РЕКТИФИКАЦИОННАЯ УСТАНОВКА С ПРОИЗВОЛЬНОЙ ОРИЕНТАЦИЕЙ
RECTIFICATION UNIT WITH ARBITRARY ORIENTATION

Настоящее изобретение относится к области разделения веществ на компонентный состав и может быть использована для ректификации многокомпонентных смесей в нефтеперерабатывающей, химической, пищевой промышленностях, а также и в других областях техники, причем как в земных, так и в космических условиях невесомости.
В настоящее время процесс разделения многокомпонентных смесей осуществляют, как правило, в ректификационных колоннах вертикального типа за счет многократного контактирования газа (пара) с жидкостью (см., например, кн. Химия и технология нефти и газа, с.121-124, авторы: В.Н.Эрих и др., а также см. SU №1583128 и US №2682395). Постепенное разделение фракций происходит в результате контакта паров, поднимающихся через клапаны вверх, с жидкостью, стекающей с тарелок вниз.
При этом, для того чтобы уменьшить унос капель жидкости с паром, расстояние между тарелками необходимо иметь не менее определенной величины, что неизбежно приводит к увеличению высоты колонны, а следовательно, и ее габаритов.
Кроме того, недостатком ректификационных установок такого типа является то, что они работают только в строго вертикальном положении и не могут работать при произвольной ориентации в пространстве, а также в условиях невесомости.
Известна также ректификационная колонна с произвольной ориентацией в пространстве по SU №475161, В01D, 3/32, 1975 г., состоящая из корпуса, внутри которого расположена насадка, смачиваемая рабочей жидкостью, испарителя и холодильника, размещенных по концам корпуса, при этом внутри насадки помещен стержень в виде капиллярного тела, не смачиваемого рабочей жидкостью, образующий с насадкой в пространстве испарителя полость для жидкости, внутри которого вмонтирован теплопровод, соединенный с испарителем.
Колонна работает следующим образом. В испарителе рабочая жидкость за счет тепла от нагревателя испаряется, пар заполняет капиллярный стержень и конденсируется в холодильнике, а конденсат возвращается по капиллярной насадке в испаритель. В результате противотока паровой и жидкой фаз по длине колонны устанавливается различная концентрация компонентов вещества. Отбор пара и подпитка колонны осуществляются по своим трубам.
Недостатком данного устройства является низкая производительность из-за большого сопротивления при движении пара по капиллярам.
Наиболее близкой по решаемой задаче и достигаемому результату является ректификационная установка с произвольной ориентацией по патенту RU №2195990 С2, B01D 3/00, B01D 3/30, 2003 г., содержащая емкость с рабочей жидкостью и насосом подачи рабочей жидкости, нагреватель, конденсаторы, емкость с холодным дистиллятом и насосом для подачи холодного дистиллята, по крайней мере, не менее двух вихревых парогенератора и, не менее чем две вихревые камеры, причем каждый вихревой парогенератор и каждая вихревая камера имеют входные камеры с тангенциальным подводом рабочей жидкости, выходные камеры для отвода рабочей жидкости и паровые полости, при этом емкость с рабочей жидкостью и насосом, нагреватель и вихревые парогенераторы соединены между собой гидравлически последовательно, а емкость с холодным дистиллятом и насос для подачи холодного дистиллята соединены гидравлически последовательно с вихревыми камерами, паровая полость каждого предыдущего вихревого парогенератора гидравлически соединена через соответствующие магистрали транспортировки пара с входной камерой последующего вихревого парогенератора, а также через магистраль транспортировки пара - с входной камерой соответствующей вихревой камеры, а паровая полость каждой вихревой камеры через магистрали транспортировки пара гидравлически соединена с входной камерой предыдущей вихревой камеры и с соответствующими конденсаторами.
Настоящее изобретение направлено на решение технической задачи по повышению эффективности работы установки.
Достигаемый при этом технический результат заключается в повышении качества вырабатываемой продукции.
Указанный технический результат достигается тем, что ректификационная установка с произвольной ориентацией, содержащая емкость с рабочей жидкостью и насосом подачи рабочей жидкости, нагреватель, конденсаторы, емкость с холодным дистиллятом и насосом для подачи холодного дистиллята, по крайней мере, не менее двух вихревых парогенератора и, не менее чем две вихревые камеры, причем каждый вихревой парогенератор и каждая вихревая камера имеют входные камеры с тангенциальным подводом рабочей жидкости, выходные камеры для отвода рабочей жидкости и паровые полости, при этом емкость с рабочей жидкостью и насосом, нагреватель и вихревые парогенераторы соединены между собой гидравлически последовательно, а емкость с холодным дистиллятом и насос для подачи холодного дистиллята соединены гидравлически последовательно с вихревыми камерами, паровая полость каждого предыдущего вихревого парогенератора гидравлически соединена через магистрали транспортировки пара с входной камерой последующего вихревого парогенератора и с входной камерой соответствующей вихревой камеры, а паровая полость каждой вихревой камеры через магистрали транспортировки пара гидравлически соединена с входной камерой предыдущих вихревых камер и с соответствующими конденсаторами, согласно изобретению она дополнительно содержит обратные клапаны, установленные в магистралях транспортировки пара, а каждый вихревой парогенератор, содержащий входную камеру с тангенциально подводом рабочей жидкости, выходную камеру и паровую полость содержит дроссель, установленный внутри выходной камеры с образованием переходного канала, соединяющего входную и выходную камеры, и имеющей внутренний канал для отвода пара, переходящий в паровую полость парогенератора, вторую выходную камеру, установленную под входной камерой и соосно с ней, второй дроссель, установленный внутри второй выходной камеры с образованием переходного канала, соединяющего вторую выходную и входную камеры парогенератора, и имеющий внутренний канал для отвода пара, соединяющийся, с одной стороны, с паровой полостью парогенератора, а с другой стороны, с торцевой крышкой второй выходной камеры.
Ректификационная установка с произвольной ориентацией иллюстрируется следующими чертежами:
на Фиг.1 схематично представлена ректификационная установка с произвольной ориентацией;
на Фиг.2 схематично, в разрезе, представлен один из вихревых парогенераторов ректификационной установки, поз.«П», Фиг.1.
Ректификационная установка с произвольной ориентацией (Фиг.1) содержит емкость 1 с рабочей жидкостью и насосом 2 подачи рабочей жидкости, нагреватель 3, конденсаторы 4, емкость 5 с холодным дистиллятом и насосом 6 для подачи холодного дистиллята, по крайней мере, не менее чем два вихревых парогенератора 7 и, не менее чем две вихревые камеры 8, причем каждый вихревой парогенератор и каждая вихревая камера имеют входные камеры 9 и 10 соответственно с тангенциальным подводом рабочей жидкости, выходные камеры 11 и 12 соответственно для отвода рабочей жидкости и паровые полости 13 и 14 соответственно, при этом емкость с рабочей жидкостью и насосом, нагреватель и вихревые парогенераторы соединены между собой гидравлически последовательно, а емкость с холодным дистиллятом и насос для подачи холодного дистиллята соединены гидравлически последовательно с вихревыми камерами, паровая полость каждого предыдущего вихревого парогенератора гидравлически соединена через соответствующие магистрали 15, 16, 17 и 18 транспортировки пара - с входной камерой последующего вихревого парогенератора, а также через магистраль транспортировки пара с входной камерой соответствующей вихревой камеры, а паровая полость каждой вихревой камеры через магистрали транспортировки пара гидравлически соединена с входной камерой предыдущей вихревой камеры и с соответствующими конденсаторами.
Установка также содержит обратные клапаны 19, установленные в магистралях транспортировки пара 15, 16, 17 и 18, а каждый вихревой парогенератор 7 (Фиг.2), содержащий входную камеру 9 с тангенциально подводом рабочей жидкости, выходную камеру 11 и паровую полость 13, содержит дроссель 20, установленный внутри выходной камеры 11 с образованием переходного канала 21, соединяющего входную и выходную камеры 9 и 11, и имеющей внутренний канал 22 для отвода пара, переходящий в паровую полость 13 парогенератора 7, вторую выходную камеру 23, установленную под входной камерой 9 и соосно с ней, второй дроссель 24, установленный внутри второй выходной камеры 23 с образованием переходного канала 25, соединяющего вторую выходную и входную камеры 23 и 9 парогенератора 7, и имеющий внутренний канал 26 для отвода пара, соединяющийся, с одной стороны, с паровой полостью 13 парогенератора, а с другой стороны, с торцевой крышкой 27 второй выходной камеры 23.
Емкость 1, насос 2 и нагреватель 3 соединены магистралями транспортировки жидкости с вихревыми парогенераторами 7, установленными последовательно, при этом выходные камеры 11 и 23 каждого предыдущего вихревого парогенератора 7 через соединительную магистраль транспортировки жидкости соединены с входной камерой 9, имеющей тангенциальный подвод рабочей жидкости следующего по ходу движения рабочей жидкости вихревого парогенератора.
Емкость 5 и насос 6 холодного дистиллята через магистраль транспортировки дистиллята соединены с входной камерой 10 первой вихревой камерой 8 по ходу движения дистиллята. При этом все вихревые камеры 8 установлены, как и вихревые парогенераторы 7, последовательно.
Выходная камера 12 каждой предыдущей вихревой камеры 8 через магистраль транспортировки дистиллята соединена с входной камерой 10 следующей вихревой камеры 8.
Паровая полость 13 вихревого парогенератора 7 каждого предыдущего вихревого парогенератора 7 соединена с входной камерой 9 следующего вихревого парогенератора 7 через внутренний канал 22 (Фиг.2) дросселя 20, находящегося в выходной камере 11 и через магистраль транспортировки пара 15 и обратный клапан 19. Каждый вихревой парогенератор 7, именно его внутренний канал 26 дросселя 24, находящегося в выходной камере 23 парогенератора, соединен с входной камерой 10 соответствующей вихревой камеры 8 через магистраль транспортировки пара 16 и обратный клапан 19.
Паровая полость 14 каждой вихревой камеры 8 через магистраль транспортировки пара 17 и обратный клапан 19 соединена с входной камерой 10 предыдущей вихревой камеры 8, а через магистраль транспортировки пара 18 и обратный клапан 19 - с соответствующим конденсатором 4.
В каждом вихревом парогенераторе 7 входная камера 9 и выходные камеры 11 и 23 конструктивно соединены между собой переходными каналами 21 и 25, образованными при установке в них дросселей 20 и 24.
Выходные камеры 11 и 23 вихревого парогенератора 7 ограничены по торцам крышками. 27.
Ректификационная установка с произвольной ориентацией работает следующим образом.
Рабочую жидкость из емкости 1 насосом 2 подают в нагреватель 3 и далее по соединительным магистралям прокачивают через последовательно установленные вихревые парогенераторы 7. Одновременно холодный дистиллят из емкости 5 насосом 6 по соединительным магистралям прокачивают через последовательно установленные вихревые камеры 8.
В нагревателе 3 рабочую жидкость нагревают до температуры ниже температуры насыщения при заданном давлении (не доводя ее до кипения), а затем подают во входную камеру 9 с тангенциальным подводом жидкости первого по ходу вихревого парогенератора 7. При движении рабочей жидкости к центру входной камеры 9 за счет сохранения момента количества движения скорость ее возрастает, а давление в соответствии с законом Бернулли падает и на определенном радиусе закрутки становится меньше давления насыщения для заданной температуры, в результате чего жидкость вскипает (происходит частичное испарение жидкости), отбирая тепло от рабочей жидкости.
Пар собирается в центре паровой полости 13 первого вихревого парогенератора 7. Одна часть пара из паровой полости 13 и далее через внутренний канал 22 дросселя 20, находящегося в выходной камере 11 по магистрали транспортировки пара, поступает во входную камеру 9 следующего вихревого парогенератора 7. Другая же часть пара из паровой полости 13 и далее через внутренний канал 26 дросселя 24, находящегося в выходной камере 23, по магистрали транспортировки пара поступает во входную камеру 10 последней по ходу движения дистиллята вихревой камеры 8. При этом давление пара поддерживают достаточным для преодоления противодавления, поступающего с тангенциальным подводом дистиллята.
В вихревом парогенераторе 7 одна часть неиспарившейся рабочей жидкости через переходной канал 21 поступает в выходную камеру 11, а другая часть жидкости через переходной канал 25 поступает в выходную камеру 23. Потоки рабочей жидкости на выходе из выходных камер 11 и 23 первого вихревого парогенератора 7 и каждого последующего парогенератора поступают в соединительную магистраль транспортировки рабочей жидкости и далее - во входную камеру 9 с тангенциальным подводом рабочей жидкости следующего вихревого парогенератора 7.
Оптимальные зазоры переходных каналов 21 и 25 в выходных камерах 11 и 23 соответственно устанавливают за счет осевого перемещения дросселей 20 и 24 соответственно.
В результате тепломассообмена между паром, имеющим более высокую температуру, и дистиллятом с более низкой температурой более тяжелые фракции сконденсируются в дистилляте, а легкие фракции поступают в паровую полость 14 последней по ходу движения дистиллята вихревой камеры 8. Одна часть пара из паровой полости 14 последней по ходу движения дистиллята вихревой камеры 8 по магистрали транспортировки пара 18 поступает в соответствующий конденсатор 4, а другая часть пара из паровой полости 14 последней вихревой камеры 8 по магистрали транспортировки пара 17 поступает во входную камеру 10 предпоследней вихревой камеры 7 с давлением пара, достаточным для преодоления противодавления закрученного дистиллята.
Поскольку часть тепла в первом вихревом парогенераторе 7 была израсходована на образование пара, то оставшаяся рабочая жидкость при поступлении во второй вихревой парогенератор 7 будет иметь более низкую температуру и поэтому выработанный из нее пар будет иметь показатель относительного содержания тяжелых фракций меньше по сравнению с показателем пара, выработанным в первом вихревом парогенераторе 7, а показатель относительного содержания легких фракций больше. Образовавшийся пар из второго вихревого парогенератора 7 направляют в закрученный дистиллят во входной камере предпоследней по ходу движения дистиллята вихревой камеры 8 с давлением пара, достаточным для преодоления противодавления закрученного дистиллята, где более тяжелые фракции сконденсируются в дистилляте, а несконденсированная одна часть пара по магистрали 18 транспортировки пара поступает в конденсатор 4, а другая часть по магистрали 17 и обратный вентиль 19 поступает в закрученный дистиллят во входной камере 10 предшествующей вихревой камеры 8 с давлением пара, достаточным для преодоления противодавления.
Процесс с преобразованием пара в следующих по ходу движения рабочей жидкости вихревых парогенераторах 7 и подачей пара в более холодный дистиллят вихревых камер 8 будет проходить аналогично описанному выше, только с той разницей, что относительное содержание тяжелых фракций в паре из каждого последующего вихревого парогенератора будет уменьшаться, а относительное содержание легких фракций будет увеличиваться.
Пар, выработанный в последнем по ходу движения рабочей жидкости вихревом парогенераторе 7, из паровой полости 13 вихревого парогенератора 7 по магистрали 16 транспортировки пара направляют в закрученный дистиллят во входной камере 10 первой по ходу движения дистиллята вихревой камеры 8 с давлением пара, достаточным для преодоления противодавления закрученного дистиллята, где за счет тепломассообмена часть пара, содержащая тяжелые фракции, сконденсируется в холодном дистилляте, а другая часть пара более легкими фракциями соберется в паровой полости 14 первой по ходу движения дистиллята вихревой камеры 8 и по магистрали 18 транспортировки пара поступит в конденсатор 4.
Остаток неиспарившейся рабочей жидкости из входной камеры 9 последнего парогенератора 7 поступает в выходные камеры 11 и 23 и по соединительной магистрали транспортировки слива отводится из ректификационной установки наружу.
Подогретый за счет тепла от сконденсированного пара дистиллят из входной камеры 10 вихревой камеры 8 поступает в выходную камеру 12, а из нее по соединительной магистрали поступает во входную камеру 10 следующей вихревой камеры 8.
Процесс конденсации более тяжелых фракций и подогрев дистиллята в каждой последующей вихревой камере 8 будет аналогичен, как и в первой вихревой камере, с той разницей, что температура дистиллята по ходу его движения будет постепенно повышаться, а сам дистиллят обогащаться более тяжелыми фракциями. Из выходной камеры 12 вихревой камеры 8 дистиллят, обогащенный тяжелыми фракциями, по магистрали отвода выводят из установки по назначению.
Установка обратных клапанов 19 в магистралях транспортировки пара 15, 16, 17 и 18 обеспечивает движение пара только в одном заданном направлении независимо от того, на каком режиме протекает технологический процесс ректификации, что в свою очередь способствует получению вырабатываемой продукции высокого качества.
Наличие в вихревом парогенераторе 7 входной камеры 9 с тангенциальным подводом жидкости, двух выходных камер 11 и 23 с дросселями 20 и 24 соответственно, имеющими внутренние каналы 22 и 26, соединяющиеся с паровой полостью 13 вихревого парогенератора 7, а также наличие в выходных камерах 11 и 23 переходных каналов 21 и 25 соответственно, соединяющие выходные камеры 11 и 23 с входной 9, позволяют увеличить объем подаваемой рабочей жидкости и обеспечить его регулирование в процессе ректификации.
Заявленная конструкция вихревого парогенератора 7 позволяет использовать его не только в ректификационной установке с произвольной ориентацией, но и в любых системах выпарной техники. Именно такой диапазон использования обусловлен тем, что по своему конструктивному решению и достигаемой производительности вихревой парогенератор можно отнести к разряду устройств мгновенного вскипания, которые, имея высокие технические характеристики, могут быть использованы автономно в самых разных отраслях техники.
Данная ректификационная установка способна работать при любой ориентации относительно пространства, в том числе и в условиях невесомости, а поскольку скорость всплытия паровых пузырей в закрученной жидкости за счет градиента давления по радиусу закрученной жидкости высокая, то и производительность ее будет значительно выше, чем при работе в статических условиях. Установки такого типа легко поддаются автоматическому регулированию и управлению, просты в изготовлении, не создают особых проблем при пуске и остановке технологического процесса.
Предлагаемая ректификационная установка может найти применение при ректификации многокомпонентных смесей в различных областях народного хозяйства, в том числе нефтеперерабатывающей, химической, пищевой промышленностях и других областях техники.