РЕКТИФИКАЦИОННАЯ ДИАБАТИЧЕСКАЯ КОЛОННА
RECTIFICATION DIABATIC COLUMN

Изобретение относится к тепломассообменным аппаратам для проведения процесса ректификации в нефтехимической, химической, пищевой и других отраслях промышленности.
Известна ректификационная колонна [Касаткин А.Г. Основные процессы и аппараты химической технологии. - АльянС, 2009. - 750 с. (см. стр. 451-453, рис. XI-18 - XI-23, стр. 484, рис. XII-14)], состоящая из куба, корпуса с технологическими штуцерами, условно разделенная на укрепляющую и исчерпывающую части, в которых размещены тарелки с контактными устройствами (колпачками, клапанами), снабженные переливными трубами.
В указанной колонне осуществляется процесс адиабатной ректификации, что энергоемко и недостаточно эффективно.
Наиболее близкой по технической сущности является ректификационная колонна [патент RU 2445996, МПК B01D 3/14 С1, опубликован 27.03.2012], включающая куб, дефлегматор, конденсатор, корпус с технологическими патрубками, состоящий из царг, между которыми размещены горизонтальные перегородки с отверстиями, снабженные теплообменными устройствами, выполненными в виде змеевиков из витков труб, соединенными с трубопроводами системы теплоносителя, в нижней части колонны горизонтальные перегородки снабжены контактными патрубками, включающими тангенциальный завихритель, отбойное устройство, патрубок для отвода жидкости, внешний цилиндр и гидрозатворную полость, выполненную из цилиндрического гидрозатворного стакана. Теплообменные устройства размещены в паровом пространстве царг под горизонтальными перегородками и снабжены хотя бы одной пластиной, отбортованной с торцов, горизонтально установленной с зазором под витками змеевика. На верхнем конце цилиндрических гидрозатворных стаканов установлены дополнительные завихрители с тангенциальными каналами.
В прототипе процесс разделения интенсифицирован, за счет проведения процесса диабатной ректификации, при которой осуществляется частичная конденсация поднимающихся паров смеси на поверхности теплообменных устройств, размещенных на ступенях, то есть реализуется процесс парциальной конденсации, при которой из поднимающихся паров в конденсат уходит в большем количестве высококипящий компонент, при этом в поднимающихся парах остается преимущественно легколетучий компонент, что приводит к укреплению смеси. [Войнов Н.А. Эффективность вихревой ступени при термической ректификации/ Войнов Н.А., Жукова О.П., Войнов А.Н., Земцов Д.А. / Теоретические основы химической технологии, 2016, т. 50, №. 5, с. 525-531].
2
К недостаткам прототипа можно отнести большую металлоемкость, недостаточно высокую эффективность разделения и наличие большого объема жидкости на горизонтальной перегородке (полотне тарелки). Высокая металлоемкость обусловлена большими габаритами теплообменных устройств, выполненных в виде змеевиков из витков труб, соединенных с трубопроводами системы теплоносителя, что вызвано необходимостью подвода теплоносителя в теплообменные устройства, а также ввиду низкой интенсивности теплосъема, (коэффициент теплоотдачи в змеевике не превышают 1000 Вт/м⋅K). Требуется выполнение большого количества витков змеевика (чтобы обеспечить поверхность теплообмена), а это также увеличивает высоту колонны и ее металлоемкость.
Недостаточно высокая эффективность разделения обусловлена тем, что образованный конденсат на поверхности теплообменных устройств, выполненных в виде змеевиков, попадает только в контактные патрубки, включающие тангенциальный завихритель, но не попадает в зону контакта, где размещены дополнительные завихрители с тангенциальными каналами, что снижает интенсивность испарения конденсата, и, соответственно, снижает эффективность разделения.
Большой объем жидкости на полотне тарелки обусловлен тем, что жидкость выдавливается силой инерции в зазор между нижним торцом внешнего цилиндра и полотном тарелки, образуя тем самым слой жидкости на всей поверхности полотна тарелки.
Задачей изобретения является повышение эффективности разделения и уменьшение объема жидкости на полотне тарелки, а также снижение металлоемкости колонны.
Поставленная задача достигается тем, что ректификационная диабетическая колонна, включающая куб, теплообменник в виде труб, укрепляющую (верхнюю) и исчерпывающую (нижнюю) части колонны, с технологическими штуцерами и горизонтальными перегородками, на которых размещены переточные устройства, а также контактные устройства, содержащие тангенциальный завихритель с отбойным устройством, гидрозатворный стакан, внешний цилиндр, патрубок для отвода жидкости, согласно изобретению, дополнительно содержит в укрепляющей части колонны герметичные камеры для ввода и вывода теплоносителя, образованные царгами, встроенными в колонну, и снабженные днищем и крышкой, причем полости камер сообщены между собой при помощи труб теплообменника, пропущенных с применением уплотняющего устройства через горизонтальные перегородки укрепляющей части колонны сквозь отверстия, соосно выполненные на отбойном устройстве тангенциального завихрителя контактных устройств, при этом внешние цилиндры контактных устройств плотно закреплены на горизонтальной перегородке, а переточное устройство вышерасположенной горизонтальной перегородки сообщено с полостью гидрозатворного стакана контактного патрубка нижерасположенной горизонтальной перегородки.
Контактные устройства исчерпывающей части колонны состоят из тангенциального завихрителя с крышкой и патрубка для прохода пара.
Технический результат, заключающийся в повышении эффективности разделения и уменьшении массы жидкости на тарелке, обусловлен выполнением в укрепляющей части колонны герметичных камер для ввода и вывода теплоносителя, полости которых сообщены между собой при помощи труб теплообменника, пропущенных с применением уплотняющего устройства через горизонтальные перегородки укрепляющей части колонны сквозь отверстия, соосно выполненные на отбойном устройстве тангенциального завихрителя контактных устройств. Внешние цилиндры контактных устройств плотно закреплены на горизонтальной перегородке, а переточное устройство вышерасположенной горизонтальной перегородки сообщено с полостью гидрозатворного стакана контактного патрубка нижерасположенной горизонтальной перегородки. За счет этого конденсат, образованный на трубах теплообменника, поступает в каждый контактный патрубок, содержащий тангенциальный завихритель, размещенный на полотне тарелки, что интенсифицирует исчерпывание легколетучего компонента из конденсата, кроме того предотвращено попадание жидкости из полости внешнего цилиндра на полотно тарелки, что улучшает контакт пара с жидкостью и исключает застойные зоны.
Герметичное соединение концов труб с полостью камер для ввода и вывода теплоносителя, которые образованы дополнительными царгами, снабженных днищем и крышкой и встроенные в колонну, позволяет повысить эффективность колонны и, кроме того, уменьшить габариты, снизить металлоемкость. Герметичное соединение труб с полостями камер для ввода и вывода теплоносителя предотвращает смешение теплоносителя с парами в колонне, а наличие уплотняющего устройства устраняет проход паров через зазор между трубой (теплообменным устройством) и отбойным устройством и тем самым позволяет не нарушать режим течения в контактном устройстве и достигать максимально возможной эффективности ступени.
Наличие теплообменных труб и камер для ввода и вывода теплоносителя, образованных дополнительными царгами, встроенными в колонну, а также днищ и крышек на них (вместо коллекторов, используемых в прототипе), позволяет обеспечить итенсивный теплосъем (например организовав пленочное течение теплоносителя на внутренней поверхности труб) при меньшей металлоемкости установки.
Крепление внешних цилиндров контактного устройства герметично на горизонтальной перегородке (сваркой или фланцевым соединением), а также наличие хотя бы одного переточного устройства, сообщенного с полостью гидрозатворного стакана завихрителя контактного патрубка, размещенного на (соседней) нижерасположенной тарелке, устраняет накопление жидкости на горизонтальной перегородке и снижает объем жидкости на ней, что особенно важно при ректификации термолабильных и взрывоопасных сред. При таком конструктивном исполнении жидкость не выдавливается силой инерции из полости внешнего стакана на полотно тарелки, а брызги с других контактных патрубков, попавшие на полотно тарелки, отводятся через переточное устройство.
На фиг. 1 изображен общий вид ректификационной диабатической колонны.
На фиг. 2 изображен разрез диабатической колонны по сечению А-А.
На фиг. 3 изображен разрез диабатической колонны по сечению Б-Б.
На фиг. 4 изображено уплотняющее устройство.
На фиг. 5 изображено контактное устройство, размещенное на горизонтальных перегородках верхней части колонны.
На фиг. 6 изображено контактное устройство, размещенное на горизонтальных перегородках нижней части колонны.
Ректификационная диабетическая колонна содержит куб 1, теплообменник 2, состоящий из труб, верхнюю 3 (укрепляющую) и нижнюю 4 (исчерпывающую) части колонны, снабженные технологическими штуцерами 5, например, для ввода и вывода паров, горизонтальными перегородками 6, оснащенными переточными устройствами 7. В верхней части колонны на всех горизонтальных перегородках 6 идентично установлены контактные устройства 8, в качестве которых использовано контактное устройство для тепломассообменных аппаратов, описанное в патенте RU 2725931, МПК B01D 3/14 О, опубликованном 2020.07.07, авторы Войнов Н.А., Земцов Д.А., Жукова О.П., Богаткова А.В. Контактные устройства 8 содержат тангенциальный завихритель 10, отбойное устройство 11, гидрозатворный стакан 15, и внешний цилиндр 16, патрубок 17 и устройство для отвода жидкости 18. На отбойных устройствах 11 контактных устройств 8 под трубы теплообменника 2 выполнено отверстие. Цилиндрические трубы теплообменника 2 проходят вдоль колонны в верхней ее части через все горизонтальные перегородки 6 сквозь отверстия на отбойных устройствах 11 от камеры ввода теплоносителя 22 до камеры вывода теплоносителя 23. Камеры ввода теплоносителя 22 и вывода теплоносителя 23 образованы дополнительными царгами, встроенными в колонну, и снабжены днищем 26 и крышкой 27.
Место контакта трубы теплообменника 2 с горизонтальной перегородкой уплотняют, для чего на отбойное устройство устанавливают патрубок 13, заполняют пространство между трубой и патрубком 13 уплотнителем 14 и поджимают втулкой 12. В дополнительных царгах выполнены штуцера также для ввода теплоносителя 28 (например, воды) и вывода теплоносителя 29 и несконденсированного газа и пара 30.
В нижней части колонны 4 на горизонтальных перегородках 6 установлены контактные устройства 9, которые состоят из тангенциального завихрителя 19 с крышкой 20 и патрубка для прохода пара 21.
Для создания гравитационного пленочного течения на внутренней поверхности труб теплоносителя 2 в их верхней части установлены газовые патрубки 31, образующие кольцевой зазор 32 для стекания жидкости из камеры ввода теплоносителя 22 и формирования пленки жидкости.
Через камеры ввода и вывода теплоносителя, соответственно, 22 и 23 также пропущены патрубки 33 и 34 для прохода пара и патрубок 35 для перетекания рабочей жидкости с верхней части колонны 3 в нижнюю часть колонны 4.
На днище 26 камер 22, 23 и на патрубках 33, 34, 35 устанавливается теплоизоляция 36. Ввод питания в колонну осуществляется через штуцер 37.
Внешний цилиндр 16 каждого контактного патрубка 8 плотно закреплен на горизонтальной перегородке 6 путем сварного соединения. Переточное устройство 7 вышерасположенной горизонтальной перегородки сообщено с полостью гидрозатворного стакана 15 контактного устройства 8 (соседней) нижерасположенной горизонтальной перегородки.
Представленная колонна имеет следующие основные конструктивные параметры: диаметр колонны 0,1-5 м, диаметр контактных устройств 8 верхней части колонны 0,1- 0,25 м, диаметр контактных устройств 9 нижней части колонны 0,15 - 0,5 м, количество контактных устройств 1-100 шт., диаметр теплообменных труб 2 от 0,015-0,08 м; высота камер ввода и вывода теплоносителя 22 и 23 - 0,1-0,5 м.
Ректификационная диабетическая колонна работает следующим образом. Пары из куба 1 поступают в контактные устройства 9 нижней (исчерпывающей) части колонны 4; проходят через каналы тангенциального завихрителя 19, и поступают в слой жидкости, размещенной на горизонтальных перегородках 6, образуя газо-жидкостный слой, в котором происходит интенсивный массообмен. Затем пары через патрубок 34 поступают на укрепляющую (верхнюю) часть колонны 3 в контактные устройства 8, размещенные на горизонтальных перегородках 6. Пары, пройдя через каналы завихрителя 10, взаимодействуют с жидкостью, размещенной в полости внешних цилиндров 16, где за счет центробежной силы образуется вращающийся газо-жидкостный слой, способствующий интенсивному массообмену и разделению фракций (укреплению). При этом поднимающиеся пары в укрепляющей части колонны 3 частично конденсируются на наружной поверхности труб 2, образуя флегму, которая поступает в полость гидрозатворного стакана 15, а затем стекает во вращающийся газо-жидкостный слой, образованный на поверхности внешнего цилиндра 16. Затем жидкость из контактного устройства 8 колонны 3 перетекает в устройство для отвода жидкости 18 и через патрубок 17 поступает в полость гидрозатворного стакана 15 контактного устройства 8, установленного на нижележащей перегородке 6, расположенного соосно с ним. Капли жидкости, попавшие на перегородку 6 по переточному устройству 7, стекают в гидрозатворный стакан контактного устройства нижерасположенной тарелки.
Для осуществления конденсации паров на наружной поверхности труб 2 в их полость подается теплоноситель, который через штуцер ввода теплоносителя 28 попадает в камеру 22 и затем в кольцевой зазор 32 образованный газовым патрубком 31 и внутренней поверхностью трубы 2. Сформировавшись в кольцевой слой теплоноситель стекает в виде пленки по внутренней поверхности труб 2. На выходе из трубы 2 теплоноситель поступает в камеру вывода 23 и через штуцер 29 отводится из колонны. Несконденсированные пары теплоносителя отводятся через штуцер 30. Стекающая с верхней (укрепляющей) части колонны 3 жидкость, через патрубок 35, поступает на горизонтальную перегородку 6 нижней (исчерпывающей) части колонны 4 и после интенсивного массообмена с паром в контактных устройствах 9 стекает в куб по переточным устройствам 7, размещенным на горизонтальных перегородках.
Предлагаемая диабатическая ректификационная колонна по сравнению с прототипом, позволяет увеличить эффективность ступеней и колонны в целом, а так же снизить ее металлоемкость, что снижает себестоимость выпускаемого продукта.