КОНТАКТНАЯ СТУПЕНЬ КОЛОННЫ ТЕРМИЧЕСКОЙ РЕКТИФИКАЦИИ
CONTACT STAGE OF THERMAL RECTIFICATION COLUMN

Изобретение относится к контактным ступеням тепломассообменных аппаратов для проведения процесса ректификации в нефтехимической, химической, пищевой и других отраслях промышленности.
Известна контактная ступень колонны, состоящая из куба и колонны, в которой размещена насадка, состоящая из дисков и колец, закрепленных между собой штангами. (Рейхсфельд В.О., Шейн B.C., Ермаков В.И., Реакционная аппаратура и машины заводов основного органического синтеза и синтетического каучука: Учебное пособие для вузов. - 2-е изд., перераб. - Л.: Химия, 1985. - 264 с., ил., стр. 137, рис. 7.3, 7.4.)
Такая контактная ступень колонны имеет низкое сопротивление, образовавшиеся отложения легко удаляются, однако имеет невысокую эффективность из-за низких массообменных характеристик.
Известна ректификационная колонна включающая куб, дефлегматор, конденсатор, корпус с технологическими патрубками, состоящий из царг, между которыми размещены горизонтальные перегородки с отверстиями и снабженных 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, причем теплообменные устройства размещены в паровом пространстве царг под горизонтальными перегородками и снабжены хотя бы одной пластиной, отбортованной с торца имеющие отбортованные отверстия для прохода пара, которые выполнены при соблюдении отношения высоты отбортовки торцов пластины к высоте отбортовки отверстий для прохода пара на ней равном 0,8-0,99. (RU №2445996 С1, МПК B01D 3/14, опубл. 27.03.2012, Бюл. №9. - 6 с.)
Указанная колонна имеет не достаточно высокую эффективность разделения смеси вследствие попадания конденсата, образованного при частичной конденсации поднимающихся паров на поверхности пластины, на ниже лежащую пластину, снижая тем самым концентрацию легколетучего компонента в жидкости размещенной на поверхности этой пластины.
Наиболее близкой по технической сущности является контактная ступень колонны термической ректификации, состоящая из корпуса, горизонтально установленных верхних, средних и нижних пластин, дефлегматора представляющего собой трубу на которой установлены распределители конденсата. (Статья «Исследование термической ректификации в колонне с низким массообменом на ступенях» Н.А. Войнов, Д.А. Земцов, О.П. Жукова. Размещенная в журнале Теоретические основы химической технологии, 2017, том 51, №2, с. 174-181, рис. 1.)
Указанная контактная ступень также не достаточно эффективна, имеет узкий диапазон варьирования нагрузок по пару и жидкости.
На рассматриваемой контактной ступени ректификационной колонны согласно способа (RU 2437698, МПК B01D 3/14 С1. Способ ректификации [Текст] / Войнов Н.А., Паньков В.А., Войнов А.Н.; заявитель - №2010118012/05; заявл. 04.05.2010; опубл. 27.12.2011, Бюл. №36. - 7 с.) осуществляется частичная конденсация поднимающихся паров смеси на поверхности дефлегматора, сброс полученного конденсата на поверхность верхних пластин и дальнейшее воздействие на этот конденсат (флегму) тепловым потоком поднимающихся паров на ступени. Вследствие этого осуществляется испарение жидкости на поверхности пластин и одновременно - частичная конденсация на поверхности этих пластин. То есть реализуются процессы испарения и парциальной конденсации, при которой из поднимающихся паров в конденсат уходит в большем количестве высококипящий компонент, при этом в поднимающихся парах больше остается легколетучего компонента, что приводит к укреплению смеси.
2
Перечисленные контактные ступени колонн термической ректификации работают эффективно только в определенном диапазоне расхода пара, так как с увеличением нагрузки по пару, увеличивается расход конденсата (флегмы) и, следовательно, снижается эффективность (легко летучий компонент не успевает испариться на верхних пластинах). Установка на ступени большого количества верхних пластин (для увеличения времени пребывания конденсата на них) приводит при малых нагрузках по пару к низкой плотности орошения (расход конденсата отнесенный к поверхности пластины на которой он размещен, кг/(мс)), что вследствие уменьшения интенсивности перемешивания конденсата на верхних пластинах (режима течения) также приводит к снижению эффективности ступени. Поэтому ступень эффективно работает только в узком интервале нагрузок по пару, что не позволяет изменять ее производительность в широком диапазоне.
Низкая эффективность обусловлена тем, что в случае установки двух и более верхних пластин, часть паров испарившихся с поверхности конденсата размещенного на верхней пластине, конденсируется на поверхности выше лежащей верхней пластины, и в виде капель вновь падает в тот же конденсат на пластине, откуда он и вышел в виде паров, что естественно снижает эффективность, то есть исчерпывание легколетучего компонента из конденсата протекает не эффективно.
Изобретение решает задачу повышения эффективности массообмена (по Мерфри) путем устранения попадания конденсата образованного под верхними пластинами в конденсат, размещенный на верхних пластинах, что увеличивает исчерпывание легколетучего компонента из жидкости и соответственно повышает эффективность.
Технический результат повышения эффективности массообмена достигается за счет конструктивного выполнения пластин ступени, которое обеспечивает последовательное перетекание конденсата, образованного на поверхности дефлегматора, по верхним пластинам ступени и предотвращает попадание конденсата, образованного под пластинами в жидкость, размещенную на верхних пластинах за счет выполнения дополнительных отбортованных и соосно установленных отверстий, размещенных на верхних и нижних пластинах.
2
2
1
2
1
2
3
3
Контактная ступень колонны термической ректификации, включающая цилиндрический корпус, в котором вертикально установлен дефлегматор, выполненный из трубы снабженный распределителями конденсата между которыми размещены чередующиеся между собой верхние и нижние пластины, отбортованные с торца, согласно изобретению, на верхних пластинах выполнен буртик, образующий кольцевой канал для перемещения флегмы со сливным отверстием, на верхних и нижних пластинах хотя бы по одному выполнены дополнительные отбортованные отверстия, соосные между собой, при этом отношение высоты отбортовки h дополнительных отверстий на верхних пластинах к высоте отбортовки торцов пластин h выполняется равным h/h=0,7-0,9, а отношение диаметра дополнительного отверстия на верхней пластине d к диаметру дополнительного отверстия на нижней пластине d равно d/d=0,4-0,8, причем последняя на ступени нижняя пластина выполнена без отбортовки с торца и дополнительного отбортованного отверстия. Контактная ступень от известной отличающаяся тем, что отношение высоты буртика h к высоте отбортовки пластины h выполняется равным h/h=1,1-1,5.
2
2
1
2
1
2
Выполнение буртика, образующего кольцевой канал для перемещения флегмы со сливным отверстием, а также выполнение на верхних и нижних пластинах хотя бы по одному дополнительному отбортованному отверстию соосно установленными между собой, при отношении высоты отбортовки hдополнительных отверстий на верхних пластинах к высоте отбортовки торцов пластин h равном h/h=0,7-0,9, а также выполнение отношения диаметра дополнительного отверстия на верхней пластине d к диаметру дополнительного отверстия на нижней пластине d, равного d/d=0,4-0,8, и выполнение последней на ступени нижней пластины без отбортовки и без дополнительного отбортованного отверстия позволяет увеличить эффективность ступени и аппарата в целом.
Выполнение буртика на верхних пластинах с образованием кольцевого канала для перемещения флегмы и сливного отверстия для ее перетекания с одной верхней пластины на другую, позволяет не смешивать отработанный конденсат (флегму стекающую по ступеням аппарата) с конденсатом размещенным на пластинах, что обеспечивает эффективность ступени.
Выполнение на верхних и нижних пластинах хотя бы по одному дополнительному отбортованному отверстию, соосно установленных между собой, обеспечивает последовательное перемещение конденсата по верхним пластинам ступени, не смешиваясь с жидкостью стекающей по нижним пластинам и ее полное исчерпывание в широком диапазоне нагрузок по пару, что также позволяет увеличить эффективность ступени.
2
2
Выполнение отношения высоты отбортовки h дополнительных отверстий на верхних пластинах к высоте отбортовки торцов пластин h равным h/h=0,7-0,9 обеспечивает перетекание конденсата с верхних пластин и не допускает его слива через отбортованные торцы пластин в стекающую по ступеням флегму, что обеспечивает высокую эффективность ступени.
2
2
При h/h<0,7 - не обеспечивается смачиваемость пластин, а при h/h>0,9 приводит к потере работоспособности устройства и его захлебыванию.
1
2
1
2
Выполнение отношения диаметра дополнительного отверстия на верхней пластине d к диаметру дополнительного отверстия на нижней пластине d, равного d/d=0,4-0,8, обеспечивает перетекание конденсата по верхним пластинам и предотвращает его смешение с жидкостью размещенной на нижних пластинах.
1
2
При d/d<0,4 - значительно уменьшается площадь отверстий, что мешает проходу пара и возникает подвисание перетекающей жидкости, что приводит к снижению эффективности.
1
2
При d/d>0,8 - конденсат с верхних пластин частично попадает на нижние пластины, что не допустимо.
3
3
3
3
Выполнение отношения высоты буртика h к высоте отбортовки центрального отверстия h равным h/h=1,1-1,5 обеспечивает заданную производительность ступени и предотвращает смешение флегмы и конденсата. При h/h<1,1 - будет происходить смешение конденсата на верхней пластине с потоком флегмы. При h/h>1,5 не позволяет сохранить необходимую рабочую поверхность пластин при изготовлении и значительно увеличивает расстояние между пластинами, что снижает скорость пара над пластиной и соответственно снижает эффективность.
На фиг. 1 изображен общий вид контактной ступени колонны термической ректификации.
На фиг. 2 представлен вид сверху контактной ступени колонны термической ректификации.
На фиг. 3 представлена верхняя пластина.
На фиг. 4 представлена нижняя пластина.
На фиг. 5 представлена последняя на ступени нижняя пластина.
На фиг. 6 показана схема потоков флегмы и конденсата.
Контактная ступень колонны термической ректификации состоит из цилиндрического корпуса 1 в котором вертикально установлен дефлегматор состоящий из трубы 2 с распределителями конденсата 3. По высоте корпуса поочередно горизонтально установлены отбортованные верхние пластины 4 и нижние пластины 5 опирающиеся на цилиндрические втулки 6. На каждой верхней пластине 4 выполнено центральное отбортованное отверстие 7, а на нижней пластине 5 отбортованное центральное отверстие 8, и отбортованные отверстия 9 предназначенные для прохода пара. На верхних пластинах 4 выполнен буртик 10 образующий кольцевой канал 11 для перемещения флегмы, со сливным отверстием 12. На верхних пластинах 4 выполнены дополнительные отбортованные отверстия 13, а на нижних пластинах отбортованные отверстия 14 размещенные соосно между собой. Последняя нижняя пластина ступени 15 выполнена без отбортовки с торца и без дополнительного отбортованного отверстия.
1
При этом соблюдены отношения высоты отбортовки торцов пластины h к высоте отбортовки отверстий 7, 8, 9 на ней hi равным h/h=0,8-0,9.
2
2
Отношение высоты отбортовки h дополнительных отверстий на верхних пластинах к высоте отбортовки торцов пластин h выполняется равным h/h=0,7-0,9.
1
2
1
2
Отношение диаметра дополнительного отверстия на верхней пластине d к диаметру дополнительного отверстия на нижней пластине d равно d/d=0,4-0,8.
Ступенью считается все, что размещено в корпусе между двумя соседними распределителями конденсата 3.
Контактная ступень колонны термической ректификации работает следующим образом. Пары, поднимаясь по колонне, частично конденсируется на поверхности дефлегматора 2 с образованием конденсата, который затем по распределителю конденсата 3 стекает на верхнюю пластину 4. Распределяясь по пластине в виде жидкостного слоя толщина которого равна высоте отбортовки дополнительных отверстий 13. Слой жидкости на пластинах подогревается до температуры его кипения тепловым потоком поднимающегося по ступени пара при его частичной конденсации под пластинами и на их поверхности. Подогретый на пластине 4 конденсат частично испаряется, объединяясь легколетучим компонентом, что обеспечивает укрепление паров, а затем перетекает через отбортованные дополнительные отверстия 13 и отверстия 14 выполненные на пластинах 4 и 5 на следующую верхнюю пластину, где происходит дальнейшее испарение из него легколетучего компонента, что повышает концентрацию легколетучего компонента в парах. Конденсат образованный на оголенной поверхности верхних пластин 4 стекает на поверхность нижних пластин 5, накапливается там в виде жидкостного слоя, толщиной равной высоте отбортовки пластины h, а затем стекает через нее в кольцевые каналы верхних пластин 11 и через сливные отверстия 12 стекает в кольцевой канал следующей верхней пластины. При этом высота буртика 10 больше высоты дополнительных отверстий 13 и отбортовки торцов пластин, за счет чего не происходит смешения конденсата полученного на поверхности дефлегматора и отработанного конденсата (флегмы) стекающего по каналам. Перетекая с пластины на пластину, конденсат поступает на нижнюю пластину ступени 15. Вследствие отсутствия там отбортовки и дополнительного отбортованного отверстия конденсат свободно стекает в кольцевой канал верхней пластины нижележащей ступени и уходит в поток флегмы.
Предлагаемая контактная ступень колонны термической ректификации по сравнению с известными, позволяет увеличить эффективность ступени и аппарата в целом, что уменьшает себестоимость выпускаемого продукта.