ВЫСОКОПРОИЗВОДИТЕЛЬНАЯ СТРУКТУРИРОВАННАЯ НАСАДКА ДЛЯ КОНТАКТНОЙ КОЛОННЫ ДЛЯ ЖИДКИХ СРЕД
HIGH-PERFORMANCE STRUCTURED PIECE FOR CONTACT COLUMN FOR LIQUID MEDIA

Настоящее изобретение относится к области оборудования для контактирования жидких сред.
Назначение контактных колонн состоит в приведении в соприкосновение жидких сред, чтобы осуществить массообмен или теплообмен между жидкими средами. Этот тип оборудования для контактного обмена между жидкими средами широко используется для осуществления операций дистилляции, ректификации, абсорбции, теплообмена, экстракции, химических реакций и т.д.
Контактные колонны обычно состоят из цилиндрического корпуса, оснащенного внутренними контактными элементами, способствующими обмену между жидкими средами. В колонне жидкие среды могут циркулировать в прямоточном или противоточном режиме. В целом, колонна позволяет осуществить тесное контактирование восходящей газовой фазы с нисходящей жидкой фазой. Контактные элементы, которые увеличивают поверхность контакта между жидкими средами, могут быть тарелками, структурированными насадками, то есть смежным расположением многочисленных единичных элементов, установленных упорядоченным образом, например волнистых листов, или насадок насыпью, то есть беспорядочных пакетов единичных элементов, например колец, спиралей.
Структурированные насадки могут состоять из сложенных и размещенных упорядоченным образом листов в виде больших блоков, как описано, например, в документах US 3679537 и US 4296050. Насадки насыпью нового поколения обычно состоят из металлических элементов, снабженных перфорациями и аркообразными участками со сложными формами.
Структурированные насадки имеют преимущество, заключающееся в создании большой геометрической площади для характерного заданного диаметра, обычно гидравлического диаметра каналов, тогда как их эффективная площадь меньше или близка к их геометрической площади. И наоборот, насадки насыпью обеспечивают достаточно маленькие значения геометрической площади относительно их характерного размера, зато они могут увеличивать эффективные площади обмена, которые превосходят их геометрические площади.
Из заявки на патент US 2010/0213625 известна насадка, соединяющая преимущества структурированных насадок и преимущества насадок насыпью. Подобная структурированная насадка разработана таким образом, что в ней имеются характеристики насадок насыпью, приводящие, в частности, к отслоению жидкости от поверхности насадки и позволяющие увеличивать эффективную площадь, значительно превосходящую геометрическую площадь. Эта насадка (фиг. 1) состоит из пакета пластинок (фиг. 2, 3А и 3В), имеющих складки, причем каждая пластинка вписана между двумя параллельными плоскостями, отстоящими друг от друга на расстоянии от 5 до 50 мм. Складки образуют последовательность положительных остановок (вершина канала, СА2) и отрицательных остановок (впадина канала, СА1), которые содержат ребра, вписанные между упомянутыми двумя параллельными плоскостями. Ребра образованы путем разреза и деформации полосы В. Эта полоса В разрезана по надрезам С1 и С2. Надрезы С1 и С2 образуют угол 90° по отношению к основному направлению каналов. Полоса В остается жестко соединенной с пластинкой на уровне своих концов Е1 и Е2. Полоса В деформирована с возможностью принятия треугольной формы, почти симметричной своей начальной форме по отношению к меридианной плоскости Р. Ширина L полосы В приблизительно равна расстоянию, разделяющему две смежные полосы вдоль канала (от 1 до 15 мм). Направление (D) остановок одной пластинки образует не равный нулю угол по отношению к направлению (D') остановок соседней пластинки. Положения двух последовательных пластинок являются такими, что основные направления остановок каждой из двух пластинок изменяются от 60 до 90°. Две последовательные пластинки установлены напротив друг друга.
На фиг. 4 и 5 показаны соответственно два возможных случая контактирования между двумя последовательными пластинками. Хорошим контактированием между двумя пластинками считают контактирование, которое происходит между положительной остановкой одной пластинки и отрицательной остановкой соседней пластинки. На фиг. 4 есть сообщение между двумя зонами без отверстий, и имеется хорошее контактирование между пластинками, так что отсутствует риск их взаимного проникновения. На фиг. 5 есть сообщение, с одной стороны, между одной зоной без отверстий (нижняя пластинка) и, с другой стороны, одной зоной с отверстием (верхняя пластинка), таким образом, нет хорошего контактирования между пластинками, так что они могут взаимно проникать таким образом, что не возможна удовлетворительная сборка с применением, соответствующим промышленному производству.
Вероятность плохого контактирования проиллюстрирована на фиг. 6. Эта фигура соответствует 2D (двухразмерному) виду двух наложенных одна на другую пластинок. Установлено, что на несколько зон хорошего контактирования (круги, выполненные пунктиром) имеется большое число плохих контактов (круги, выполненные сплошными линиями). Во время монтажа промышленных блоков насадок многочисленные составляющие блок пластинки удерживаются прижатыми друг к другу, при этом факт отсутствия достаточного контактирования приводит в результате к несоблюдению общей толщины блока и имеются зоны нагромождения пластинок, пагубно влияющих на поток, а также другие зоны со слишком большим зазором, оставляющие возможность обтекания (байпаса) газа или жидкости.
Для того чтобы сохранить характеристики насадки, необходимо обеспечить хороший монтаж насадок между собой, то есть монтаж без нагромождения.
Таким образом, предмет изобретения относится к насадке, объединяющей преимущества структурированных насадок и преимущества насадок насыпью, такой как насадка, описанная в документе US 2010/0213625, в которой число хороших контактов доведено до максимума посредством по меньшей мере одной продольной зоны, параллельной одному из краев пластинки, в которой остановки не содержат отверстия.
Влияние на технический результат выбора ширины полосы от 1 до 15 мм раскрыто в документе FR 2913353 (соответствующем заявке на патент US 2010/0213625, цитируемой в разделе "Предшествующий уровень техники" настоящего описания), на странице 10, строках 10-20 которого указано, что "Для того, чтобы пластины полностью выполняли свою функцию, ширина L полос В должна превышать 1 мм с целью избежать эффекта капиллярности, сопровождаемого перекрытием отверстий, сформированных на поверхности каналов деформированными полосами В". Для облегчения протекания в виде жидкой пленки и протекания в форме капель в свободном пространстве, образованном деформированными лентами, можно предусмотреть, чтобы ширина полос В была меньше 15 мм.
Направление каналов насадок ориентировано согласно углу 10°-75°. В данном интервале направление предлагает хороший компромисс. Действительно, в интервале от 0 до 10° ориентация каналов была бы почти вертикальной, что существенно снизило бы эффективность обмена жидкость/газ. И наоборот, в пределах 75°-90° направление каналов насадки будет практически горизонтальным, в результате чего существенно уменьшится поток, а также снизится эффективность обмена жидкость/газ. В интервале 10-75° обеспечивается наилучший компромисс для достижения оптимальной эффективности системы.
Для улучшения обмена жидкость/газ необходимо, чтобы срединные плоскости пластины образовывали требуемый угол с плоскостями соседних пластин. Угол меньше 20° не способствует обмену жидкость/газ и является неприемлемым, откуда и выбор интервала 20°-90°.
В целом изобретение относится к структурированной насадке обменной колонны для жидкой среды, образующей поверхность обмена по меньшей мере для одной жидкой фазы, предназначенной тесно контактировать по меньшей мере с одной газовой фазой, при этом упомянутая насадка состоит из пакета пластинок, содержащих складки, причем каждая пластинка заключена между двумя параллельными плоскостями (L1:L2), упомянутые складки образуют последовательность положительных и отрицательных остановок, каждая остановка содержит ребра (А), заключенные между упомянутыми двумя параллельными плоскостями, каждое из упомянутых ребер состоит по меньшей мере из одной полосы (В), разрезанной в одной из упомянутых пластинок, ширина (L) полосы составляет от 1 до 15 мм, причем полоса остается жестко соединенной с пластинкой по меньшей мере с одной стороны (E1; Е2) и полоса деформирована с возможностью создания отверстия, образующего прерывистость на поверхности пластинки, и в которой направление (D) остановок одной пластинки образует не равный нулю угол относительно направления (D') остановок соседней пластинки, и в которой ребра канала имеют длину, отличную от длины ребер соседнего канала. Согласно изобретению каждая пластинка содержит по меньшей мере одну продольную зону, параллельную одному из краев пластинки, в которой остановки не содержат отверстия, упомянутые зоны расположены так, что две соседние пластинки имеют упомянутые зоны одна сверху другой с образованием по меньшей мере одной точки контакта между положительной остановкой и отрицательной остановкой двух соседних пластинок.
Согласно настоящему изобретению каждая пластинка может содержать по меньшей мере одну зону в центре пластинки и/или на периферии пластинки. Согласно одному варианту осуществления настоящего изобретения каждая пластинки содержит одну зону в центре пластинки и одну зону рядом с краем.
Согласно изобретению каждая продольная зона может продолжаться по всей длине края пластинки, которому она параллельна.
Согласно изобретению ширина продольной зоны может быть больше или равной ширине (E1, Е2) полос ребер.
Изобретение относится также к контактной колонне для жидкой среды, содержащей многочисленные блоки, включающие в себя структурированные насадки по изобретению, в которой упомянутое направление каналов насадок ориентировано под углом, составляющим от 10° до 75°, по отношению к оси колонны, и в которой медианные плоскости структурированной насадки одного из упомянутых блоков образуют угол, составляющий от 20° до 90°, по отношению к медианным плоскостям соседних блоков.
Изобретение относится равным образом к применению контактной колонны по изобретению для сушки газа, раскисления природного газа, декарбонизации дымов, обработки промышленного газа в процессе Клауса (каталитической очистки серосодержащего газа) или для дистилляции. Другие характеристики и преимущества изобретения будут лучше понятны из нижеследующего описания, приводимого со ссылкой на чертежи, на которых:
Фиг. 1 изображает собой насадку, состоящую из пакета пластинок со складками, содержащими ребра.
Фиг. 2 - в виде схемы форму пластинки со складками, представленной без ребер.
Фиг. 3А и 3В изображают разрезанную полосу в канале пластинки со складками.
Фиг. 4 изображает случай хорошего контактирования между двумя последовательными пластинками.
Фиг. 5 - случай плохого контактирования между двумя последовательными пластинками.
Фиг. 6 - вероятность плохих контактов и хороших контактов между двумя последовательными пластинками.
Фиг. 7 - схему пластинки насадки с тремя зонами без отверстий.
Фиг. 8 - вариант двух пластинок насадки с тремя зонами без отверстий и выделены точки хороших контактов (пунктирные линии).
Фиг. 2, 3А и 3В изображают лист или прямоугольную пластинку со складками, которая составляет основу структурированной насадки согласно настоящему изобретению. Складки заключены между двумя параллельными относительно близкими плоскостями L1 и L2. Расстояние h, отделяющее L1 от L2, может составлять от 5 мм до 50 мм, предпочтительно больше 10 мм и предпочтительнее от 10 мм до 30 мм. Средняя плоскость Р делит пространство между L1 и L2 на две равные части. На фиг. 2, 3А и 3В складки выполнены в форме треугольника и расходятся с одной и с другой стороны от средней плоскости Р: одна часть складок расположена с одной стороны плоскости Р, другая часть складок расположена с другой стороны от плоскости Р. Складки образуют последовательность каналов, которые продолжаются в направлении, отмеченном стрелкой D. На фиг. 2 канал СА1 расположен под плоскостью Р. Канал СА2, смежный с каналом СА1, расположен над плоскостью Р. Выбирают предпочтительно складки, которые создают каналы, которые соприкасаются с плоскостями L1 и L2, не выходя из пространства, ограниченного этими двумя плоскостями. Таким образом, листы со складками занимают максимальную поверхность на плоском участке, образованном плоскостями L1 и L2. Канал содержит либо положительную остановку (СА2), либо отрицательную остановку (СА1).
Можно применять разные формы складок пластин для того, чтобы выполнить структурированную насадку по изобретению. Например, можно использовать пластины со складками синусоидальной формы. Можно изготовить складки, которые не являются симметричными, например сочетание полукругов и треугольников. Можно равнозначным образом использовать пластинки, содержащие нерегулярные и случайные складки. Складки, которые образуют последовательность положительных остановок (вершина канала) и отрицательных остановок (впадина канала), содержат ребра, заключенные между двумя параллельными плоскостями. Каждое из ребер состоит по меньшей мере из разрезанной полосы в одной из пластинок, ширина полосы составляет от 1 до 15 мм, причем полоса остается жестко соединенной с пластинкой по меньшей мере с одной стороны, при этом полоса деформирована с возможностью создания отверстия, образующего прерывистость на поверхности пластинки. Направление (D) остановок одной пластинки образует не равный нулю угол по отношению к направлению (D') остановок соседней пластинки.
Положения двух последовательных пластинок таковы, что основные направления остановок каждой из двух пластинок изменяются от 60 до 90°.
Для того чтобы улучшить рабочие характеристики этого типа насадки, необходимо обеспечить хороший монтаж пластинок между собой, то есть монтаж без нагромождения. Для того чтобы это сделать, пластинки изменяют таким образом, чтобы довести до максимума число хороших контактов между двумя пластинками, то есть контактов, создающихся между положительной остановкой одной пластинки и отрицательной остановкой соседней пластинки.
Согласно изобретению каждая пластинка содержит по меньшей мере одну продольную зону, параллельную одному из краев пластинки, в которой остановки не содержат отверстия. Эти зоны расположены в структурированной насадке таким образом, что две соседние пластинки имеют упомянутые зоны одна сверху другой с образованием по меньшей мере одной точки контакта между положительной остановкой и отрицательной остановкой двух соседних пластинок.
Предпочтительно каждая продольная зона продолжается по всей длине края пластинки, которому она параллельна. Ширина продольной зоны больше или равна ширине (E1, Е2) полос ребер.
На фиг. 7 представлен вид спереди пластинки насадки с высотой Н и длиной L. Высота Н фиксирует высоту блоков насадки, обычно она близка к 20 см, но может составлять от 2 см до 1 м, предпочтительно от 10 см до 30 см. Длина L является изменяемой величиной и функцией диаметра колонны, в которой установлена насадка, этот диаметр изменятся обычно от 5 (cm) см до 15 (m) м. Для классических промышленных колонн, то есть колонн с диаметром, превышающим 1 м, длины составляют предпочтительно от 0,5 до 3 м и предпочтительнее от 1 до 2 м. Пластинка по фиг. 7 снабжена тремя зонами А, В и С без отверстий; эти зоны повторяют в направлении, перпендикулярном высоте пластинок. Фиг. 8 соответствует варианту по фиг. 6, но с использованием настоящего изобретения с тремя зонами без отверстий. Отныне отмечается, что пропорция хороших контактов является более важной, чем в предыдущем случае, и количество хороших контактов изменяется с 25% до 33%, и, кроме того, сокращается длина пластинки без хорошего контакта в два раза.
Снабженные ребрами листы со складками штабелированы с образованием структурированной насадки. Предпочтительно направление каналов листа со складками смещено по отношению к направлению каналов соседних листов, например, на угол от 20° до 90° и предпочтительно на угол, составляющий величину, существенно близкую к 90°.
Насадка согласно настоящему изобретению может быть использована для осушки газа, раскисления природного газа, декарбонизации дымов, обработки промышленных газов в процессе Клауса (каталитической очистки серосодержащего газа). В этих применениях подлежащий обработке газ контактирует с жидким поглощающим раствором в контактной колонне. Эта колонна содержит многочисленные блоки, включающие в себя структурированные насадки согласно настоящему изобретению, в колонне направление каналов насадок ориентировано под углом, составляющим от 10° до 75°, по отношению к оси колонны, и при этом средние плоскости структурированной насадки упомянутых блоков образуют угол, составляющий от 20° до 90° относительно средних плоскостей соседних блоков.
Насадка согласно настоящему изобретению может быть использована для дистилляции, в частности для дистилляции углеводородных фракций. В этом применении насадка согласно настоящему изобретению находится в колонне, оборудованной по меньшей мере подачей самотеком и двумя отводами, фазы тяжелой и фазы легкой.