Перераспределитель жидкости
LIQUID REDISTRIBUTOR

Изобретение относится к конструкции перераспределителя жидкости в виде внутреннего устройства массообменного насадочного аппарата колонного типа. В первую очередь это относится к процессам взаимодействия в системах «жидкость-жидкость» (жидкостная экстракция). Предлагаемое изобретение может быть использовано в химической технологии, в частности в нефтеперерабатывающей, нефтехимической, химической промышленности и других отраслях народного хозяйства.
Известно перераспределительное устройство, представляющее собой перфорированное полотно тарелки для распределения дисперсной фазы, в котором вертикально установлены стаканы для прохода и распределения сплошной фазы. Стаканы в верхней части имеют шляпки и окна для выхода сплошной фазы (патент на изобретение US №4820455, МПК B01D 3/18, B01D 53/18, заявлен 13.08.1987, опубликован 11.04.1989). Недостатком данного изобретения является недостаточная равномерность расположения отверстий на полотне ввиду наличия стаканов, занимающих часть сечения тарелки. Это приводит к неравномерному распределению капель дисперсной фазы, выходящих через отверстия в полотне.
Наиболее близким по технической сути и достигаемому результату к заявляемому изобретению является перераспределитель жидкости, представляющий собой полотно тарелки, имеющей несколько рядов отверстий для распределения дисперсной фазы, а также каналы для прохода и распределения сплошной фазы, представляющие собой вертикально расположенные стаканы. Над стаканами имеются пластины для слива жидкости и перераспределения сплошной фазы по сечению аппарата, которые могут быть расположены как горизонтально, так и под наклоном (патент на изобретение US №5645770, МПК B01F 3/04, заявлен 18.04.1996, опубл. 08.07.1997). Недостатками данного изобретения являются:
- недостаточная эффективность распределения капель дисперсной фазы, обусловленная неравномерностью расположения отверстий на полотне тарелки;
- снижение равномерности распределения сплошной фазы в условиях высокой загрузки по сплошной фазе, вызванное недостаточным сечением для прохода сплошной фазы;
- в случае наклонных желобов сечение для выхода сплошной фазы непостоянно, что приводит к нарушению равномерности распределения сплошной фазы над полотном тарелки. Основная масса потока сплошной фазы будет увлекаться в направлении наибольшего выходного сечения.
Общим недостатком представленных выше технических решений является нарушение равномерности распределения дисперсной фазы, связанное с наличием внутренних противоречий в конструкции данных устройств. С одной стороны, для обеспечения равномерности распределения сплошной фазы необходимо разместить большое число стаканов, либо увеличивать их диаметр. С другой стороны, увеличение числа и диаметра стаканов не позволит равномерно разместить отверстия на полотне, что приведет к нарушению равномерности распределения дисперсной фазы. Наибольшие риски могут возникать в процессах с высокой кратностью сплошная фаза/дисперсная фаза, например, в процессах селективной очистки масел фенолом (фенол является сплошной фазой), в процессах щелочной демеркаптанизации сжиженных углеводородных газов (СУГ) (в случае, когда технология подразумевает СУГ сплошной фазой).
В процессе создания изобретения были поставлены следующие задачи:
- обеспечение равномерного распределения капель дисперсной фазы по всему сечению аппарата, что позволит впоследствии более полно задействовать рабочий объем насадки для тепло- и массообмена.
- обеспечение равномерного распределения сплошной фазы по сечению колонны в условиях высокой нагрузки и большой кратности сплошная фаза/дисперсная фаза;
- сохранение устойчивости и механической прочности конструкции.
Указанная задача решается тем, что перераспределитель жидкости в виде внутреннего устройства колонны, имеющий отверстия для прохода дисперсной фазы, каналы для прохождения сплошной фазы и пластины для перераспределения сплошной фазы по сечению аппарата, согласно изобретению, выполнен в виде набора перфорированных горизонтальных пластин, а также вертикальных пластин, приваренных к решетке, при этом решетка представляет собой жесткую матрицу, образованную двумя взаимно перпендикулярными приваренными друг к другу рядами вертикальных пластин, создающих каналы для прохождения сплошной и дисперсной фазы, расположенные в шахматном порядке так, что выполняются следующие условия:
0
Х=n⋅Х-Y-2δ
0
0
X>(n-1)⋅X+d
0
Y<X
где
X - ширина отсеков для накопления и распределения дисперсной фазы,
Y - ширина каналов для прохождения сплошной фазы,
0
Х - шаг между отверстиями,
n - число отверстий в ряду между пластинами с шагом X,
0
d - диаметр отверстий,
δ - толщина листа.
0
Для изготовления перераспределительного устройства целесообразно использовать лист толщиной 2-4 мм (для придания прочности конструкции). На привариваемых к матрице горизонтальных пластинах целесообразно выполнить отверстия диаметром 4-8 мм. Отверстия целесообразно располагать в коридорном порядке с шагом Х не менее 40 мм.
Диаметр внутреннего устройства должен быть на несколько миллиметров меньше внутреннего диаметра колонны, чтобы иметь возможность монтажа. Монтаж целесообразно выполнить путем крепления перераспределителя к опорному кольцу колонны. В зависимости от соотношения плотностей сплошной и дисперсной фаз ориентация внутреннего устройства может отличаться:
1) для систем «жидкость-жидкость» при плотности дисперсной фазы больше плотности сплошной фазы, а также для систем «газ-жидкость» перфорированные пластины привариваются к нижней части матрицы, а пластины для перераспределения сплошной фазы располагаются над матрицей на ножках;
2) для систем «жидкость-жидкость» при плотности дисперсной фазы меньше плотности сплошной фазы перфорированные пластины привариваются к верхней части матрицы, а пластины для перераспределения сплошной фазы располагаются под матрицей на ножках;
На фиг. 1 представлена 3D-модель матричного перераспределителя жидкости. На фиг. 2 представлен вид внутреннего устройства спереди, на фиг. 3 - горизонтальный разрез с указанием основных размеров.
Перераспределитель жидкости содержит решетку 1, образованную двумя взаимно перпендикулярными приваренными друг к другу рядами вертикальных пластин, перфорированные пластины 2, образующие отсеки для накопления и распределения дисперсной фазы, ряды горизонтальных пластин 3 для перераспределения сплошной фазы, а также гнутые пластины 4.
Перераспределитель, показанный на фиг. 1, 2 и 3, предназначен для диспергирования более тяжелой дисперсной фазы.
Устройство работает следующим образом. Более легкая сплошная фаза движется вверх, проходя через каналы (окна), далее отбивается от пластин 3, находящихся над решеткой 1, тем самым равномерно перераспределяясь по сечению аппарата под вышележащим слоем насадки. Тяжелая дисперсная фаза, двигаясь каплями вниз, образует над перфорированными пластинами 2 слой скоалесцированной тяжелой фазы и далее проходит через отверстия вниз, равномерно распределяясь над нижележащим слоем насадки. Горизонтальные пластины 3 над решеткой 1 также препятствуют возможному проскоку капель дисперсной фазы через окна для прохода сплошной фазы. Для создания герметичных отсеков для накопления и распределения дисперсной фазы используются гнутые пластины 4.
Равномерное распределение дисперсной фазы на выходе из перераспределителя достигается за счет равномерно расположенных отверстий относительно друг друга. Необходимое число отверстий определяется на основании допустимого диапазона скорости дисперсной фазы в отверстиях. Например, для процессов аминовой очистки СУГ рекомендуемые скорости дисперсной фазы в отверстиях лежат в диапазоне 0,15-0,30 м/с (Sheilan, М. Amine Treating and Sour Water Stripping / M.H. Sheilan, В.H. Spooner, D.E. Street, E. Hoorn // Amine Experts. - 2005. - c. 54).
Равномерное распределение сплошной фазы на выходе из перераспределителя достигается за счет большого проходного сечения окон, расположенных равномерно по сечению аппарата, а также за счет наличия двух рядов горизонтальных пластин, расположенных над решеткой.
Эффективность заявляемого изобретения подтверждается следующими примерами.
Пример 1. В рамках расчетного исследования методами вычислительной гидродинамики в среде ANSYS CFX был проведен гидродинамический расчет перераспределительной тарелки с семью цилиндрическими стаканами (по аналогии с патентом на изобретение US №4820455) и гидродинамический расчет заявляемого изобретения. Конфигурация представленных перераспределителей жидкости представлена в таблице 1.
3
3
3
3
Расчет осуществлялся в стационарной постановке со следующими параметрами модели: диаметр аппарата (расчетной области) 600 мм, высота расчетной области 1600 мм, давление в системе 18 атм, температура процесса 20°С, диаметр капель дисперсной фазы на входе в расчетную область 5 мм. В нижнюю часть расчетной области поступала более легкая сплошная фаза -СУГ (плотность СУГ при 20°С 505 кг/м, вязкость при 20°С 0,0001 Па⋅с). В верхнюю часть расчетной области поступала более тяжелая дисперсная фаза - щелочной раствор (плотность щелочного раствора при 20°С 1090 кг/м, вязкость при 20°С 0,0014 Па⋅с, межфазное натяжение на границе с СУГ 70 дин/см). Расходы фаз были зафиксированы: объемный расход СУГ 10 м/ч, объемный расход щелочи 1,5 м/ч (кратность сплошная фаза/дисперсная фаза=6,7).
Перераспределитель жидкости, согласно исследованию, располагался в средней части расчетной области на высоте около 700 мм над входом сплошной фазы. После решения гидродинамической задачи были получены значения скоростей и объемных долей фаз во всех точках расчетной области. Эффективность распределения сплошной и дисперсной фаз оценивалась по методу, представленному ранее (Муллабаев, К.А. Метод оценки распределения потоков в колонных аппаратах средствами CFD-систем / К.А. Муллабаев, С.К. Чуракова // В сборнике материалов VI Международной научной конференции «Теория и практика массообменных процессов химической технологии» (Марушкинские чтения). - 2021. - Т. 33. - с. 49-51). Для сплошной фазы вычислялась величина доли обратного тока по отношению к общему потоку, проходящему через заданное сечение аппарата (BFF):
z
XY
где U - вертикальная составляющая скорости сплошной фазы в каждой точке расчетной области, S - заданное сечение. Распределение оценивалось на выходе на расстоянии 500 мм над нижним полотном перераспределителя, а также под перераспределителем на расстоянии 300 мм. Равномерность распределения капель дисперсной фазы оценивалась на основании среднеквадратичного отклонения объемной доли дисперсной фазы от ее среднего значения на расстоянии 300 мм под перераспределителем:
XY
где ϕ - значение объемной доли дисперсной фазы в данной точке рассматриваемого сечения S;
XY
- среднее значение объемной доли дисперсной фазы в сечении S,
ϕ
Cv - коэффициент вариации объемной доли.
ϕ
Меньшие значения BFF и Cv отвечают более равномерному распределению сплошной и дисперсной фаз. Расчетные скорости фаз и результаты гидродинамических расчетов представлены в таблице 2.
ϕ
Расчеты показали, что заявляемое изобретение обеспечивает более равномерное распределение дисперсной фазы (величина Cv в серии расчетов предлагаемого изобретения оказалась примерно на 19-20% меньше, чем при расчете перераспределителя с 7 стаканами по прототипу). Это связано с возможностью равномерного расположения необходимого числа отверстий в заявляемом изобретении, в то время как для перераспределителя по прототипу при заданном диаметре сделать невозможно. Переход на меньший диаметр стаканов даже при увеличении их числа не позволит в достаточной степени обеспечить такое же проходное сечение для сплошной фазы, как в заявляемом изобретении, что будет показано ниже в примере 2.
2
Распределение сплошной фазы на выходе сплошной фазы оказалось примерно на одном уровне, однако, как показал расчет, обратное перемешивание, возникающее на входе сплошной фазы в перераспределитель, для заявляемого изобретения оказалось менее выраженным, чем для перераспределителя с 7 стаканами (величина BFF в серии расчетов предлагаемого изобретения оказалась примерно на 9-14% меньше, чем при расчете перераспределителя с 7 стаканами). Это связано с обеспечением большего проходного сечения для сплошной фазы в заявляемом изобретении по сравнению с перераспределительной тарелкой с 7 стаканами.
Пример 2. Для перераспределителя с цилиндрическими стаканами был проведен расчет максимально возможного сечения для прохода сплошной фазы. Стаканы располагались в шахматном порядке. При этом число отверстий для прохода дисперсной фазы и шаг между отверстиями были такими же, как и в заявляемом изобретении. Также были идентичными расстояния от края отверстия до кромки стакана (вертикальной пластины). Это расстояние, было принято равным 2,5 мм.
2
Максимальный внешний диаметр стаканов ограничен расстоянием между отверстиями по диагонали и равен 69⋅√2=97 мм. В этом случае край отверстия будет касаться кромки стакана. С учетом отступа от края отверстия 2,5 мм и толщины стаканов, аналогичной заявляемому изобретению (3 мм), внутренний диаметр стакана будет равен 97-2⋅3-2⋅2,5-8=78 мм. Максимальное число таких стаканов, которое можно разместить в аппарате диаметром 600 мм, равно 24. Расчетная площадь для прохода сплошной фазы равна в этом случае 0,115 м, что на 14,8% меньше площади для прохода сплошной фазы в заявляемом изобретении. Как видно из примера, увеличение количества стаканов на перераспределительной тарелке значительно увеличивает площадь для прохода сплошной фазы, тем не менее, эта площадь оказывается меньше таковой для заявляемого изобретения.
3
3
Пример 3. Методами вычислительной гидродинамики в среде ANSYS CFX был проведен расчет перераспределительной тарелки, представленной в примере 2 и заявляемого изобретения в условиях высокой загрузки по сплошной фазе. Расчетные параметры модели были аналогичны примеру 1, при этом объемный расход сплошной фазы (СУГ) был увеличен с 10 м/ч до 20 м/ч. Конфигурация распределительных устройств, показатели эффективности распределения и расчетные скорости фаз представлены в таблице 3.
2
ϕ
Результаты расчета показывают, что заявляемое изобретение дает сопоставимую эффективность распределения сплошной фазы на выходе из перераспределителя, при этом наблюдается некоторое снижение обратного перемешивания сплошной фазы на входе в перераспределитель (величина BFF в серии расчетов предлагаемого изобретения оказалась примерно на 3-8% меньше, чем при расчете перераспределителя с 24 стаканами). Кроме того, было обнаружено, что предлагаемая конструкция перераспределителя жидкости в текущих условиях обеспечивает более равномерное распределение дисперсной фазы даже при одинаковом количестве отверстий (величина Cv в серии расчетов предлагаемого изобретения оказалась примерно на 3-5% меньше, чем при расчете перераспределителя с 24 стаканами). Данный факт можно объяснить тем, что в условиях высокой нагрузки по сплошной фазе обратное перемешивание в зоне распределения капель оказывает существенную роль на распределение дисперсной фазы. Заявляемое изобретение дает возможность обеспечивать более равномерное распределение сплошной и дисперсной фазы, а также работать в более широком диапазоне нагрузок по сплошной фазе с сохранением эффективного распределения.
Таким образом, заявляемый перераспределитель жидкости в виде внутреннего устройства насадочной экстракционной колонны для проведения массообменных процессов позволяет достичь большей площади для прохода сплошной фазы, а, следовательно, меньшей ее скорости. Это позволяет обеспечить равномерное распределение сплошной и дисперсной фаз по сечению аппарата, что приводит к интенсификации процессов массообмена, происходящих в насадочном слое, что в конечном счете приводит к увеличению эффективности работы аппарата в целом.