Выпарной блок для ректификационной системы низкого давления
EVAPORATION UNIT FOR LOW PRESSURE RECTIFICATION SYSTEM

Изобретение относится к тепломассообменным аппаратам, работающим под вакуумом или при давлениях, соизмеримых с уровнем атмосферного давления, а также для некоторых случаев с повышенным давлением.
Известна моноблочная установка для фракционного разделения нефтепродуктов, включающая вертикальную ректификационную колонну, испаритель, под которым расположена топочная камера с встроенным устройством для нагрева в виде термосифона, последовательно соединенные между собой и расположенные соосно под ректификационной колонной, при этом на верхней части ректификационной колонны соосно с ней установлен дефлегматор, а испаритель снабжен встроенной распределительной камерой (п. №2143306, МПК B01D 3/14, B01D 53/26, оп. 27.12.1999 г.).
Недостатком известного технического решения является значительные габаритные размеры, что приводит к увеличению капитальных затрат.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому техническому решению является способ испарения содержащей гликоли жидкости, реализуемый с помощью устройства, включающего ректификационную колонну, выход которой через насос соединен с входом испарителя, имеющего впускной патрубок, выпускной патрубок для конденсата и выпускной парубок для несконденсированных газов, низ испарителя соединен с насосом для откачивания кубового продукта из испарителя (п. №2200608, МПК B01D 1/06, B01D 1/22, опубл. 20.03.2003 г.).
Известное устройство включает в себя два насоса, что значительно увеличивает габариты установки и капитальные затраты, а также велика вероятность образования побочных продуктов, что приводит к сокращению безостановочной работы и снижению качества продукции.
Задачей, на решение которой направлено заявляемое техническое решение, является уменьшение габаритных размеров установки и снижение капитальных затрат.
Поставленная задача решается следующим образом.
В выпарном блоке для ректификационных систем низкого давления, включающем ректификационную колонну и испаритель, согласно заявляемому техническому решению, он дополнительно содержит по меньшей мере один подогреватель жидкого продукта, при этом выход ректификационной колонны соединен с входом подогревателя, выход которого соединен с входом испарителя, у которого выход соединен с входом ректификационной колонны над зеркалом жидкости в кубе, при этом ректификационная колонна, подогреватель и испаритель соединены между собой трубопроводными линиями либо непосредственно.
Оснащение выпарного блока по меньшей мере одним подогревателем, вход которого соединен с выходом ректификационной колонны, а выход соединен с входом испарителя, у которого выход соединен с входом ректификационной колонны над зеркалом жидкости в кубе, обеспечивает повышение скорости парожидкостного потока на верхнем срезе трубчатки испарителя и по всей его высоте за счет первичного образования паров после подогревателя посредством объемного кипения в ходе понижения давления потока, что позволяет исключить насос из конструкции выпарного блока, тем самым обеспечить повышенную надежность и компактность установки, добиться повышения эффективности процесса испарения легких фракций и снижения капитальных затрат.
Наличие отличительных от прототипа существенных признаков позволяет считать заявляемое техническое решение новым.
Из уровня техники не выявлены технические решения, имеющие признаки, совпадающие с отличительными признаками заявляемого объекта, поэтому он соответствует критерию изобретательского уровня.
Возможность осуществления заявляемого устройства в промышленности позволяет считать его соответствующим критерию промышленной применимости.
На чертеже схематично представлен выпарной блок.
Нижняя часть ректификационной колонны 1 соединена трубопроводом с входом подогревателя 2, выход которого трубопроводом соединен с входом испарителя 3, выход которого трубопроводом соединен с пространством в ректификационной колонне 1 над зеркалом кубовой жидкости. Имеется также указатель 4 уровня жидкости в кубе колонны 1. У испарителя 3 имеется также вход для подачи теплоносителя (например, греющего пара) и выход для отвода теплоносителя (например, пароконденсата) в подогреватель 2. В трубопроводе, соединяющем подогреватель 2 и испаритель 3, показан условный дроссель 5 (для пояснения работы выпарного блока).
Выпарной блок работает следующим образом.
Насыщенная кубовая жидкость с поверхности зеркала в кубе ректификационной колонны 1, опускаясь вниз, поступает в трубопровод, соединяющий куб с подогревателем 2 жидкого продукта. При этом ее температура насыщения увеличивается пропорционально росту давления гидравлического столба. Кубовая жидкость в подогревателе 2 нагревается до температуры, близкой к температуре конденсации теплоносителя, например, греющего водяного пара, и покидает подогреватель 2, после чего за счет перепада давления в аппаратах и трубопроводах посредством влияния изменения высоты гидравлического столба и гидравлических сопротивлений снижается давление потока. Снижение давления потока, аналогично процессу дросселирования в условном дросселе 5, сопровождается объемным кипением и образованием паров легких фракций из продукта. Процесс падения давления сопровождается вплоть до выхода потока из испарителя 3 и затем в трубопроводе до входа в колонну 1 над зеркалом жидкости в кубе. Образовавшиеся пары с повышенным содержанием легких фракций в ректификационной колонне 1 поднимаются вверх к ее насадке, а циркулирующий через блок поток жидкости, обедненный легкими фракциями, возвращается в куб колонны 1. Циркулирующая через блок кубовая жидкость является более нагретой по сравнению с жидкостью, падающей с насадки колонны 1 (не показана). Тогда тепло циркуляционного потока подводится к падающему потоку с насадки и затрачивается на испарение легких фракций из него. Таким образом, испарение происходит уже в кубовом объеме колонны 1. Доля тепла на испарение легких фракций из потока орошения насадки тем выше, чем больше кратность циркуляции жидкости через выпарной блок.
Концентрированная тяжелыми фракциями кубовая жидкость частично отбирается из объема колонны 1, поддерживая необходимый уровень жидкости в кубе колонны 1 по указателю уровня 4 при балансе с падающей с насадки жидкости орошения и питания колонны 1. Уровень жидкости в кубе оказывает непосредственное влияние на величину кратности циркуляции. Так, при максимальном уровне в указателе 4 кратность циркуляции максимальная.
Теплоноситель, например, водяной пар в перегретом или насыщенном состоянии поступает в испаритель 3, где охлаждается и конденсируется до некоторого относительного содержания конденсата. После этого паро-конденсатная смесь подается в подогреватель 2, где полностью конденсируется с последующим охлаждением конденсата до температуры, близкой к температуре циркулирующего кубового остатка. Подогреватель 2 может быть в горизонтальном или вертикальном исполнении в зависимости от условий размещения и физических ограничений процессов нагрева и испарения кубовой жидкости, также может содержать один или несколько ходов по трубному и межтрубному пространствам. Испаритель 3 выполнен в виде одноходового вертикального аппарата. Условный дроссель 5 обозначен условно и характеризует лишь тип протекающего процесса понижения давления потока циркулирующей кубовой жидкости.
Таким образом, реализация заявляемого выпарного блока обеспечивает:
1. Повышенные скорости парожидкостного потока на верхнем срезе трубчатки испарителя 3 и по всей его высоте за счет первичного образования паров после подогревателя 2 посредством объемного кипения в ходе понижения давления потока. Высокие скорости потоков цикла в балансе с допустимыми гидравлическими сопротивлениями обеспечены ранним снижением плотности парожидкости, образовавшейся в нижней части испарителя 3. Таким образом, разница в весе столба жидкости в кубе и трубопроводе и в весе столба парожидкости в испарителе 3 обеспечивает повышенный перепад давления. Энергия полученного перепада затрачивается на увеличение кратности циркуляции кубовой жидкости при повышенных скоростях в испарителе 3 и подогревателе 2. Из-за разности плотностей в 2 - 3 порядка для жидкости и паров живые сечения подогревателя 2 значительно меньше, чем у испарителя 3. Это обеспечивает приемлемые скорости и в аппарате подогревателя 2. Подогреватель 2 может иметь один или более ходов в зависимости от условий работы и поставленных задач при разработке выпарного блока.
2. Увеличенный напор и кратность циркуляции решаются посредством моделирования физических процессов и оптимизации параметров трубопроводов, аппаратов и колонны, где сбалансированы гидравлические сопротивления каналов, скорости потоков, влияние столбов жидкости и парожидкости, а также геометрические параметры системы.
3. Посредством увеличения кратности циркуляции жидкости обеспечено концентрирование паров легкими фракциями, а кубового остатка тяжелыми, т.к. возрастает температура циркулирующей жидкости, а массовая доля паров относительно циркуляции снижается. При этом в первую очередь испаряются низкокипящие элементы, повышая их парциальное давление в восходящих к насадке парах. Кроме того, обеспечено первичное испарение легких компонентов уже в объеме куба колонны 1, что также имеет характер объемного протекания процесса испарения при перемешивании в кубе остатка жидкости питания и орошения.
4. Интенсифицированная теплопередача посредством повышения скоростей, перемешивания и распределения продуктовых потоков при движении в объемах трубного пространства выпарного блока позволяет обеспечить максимальный отбор тепла от теплоносителя и минимизировать недорекуперацию в условиях ограничения площадок размещения оборудования.
5. Обеспеченное первичное выпаривание в объеме куба колонны 1 позволяет рекуперировать тепло кубового остатка и сократить капитальные и текущие затраты на утилизацию тепла от жидкости с низа колонны.
6. Сокращение скорости образования отложений вследствие возможного коксования и полимеризации углеводородов, а также образования кристаллов в процессе уваривания солевых растворов увеличивает время безопасной работы производства между ревизиями и обслуживанием оборудования.
7. Для ректификационных колонн имеется возможность регулирования условий химического равновесия посредством варьирования кратности циркуляции жидкости через выпарной блок. Кратность циркуляции, в частности, позволяет менять давление, температуру и концентрацию реакционного потока (при организации процесса в кубе реакционной колонны 1). При этом своевременное интенсивное расширение нагретой реакционной смеси приводит к резкому снижению температуры и испарению легких фракций, снижающих скорость реакции, смещая химическое равновесие в целевую сторону. Значительная кратность циркуляции реакционной массы также обеспечивает интенсивное перемешивание и массообмен реагентов, повышая скорость конверсии химического процесса. Кроме того, возможна оптимизация рабочего режима выпарного блока с целью сокращения скорости образования побочных продуктов реакции, повысив селективность химического процесса.