Дефлегматор

Предлагаемое техническое решение относится к тепломассообменному аппарату, используемому  в процессах ректификации при конденсации паров в  верхней укрепляющей части колонны и их подачи в качестве флегмы на орошение.
Известна прямоточная массообменная тарелка для процессов разделения газовых и жидких сред, состоящая из горизонтального полотна с барботажными элементами и жестко закрепленного в отверстии полотна тарелки переливного устройства, выполненного в виде статического гидрозатвора с выступающим переливным порогом, в стенках которого выполнены отверстия в виде горизонтальных щелей, расположенные выше полотна тарелки, при этом передняя стенка статического гидрозатвора, установленная ниже полотна тарелки, выполнена с уклоном 12-15 градусов к стенке корпуса колонны, а профиль статического гидрозатвора выполнен обтекаемой формы, дополнительно между барботажными элементами и выступающим переливным порогом, с наклоном в направлении парожидкостного потока установлена форпланка, длина которой соответствует длине передней стенки выступающего переливного порога, причем передняя стенка выступающего переливного порога в два раза выше его задней стенки, выполненной в виде жалюзи с отогнутыми верхними краями щели, а высота боковых стенок выступающего переливного порога равномерно изменяется от его передней до задней стенки[описание п.м. № 172835 РФ, B01 D53/18, B01 D3/32 2017].
К причинам, препятствующим достижению заданного технического результата, является малая  боковая поверхность стенок и сложность удаления термических загрязнений с наружной и внутренней поверхностей горизонтальных полотен, что снижает производительность.
Известны аппараты воздушного охлаждения, состоящие из крышки, диффузора, вентилятора и рамы, на которой крепятся секции, собранные из оребренных труб, концы которых развальцованны в трубных досках и которые могут использоваться в качестве конденсаторов паровой фазы, образующейся в верхней укрепляющей части ректификационной колонны, и для ее подачи в колонну в качестве флегмы [Машины и аппараты химических производств: учебник для вузов / под общей редакцией А.С. Тимонин. – Калуга, издательство «Ноосфера», 2014 г., с.  460-461].
К причинам, препятствующим достижению заданного технического результата, относится малая интенсивность теплоотдачи от поверхности оребренных трубок к воздуху, а так же сложность и длительность удаления термических отложений, образующихся на  наружной и внутренней поверхности труб и теплопередающих поверхностей ребер. Это  увеличивает время очистки этих поверхностей от термических отложений, уменьшает основное время работы, а значит и производительность.
Наиболее близким техническим решением по совокупности признаков к заявленному объекту и принятому за прототип, является  дефлегматор, включающий две ступени, соединенные последовательно, причем первая ступень включает парциальный конденсатор с воздушным охлаждением, и испарительным охлаждением, когда  поверхность пучка труб на поверхности воздуха заливает вода, при этом парциальный конденсатор включает множество оребренных труб, проходящих вниз с наклоном относительно друг друга, образующих перевернутый А-образный вид, причем пучок труб расположен на нижних концах оребренных труб [описание изобретения № 2598504 РФ, F28 B1/06,  2014].
К причинам, препятствующим достижению заданного технического результата, относится ограничение длины и теплопередающей поверхности наклонных прямолинейных труб, образование застойных зон при обдувании воздухом близко расположенных друг к другу смежных труб, что уменьшает коэффициент теплопередачи, сложность равномерного орошения конденсирующейся флегмой всего сечения верхней укрепляющей  части колонны, а  также длительность очистки теплопередающих поверхностей труб и ребер от термических отложений, что в целом снижает производительность.
Техническим результатом предлагаемой конструкции дефлегматора является увеличение производительности.
Поставленный технический результат достигается тем, что дефлегматор, включающий парциальный конденсатор с воздушным охлаждением, состоящим из множества оребренных труб, проходящих с наклоном относительно друг друга, причем  трубы выполнены в виде дуг, кривизна которых увеличивается  от оси дефлегматора к периферии, верхние концы труб соединены в герметичный пучок и закреплены в трубной доске, а нижние концы труб герметично закреплены в трубной решетке с диаметром, равным диаметру верхней части ректификационной колонны, при этом трубы и их ребра выполнены из материала, обладающего эффектом памяти.
Выполнение оребренных труб в виде дуг, кривизна которых увеличивается от оси дефлегматора к периферии, позволяет  увеличить длину и теплопередающую поверхность на 25-40%, что приводит к возрастанию тепловой мощности, передаваемой от горячих паров, движущихся в трубах, к воздуху, обдувающему трубы снаружи, а значит способствует увеличению производительности. Увеличение расстояния между боковыми теплопередающими поверхностями труб, выполненных в виде дуг, уменьшает  застойные зоны при обдувании труб воздухом, что также увеличивает интенсивность теплопередачи к воздуху, а значит и производительность.
Соединение верхнего конца труб в герметичный пучок  и их закрепление  в трубной доске предотвращает неравномерность работы труб по пару дистиллята и конденсату флегмы, создает стабильный поток пара дистиллята и конденсата флегмы, обеспечивает непрерывный режим работы с высокой производительностью.
Герметичное закрепление нижнего конца труб в трубной решетке с диаметром равным диаметру верхней укрепляющей части ректификационной колонны позволяет ее использовать как крышку этой части колонны и равномерно орошать стекающим конденсатом флегмы все сечение верхней укрепляющей части ректификационной колонны, что обеспечивает устойчивость ее работы с высокой производительностью.
Выполнение труб и ребер из материалов, обладающих эффектом памяти, позволяет при повышенных рабочих температурах изменять размеры и форму труб и ребер и возвращать эти размеры и форму при  охлаждении во время ремонтов и остановок работы ректификационной колонны. Трубы при повышенных температурах увеличивают свою длину и уменьшают радиус изгиба дуг, а ребра - толщину и форму поверхности. Поэтому когда на трубах и ребрах образуются термические отложения, при их возращении в холодное состояние, создаются напряжения и деформации, приводящие к охрупчиванию, растрескиванию и быстрому удалению отложений при продувке труб внутри и обдувке их и ребер воздухом, что снижает время очистки от термических отложений, увеличивает основное время работы, повышая производительность.
В качестве материала обладающего эффектом памяти можно использовать нержавеющую сталь 12Х18Н10Т, медно-алюминиевый-никелевый сплав, никель-алюминиевый сплав с 36,8% Al, марганцово-медный сплав с 90% Mn и др. [Физические эффекты в машиностроении. Справочник/ под ред. В.А. Лукьянца. – М.: Машиностроение, 1993. – с.149-152].
На чертеже представлен общий вид предлагаемой конструкции дефлегматора.
Дефлегматор состоит из парциального конденсатора, представляющего собой трубы 1 с ребрами 2, при этом трубы 1 выполнены в виде дуг, кривизна которых увеличивается от оси дефлегматора к периферии. Верхние концы труб 1 соединены в  герметичный пучок и закреплены в трубной доске 3, а нижние концы труб 1 закреплены в трубной решетке 4 как в обычном кожухотрубчатом теплообменнике, которая является крышкой для верхней укрепляющей части ректификационной колонны 5. Трубная доска 3 снабжена патрубком 6 для отвода пара дистиллята. При этом трубы 1 и ребра 2 выполнены из материала, обладающего эффектом памяти, что позволяет им в горячем рабочем состоянии удлиняться на 20-25% и увеличивать кривизну.
Дефлегматор работает следующим образом.
Пар из верхней укрепляющей части ректификационной колонны 5 поднимается по трубам 1, которые  снаружи обдуваются окружающим воздухом. Часть пара конденсируется на внутренних стенках труб 1 и стекает в виде флегмы вниз, орошая верхнюю укрепляющую часть ректификационной колонны 5, а  несконденсировавшаяся часть пара выходит из верхних концов труб 1 через патрубок 6 в виде дистиллята. Необходимое количество жидкой флегмы и парового дистиллята регулируется расходом воздуха, подаваемого вентиляторами (на чертеже не показаны) на наружные стенки труб 1 с ребрами 2.
После образования термических загрязнений (сажи, продуктов деструкции, пыли) на внутренней и наружной  теплопередающих поверхностях труб 1 и  ребер 2, а также при плановых остановках на ремонт и осмотр работу ректификационной колонны 5 прекращают. Трубы 1, выполненные из материала, обладающего эффектом памяти, при охлаждении уменьшают свою кривизну и длину, и принимают форму, какая у них была в холодном состоянии. Так как  ребра 2, выполненные из материала, обладающего эффектом памяти, также деформируются, принимая форму и геометрические размеры, какие у них были в холодном состоянии. Термические загрязнения внутри и снаружи  труб 1 и на поверхности ребер 2 при этих деформациях охрупчиваются, растрескиваются и при продувке воздухом удаляются с наружных и внутренних поверхностей труб 1 и ребер 2.
Таким образом, выполнение труб 1 в виде дуг, кривизна которых увеличивается  от оси дефлегматора к периферии, соединение верхних концов труб 1 в герметичный пучок и его закрепление в трубной доске 3, а нижних концов труб 1 – в трубной решетке 4 с  диаметром, равным диаметру верхней укрепляющей части ректификационной колонны 5 и выполнение самих труб 1 и их ребер 2 из материала, обладающего эффектом памяти, позволяет увеличить теплопередающую поверхность труб 1, интенсифицировать теплообмен, повысить устойчивость работы дефлегматора, снизить  гидравлическое сопротивление при обтекании труб 1 воздухом, а  также уменьшить время очистки теплопередающих поверхностей труб 1 и ребер 2, что в целом приводит к росту производительности ректификационной колонны 5.