СТРУКТУРИРОВАННЫЙ НАСАДОЧНЫЙ МОДУЛЬ ДЛЯ МАССООБМЕННОЙ КОЛОННЫ И СПОСОБ ЕГО ИСПОЛЬЗОВАНИЯ
STRUCTURED PACKING MODULE FOR MASS EXCHANGE COLUMN AND METHOD OF ITS APPLICATION

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Настоящее изобретение относится в общем к аппарату и способу для облегчения контакта пар-жидкость или жидкость-жидкость в колоннах, в которых осуществляется процесс массо- или теплообмена. Более точно, настоящее изобретение относится к структурированным насадочным модулям для использования в массо- или теплообменных колоннах и способу использования таких модулей применительно к жестким условиям, в которых имеют место засорение, образование нагара и эрозия.
Множество видов неупорядоченных и структурированных насадочных элементов были усовершенствованны для использования в колоннах массопереноса или теплообмена для улучшения контакта между текучими средами, протекающими в колонне. Насадочные элементы, в основном, улучшают массоперенос и теплообмен за счет обеспечения поверхностей, по которым текучие среды распространяются для увеличения площади контакта между нисходящими и восходящими потоками текучих сред.
Насадочные элементы часто используются в жестких эксплуатационных условиях, в которых проблемой являются засорение, образование нагара и эрозия насадочных элементов. Оптимально, насадочные элементы, используемые в таких жестких эксплуатационных условиях, должны иметь соответствующую конструкционную прочность, чтобы выдерживать эрозию и резкие сбои в работе колонны, такие как выбросы пара. Насадочные элементы должны также обеспечивать такую структурную геометрию, которая позволяет достигать требуемой эффективности разделения. В тоже время насадочные элементы должны представлять собой достаточно открытую область или же быть выполненными так, чтобы избежать засорения и возникновения нагара благодаря накоплению твердых частиц на поверхности насадочных элементов. Множество разновидностей известных насадок обладают необходимой прочностью и характеристиками эффективности, но склонны к засорению и возникновению нагара в таких жестких эксплуатационных условиях. Аналогично другие типы известных насадок устойчивы к засорению и возникновению нагара, но не обеспечивают требуемую прочность или эффективность разделения. Таким образом существует необходимость развития структурированных насадочных модулей, которые обеспечивают требуемую конструкционную прочность и эффективность разделения, при этом одновременно устойчивы к засорению и возникновению нагара.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
В одном варианте осуществления изобретение предусматривает структурированный насадочный модуль, содержащий множество вертикальных проходящих параллельно гофрированных пластин, расположенных с гофрами смежных пластин и проходящими крест-накрест. Используются дистанционные проставки для удержания пластин на определенном расстоянии друг от друга относительно гофров смежных пластин вдоль их всей длины так, чтобы один гофр не контактировал с другим. Пространство между гофрами смежных пластин полностью открыто для потока текучей среды, обычно восходящего пара, и поверхности пластин, таким образом, обеспечивают свободную поверхность течения для текучей среды, обычно нисходящей жидкости. Таким образом пластины устойчивы к засорению и возникновению нагара и также обладают способностью обеспечивать требуемую прочность и эффективность разделения.
В других вариантах осуществления изобретение предусматривает колонну, содержащую структурированный насадочный модуль, и способ, в котором структурированный насадочный модуль используется для улучшения массопереноса и/или теплообмена между потоками текучей среды, проходящими через колонну. В способе поток текучей среды, по существу является однородным вдоль путей для потока, образованных гофрами пластин благодаря присутствию зон низкой текучести, которые вероятно обусловлены гофрами смежных пластин, находящихся в контакте друг с другом, или другими конструкционными элементами. Способ не подвержен засорению и возникновению нагара благодаря отсутствию таких типов зон низкой текучести. Способ может, таким образом, быть осуществлен в жестких эксплуатационных условиях, в которых обычно засорение, возникновение нагара и эрозия пластин были бы проблемой.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Фиг.1 представляет собой частичный вид колонны с кожухом колонны, с сечением по вертикали для изображения структурированных насадочных модулей согласно настоящему изобретению, расположенных внутри колонны;
Фиг.2 представляет собой вид колонны сверху по линии 2-2 фиг.1 в направлении стрелок;
Фиг.3 представляет собой вид сбоку одной из структурированных насадочных модулей; и
Фиг.4 представляет собой частичный вид сверху, изображающий два варианта осуществления гофрированных пластин, которые могут быть использованы в структурированных насадочных модулях.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Обращаясь теперь более подробно к чертежам и сначала к фиг.1, колонна, подходящая для использования в процессах массопереноса и теплообмена, обозначена ссылочной позицией 10. Колонна 10 содержит вертикальные внешние кожухи 12, которые в общем имеют цилиндрическую конфигурацию, хотя возможны и другие конфигурации, включая многоугольную, и которые находятся в пределах объема настоящего изобретения. Кожух 12 имеет любой соответствующий диаметр и высоту, и выполнен из одного или более твердого материала, который желательно инертен или, другими словами, совместим с текучими средами и условиями, имеющими место при эксплуатации колонны 10.
Колонна 10 представляет собой тип колонн, используемый для переработки потоков текучих сред, обычно потоков жидкости или пара, для получения продуктов разделения и/или другими словами осуществления массопереноса или теплообмена между потоками текучей среды. Например, колонна 10 может быть колонной, в которой осуществляется атмосферная перегонка сырой нефти, вакуумная дистилляция сырой нефти и мазута, каталитический крекинг в кипящем слое, термический крекинг, коксование, висбрекинг, очистка кокса, реакторная очистка побочного газа, охлаждение газом, деодорирование пищевых масел, очистка собранной с поверхности нефти, и другие процессы, происходящие в жестких эксплуатационных условиях.
Кожух 12 колонны 10 образует открытую внутреннюю область 14, в которой происходят требуемые процессы массопереноса и/или теплообмена между потоками текучей среды. Обычно потоки текучей среды содержат один или более восходящих потоков пара и один или более нисходящих потоков жидкости. Альтернативно потоки текучей среды могут содержать восходящий и нисходящий потоки жидкости или восходящий поток газа и нисходящий поток жидкости.
Потоки текучей среды направлены в колонну 10 через любое количество подающих линий (не изображены), расположенных соответствующим образом по высоте колонны 10. Один или более потоков пара могут также быть образованы в пределах колонны 10, а не введены в колонну 10 через подающие трубопроводы. Колонна 10 также обычно будет содержать верхнюю линию (не изображена) для удаления парообразных продуктов или побочных продуктов и нижнюю отводную линию потока (не изображена) для удаления жидкого продукта или побочного продукта из колонны 10. Другие компоненты колонны, которые обычно присутствуют, такие как линия возврата флегмы, ребойлеры, охладители, испарители, рассекатели жидкости, и т.д., не изображены на чертежах, т.к. они известны и изображение этих компонентов не является необходимым для понимания настоящего изобретения.
В соответствии с настоящим изобретением один или более слоев 15a-d структурированных насадочных модулей 16 расположены в пределах открытой внутренней области 14 колонны 10. Обращаясь дополнительно к фиг.2-4, каждый структурированный насадочный модуль 16 содержит множество вертикальных, параллельно продолжающихся гофрированных пластин 18, выполненных из соответствующего твердого материала, например какого-либо металла, пластика, или керамики, имеющих достаточную прочность и толщину, чтобы противостоять эрозии и другим условиям, которым они подвергаются внутри колонны 10.
Как можно видеть на фиг.4, гофры проходят вдоль всей поверхности пластин 18 и, в общем, имеют треугольную или синусоидальную формы в поперечном сечении. Гофры смежных пластин 18 каждого структурированного насадочного модуля 16 проходят крест-накрест или поперек. Угол наклона гофров относительно вертикальной оси колонны 10 может быть выбран в соответствии с требованиями специфического применения. Например, могут быть использованы углы наклона в 30, 45 или 60 градусов, или также другие углы.
Если гофры смежных пластин 18 в каждом структурированном насадочном модуле 16 имеют возможность контактировать друг с другом, точки контакта обеспечивали бы области низкой текучести, где наиболее предпочтительно накапливаются твердые частицы, приводя к образованию загрязнения и нагара. Таким образом гофры смежных пластин 18 в каждом структурированном насадочном модуле 16 отстоят друг от друга по всей их длине с помощью дистанционных проставок 20, которые крепятся к пластинам 18. Дистанционные проставки 20 выполнены для того, чтобы удерживать расстояние между смежными пластинами 18 по всей их длине и ширине для обеспечения беспрепятственного пути потока для текучей среды, обычно жидкости, нисходящей вдоль всех поверхностей пластин и текучей среды, обычно пара, восходящей в открытом пространстве между пластинами 18. Гофры смежных пластин 18 образуют наклонные каналы потока для восходящего пара. Благодаря тому, что смежные пластины 18 не контактируют друг с другом или другими элементами, поток жидкости и пара вдоль пластин 18 в общем однороден без присутствия областей низкой текучести, которые могли бы приводить к накапливанию твердых частиц на пластинах 18 и в результате к засорению и накоплению нагара на пластинах 18.
Дистанционные проставки 20 могут быть различной соответствующей формы. В изображенном варианте осуществления дистанционные проставки 20 представляют собой ряд ровных стержней 22, которые проходят вдоль верхней и нижней кромок структурированных насадочных модулей 16 в общем перпендикулярно к пластинам 18. Стержни 22 могут проходить через или быть утоплены в отверстия 24, образованные на кромках пластин 18 так, чтобы они не препятствовали контакту между верхними кромками пластин 18 одного структурированного насадочного модуля 16 и нижними кромками пластин 18, находящегося выше другого структурированного насадочного модуля 18. Стержни 22 могут иметь круглое, треугольное, квадратное или другое требуемое поперечное сечение. Отверстия 24, вмещающие стержни 22, могут быть выполнены как в виде выемок, так и в виде полных отверстий и аналогично могут иметь круглую, треугольную, квадратную или другую требуемую форму. Функция дистанционных проставок 20 состоит в удержании вместе пластин 18 в каждом структурированном насадочном модуле 16 и удержании смежных пластин 18 на требуемом расстоянии между гофрами. Необходимо понимать, что для осуществления этих функций могут быть использованы другие типы дистанционных проставок 20 и стержней 22. Это подразумевается и входит в объем настоящего изобретения. Желательно, однако, чтобы дистанционные проставки 20 были выполнены и прикреплены к пластинам 18 таким образом, чтобы уменьшить возможность накопления твердых частиц на дистанционных проставках 20 или в точках их прикрепления к пластинам 18.
2
Угол Φ сгиба (гофра) (фиг.4) и высота h (фиг.4) или амплитуда гофрировки в каждой пластине 18, так же как и интервал между смежными пластинами 18 в каждом структурированном насадочном модуле 16, может меняться для определенных применений. Когда высота гофра гофрировки увеличивается, количество пластин 18, которые могут быть расположены по поперечному сечению колонны 10, уменьшается. Аналогично, когда интервал между пластинами 18 увеличивается, количество пластин 18, которые могут быть расположены поперек области поперечного сечения колонны 10, уменьшается. В общем, когда количество или поверхностная область пластин 18 увеличивается, эффективность процессов массопереноса или теплообмена также увеличивается. Одновременно, однако, падение напора между верхним и нижним концами структурированных насадочных модулей 16 увеличивается, и мощность потока текучей среды структурированных насадочных модулей 16 уменьшается.
Вероятность того, что твердые частицы будут накапливаться на поверхностях пластин 18 также увеличивается, когда уменьшается радиус изгиба вершин гофрировки. Таким образом в жестких условиях эксплуатации, где имеют место засорение и образование нагара, в общем, желательно уменьшить радиус изгиба пластин 18 для уменьшения возможности накопления твердых частиц на пластинах 18, при этом выбирая угол сгиба и высоту гофрировки и расстояние между смежными пластинами так, чтобы обеспечить требуемое падение напора и мощность потока текучей среды для структурированного насадочного модуля 16.
Каждый слой 15a-d структурированных насадочных модулей 16 может состоять из единого структурированного насадочного модуля 16, который проходит полностью по всему поперечному сечению колонны 10 и удерживается на опорном кольце (не изображено), прикрепленном к кожуху 12 колонны, нижележащему насадочному модулю 16, или другой соответствующей поддерживающей конструкции. Альтернативно, множество отдельных структурированных насадочных модулей 16 в виде брикетов могут быть собраны для образования одного или более слоев 15a-d. Каждый структурированный насадочный модуль 16 обычно уложен непосредственно на смежный нижележащий структурированный насадочный модуль 16 и обычно повернут так, чтобы гофрированные пластины 18 в одном слое располагались в вертикальных плоскостях, которые наклонены относительно вертикальных плоскостей, образованных гофрированными пластинами 18 смежного слоя. Этот угол поворота обычно составляет от 45 до 90 градусов, но, если требуется, может иметь другое значение.
Все поверхности пластин 18 в общем ровные и не имеют поверхностную текстуру и отверстия (иные отверстия, чем отверстия 24, используемые для удержания стержней 22 на пластинах 18), которые могут позволить твердым частицам накапливаться на пластинах 18. Распыляющие насадки (не изображены) могут быть расположены над и/или под модулями 16 для направления распыляемой жидкости на поверхности пластин 18 для удаления или предотвращения накопления твердых частиц на пластинах 18. Для того чтобы позволить распыляемой жидкости достичь всей поверхности пластин 18, модули 16 могут быть выполнены с вертикальной высотой примерно 2 и 7/8 дюйма. В других применениях структурированные насадочные модули 16 могут иметь высоту до или более примерно 6 дюймов. В применениях, когда твердые частицы в потоке подаваемой текучей среды могли бы привести к засорению распылительных насадок или известных проточных распределителей текучей среды, которые подают текучую среду на модули 16, может быть использован переливной проточный распределитель жидкости.
На практике один или более структурированный насадочный модуль 16 расположен в открытой внутренней области 14 в колонне 10 для использования для улучшения массопереноса и/или теплообмена между потоками текучей среды, текущими в противотоке в колонне 10. Как только потоки текучей среды соударяются с пластинами 18 в одном или более структурированном насадочном модуле 16, поток текучей среды орошает поверхность пластин 18 для увеличения области контакта и, таким образом, массопереноса и/или теплообмена между потоками текучей среды. Так как гофры смежных пластин 18 расположены на расстоянии друг от друга, поток текучей среды, обычно поток жидкости, имеет возможность нисходить вдоль наклонной поверхности гофров в общем равномерно без задержки зонами низкой текучести, которые обычно появляются, когда гофры находятся в контакте друг с другом или другими структурными элементами по их длине. Другой поток текучей среды, обычно поток пара, также имеет возможность восходить в открытом пространстве между пластинами 18 по существу равномерно без задержки в областях низкой текучести, которые могли бы появиться, если гофры находились бы в контакте друг с другом или другими структурными элементами по их длине. Таким образом, структурированные насадочные модули 16 обеспечивают требуемую конструкционную прочность и эффективность разделения, причем будучи устойчивыми к засорению и образованию нагара.
Учитывая вышеизложенное, можно видеть, что данное изобретение является одним из полностью приспособленных для достижения всех аспектов и задач, изложенных выше вместе с другими преимуществами, которые присущи данной конструкции.
Должно быть понятно, что могут быть использованы конкретные признаки и подкомбинации, и могут быть реализованы без ссылки на другие признаки и подкомбинации. Это подразумевается и входит в объем данного изобретения.
Так как может быть выполнено множество вариантов осуществления изобретения без отступления от его объема, необходимо понимать, что весь изложенный здесь материал или изображенный на приложенных чертежах может быть рассмотрен как иллюстративный, а не ограничивающий.