребрами сплошного слоя пакетов регулярной противоточной насадки выполняют окантовку.
11. Экстрактор по п. 7, отличающийся тем, что сплошными слоями пакетов регулярной противоточной насадки заполняют все свободное пространство или часть пространства цилиндрической части корпуса экстрактора в зависимости от необходимой глубины очистки исходного сырья.
