ГАЗОПРОМЫВНАЯ КОЛОННА СО ВСТРОЕННЫМ ТЕПЛООБМЕННИКОМ
GAS SCRUBBER WITH BUILT-IN HEAT EXCHANGER

Изобретение относится к газопромывной колонне с одним или несколькими встроенными в ее корпус теплообменниками для охлаждения газожидкостной смеси, образуемой подлежащим очистке газом и промывочной жидкостью.
Кроме того, изобретение относится к способу применения указанной газопромывной колонны.
Газопромывные колонны, а также способы охлаждения и очистки известны.
В особых случаях применения газопромывных колонн, согласно которьм температура подлежащего охлаждению газа существенно превышает температуру промывочной жидкости, причем одновременно следует в максимально возможной степени предотвращать нагревание промывочной жидкости во избежание ее испарения или химический деструкции, используемые для этого теплообменники следует встраивать в корпус газопромывной колонны непосредственно в поток газожидкостной смеси.
В выкладном описании к немецкой заявке 25 25 781 рассматривается случай подобной обработки отходящего газа процесса синтеза меламина. При этом газопромывную колонну со встроенным охладителем используют для предотвращения слишком сильного нагревания используемого в качестве промывочной жидкости карбамида, поступающим в указанную колонну и обладающим высокой температурой отходящим газом, а также для предотвращения загрязнения поверхности теплообмена продуктами деструкции карбамида, образующимися вследствие слишком сильного нагревания этого соединения.
Как сообщается в электронной версии Ullmanns Encyclopedia of Industrial Chemistry (6-e издание, 1998), для применения, подобного указанному выше, преимущественно используют вертикально устанавливаемую цилиндрическую газопромывную колонну со встроенным теплообменником, через который сверху вниз прямотоком пропускают газ и промывочную жидкость.
В обеих цитированных выше публикациях отсутствуют сведения, касающиеся конструктивного исполнения встроенного(-ых) в промывочную колонну теплообменника(-ов).
Однако специалистам известно, что для указанных в цитированных публикациях сфер применения используют кожухотрубные теплообменники, причем подлежащую охлаждению газожидкостную смесь пропускают вокруг трубок или через трубки теплообменника.
В случае пропускания газожидкостной смеси вокруг трубок их монтируют в газопромывной колонне вертикально, а следовательно, поперек потока. При этом трубки можно устанавливать поперек газопромывной колонны от одной стенки до другой, или возможно вертикальное введение в колонну пропускаемого через ее стенки U-образного кожухотрубного теплообменника. Недостаток конструктивного исполнения теплообменника с поперечным расположением трубок от одной стенки газопромывной колонны до другой состоит в том, что он чрезвычайно труднодоступен для очистки и ремонта, а его эксплуатация требует весьма значительных расходов. Вариант с боковым сдвигом U-образного кожухотрубного теплообменника в направлении, поперечном сечению колонны, более экономичен и удобен в отношении технического обслуживания. Однако недостатком данного варианта является неравномерность распределения поверхности теплообмена вдоль поперечного сечения газопромывной колонны, а следовательно, отсутствие равномерного охлаждения газожидостной смеси. В случае конструктивного исполнения теплообменника с пропусканием газожидостной смеси через трубки последние расположены параллельно вертикальной оси колонны, причем площадь трубных плит соответствует площади общего поперечного сечения колонны. Недостатком данного конструктивного исполнения теплообменника является склонность трубок к закупориванию, а следовательно, высокие затраты на очистку теплообменника.
Задача изобретения состояла в том, чтобы спроектировать улучшенную газопромывную колонну, пригодную также для равномерного охлаждения технологических сред с возможностью ее эксплуатации при незначительных затратах на очистку и техническое обслуживание.
Согласно изобретению указанная задача решается благодаря применению в газопромывной колонне теплообменников, которые состоят из тепловых листов.
Улучшенные варианты осуществления изобретения, его преимущества и возможности применения приведены также в нижеследующем описании и на прилагаемых к нему чертежах. При этом объект изобретения включает все вытекающие из его описании и/или показанные на чертежах признаки, включая любые их комбинации, независимо от их обобщенного изложения в пунктах формулы изобретения или ссылках на них.
Тепловые листы и состоящие из них теплообменники известны с 70-годов (смотри патент США US 3 822 742; W. Muhlthaler, Высшее специальное учебное заведение, г.Маннхайм, АА №13). Тепловые листы образованы двумя уложенными друг на друга металлическими листами одинаковой толщины, вдоль периметра которых проходит сварной шов. Поверхности металлических листов соединены друг с другом посредством равномерно упорядоченной точечной сварки. При возникновении гидравлического или пневматического давления между металлическими листами они образуют тепловые листы, обладающие характерной формой стеганой подушки. Свободное пространство между металлическими листами предназначено для помещения в него теплоносителя или охлаждающего средства. Внутри указанного свободного пространства отсутствуют каналы, в связи с чем тепловые листы особенно пригодны для испарительного охлаждения, поскольку возникающие пузырьки пара могут беспрепятственно подниматься и выходить из теплового листа.
Согласно настоящему изобретению теплообменник состоит из большого количества тепловых листов, которые согласно предпочтительному варианту конструктивного исполнения смонтированы внутри находящейся в вертикальном положении цилиндрической газопромывной колонны параллельно ее оси, причем поперечное сечение соответствует общему поперечному сечению газопромывной колонны, и причем свободное расстояние между соседними тепловыми листами составляет от 7 до 45 мм, предпочтительно от 15 до 30 мм.
Применение теплообменников указанного конструктивного типа позволяет обеспечивать равномерное упорядочение удельной плотности поверхности теплообмена по всему поперечному сечению газопромывной колонны.
Кроме того, из экономических соображений подобный теплообменник можно встраивать в газопромывную колонну, в соответствии с которой квадратное или прямоугольное поперечное сечение теплообменника вписано в круглое поперечное сечение колонны. Остающиеся при этом свободными круговые сегменты вокруг теплообменника должны быть закрыты соответствующими направляющими листами, что позволяет предотвращать возникновение неохлаждаемых граничных потоков.
Преимущество состоящих из тепловых листов теплообменников заключается в том, что протекающая через подобный теплообменник газожидкостная смесь характеризуется весьма незначительной потерей давления в сравнении с поверхностью теплообмена, которой он обладает. Важным преимуществом теплообменников подобного конструктивного типа является их способность к самоочищению, поскольку в случае синтеза меламина при застревании агломератов частиц между тепловыми листами остается достаточное пространство для обтекания этих агломератов газожидкостной смесью и их удаления. В отличие от этого в случае пропускания газожидкостного потока через трубки теплообменника агломераты частиц закупоривали бы их без возможности самоочистки.
Таким образом, в соответствии с предпочтительным вариантом осуществления изобретения промывочная жидкость и технологический газ совместно текут через промежутки между тепловыми листами, а охлаждающая среда течет внутри тепловых листов.
В соответствии с другим предпочтительным вариантом осуществления изобретения перед теплообменником смонтированы направляющие течение листы, которые состоят из соответствующих, параллельных друг другу прямоугольных пластин, причем листы располагаются таким образом, что их нижние длинные кромки параллельны верхним кромкам тепловых листов и находятся на расстоянии от 5 до 15 см от них, причем расстояния между нижними кромками направляющих листов аналогичны расстояниям между тепловыми листами, короткие кромки направляющих листов обладают одинаковой длиной, составляющей от 10 до 30 см, и направляющие листы расположены под углом к вертикальной оси газопромывной колонны, составляющим менее 90°. Назначением направляющих листов является отклонение потока газожидкостной смеси относительно положения тепловых листов с целью дополнительного повышения эффективности теплообмена.
В соответствии с другим предпочтительным вариантом осуществления изобретения направляющие течение листы упорядочены в находящиеся рядом друг с другом, параллельные друг другу ряды с переменным углом F.
В соответствии с другим вариантом осуществления изобретения с целью повышения турбулентности течения подлежащей охлаждению газожидкостной смеси, а следовательно, эффективности теплопередачи, тепловые листы последующего теплообменника на 90° смещены относительно тепловых листов предыдущего теплообменника. Газопромывная колонна предлагаемого в изобретении конструктивного типа особенно пригодна для охлаждения и очистки отходящего газа процесса синтеза меламина, которые осуществляют в газовой фазе при давлениях не выше 10 бар. Указанные условия характерны для так называемого способа фирмы BASF, описанного в электронной версии Ullmanns Encyclopedia of Industrial Chemistry (6-е издание, 1998).
В соответствии с другим предпочтительным вариантом осуществления изобретения находящаяся внутри тепловых листов охлаждающая среда испаряется за счет поглощения теплоты газожидкостной смеси. Это позволяет точно и равномерно регулировать температуру поверхности теплообменника.
Ниже предлагаемый в изобретении способ поясняется на примере 1 его осуществления со ссылкой на таблицу 1 с приведенными в ней параметрами массовых потоков и прилагаемые к описанию чертежи (фиг.1-3).
Пример 1
На фиг.1 показана установка для промывки технологического отходящего газа синтеза меламина, состоящего главным образом из аммиака и диоксида углерода, а также остатков карбамида и изоциановой кислоты, которая включает газопромывную колонну (2), сепаратор (9), циркуляционный насос (12) и охладитель (13). Технологический отходящий газовый поток (1) синтеза меламина (не показан на чертеже) вводят в верхнюю часть цилиндрической газопромывной колонны (2). В газопромывную колонну вводят используемый в качестве промывочной жидкости, содержащий карбамид расплав в виде материального потока (3). Промывочную жидкость (3) посредством системы форсунок (4) распределяют в технологическом отходящем газе (1) таким образом, чтобы образовалась газожидкостная смесь. Эта газожидкостная смесь проходит через теплообменники (5) и (6). Указанные теплообменники согласно изобретению собраны из тепловых листов. Внутри тепловых листов находится используемая для охлаждения газожидкостной смеси кипящая вода с температурой 125°С. Образующийся в результате поглощения тепла водяной пар выходит из тепловых листов по коллектору (18), конденсируется (конденсация не показана), и полученный при этом конденсат возвращается в теплообменники. После пропускания технологического отходящего газа и промывочной жидкости через теплообменники (5) и (6) их отделяют друг от друга. Для этого газожидкостную смесь из газопромывной колонны по трубопроводу (8) направляют в газожидкостный сепаратор (9). Газ, выходящий из сепаратора (9) по трубопроводу (11), можно использовать в качестве технологического газа синтеза меламина. Содержащий карбамид расплав из газожидкостного сепаратора (9) по трубопроводу (10) возвращается в куб газопромывной колонны (2), из которого он выходит по трубопроводу (12) и поступает к циркуляционному насосу (13), посредством которого его через теплообменник (15) возвращают в газопромывную колонну (2) в качестве материального потока (3). Теплообменник (15) предназначен для тонкого регулирования температуры промывочной жидкости. По трубопроводу (7) в газопромывную колонну (2) направляют свежий расплав карбамида, который смешивается в колонне с используемым в качестве промывочной жидкости расплавом, содержащим карбамид. Из контура циркуляции содержащего карбамид расплава отбирают материальный поток (14), который в качестве сырья направляют на синтез меламина (не показан на чертеже).
На фиг.2 показано поперечное сечение А-А. Показан находящийся внутри газопромывной колонны (2) теплообменник (5) с параллельными друг другу тепловыми листами (16), коллекторами (17) и соединительным трубопроводом (18) для охлаждающей среды.
На фиг.3 показан продольный разрез В-В. Показаны фрагмент стенки газопромывной колонны (2) и фрагмент теплообменника (5) с соответствующими тепловыми листами (16). Тепловые листы располагаются параллельно друг к другу на среднем расстоянии друг от друга В и с промежутком между ними С. Над тепловыми листами (16) на расстоянии D от них смонтированы направляющие листы (19) длиной Е. Расстояние между направляющими листами по горизонтали аналогично среднему расстоянию между тепловыми листами.
Таблица 1. Параметры материальных потоков
Номер материального
1
3
7
8
10
11
12
14
потока
Карбамид
Остатки
х
x
x
x
x
x
Технологический газ (NН<sub>3</sub>+СO<sub>2</sub>)
х
x
x
HNCO, остатки
х
Меламин, остатки
х
x
x
x
x
x
Расход
т/ч
150,0
854,0
10,0
1003,9
855,6
148,3
865,6
11,7
Температура
°С
231
131
138
138
138
138
138
138
Давление
бар
2,7
2,6
Агрегатное состояние
*)
г
ж
ж
г,ж
ж
г
ж
ж
*)
ж - жидкое состояние, г - газообразное состояние