Ректификационная колонна
DISTILLATION COLUMN

Изобретение относится к области разделения жидких смесей, в частности, к конструкциям ректификационных колонн, и может быть использовано в нефтехимической, химической и пищевой промышленностях, а также различных областях деятельности человека для разделения многокомпонентных жидких смесей.
Известна конструкция ректификационной колонны (см. авторское свидетельство СССР №292339, дата публикации 05.01.1977), содержащая корпус со штуцерами, внутри которого расположены массообменные тарелки, а также вертикальные продольные перегородки, разделяющие колонну на сектора.
Недостатком данного технического решения является отсутствие системы распределения потоков внутри колонны, что не позволяет получить чистые продукты на выходе из ректификационной колонны.
В качестве ближайшего аналога принята ректификационная колонна, содержащая вертикальный корпус с контактными массообменными тарелками, нагреватель, дефлегматор, холодильник, патрубок подачи исходной смеси и патрубки вывода полученных компонентов смеси, продольную вертикальную перегородку, пересекающую контактные массообменные тарелки и разделяющую корпус колонны на вертикальные секции, а также распределительное устройство, выполненное с возможностью раздельной подачи потоков в каждую из секций, кроме того, под перегородкой установлен регулятор потоков паровой фазы в виде заслонки, закрепленной с возможностью горизонтального перемещения (см. патент РФ №2234356, дата публикации 10.01.2004).
В качестве недостатков ближайшего аналога можно указать ограниченную область применения - упомянутая ректификационная колонна не предназначена для проведения тепломассообменных процессов в циклическом режиме и ее можно использовать для разделения только трехкомпонентных смесей, которые необходимо подавать только в центральную часть колонны, а также сложность регулирования потоков паровой фазы (нагрузки по пару) в каждой из секций, обусловленная следующими факторами:
- размеры и округлая форма задвижки ограничивают величину ее горизонтального перемещения;
- необходимость каждый раз вручную горизонтально перемещать задвижку при обеспечении одинакового натяжения и изменения длины всех регуляторов положения.
Задачей, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является разработка конструкции ректификационной колонны с высокой эффективностью.
Технический результат, который достигается при решении поставленной задачи, выражается в повышении эффективности и оптимизации процесса ректификации, а также расширении функциональных возможностей устройства, обусловленных следующими факторами:
- возможность разделения смесей, содержащих два и более компонента;
- возможность осуществления непрерывной циклической ректификации;
- возможность параллельной реализации паровых и жидкостных периодов в секциях;
- обеспечение автоматической и последовательной подачи потоков в каждую из секций;
- возможность использования контактных массообменных тарелок различного типа и конструкции.
Поставленная задача решается тем, что в ректификационной колонне, содержащей вертикальный корпус с контактными массообменными тарелками, нагреватель, дефлегматор, холодильник, патрубок подачи исходной смеси, патрубок подачи флегмы и патрубки вывода полученных компонентов смеси, продольную вертикальную перегородку, пересекающую контактные массообменные тарелки и разделяющую корпус колонны на вертикальные секции, кроме того, под перегородкой установлен регулятор потоков паровой фазы в виде заслонки, закрепленной с возможностью горизонтального перемещения, в корпусе колонны установлена коаксиальная обечайка, ограниченная регулятором потоков паровой фазы, снабженная патрубками подачи исходной смеси и флегмы в секции и сообщенная с патрубками подачи исходной смеси и флегмы, при этом колонна снабжена дополнительными вертикальными перегородками, причем все перегородки пересекают все контактные массообменные тарелки и разделяют корпус колонны на равные вертикальные секции, вдоль центральной оси колонны установлен вал, на котором жестко закреплен регулятор потоков паровой фазы, размер которого не меньше размеров одной секции, причем колонна содержит два распределительных устройства для исходной смеси и флегмы, каждое из которых выполнено с возможностью последовательной подачи исходной смеси и флегмы в секции, размещено в полости обечайки и состоит из стакана и крышки, размещенных на расстоянии друг от друга и жестко закрепленных на валу, при этом каждый из стаканов снабжен сквозным отверстием, выполненным на его боковой поверхности, и закреплен на валу таким образом, чтобы его сквозное отверстие было направлено в сторону регулятора потоков паровой фазы, кроме того, стаканы распределительных устройств для исходной смеси и флегмы открыты со стороны патрубков подачи исходной смеси и флегмы соответственно, а их сквозные отверстия выполнены с возможностью сообщения с патрубками подачи исходной смеси в секции и с патрубками подачи флегмы в секции соответственно, при этом крышки распределительных устройств для исходной смеси и флегмы размещены со стороны патрубков подачи исходной смеси и флегмы соответственно, а пространство между стаканом и крышкой распределительных устройств для исходной смеси и флегмы сообщено с патрубками подачи исходной смеси и флегмы соответственно.
Сопоставительный анализ совокупности существенных признаков предлагаемого технического решения и совокупности существенных признаков прототипа и аналогов свидетельствует о его соответствии критерию «новизна».
При этом отличительные признаки формулы изобретения решают следующие функциональные задачи.
Признаки «в корпусе колонны установлена … обечайка, … снабженная патрубками подачи исходной смеси и флегмы в секции и сообщенная с патрубками подачи исходной смеси и флегмы» и «колонна содержит два распределительных устройства для исходной смеси и флегмы, каждое из которых … размещено в полости обечайки» организуют поступление исходной смеси и флегмы из распределительных устройств в секции.
Признаки «колонна снабжена дополнительными вертикальными перегородками, причем все перегородки пересекают все контактные массообменные тарелки и разделяют корпус колонны на равные вертикальные секции», «каждое из [распределительных устройств] выполнено с возможностью
последовательной подачи исходной смеси и флегмы в секции» и «размер [регулятора потоков паровой фазы] не меньше размеров одной секции» обеспечивают возможность параллельной реализации паровых и жидкостных периодов в секциях.
Признаки «вдоль центральной оси колонны установлен вал, на котором жестко закреплен регулятор потоков паровой фазы» организуют горизонтальное перемещение регулятора потоков паровой фазы, а именно его вращение вокруг центральной оси колонны.
Признаки «в корпусе колонны установлена коаксиальная обечайка» и «вертикальные перегородки… разделяют корпус колонны на равные вертикальные секции» способствуют оптимизации процесса ректификации для всех секций.
Признак «коаксиальная обечайка ограничена регулятором потоков паровой фазы» позволяет защитить вал от внешних воздействий и не препятствует вращению регулятора потоков паровой фазы.
Признаки «каждое из [распределительных устройств]… состоит из стакана и крышки, размещенных на расстоянии друг от друга», «стаканы распределительных устройств для исходной смеси и флегмы открыты со стороны патрубков подачи исходной смеси и флегмы соответственно» и «крышки распределительных устройств для исходной смеси и флегмы размещены со стороны патрубков подачи исходной смеси и флегмы соответственно, а пространство между стаканом и крышкой распределительных устройств для исходной смеси и флегмы сообщено с патрубками подачи исходной смеси и флегмы соответственно» обеспечивают непрерывное поступление исходной смеси и флегмы в распределительные устройства.
Признаки «каждое из [распределительных устройств]… состоит из стакана и крышки, жестко закрепленных на валу», «каждый из стаканов снабжен сквозным отверстием, выполненным на его боковой поверхности» и «сквозные отверстия выполнены с возможностью сообщения с патрубками подачи исходной смеси в секции и с патрубками подачи флегмы в секции соответственно» обеспечивают возможность последовательной подачи исходной смеси и флегмы в секции вследствие вращения распределительных устройств.
Признаки «каждый из стаканов… закреплен на валу таким образом, чтобы его сквозное отверстие было направлено в сторону регулятора потоков паровой фазы» обеспечивают синхронное поступление исходной смеси и флегмы и закрытие доступа потоков паровой фазы для одной и той же секции.
На фиг.1 изображен продольный разрез ректификационной колонны.
На фиг.2 изображена коаксиальная обечайка с элементами, закрепленными на валу.
На фиг.3 изображен вид снизу на регулятор потоков паровой фазы.
На чертежах показаны вертикальный корпус 1 ректификационной колонны, контактные массообменные тарелки 2, патрубок 3 подачи исходной смеси, патрубок подачи флегмы 4, патрубки 5 вывода полученных компонентов смеси, вертикальные перегородки 6, вертикальные секции 7, распределительные устройства 8 и 9 для исходной смеси и флегмы соответственно, регулятор потоков паровой фазы 10, коаксиальная обечайка 11, патрубки 12 подачи исходной смеси в секции 7, патрубки 13 подачи флегмы в секции 7, вал 14, стакан 15 со сквозным отверстием 16 и крышка 17 распределительного устройства 8 для исходной смеси, стакан 18 со сквозным отверстием 19 и крышка 20 распределительного устройства 9 для флегмы, привод 21 вала 14, патрубок подачи пара 22.
На чертежах не показаны необходимые для работы ректификационной колонны типовые теплообменные устройства – нагреватель, дефлегматор, холодильник.
Вертикальный корпус 1 соединен с нагревателем, дефлегматором, холодильником (на чертежах не показаны), и снабжен патрубком 3 подачи исходной смеси, патрубком 4 подачи флегмы, патрубком 22 подачи пара и патрубками 5 вывода полученных компонентов смеси.
Вертикальный корпус 1 содержит вертикальные перегородки 6, пересекающие все контактные массообменные тарелки 2 и разделяющие корпус 1 колонны на равные вертикальные секции 7.
Вертикальные перегородки 6 крепятся к стенкам вертикального корпуса 1 и коаксиальной обечайке 11.
Также в вертикальном корпусе 1 колонны установлена коаксиальная обечайка 11, снабженная патрубками 12 подачи исходной смеси в секции 7, патрубками 13 подачи флегмы в секции 7, и сообщенная с патрубком 3 подачи исходной смеси и патрубком 4 подачи флегмы.
Коаксиальная обечайка 11 ограничена регулятором потоков паровой фазы 10, который жестко закреплен на валу 14, установленном вдоль центральной оси колонны.
Регулятор потоков паровой фазы 10 выполнен в виде заслонки, закрепленной с возможностью горизонтального перемещения, размер которой не меньше размеров одной секции 7, и размещенной под вертикальными перегородками 6.
Кроме того, в полости коаксиальной обечайки 11 размещены распределительные устройства 8 и 9 для исходной смеси и флегмы соответственно, которые жестко закреплены на валу 14 и выполнены с возможностью последовательной подачи исходной смеси и флегмы в секции 7.
Распределительное устройство 8 для исходной смеси состоит из стакана 15 и крышки 17.
В случае, если патрубок 3 подачи исходной смеси расположен выше распределительного устройства 8, исходная смесь стекает. Если патрубок 3 подачи исходной смеси расположен ниже распределительного устройства 8, пространство между стаканом 15 и крышкой 17 будет заполняться исходной смесью до тех пор, пока ее уровень не достигнет сквозного отверстия 16 стакана 15.
Стакан 15 открыт со стороны патрубка 3 подачи исходной смеси и снабжен сквозным отверстием 16, выполненным на его боковой поверхности с возможностью сообщения сквозного отверстия 16 с патрубками 12 подачи исходной смеси в секции 7.
Крышка 17 распределительного устройства 8 размещена со стороны патрубка 3 подачи исходной смеси и установлена на расстоянии от стакана 15, причем пространство между стаканом 15 и крышкой 17 сообщено с патрубком 3 подачи исходной смеси.
Распределительное устройство 9 для флегмы состоит из стакана 18 и крышки 20.
В случае, если патрубок 4 подачи флегмы расположен выше распределительного устройства 9, флегма стекает. Если патрубок 4 подачи флегмы расположен ниже распределительного устройства 9, пространство между стаканом 18 и крышкой 20 будет заполняться флегмой до тех пор, пока ее уровень не достигнет сквозного отверстия 19 стакана 18.
Стакан 18 открыт со стороны патрубка 4 подачи флегмы и снабжен сквозным отверстием 19, выполненным на его боковой поверхности с возможностью сообщения сквозного отверстия 19 с патрубками 13 подачи флегмы в секции 7.
Крышка 20 распределительного устройства 9 размещена со стороны патрубка 4 подачи флегмы и установлена на расстоянии от стакана 18, причем пространство между стаканом 18 и крышкой 20 сообщено с патрубком 4 подачи флегмы.
Кроме того, стаканы 15 и 18 закреплены на валу 14 таким образом, чтобы их сквозные отверстия 16 и 19 были направлены в сторону регулятора потоков паровой фазы 10.
Предварительно осуществляют определение исходных параметров ректификационной колонны и процесса ректификации с использованием стандартных методик.
Тип (конструкция) контактных массообменных тарелок 2 непринципиальна, номер питающей тарелки определяют детальным потарельчатым расчетом с определением количества контактных массообменных тарелок 2, используя известные методы расчета процесса ректификации.
Количество вертикальных секций 7 определяется долей периода пропускания пара и может быть рассчитано известными методами расчета.
Минимальное количество вертикальных секций 7 – три, в противном случае не будет обеспечена непрерывная подача пара в ректификационную колонну.
Размеры регулятора потоков паровой фазы 10 зависят от количества секций 7 колонны и рассчитываются таким образом, чтобы при вращении регулятора потоков паровой фазы 10 доступ пара в одну из секций 7 всегда был закрыт.
Заявляемая ректификационная колонна работает следующим образом.
В вертикальный корпус 1 непрерывно подают исходную смесь (I) по патрубку 3 и паровую фазу (II) по патрубку 22 подачи пара.
За счет разницы температур и давления из-за работы нагревателя (на чертежах не показан), поток паровой фазы поднимается вверх по колонне, распределяется между секциями 7, в которых происходят массообменные процессы с находящейся на тарелках 2 жидкой фазой, следствием чего является ректификационное разделение и выделение компонентов из смеси.
Поток паровой фазы из верхней части колонны (III) через один из патрубков 5 поступает в дефлегматор, соединенный с холодильником (на чертежах не показаны), где конденсируется. Часть конденсата выводится в виде дистиллята, а остальную часть в виде флегмы (IV) подают по патрубку 4 в колонну.
Из патрубка 4 флегма (IV) в форме жидкой фазы поступает в пространство между стаканом 18 и крышкой 20 распределительного устройства 9, затем в полость стакана 18, откуда через сквозное отверстие 19 по патрубкам 13 поток флегмы попадает в секции 7, на верхнюю из контактных массообменных тарелок 2 и далее стекает на нижележащие контактные массообменные тарелки 2, в результате чего распределяется по контактным массообменным тарелкам 2, смешивается с исходной смесью и жидкая фаза далее взаимодействует с поднимающимся потоком паровой фазы (см выше).
Поскольку регулятор потоков паровой фазы 10 жестко закреплен на валу 14, при вращении вала 14 с помощью привода 21 происходит смена паровых и жидкостных периодов в секциях 7.
Из патрубка 3 исходная смесь в форме жидкой фазы поступает в пространство между стаканом 15 и крышкой 17 распределительного устройства 8, затем в полость стакана 15, откуда через сквозное отверстие 16 по патрубкам 12 поток исходной смеси попадает в секции 7, на питающую тарелку и далее стекает на нижележащие контактные массообменные тарелки 2, в результате чего распределяется по контактным массообменным тарелкам 2, смешивается с флегмой и жидкая фаза взаимодействует с поднимающимся потоком паровой фазы (см выше).
Высококипящий компонент, как тяжелая фракция исходной смеси, через патрубок 5 уходит в кубовый остаток (V) и выводится из нижней части колонны.
Поскольку распределительные устройства 8 и 9 жестко закреплены на валу 14, при вращении вала 14 с помощью привода 21, поступление исходной смеси из распределительного устройства 8 и флегмы из распределительного устройства 9 в секции 7 происходит последовательно, в период, пока сквозное отверстие 16 стакана 15 сообщается с соответствующим патрубком 12 подачи исходной смеси в секции 7 и сквозное отверстие 19 стакана 18 сообщается с соответствующим патрубком 13 подачи флегмы в секции 7.
Выполнение регулятора потоков паровой фазы 10 с размерами не меньше размеров одной секции 7 и направление сквозных отверстий 16 и 19 распределительных устройств 8 и 9 в сторону регулятора потоков паровой фазы 10, организуют синхронное поступление исходной смеси и флегмы и закрытие доступа потоков паровой фазы для одной и той же секции.
Таким образом, в процессе циклической ректификации параллельно реализуют переток жидкой фазы (исходной смеси, флегмы) в одной секции и движение паровой фазы с массообменными процессами в остальных секциях.