УСТРОЙСТВО ДЛЯ ФРАКЦИОНИРОВАНИЯ МНОГОКОМПОНЕНТНЫХ СМЕСЕЙ
DEVICE FOR FRACTIONING OF MULTICOMPONENT MIXTURES

Изобретение относится к устройствам для разделения многокомпонентных смесей и может быть использовано в нефтеперерабатывающей, химико-фармацевтической и пищевой промышленности.
В настоящее время известно множество решений, относящихся к ректификационным или фракционирующим колоннам, в том числе с наклонными тарелками и ступенчато-установленными элементами, в которых используется различие в температуре кипения (конденсации) компонентов смеси. Общим подходом для указанных колонн является стремление увеличить время контакта паровой и жидкой фаз различными способами, например при помощи каскадных тарелок.
Так, из описания к патенту RU 2526381 С1 (опубликован 20.08.2014) известна каскадная тарелка для массообменных газожидкостных процессов, состоящая из горизонтальных лент, расположенных в виде лестницы, по которым жидкость стекает вниз, дробясь на сетках, прикрепленных к каждой ступеньке.
К недостаткам аналога можно отнести отсутствие противотока движения паров и жидкости на горизонтальных лентах и возможность капельного уноса с сеток при нарушении ламинарности движения паров в зазоре между горизонтальными лентами.
Известно также устройство для контакта газа с жидкостью (патент US 2015085600 (А-1), опубликован 26.03.2015), где жидкость стекает по наклонным пластинам, контактируя с парами в щелевых проходах.
Указанное устройство является материалоемким и сложным в изготовлении.
Наклонные тарелки применены и в массообменном контактном устройстве по патенту RU 2271848 С1 (опубликован 20.03.2006). При этом поверхность тарелок для увеличения времени и поверхности контакта может быть гофрирована полностью или частично.
Также гофрирование массообменного устройства применено в структурированных насадках по патенту US 9314709 (В2) (опубликован 19.04.2016).
Все перечисленные выше технические решения несмотря на наличие наклонных или ступенчатых контакторов являются частью вертикальных ректификационных (фракционирующих) колонн с изначально присущими последним недостатками в виде больших масс и габаритов вкупе с повышенной материалоемкостью, сложностью изготовления и монтажа.
Известны тепломассообменные аппараты с горизонтальным (наклонным) корпусом. Так, аппарат по патенту RU 2120322 С1 (опубликован 20.10.1998) содержит корпус прямоугольного сечения с установленными в нем вертикальными перегородками, испаритель и конденсатор, насадку между перегородками и перфорированные элементы, штуцера ввода перерабатываемого сырья и вывода продуктов переработки, отличающийся тем, что выполненный из нетеплопроводящего материала корпус наклонен к горизонтали.
Указанный аппарат несмотря на заявленную мобильность весьма сложен в изготовлении и имеет множество соединений и стыков, обеспечение герметичности которых требует больших усилий.
Наиболее близким по технической сути к предлагаемому решению является способ фракционирования многокомпонентных смесей, основанный на непрерывном нагреве и противотоке жидких и газообразных компонентов, исключающий смешивание фаз при непрерывном выведении газообразных и жидких компонентов из колонны, расположенной под углом наклона в 5÷10° и заполненной на 1/2÷2/3 объема стеклянными шариками с = 1÷6 мм (патент RU 2261751 С1, опубликован 20.08.2014).
Ближайшему аналогу свойственны следующие недостатки.
1. Наличие стеклянных шариков, заполняющих на 2/3 объем горизонтальных колонн, создает повышенное гидравлическое сопротивление отводу товарных конденсатов, особенно при тоннажном производстве.
2. Стеклянные шарики имеют большую тепловую инерцию, что затрудняет ведение фракционирования и ректификации, особенно на переходных режимах.
3. Большое количество шариков мешает очистке установки, вызывая неоправданно большой расход промывочных агентов.
Задачей настоящего изобретения является разработка способа фракционирования многокомпонентных смесей, исключающего недостатки известных способов.
Преимуществами предлагаемого решения являются:
- простота конструкции;
- возможность получения любого необходимого числа фракций;
- низкая материалоемкость;
- простота масштабирования - от лабораторных до многотоннажных установок;
- компактность устройства, возможность установки на шасси.
Заявленный технический результат достигается в наклонной фракционирующей колонне с непрерывным вводом паров и отводом конденсатов за счет изготовления последней из гофрированной трубы с постепенным по длине охлаждением, разделенной на участки (ступени) сливными устройствами, при этом конденсирование паров многокомпонентной смеси происходит последовательно на участках с соответствующей средней температурой, а слив конденсата с участка производится через нижележащее по уклону сливное устройство.
Сущность изобретения поясняется на фиг. 1, на которой изображено устройство для осуществления фракционирования многокомпонентных смесей в соответствии с патентуемым решением.
Устройство представляет собой поднимающуюся под углом к горизонту 5…15° гофрированную тонкостенную трубу 1 с постоянным подводом паров, постепенно охлаждаемую по длине естественным (воздушным) или принудительным образом, выполненную из материала с хорошей теплопроводностью, например, из нержавеющей стали, и сливные устройства 2 для непрерывного отвода конденсата, снабженные запорными вентилями 3 и термометрами 4, причем сливные устройства делят трубу 1 на участки, количество которых не меньше числа требуемых фракций. Часть конденсата с любого участка из сливного устройства при необходимости может быть направлена на один из нижележащих участков по патрубку 5.
Устройство работает следующим образом. Постоянно подводимые пары многокомпонентной смеси поднимаются вдоль гофрированной трубы 1, постепенно остывая и конденсируясь. Конденсат заполняет впадины гофр и начинает стекать как по ступенькам назад под уклон по трубе 1. Поднимающиеся навстречу конденсату пары заново испаряют молекулы случайно выпавших фракций из впадин гофр и влекут их дальше, на следующие участки, где температура трубы 1 более соответствует точке росы данной фракции. Гофрирование трубы не только увеличивает площадь поверхности теплообмена, но и задерживает конденсат, увеличивая тем самым время контакта жидкой и паровой фазы, а также делает движение паров турбулентным, что ускоряет массообмен. Стекающий в пределах участка по трубе 1 конденсат достигает своего сливного устройства и выводится из установки. Чем меньше градиент падения температуры трубы 1 в пределах участка и чем длиннее сам участок, тем выше концентрация выделенной фракции.
Градиент падения температуры участка можно уменьшить в случае естественного охлаждения при помощи теплоизоляции, надетой на трубу 1 в границах участка, а длину участка можно увеличить, закрывая вентили 3 на соответствующих сливных устройствах 2.
Компактность устройства достигается сворачиванием трубы 1 в спираль, цилиндрическую или коническую.
Для повышения флегмового числа устройства следует часть сливаемого с участка (ступени) конденсата передать по патрубку 5 на один из нижележащих участков для повторной разгонки.