СПОСОБ АБСОРБЦИОННОЙ КОНДЕНСАЦИИ ПАРОВ ЛЕГКОКИПЯЩЕЙ ЖИДКОСТИ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ РЕАЛИЗАЦИИ ТАКОГО СПОСОБА
METHOD OF ABSORPTION CONDENSATION OF READILY BOILING FLUID VAPORS AND DEVICE TO THIS END

Изобретение относится к области абсорбционной конденсации паров легкокипящей жидкости, в частности к области технических мер, направленных на сокращение потерь бензинов от испарения.
Известно, что абсорбция - поглощение жидкостью веществ, состоящих из смеси газов [1, с.10].
Известен способ абсорбционной конденсации паров легкокипящей жидкости (бензина), включающий охлаждение абсорбента посторонним охладителем, подачу абсорбента в верхнюю часть абсорбера и поглощение паров поверхностью охлажденного абсорбента [2, с.106].
В известных абсорбционных системах в качестве абсорбента, поглощающего пары бензина, используются либо тяжелые нефтяные фракции (газойль, керосин, дизтопливо), либо охлажденный бензин.
В известных абсорберах используются самые разнообразные типы активных (развитых) поверхностей конденсации, на которых происходит сорбция паров легкокипящей жидкости. Поэтому по типу активной поверхности абсорберы подразделяются на поверхностные (в т.ч. и пластинчатые), пленочные, трубчатые, насадочные (в т.ч. насыпные), барботажные (в т.ч. тарелочные), распыливающие и т.п. [3]. По расположению относительно горизонта абсорберы могут быть вертикальными, горизонтальными, наклонными и смешанными.
Изобретение может быть применимо ко всем типам абсорберов. Но для простоты изложения сущность изобретения будет рассмотрена применительно только к конструкции вертикального насадочного насыпного абсорбера.
Согласно известному способу паровоздушная смесь (смесь паров бензина с воздухом - ПВС) поступает в абсорбер с насадкой (например, с насыпкой из керамических колец Рашига и т.п.). В абсорбере в процессе противоточного движения (ПВС↔жидкий бензин) развитая на кольцах Рашига поверхность абсорбента (холодного бензина) непрерывно течет в насадке, где и происходит сорбция бензиновых паров поверхностью предварительно охлажденного абсорбента (бензина) и их частичная конденсация. А несконденсировавшийся холодный газ (воздух) выбрасывается из абсорбера в атмосферу.
Такой способ абсорбционной конденсации паров легкокипящей жидкости (бензина) реализуется в устройстве, которое содержит абсорбер, обладающий развитой (активной) поверхностью конденсации (например, насыпка из колец Рашига) и с газовыми и жидкостными входом и выходом, а также охладитель абсорбента [2, с.107, рис.5.14] и [4, с.154, рис.3.60].
Однако согласно известному способу поток несконденсировавшегося газа (в основном поток воздуха) выбрасывается из известного устройства сильно охлажденным, что приводит к большим потерям холода и снижению эффективности устройства. Это является существенным недостатком.
Для уменьшения такого недостатка необходимо извлекать остатки холода из воздуха, выходящего из абсорбера, т.е. произвести рекуперацию (возврат) холода. Для этого в конструкцию абсорбера необходимо ввести рекуператор холода.
В качестве рекуператора обычно используется известный противоточный теплообменник, например трубчато-ребристый с раздельными потоками (один поток внутри трубы, второй снаружи омывает ребра, расположенные на наружной поверхности такой трубы). Но это сложное, дорогое и металлоемкое устройство, что является недостатком.
Техническим результатом предлагаемого технического решения является уменьшение указанного недостатка, т.е. упрощение конструкции рекуператора.
Указанный технический результат в части способа достигается тем, что развитую поверхность конденсации абсорбера разделяют на две или более части, при этом в верхнюю часть сверху подают неохлажденный (или недоохлажденный до рабочей температуры) абсорбент, а сверху на каждую последующую нижерасположенную часть подают абсорбент, охлажденный охладителем до низких температур, с обеспечением его смешивания с абсорбентом, поступающим из вышерасположенной части абсорбера.
Указанный технический результат в части устройства достигается тем, что развитая поверхность конденсации абсорбера разделена на две или более части, причем начало верхней части связано с узлом подачи неохлажденного (или недоохлажденного до рабочей температуры) абсорбента, а начало каждой последующей нижней части связано с узлом подачи охлажденного до низких температур абсорбента и имеет узел смешения с потоком абсорбента, поступающим из вышерасположенной части абсорбера.
Фиг.1 изображает предлагаемое устройство.
Источник ПВС (цистерна) 1 соединен с газовым входом 2 вертикального абсорбера 3, содержащего насадку, например насыпку из керамических или металлических колец Рашига, который кроме газового входа 2 имеет и газовый выход 4, а также жидкостный вход 5 и жидкостный выход 6.
Выход 7 газового канала 4 обычно открыт в атмосферу. Но если устройство предназначено для рекуперации не паровоздушной смеси (ПВС), а, например, для рекуперации одного газа из смеси двух углеводородных газов (пропан-бутан, метан-этан и т.п.), то выход 7 обратного газового канала 4 должен быть соединен с входом устройства, забирающего оставшийся несжиженным газ (например, метан).
Жидкостный вход 5 абсорбера через тройник 8 с помощью трубопровода 9 соединен с питающим насосом 10. Элементы 10-9-8 - это узел подачи бензина. Трубопровод 9 через этот же тройник 8 соединен также с входом прямого канала 11 рекуперативного теплообменника 12. Выход прямого канала 11 теплообменника 12 соединен с легко проницаемым для ПВС каплеуловителем-смесителем 13, расположенным между двумя частями насадки (двумя насыпанными слоями колец Рашига) вертикального абсорбера 3. Верхняя насыпка (верхняя часть насадки) 14 имеет меньшую толщину, чем нижняя 15.
Обратный канал 16 противоточного рекуперативного теплообменника 12 замкнут через источник холода, например через холодильную фреоновую машину, состоящую из компрессора 17, фильтра-охладителя 18 и дросселя 19. Под жидкостным выходом 6 абсорбера 3 расположен приемник-накопитель 20 смеси конденсата (в данном случае бензина) и абсорбента (бензина).
Могут быть применены и другие источники холода, например вихревая труба и т.п.
Работает рассмотренное устройство следующим образом.
3
При заполнении свежим бензином ранее опорожненной емкости 1 из ее свободного пространства вытесняются оставшиеся бензиновые пары. Так, известно, что летом в одном кубическом метре ПВС может содержаться до 2 литров свободно-испарившегося бензина [2, с.85], следовательно, в каждой полностью опорожненной (пустой) железнодорожной цистерне объемом 60 м может содержаться до 120 л бензина, которые могут быть сохранены за счет конденсации по рассматриваемому способу.
Вытесняемая из цистерны 1 паровоздушная смесь через газовый вход 2 снизу поступает в насыпку 15 и поднимается вверх, проходя последовательно нижнюю насыпку 15, каплеуловитель-смеситель 13, верхнюю насыпку 14, после чего через газовый выход 4 выбрасывается в атмосферу.
Перед началом работы устройства, предназначенного для реализации рассматриваемого способа абсорбционной конденсации паров легкокипящей жидкости, приводится в действие компрессор 17, подающий хладагент под давлением через дроссель 19 в обратный канал 16 теплообменника 12.
Проходя через дроссель 19 хладагент (фреон, хладон, аммиак, пропан и др.) вскипает и сильно охлаждается. Поэтому, проходя через обратный канал 16 теплообменника 12, он выхолаживает прямой поток бензина 11, поступающий от насоса 10 на каплеуловитель-смеситель 13.
Охлажденный (холодный) бензин, поступающий из прямого канала 11 теплообменника 12 через каплеуловитель-смеситель 13 в нижнюю насыпку 15, вступает в поверхностный контакт с движущимся снизу вверх потоком ПВС и выхолаживает его.
OC
Одновременно с этим неохлажденный абсорбент (бензин) с температурой окружающей среды (например, t=25°C=298K) от насоса 10 по трубопроводу 9 через тройник 8 и жидкостный вход 5 поступает на поверхность верхней насыпки 14 и проходит последовательно сквозь верхнюю насыпку 14, каплеуловитель-смеситель 13, сквозь нижнюю насыпку 15, после чего через жидкостный выход 6 сливается в приемник-накопитель конденсата 20, откуда насосом 10 по трубопроводу 9 вновь подается в тройник 8.
При этом неохлажденный абсорбент (бензин), поступающий в верхнюю часть 14 абсорбера 3 из патрубка 5, проходя сверху вниз по поверхностям колец Рашига, охлаждается, вступая в поверхностный контакт с потоком ПВС, охлажденным в нижней насыпке 15, проходящим снизу вверх (т.е. в противотоке), и подогревает этот ноток. Но при этом пары бензина частично конденсируются на активных поверхностях насадки 14.
В результате такого движения охлажденный абсорбент (бензин) каплями стекает из верхней части 14 на поверхность каплеуловителя-смесителя 13, где смешивается с холодным бензином, поступающим из прямого канала 11 теплообменника 12.
Окончательно нары бензина конденсируются в нижней насыпке 15 и поглощаются поверхностью холодного абсорбента (бензина). Часть холода, содержащегося в холодном бензине, поступающем через канал 11, расходуется на процесс конденсации, другая часть охлаждает воздух с остатками бензиновых паров, которые через легко проницаемый для ПВО каплеуловитель-смеситель 13 снизу поступают в верхнюю насыпку 14, где, отдавая остатки холода, предварительно охлаждают теплый поток абсорбента (бензина), поступающего в абсорбер из тройника 8 через жидкостный вход 5.
При этом, как уже отмечалось, в верхней насыпке 14 конденсируется оставшаяся в ПВС часть паров бензина (после конденсации в нижней части насадки), а чистый воздух через патрубок 4 выбрасывается в атмосферу.
Образовавшийся в верхней насыпке конденсат (бензин) и подаваемый абсорбент (бензин) смешиваются и стекают в каплеуловитель-смеситель 13, где еще раз смешиваются уже с холодным бензином, поступающим из прямого канала 11 теплообменника 12.
В результате в нижней части насадки (в нижней насыпке 15) происходит полная (окончательная) конденсация бензина из ПВС за счет как холода, поступающего с бензином из прямого канала 11 теплообменника 12, так и возвращаемого холода, поступающего с абсорбентом (бензином) из верхней части насадки (верхней насыпки 14). При этом в верхней части насадки (в верхней насыпке 14) происходит частичная конденсация паров бензина и выхолаживание газового потока, т.е. в этой части происходит рекуперация (возврат) недоиспользованного холода, а согревшаяся ПВС, оставшись без паров бензина (почти чистый воздух), через патрубки 4 и 7 выбрасывается в атмосферу.
Так как в верхней части насадки 14 всегда повышенная температура, то проходящий по развитой поверхности смоченных бензином колец Рашига поток воздуха может приводить к испарению бензина, пары которого через патрубок 7 могут поступать в атмосферу.
OC
2
2
2
2
2
Для предотвращения этого нежелательного явления необходимо разделить теплопроводной стенкой оба потока, т.е. самую верхнюю часть рекуператора выполнить, например, в виде трубчато-ребристого теплообменника и окончание процесса рекуперации (повышения температуры ПВС вплоть до t) проводить с разделенными потоками. Это позволит предотвратить нежелательное испарение бензина. Для этого патрубок 5 абсорбера необходимо подключить к тройнику 8 через прямой канал 21 противоточного рекуперативного теплообменника 22 (фиг.2), а патрубок 4 абсорбера подключить к выходу газового канала 7 через обратный канал 23 того же теплообменника. При этом возможно немного уменьшить площадь теплообмена для верхней части насадки 14. Так, например, при потребной общей площади 10 м теплообмена у рекуператора 14 площадь трубчато-ребристого рекуператора-теплообменника 22 должна составлять 3,2 м, а площадь насыпного рекуператора-абсорбера 14 должна составлять 7 м, т.е. они находятся в соотношении 1:2. А это значит, что все равно потребная площадь более дорогого и более сложного трубчато-ребристого рекуператора-теплообменника 22 будет в три раза меньше (не 10 м, а всего лишь 3,2 м) при наличии простого и дешевого насыпного рекуператора-абсорбера 14.
Так как в верхней насыпке 14 (фиг.2) происходит только частичная рекуперация холода, а некоторая часть холода с ПВС уходит в прямой канал 23 трубчато-ребристого рекуператора-теплообменника 22, то получается, что обратно в насыпку 14 поступает недоохлажденный до рабочей температуры абсорбент (бензин).
Абсорбент (бензин) полностью охлажден до рабочей температуры только в области каплеуловителя-смесителя 13.
OC
2
OC
2
Согласно фиг.2 перепад ΔT между температурой бензина, подаваемого на вход 8 абсорбера (t=25°C=298K), и требуемой рабочей температурой абсорбента (Т=-40°С=233К) составит ΔТ=t-T=298K-233K=65 градусов, т.е. на такую температурную нагрузку должна быть рассчитана холодильная машина (17-18-19). Это тяжелый режим работы низкотемпературного холодильника, непосредственно влияющий на его долговечность, что является недостатком.
Для уменьшения такого недостатка насадку (насыпку) абсорбера 3 необходимо разделить на 3 (а для тропического исполнения - и более) секций (14, 15, 27), между которыми расположить каплеуловители-смесители 13, каждый из которых функционально связан со своей холодильной машиной (17-18-19) и (17'-18'-19') через прямые каналы 11 и 24 индивидуальных теплообменников-охладителей 12 и 25 (фиг.3).
1
OC
1
1
OC
1
Согласно фиг.3 перепад ΔT между температурой бензина, подаваемого на вход абсорбера (t=25°C=298K), и требуемой рабочей температурой абсорбента на входе во вторую ступень 27 насыпного рекуператора-абсорбера (T=-15°C=258K) составит ΔT=t-T=298K-258K=40 градусов, т.е. на такую незначительную температурную нагрузку должна быть рассчитана среднетемпературная холодильная машина (17-18-19).
2
1
2
2
1
2
2
2
При этом перепад ΔТ между температурой бензина, подаваемого на вход второй ступени 27 насыпного рекуператора-абсорбера (T=-15°С=258К), и требуемой рабочей температурой абсорбента (Т=-40°С=233К) на входе в каплеуловитель-смеситель 13 составит ΔТ=Т-Т=258К-233К=25 градусов. Это щадящий режим работы низкотемпературного холодильника, который позволяет еще более понизить рабочую температуру, например, до Т=-50°С=223К, что значительно повысит эффективность улавливания паров бензина при сохранении щадящего режима работы низкотемпературного холодильника (ΔТ=35 градусов).
Таким образом, сущностью изобретения является то, что активную (развитую) поверхность конденсации абсорбера, например вертикального, разделяют на две, три или более части, при этом в начало верхней части (14) подают неохлажденный (или недоохлажденный до рабочей температуры) абсорбент, а в начало (сверху) каждой последующей (нижней) части (15, 27) подают абсорбент, охлажденный охладителем, например холодильной машиной, при этом такой абсорбент смешивают с абсорбентом, поступающим из верхней части.
В устройстве для реализации рассмотренного способа развитая (активная) поверхность конденсации вертикального абсорбера разделена на две, три или более части (14, 15, 27), причем начало верхней части (14) функционально связано с узлом подачи (10-9-8) неохлажденного (или недоохлажденного до рабочей температуры) абсорбента, а начало (верх) каждой последующей (нижней) части (15 и 27) связано с узлом подачи (10-9-8-11; 10-9-8-24) охлажденного абсорбента и имеет узел смешения (14-13 и 27-13') двух потоков абсорбента.
Кроме того, в рассматриваемом устройстве газовый выход (4) из абсорбера может быть подключен к входу обратного канала (23) противоточного теплообменника (22), на входе прямого потока (21) которого расположен узел подачи (10-9-8) неохлажденного (или недоохлажденного до рабочей температуры) абсорбента, а выход этого (прямого) потока (21) соединен с жидкостным входом (5) абсорбера (3).
Изобретение может быть использовано не только для конденсации паров нефтепродуктов, но и в других отраслях, например в химической промышленности для конденсации летучих веществ и т.п.
Литература
1. Политехнический словарь. Советская энциклопедия. М., 1976.
2. Коршак А.А. Современные средства сокращения потерь бензинов от испарения. Уфа, 2001.
3. Касаткин А.Г. Основные процессы и аппараты химической технологии. - М.: Химия, 1971.
4. Коршак А.А. Ресурсосберегающие методы и технологии при транспортировке и хранении нефти и нефтепродуктов. - Уфа: ДизайнПолиграфСервис, 2006.