СБОРНИК И ПЕРЕРАСПРЕДЕЛИТЕЛЬ ЖИДКОСТИ ДЛЯ НАСАДОЧНЫХ КОЛОНН
FLUID ACCUMULATOR AND DISTRIBUTOR FOR PACKED COLUMNS

Настоящее изобретение относится к устройствам и способам для сбора и перераспределения жидкости, опускающейся в насадочных обменных колоннах, для процессов тепло- и/или массообмена. Изобретение имеет особое применение при криогенных процессах разделения воздуха с использованием дистилляции, хотя оно может быть также применено при других процессах тепло- и/или массообмена, при которых используется насадка (например, неупорядоченная или упорядоченная насадка). Кроме того, настоящее изобретение относится к способам монтажа устройств для сбора и перераспределения жидкости, опускающейся в насадочных обменных колоннах.
Используемый здесь термин «колонна» (или «обменная колонна») обозначает дистилляционную или ректификационную колонну или зону, т.е. колонну или зону, где жидкая и паровая фазы противоточно контактируют для обеспечения разделения жидкой смеси, как, например, контактированием паровой и жидкой фаз на насадочных элементах или на ряде тарелок, установленных внутри колонны с интервалами по высоте.
Термин «насадка» обозначает сплошные или полые тела заданных размеров, формы и конфигурации, используемые в качестве внутренних элементов колонны для создания поверхности для жидкости, чтобы позволить массопередачу на поверхности раздела жидкость-пар во время противоточного течения двух фаз. Двумя широкими классами насадок являются «неупорядоченные» и «упорядоченные» насадки.
Термин «неупорядоченная насадка» обозначает насадку, в которой отдельные элементы не имеют никакой определенной ориентации относительно друг друга или оси колонны. Неупорядоченные насадки - это небольшие полые элементы с большой площадью поверхности на единицу объема, которые неупорядоченно загружены в колонну.
Термин «упорядоченная насадка» обозначает насадку, в которой отдельные элементы имеют определенную ориентацию относительно друг друга и оси колонны. Упорядоченные насадки обычно изготавливают из тонколистового металла, пористого металла или тканой проволочной сетки, уложенных слоями или в виде спиральных связок; однако могут быть использованы другие конструкционные материалы, как, например, обычный листовой металл.
При технологических процессах, как например, дистилляции или непосредственного контактного охлаждения полезно использовать упорядоченную насадку, чтобы способствовать тепло- и массопередаче между противоположно текущими потоками жидкости и пара. По сравнению с неупорядоченной насадкой или тарелками упорядоченная насадка приносит выгоды от большей эффективности тепло- и массопередачи при меньшем перепаде давления. Кроме того, упорядоченная насадка имеет более предсказуемые технические характеристики, чем неупорядоченная насадка.
Криогенное разделение воздуха осуществляют пропусканием жидкости и пара через дистилляционную колонну при их противоточном контакте. Паровая фаза смеси поднимается со все более возрастающей концентрацией более летучих компонентов (например, азота), в то время как жидкая фаза смеси опускается со все более возрастающей концентрацией менее летучих компонентов (например, кислорода).
Чтобы привести в контакт жидкую и газообразную фазы смеси для осуществления массообмена между фазами, используют различные насадки или тарелки. Использование насадки для дистилляции является стандартной практикой и имеет много преимуществ в тех случаях, когда перепад давления имеет важное значение.
Первоначальный подвод жидкости и пара к насадке обычно осуществляется посредством распределителей. Распределитель жидкости, назначением которого является по существу равномерное орошение насадки жидкостью, расположен над насадкой, в то время как парораспределитель, назначением которого является создание по существу равномерного потока пара под насадкой, расположен под насадкой. Кроме парораспределителя, под насадкой расположен также сборник жидкости, назначением которого является сбор всей жидкости, покидающей насадку, и направление ее далее вниз колонны. Сборник жидкости и парораспределитель обычно заключены в одно и то же устройство, которое выполняет обе функции.
В патенте США №4744929(на имя Робинсона и др.), озаглавленном «Опорное устройство для насадочной колонны», описывается опорное устройство для насадочной колонны. Это опорное устройство предназначено функционировать как в качестве опорного устройства для насадки, так и в качестве сборника для опускающейся жидкости.
Из уровня техники известны многие другие устройства для сбора и перераспределения жидкости в насадочных колоннах. В общем, эти устройства являются независимыми частями оборудования, которые нуждаются в поддержке в определенных местах в колонне и которые занимают пространство (по высоте) внутри колонны, что делает колонну выше. Это приводит к увеличенным расходам на изготовление, транспортировку, монтаж и эксплуатацию колонны.
Желательно иметь устройство и способ для сбора и перераспределения потока жидкости, опускающейся в обменной колонне, которые требуют сравнительно небольших дополнительных высоты колонны и связанных с эти расходов.
Более желательно иметь устройство и способ для сбора и перераспределения потока жидкости, опускающейся в обменной колонне, при которых сборник жидкости легко объединяется в одно целое с опорными решетками или другими элементами.
Еще более желательно иметь новые, более эффективные устройство и способ для сбора и перераспределения потока жидкости, опускающейся в обменной колонне.
Еще более желательно иметь устройство и способ, которые эффективно распределяют пар, при этом собирая и перераспределяя поток жидкости, опускающейся в обменной колонне.
Еще более желательно иметь устройство и способ для сбора и перераспределения потока жидкости, опускающейся в обменной колонне, которые устраняют известные из уровня техники трудности, проблемы, ограничения, недостатки и несовершенства, обеспечивая лучшие и более полезные результаты.
Кроме того, желательно иметь способ монтажа устройства для сбора и перераспределения потока жидкости, опускающегося в обменной колонне, который дает лучшее распределение жидкости, чем при предшествующем уровне техники и, который, кроме того, устраняет многие из известных из уровня техники трудностей и недостатков, обеспечивая лучшие и более полезные результаты.
Краткое изложение сущности изобретения
Изобретение относится к устройству и способу для сбора и перераспределения потока жидкости, опускающегося в обменной колонне. Кроме того, изобретение относится к способу монтажа такого устройства.
Имеется несколько аспектов устройства и их вариантов. Согласно первому аспекту устройство для сбора и перераспределения потока жидкости, опускающегося в обменной колонне, которая имеет продольную ось и площадь поперечного сечения и содержит слой насадки, имеющий верхнюю часть и нижнюю часть напротив верхней части, при этом нижняя часть слоя насадки проходит поперек, по меньшей мере, части площади поперечного сечения обменной колонны, содержит три составные части. Первая составная часть - это множество расположенных с интервалами по горизонтали продольных элементов, включая, по меньшей мере, одну пару продольных элементов, которая содержит первый продольный элемент и второй продольный элемент, расположенный с интервалом по горизонтали от первого продольного элемента. Каждый продольный элемент проходит поперек, по меньшей мере, части площади поперечного сечения обменной колонны и имеет, по меньшей мере, одну внутреннюю сторону, верхний конец вблизи нижней части слоя насадки и нижний конец напротив верхнего конца. Вторая составная часть - это, по меньшей мере, одна пластина, расположенная с интервалом по вертикали от нижней части слоя насадки и проходящей поперек, по меньшей мере, части площади поперечного сечения обменной колонны. Пластина выполнена с возможностью собирать первую часть потока жидкости, опускающегося в обменной колонне, и имеет первый конец и второй конец напротив первого конца. Первый конец пластины соединен с внутренней стороной первого продольного элемента, а второй конец пластины соединен с внутренней стороной второго продольного элемента. Третья составная часть - это, по меньшей мере, один стакан для прохода пара, находящийся в сообщении по текучей среде с пластиной, который выполнен с возможностью принимать и пропускать, по меньшей мере, часть потока пара, поднимающегося в обменной колонне, от первого места под пластиной ко второму месту над пластиной. Стакан для прохода пара имеет крышку, расположенную с интервалом по вертикали от нижней части насадки, по меньшей мере, одну вертикальную стенку, соединенную с пластиной, выступающую вверх над пластиной и соединяющуюся с крышкой, и, по меньшей мере, одно отверстие, выполненное с возможностью пропускать, по меньшей мере, часть потока пара наружу из стакана для прохода пара.
Имеется несколько вариантов выполнения устройства согласно первому аспекту. В одном варианте, по меньшей мере, одно отверстие в стакане для прохода пара представляет собой, по меньшей мере, один проем в, по меньшей мере, одной вертикальной стенке стакана для прохода пара. В другом варианте, по меньшей мере, один из первого продольного элемента и второго продольного элемента конструктивно поддерживает, по меньшей мере, часть слоя насадки.
В другом варианте крышка выполнена с возможностью принимать вторую часть потока жидкости, опускающегося в обменной колонне, и отклонять, по меньшей мере, значительную часть второй части потока жидкости вниз к пластине. В еще одном варианте крышка содержит сборный канал, выполненный с возможностью принимать и собирать вторую часть потока жидкости, опускающегося в обменной колонне.
Устройство согласно второму аспекту сходно с устройством согласно вышеописанному первому аспекту, но содержит дополнительный элемент. Дополнительный элемент - это, по меньшей мере, один транспортный канал, проходящий поперек, по меньшей мере, части площади поперечного сечения обменной колонны и выполненный с возможностью принимать и пропускать поток, по меньшей мере, части жидкости, собранной на, по меньшей мере, одной пластине. В разновидности этого варианта, по меньшей мере, один транспортный канал представляет собой кольцеобразный канал, имеющий наружный периметр, равный внутреннему периметру обменной колонны или меньше его.
Устройство согласно третьему аспекту сходно с устройством согласно второму аспекту, но содержит дополнительный элемент. Дополнительный элемент - это, по меньшей мере, один проход, находящийся в сообщении по текучей среде с, по меньшей мере, одним транспортным каналом и выполненный с возможностью принимать и пропускать, по меньшей мере, часть собранной жидкости из, по меньшей мере, одного транспортного канала вниз в обменной колонне.
Согласно другому аспекту изобретения предлагается способ сбора и перераспределения опускающегося потока жидкости и поднимающегося потока пара в обменной колонне, имеющей продольную ось и площадь поперечного сечения. Обменная колонна содержит слой насадки, имеющий верхнюю часть и нижнюю часть напротив верхней части. Нижняя часть слоя насадки проходит поперек, по меньшей мере, части площади поперечного сечения обменной колонны. Согласно первому аспекту способа он содержит много стадий. Первая стадия - это ввод опускающегося потока жидкости в верхнюю часть обменной колонны. Вторая стадия - это ввод поднимающегося потока пара в нижнюю часть обменной колонны. Третья стадия - это размещение внутри обменной колонны устройства, содержащего три вышеописанные составные части согласно первому аспекту выполнения устройства. Четвертая стадия - это пропуск, по меньшей мере, части потока пара из нижней части колонны к первому месту под пластиной вблизи, по меньшей мере, одного стакана для прохода пара.
Имеется много вариантов первого аспекта осуществления способа. В одном варианте, по меньшей мере, одно отверстие в стакане для прохода пара представляет собой, по меньшей мере, одну прорезь в, по меньшей мере, одной вертикальной стенке стакана для прохода пара. В другом варианте, по меньшей мере, один из первого продольного элемента и второго продольного элемента конструктивно поддерживает, по меньшей мере, часть слоя насадки.
Согласно другому варианту первого аспекта осуществления способа крышку выполняют с возможностью принимать вторую часть потока жидкости, опускающегося в обменной колонне, и отклонять, по меньшей мере, значительную часть второй части потока жидкости вниз к пластине. В еще одном варианте крышка содержит сборный канал, выполненный с возможностью принимать и собирать вторую часть потока жидкости, опускающегося в обменной колонне.
Способ согласно второму аспекту сходен со способом согласно первому аспекту, но содержит две дополнительные стадии. Первая стадия - это использование, по меньшей мере, одного транспортного канала, проходящего поперек, по меньшей мере, части площади поперечного сечения обменной колонны и выполненного с возможностью принимать и пропускать поток, по меньшей мере, части жидкости, собранной на, по меньшей мере, одной пластине. Вторая дополнительная стадия - это распределение потока, по меньшей мере, части жидкости, собранной на, по меньшей мере, одной пластине к, по меньшей мере, одному транспортному каналу. В варианте второго аспекта способа, по меньшей мере, один транспортный канал выполняют в виде кольцеобразного канала, имеющего наружный периметр, равный внутреннему периметру обменной колонны или меньше его.
Способ согласно третьему аспекту сходен со способом согласно второму аспекту, но содержит три дополнительные стадии. Первая дополнительная стадия - это использование, по меньшей мере, одного прохода, находящегося в гидравлическом сообщении с, по меньшей мере, одним транспортным каналом и выполненного с возможностью принимать и пропускать, по меньшей мере, часть собранной жидкости из, по меньшей мере, одного транспортного канала вниз в обменной колонне. Вторая дополнительная стадия - это пропуск к, по меньшей мере, одному проходу, по меньшей мере, части собранной жидкости, распределенной к, по меньшей мере, одному транспортному каналу. Третья дополнительная стадия - это пропуск в, по меньшей мере, один проход, по меньшей мере, части собранной жидкости, принятой из, по меньшей мере, одного транспортного канала вниз в обменную колонну.
Согласно другому аспекту изобретения предлагается способ сбора устройства для сбора и перераспределения потока жидкости, опускающегося в обменной колонне. Согласно первому аспекту способа он содержит много стадий. Первая стадия - это обеспечивают обменную колонну, которая имеет продольную ось и площадь поперечного сечения и содержит слой насадки, имеющий верхнюю часть и нижнюю часть напротив верхней части, при этом нижняя часть слоя насадки проходит поперек, по меньшей мере, части площади поперечного сечения обменной колонны. Вторая стадия - это обеспечение в обменной колонне множества расположенных с интервалами по горизонтали продольных элементов, включая, по меньшей мере, одну пару продольных элементов, которая содержит продольный элемент и второй продольный элемент, расположенный с интервалом по горизонтали от первого продольного элемента. Каждый продольный элемент проходит поперек, по меньшей мере, части площади поперечного сечения обменной колонны и имеет, по меньшей мере, одну внутреннюю сторону, верхний конец вблизи нижней части слоя насадки и нижний конец напротив верхнего конца.
Третья стадия - это обеспечение в обменной колонне, по меньшей мере, одной пластины, расположенной с интервалом по вертикали от нижней части слоя насадки и простирающейся поперек, по меньшей мере, части площади поперечного сечения обменной колонны. Пластина выполнена с возможностью собирать первую часть потока жидкости, опускающегося в обменной колонне, и имеет первый конец и второй конец напротив первого конца. Первый конец пластины соединен с внутренней стороной первого продольного элемента, а второй конец пластины соединен с внутренней стороной второго продольного элемента.
Четвертая стадия - это обеспечение в обменной колонне, по меньшей мере, одного стакана для прохода пара в гидравлическом сообщении с пластиной, который выполнен с возможностью принимать и пропускать, по меньшей мере, часть потока пара, поднимающегося в обменной колонне, от первого места под пластиной ко второму месту над пластиной. Стакан для прохода пара имеет крышку, расположенную с интервалом по вертикали от нижней части насадки, одну вертикальную стенку, соединенную с пластиной, выступающую вверх над пластиной и соединяющуюся с крышкой и, по меньшей мере, одно отверстие, выполненное с возможностью пропускать, по меньшей мере, часть потока пара наружу из стакана для прохода пара.
В варианте первого аспекта способа монтажа, по меньшей мере, один из первого продольного элемента и второго продольного элемента конструктивно поддерживает, по меньшей мере, часть слоя насадки.
Способ сборки устройства согласно второму аспекту сходен со способом сборки согласно первому аспекту, но содержит дополнительную стадию. Дополнительная стадия - это использование в обменной колонне, по меньшей мере, одного транспортного канала, проходящего поперек, по меньшей мере, части площади поперечного сечения обменной колонны и выполненного с возможностью принимать и пропускать поток, по меньшей мере, части жидкости, собранной на, по меньшей мере, одной пластине.
Способ сборки устройства согласно третьему аспекту сходен со способом сборки согласно второму аспекту, но содержит дополнительную стадию. Дополнительная стадия - это использование в обменной колонне, по меньшей мере, одного прохода, находящегося в гидравлическом сообщении с, по меньшей мере, одним транспортным каналом и выполненного с возможностью принимать и пропускать, по меньшей мере, часть собранной жидкости из, по меньшей мере, одного транспортного канала вниз в обменную колонну.
Краткое описание чертежей
Изобретение будет описано в качестве примера со ссылкой на сопровождающие чертежи, на которых:
Фиг.1 - схематический вертикальный вид в разрезе устройства согласно одному варианту осуществления изобретения;
Фиг.2 - схематический вид сверху в разрезе устройства согласно одному варианту осуществления изобретения;
Фиг.3 - вертикальный вид в разрезе стакана одного типа для прохода пара для устройства согласно одному варианту осуществления изобретения;
Фиг.4 - вертикальный вид в разрезе стакана другого типа для прохода пара для устройства согласно другому варианту осуществления изобретения;
Фиг.5 - схематический вид сверху в разрезе колонны, содержащей устройство согласно другому варианту осуществления изобретения;
Фиг.6 - схематический вид сверху в разрезе обменной колонны, содержащей устройство согласно другому варианту осуществления изобретения; и
Фиг.7 - схематический вид сверху в разрезе колонны, содержащей устройство согласно другому варианту осуществления изобретения.
Подробное описание изобретения
На фиг.1-7 показано несколько вариантов выполнения устройства и осуществления способа для сбора и распределения жидкости, опускающейся в обменной колонне. На фиг.1 и 2 показан вариант выполнения устройства в обменной колонне, имеющей небольшой диаметр, в то время как на фиг.5-7 показано несколько вариантов выполнения устройства в обменных колоннах большого диаметра. Как будет понятно специалистам в данной области техники, возможны многие другие варианты, воплощающие в себе сущность изобретения, а также многие разновидности вариантов осуществления изобретения, показанных и описанных здесь.
На фиг.1 и 2 показано устройство 10 для сбора и перераспределения потока жидкости, опускающегося в обменной колонне 12. Хотя устройство и способ обсуждаются здесь в связи с упорядоченной насадкой, специалистам в данной области техники будет понятно, что устройство и способ могут быть также использованы с насадкой других типов (например, неупорядоченной насадкой).
Слой насадки 12 поддерживается опорными элементами 16, которые обычно являются удлиненными металлическими элементами, проходящими поперек площади поперечного сечения обменной колонны 14. Пластина 18 (например, плоская металлическая пластина) помещена между опорными элементами 16 и соединена с каждым опорным элементом 16 сваркой или другим средством крепления. Кроме того, пластина 18 проходит от опорных элементов 16 к внутренней стенке обменной колонны 14, где она присоединена к стенке средством соединения 26.
На пластине имеется стакан 20 для прохода пара. Как будет понятно специалистам в данной области техники, стакан для прохода пара может иметь различные конфигурации или формы. Показанный стакан для прохода пара имеет вертикальные стенки 30, расположенные на расстоянии друг от друга и прикрепленные к пластине 18. Крышка 24 наверху стакана для прохода пара соединяет вертикальные стенки, которые перфорированы таким образом, что пар, поднимающийся в обменной колонне и входящий в стакан для прохода пара, может проходить через отверстия 22 и продолжать подъем вверх, чтобы в конце концов войти в слой насадки 12.
Как показано на фиг.1, бόльшая часть жидкости, проходящей через слой насадки 12, льется вниз через площадь живого сечения над пластиной 18. Однако, как схематически показано на фигурах, некоторая часть жидкости стекает по внутренним стенкм обменной колонны 14 и по обеим сторонам опорных элементов 16.
Хотя бόльшая часть жидкости, которая льется вниз, падает на пластину 18, часть опускающейся жидкости падает на крышки 24 стаканов 20 для прохода пара. На фиг.3 показан один вариант, где крышка имеет выступы 32, наклоненные вниз для отражения жидкости вниз к пластине. На фиг.4 показан другой вариант, где крышка имеет форму канала с вертикальными стенками 34, расположенными на расстоянии друг от друга. Жидкость, собранная в канале, может стекать вниз к пластине 18 с одного или обоих концов канала наверху стакана 20 для прохода пара. Как будет понятно специалистам в данной области техники, возможны другие формы крышки и средства для пропуска жидкости с крышки вниз к пластине.
Жидкость, собранная на пластине 18, отводится с пластины вниз в обменную колонну 14. На фиг.2 и фиг.5-7 показано несколько вариантов выполнения устройства, имеющих различные средства для осуществления этого. Затем жидкость направляется к сборнику (не показан) или к нижерасположенному распределителю (не показан).
На фиг.2 жидкость течет к любому концу пластины 18 и падает в сливной стакан 28. Как будет понятно специалистам в данной области техники, возможны другие варианты в отношении размера, формы, расположения, конструкции и количества сливных стаканов.
В варианте осуществления изобретения, показанном на фиг.5, канал 36, простирающийся поперек площади поперечного сечения обменной колонны 14, принимает жидкость, протекающую с пластин 18 по обеим сторонам канала. Один или несколько сливных стаканов 38 принимают жидкость, собранную в канале 36, и пропускают эту жидкость вниз в обменную колонну.
В варианте осуществления изобретения, показанном на фиг.6, кольцеобразный канал (желоб) 46 принимает собранную жидкость с пластин 18. Жидкость, принятая в кольцеобразный канал, пропускается вниз через сливные стаканы 48, расположенные в различных местах, как это показано на фиг.6. Кольцеобразный канал предпочтительно является непрерывным и примыкающим к периметру внутренней стенки обменной колонны 14, как это показано на фиг.6. Однако, как будет понятно специалистам в данной области техники, кольцеобразный канал не обязательно должен быть и непрерывным, и примыкающим к внутренней стенке обменной колонны, так что возможны другие варианты его выполнения.
На фиг.7 показано другое возможное выполнение многочисленных каналов 36 и сливных каналов 38 для приема жидкости, собранной на пластинах 18, и пропуска жидкости вниз в обменную колонну 14 через сливные стаканы. На фиг.7 показаны два канала 36, которые расположены на расстоянии друг от друга и имеют одинаковые размеры и которые параллельны диаметру обменной колонны и равноудалены от него. Однако, как будет понятно специалистам в данной области техники, возможны многие другие варианты расположения и разновидности.
Сливные стаканы 38 как на фиг.5, так и на фиг.7 показаны в виде круглых проходов, которые расположены в местах, показанных относительно диаметра обменной колонны 14. Однако, как будет понятно специалистам в данной области техники, сливные стаканы могут иметь другие формы и/или находиться в других местах.
Кроме того, в предпочтительном варианте осуществления изобретения пластины 18 выполнены за одно целое с опорными элементами 16, которые обеспечивают конструктивную опору для слоя насадки 12. Однако возможны другие конструкции. Например, пластина (пластины) может быть соединена с другими удлиненными элементами, которые расположены внутри обменной колонны 14 и простираются вверх от пластины (пластин) к нижней части слоя насадки или вблизи нее. Как будет понятно специалистам в данной области техники, возможны различные другие варианты выполнения, включая разные сочетания (например, некоторые удлиненные элементы обеспечивают конструктивную опору в то время, как другие удлиненные элементы не обеспечивают такую опору.
Благодаря выполнению сборника жидкости за одно целое с опорными элементами высота колонны, занимаемая устройством, меньше высоты, занимаемой сборниками жидкости, известными из предшествующего уровня техники, при этом меньше сравнительные расходы на оборудование. Практическим результатом уменьшения высоты обменной колонны является снижение расходов на изготовление, транспортировку, монтаж и эксплуатацию колонны. В дополнение к тому, что устройство для сбора и перераспределения жидкости становится менее дорогим и более легким в изготовлении, оно обеспечивает хорошую пригодность к эксплуатации при небольших отказах и удовлетворительно работает на всем технологическом режиме, используемом при воздухоразделительной дистилляции.
Хотя настоящее изобретение показано и описано здесь со ссылкой на определенные конкретные варианты его осуществления, оно, тем не менее, как предполагается, не ограничивается показанными и описанными подробностями. Скорее могут быть сделаны различные изменения в подробностях, находящиеся в пределах эквивалентов формулы изобретения и не отклоняющиеся от сущности изобретения.