УСТРОЙСТВО ДЛЯ РАВНОМЕРНОГО РАЗДЕЛЕНИЯ ПОТОКОВ ТЕКУЧЕЙ СРЕДЫ В ХИМИЧЕСКИХ АППАРАТАХ НА ДВА ИЛИ НЕСКОЛЬКО ОТДЕЛЬНЫХ ПОТОКОВ
DEVICE FOR UNIFORM FLUID FLOWS SEPARATION IN CHEMICAL APPARATUSES TO TWO OR SEVERAL FLOWS

Изобретение относится к химическому приборостроению, в частности устройству для равномерного разделения потоков текучей среды в химических аппаратах на два или более отдельных потоков, которые имеют по сравнению с существующими устройствами уменьшенную склонность к образованию отложений.
В химической технике в применяемых химических реакторах часто используются устройства, которые внутри химических реакторов должны обеспечивать равномерное разделение потоков текучей среды. Эти устройства часто также еще называются внутренними устройствами.
Специальную форму осуществления таких внутренних устройств представляют так называемые тарелки, среди которых так называемые распределительные тарелки представляют другой особый случай. В частности, в химических аппаратах, таких как колонны или теплообменники такие распределительные тарелки часто находят свое применение.
Обычно такие распределительные тарелки выполнены так, что горизонтальная плоская поверхность (тарелки) снабжается проемами, через которые соответствующий поток текучей среды поступает в остальное пространство химического аппарата. При проходе через проемы в местах геометрического разрыва (например, угол 90° у отверстий или проемов в виде высверленных отверстий) обычно на распределительной тарелке возникают зоны, которые характеризуются замедленной скоростью протекания среды или рециркуляционным потоком.
Когда текучая среда, которая поступает через отверстия или проемы в химические аппараты, содержит растворенные вещества или суспензии частиц, то обычно в зонах с замедленной скоростью движения и рециркуляционного потока возникают отложения этих веществ и/или частиц. Этот феномен в общем известен и, к примеру, описан в H.Meuller-Steinhagen "Heat-Exchanger Fouling-Mitigation and Cleaning Technologies" Publico Publications, pp.8-9, Essen 2000. ISBN 3-934736-00-9.
В IN-A-192183 раскрыто устройство, которое должно сделать возможным равномерное распределение жидкостей в колоннах. Это устройство отличается главным распределителем (10) и присоединенным к нему вторичным распределителем (11), которые опять же соединены с помощью труб (2) с собственно распределяющими распределительными тарелками (4). Собственное равномерное распределение происходит благодаря капанию с распределительных тарелок (4) вдоль направляющих стенок (5), которые структурированы и в смысле узких щелей и расположены вокруг распределительных тарелок (4). Точная геометрическая форма имеющихся в устройстве проемов не раскрывается. При этом использованные позиции относятся к использованным в IN-A-192183 позициям.
Устройство имеет недостаток, так как тонкая щель между распределительной тарелкой (4) и направляющей стенкой (5) образует зону, в которой поток жидкости сильно замедляется и в некоторых случаях возникает рециркуляция. Поэтому при применении такого устройства следует исходить из того, что могут возникать отложения веществ, растворенных/находящихся в виде суспензии в жидкости. Далее устройство содержит много мест геометрического разрыва, как то кромки распределительной тарелки (4), а также места сверления выходных отверстий (12), на которых весьма вероятны отложения, исходя из названных выше соображений.
В заявке на патент Германии DE-A-2752391 раскрыто устройство для равномерного распределения жидкостей, которое состоит из параллельных желобов с гребнями водослива (3, 6), которые имеют V-образные выпускные отверстия для жидкости. Количество распределенной жидкости определяется величиной и количеством V-образных выпускных отверстий для жидкости. Точная геометрическая форма V-образных выпускных отверстий для жидкостей, а также, в частности, угол заострения не раскрываются. При этом использованные позиции относятся к использованным в заявке на патент Германии DE-A-2752391 позициям.
Устройство имеет большое количество мест геометрического разрыва. Так, к примеру, как желобок V-образных выпускных отверстий для жидкости, так и гребни водослива отличаются такими геометрическими разрывами. Отсюда, таким образом, следует исходить из того, что, в частности, в таких местах будет иметь место замедление скоростей жидкости и/или рециркуляционные потоки и в результате этого образовываться отложения, когда подлежащая распределению жидкость будет содержать растворенные/присутствующие в виде суспензии вещества.
Отталкиваясь от уровня техники и подлежащих там решению проблемы в части распределения жидкостей или потоков жидкостей, содержащих растворенные и присутствующие в виде суспензий вещества, задачей изобретения является создание устройства, которое позволяет равномерно распределить потоки среды и, в частности, потоки жидкостей с растворенными и/или присутствующими в виде суспензий веществами в химических аппаратах, не способствуя при этом образованию отложений растворенных и/или присутствующих в виде суспензий веществ на устройстве.
Эта задача решается с помощью предложенного согласно изобретению устройства для равномерного разделения потоков текучей среды в химических аппаратах на два или несколько потоков, которое включает, по меньшей мере, пластину (2) с двумя или несколькими отверстиями (3), причем отверстия (3) на, по меньшей мере, одной стороне пластины скруглены или снабжены фасками.
В связи с настоящим изобретением под текучей средой понимаются все жидкости и/газы в надкритическом, докритическом или критическом состоянии. Соответствующее состояние жидкости и/или газа определяется условиями перед и/или после прохода потока текучей среды через предложенное согласно изобретению устройство. Для изобретения состояние не имеет значения. Также возможно, что состояние среды изменяется при проходе через предложенное согласно изобретению устройство.
Предпочтительно в случае текучей среды речь идет о жидкостях. Особенно предпочтительно речь идет о жидкостях, в которых растворено, по меньшей мере, одно вещество или существует в виде суспензии.
Жидкости, в которых растворено и/или присутствует в виде суспензии, по меньшей мере, одно вещество, в связи с предложенным согласно изобретению устройством особенно предпочтительны, так как здесь особенно проявляется уменьшенная склонность к образованию отложений.
В связи с настоящим изобретением под пластинами понимаются отформованные плоские тела толщиной D. Геометрия пластины в плоскости несущественна для настоящего изобретения. Но обычно речь идет об имеющих форму круга пластинах, так как они должны устанавливаться горизонтально в колоннах или подобных известных специалисту имеющих форму цилиндра химических аппаратах. Если пространственная протяженность пластины в плоскости велика, то она может усиливаться на стороне, их которой выходят частичные потоки среды, с помощью подкосов или применяться другие усиливающие мероприятия.
В смысле изобретения к химическим аппаратам относятся все аппараты, в которых могут происходить химические реакции или процессы транспортировки вещества или тепла, как, например, реакторы, в частности, кожухотрубные реакторы, или теплообменник, в частности, кожухотрубный теплообменник и аппараты для разделения веществ как-то колонны или другие соответствующие аппараты.
Толщина пластины D обычно выбирается таким образом, что пластина устойчиво держится под действием своего собственного веса, а также, в общем, дополнительно под весом находящегося на ней жидкости. Специалисту, в общем, известно, как он определяет эту толщину с учетом использованного для пластины материала. В качестве альтернативы толщина D пластины может выбираться также очень малой и взамен этого применяться мероприятия по усилению, например, в форме описанных выше подкосов.
Пластина может состоять из всех известных в химическом приборостроении материалов. Обычно пластина состоит из материала, который может быть просто обработан режущим инструментом (например, сверлом или фрезой), как то металлы или полимеры. Предпочтительно пластина состоит из металлического материала. Особенно предпочтительна пластина из стали. Особое преимущество имеет пластина из нержавеющей стали.
Применение металлических веществ, как то стали или нержавеющей стали, особенно предпочтительно, так как эти материалы особенно прочны, может выбираться небольшая толщина D и соответственно можно в целом отказаться от мероприятий по усилению, например от подкосов. Нержавеющая сталь, в частности, предпочтительна, так как она обладает стойкостью к большинству жидкостей, вызывающих химическую, например, коррозию. Специалисту, в общем, известно, как он выбирает нержавеющую сталь для соответствующего применения описанного здесь предложенного в соответствии с изобретением устройства с помощью легирующих добавок.
Для изобретения применяемый материал не существенен. Существенным является только то, что применяемый материал может быть обработан для получения закругления и фасок. Способ, с помощью которого это может быть достигнуто, может быть любым способом, который специалисту покажется пригодным для этого.
Пластина предпочтительно устанавливается в химическом аппарате точно перпендикулярно направлению основного потока разделяемой с ее помощью жидкости. Особенно предпочтительно, когда пластина располагается точно горизонтально.
Перпендикулярное расположение к направлению основного потока разделяемой с помощью пластины жидкости является предпочтительным, так как благодаря этому не возникает отдельной области распределительного устройства, в которой было бы больше среды, чем в другой. Таким образом, может обеспечиваться равномерное распределение. Горизонтальное расположение предпочтительно, в частности, тогда, когда в случае подлежащей разделению жидкости речь идет о жидкости, которая проходит отвесно сверху вниз или снизу вверх через химический аппарат. Таким образом, может обеспечиваться, что какая-либо отдельная область распределительного устройства не будет загружена жидкостью больше, чем другая.
Отверстия в пластине могут иметь любую геометрическую форму. Предпочтительны отверстия в форме дырок или щелей. Особенно предпочтительны отверстия в форме дырок, в высшей степени предпочтительны отверстия в форме круглых дырок.
Дырки и щели предпочтительны, так как они могут быть проделаны в пластине с помощью простых средств, например сверла и/или фрезы. Другие геометрические формы требуют больших затрат при их изготовлении, однако также годятся, как дырки, так и щели.
Отверстия в пластине могут быть распределены по пластине распределительного устройства равномерно или неравномерно. Предпочтительно отверстия равномерно распределены по пластине.
Равномерное распределение предпочтительно, так как таким образом может лучше получаться равномерное распределение жидкости.
Обычно размер и количество отверстий определяется количеством жидкости, которое должно разделяться, и обычно выбирается так, что число Рейнольдса потока жидкости на выходе из отверстий составляет не более 1.
Число Рейнольдса означает в связи с настоящим изобретением безразмерный показатель, в общем и целом известный специалисту, Re=(u·d)/v, где u - скорость выхода потока жидкости из отверстий, v - кинематическая вязкость жидкости и d - диаметр отверстий, когда они выполнены круглыми, или ширину щели, когда они выполнены в виде щели, соответственно характеристическую длину отверстия, определенную по известным специалисту правилам, если это не отверстия, имеющие геометрию названную выше.
Предпочтительно число отверстий на пластине составляет от 10 до 10000, особенно предпочтительно от 100 до 5000.
Отверстия предпочтительно, по меньшей мере, на стороне пластины (2), на которую поступает жидкость, скруглены или снабжены фасками.
Отверстия могут быть скруглены или иметь фаски также на обеих сторонах пластины (2). Равным образом возможно, что отверстия на одной стороне пластины снабжены фасками, а на другой стороне скруглены.
Предпочтительно отверстия только на одной стороне пластины снабжены фасками или скруглены.
Скруглены - означает в связи с настоящим изобретением, что геометрический разрыв, например 90° угол, заменяется не имеющей разрыва геометрией, например, в смысле полуокружностью.
Выражаясь по-другому, «скруглены» в связи с настоящим изобретением означает, что в области входа в отверстие не образовано каких-либо кромок. Вместо этого плоская поверхность пластины (снаружи отверстий) без образования кромок переходит в поверхность отверстий в области прохода через пластину.
Наличие фаски в связи с настоящим изобретением означает, что геометрический разрыв, например 90° угол, заменяется на точно также имеющей разрыв, но по сравнению с первоначальной геометрическим разрывом геометрией, подобной геометрии без разрыва (например, два 45° угла).
Выражаясь по-другому, в связи с настоящим изобретением наличие фаски означает, что в области входа в отверстие не образовано каких-либо острых кромок. Вместо этого плоская поверхность пластины (снаружи отверстий) без образования острых кромок (т.е. предпочтительно без угла α, β≥60) переходит в поверхность отверстий в области прохода через пластину.
При этом угол α - это угол между плоской поверхностью пластины и поверхностью отверстия на стороне входа отдельного потока жидкости и угол β - это угол между плоской поверхностью пластины и поверхностью отверстия на стороне выхода отдельного потока жидкости. Это иллюстрировано фигурой 3. При этом для угла α принята позиция 4 и для угла β позиция 5.
Предпочтительно предложенное согласно изобретению устройство, которое включает, по меньшей мере, одну пластину (2) с отверстиями (3), отличается тем, что обтекаемое поперечное сечение в области прохода через пластину (т.е. предпочтительно в области от 30 до 70% обтекаемой длины отверстия, которая соответствует толщине D пластины) меньше, чем в области входа в отверстие.
Если отверстия в пластине скруглены, то предпочтительно такое округление, что радиус R части круга, получающегося в результате скругления, меньше, чем толщина D пластины.
Если отверстия в пластине снабжены фасками, то предпочтительны такие фаски, что угол составляет между 40° и 60°. Точно также предпочтительны такие фаски, что фаска не распространяется до половины толщины D пластины.
Настоящее изобретение ниже более подробно поясняется с помощью фигур, не ограничивая этим изобретение.
На фиг.1 показана форма осуществления предложенного согласно изобретению устройства, состоящего из имеющей форму круга пластины 2 с равномерно распределенными на ней отверстиями 3 в форме дырок.
На фиг.2 показана другая форма осуществления предложенного согласно изобретению устройства, состоящего из имеющей форму круга пластины 2 с равномерно распределенными на ней отверстиями 3 в форме щелей.
На фиг.3 показан разрез по одному из показанных на фиг.1 отверстий 3, причем отверстие снабжено фасками на обеих сторонах с углами α, β. При этом угол α обозначен позицией 4, а угол β обозначен позицией 5. D - это толщина пластины 2.
На фиг.4 показан разрез одного из показанных на фигуре 2 отверстий 3, причем отверстие на одной стороне пластины скруглено радиусом R<D. При этом D толщина пластины 2.
На фиг.5 представлено графическое изображение результатов экспериментов примера 1.
На фиг.6 схематически показаны условия проведения экспериментов (пример 2).
Настоящее изобретение ниже более подробно поясняется с помощью примеров, не ограничивающих сами собой изобретение.
Примеры
Пример 1
В лабораторных условиях были проведены эксперименты по образованию отложений и нарастанию кристаллов. В качестве тестовой жидкости в экспериментах по образованию отложений служила Butyl Rubber/hexan и в экспериментах по нарастанию кристаллов служил водный раствор поваренной соли. Экспериментальная аппаратура состояла из бака, в который непрерывно текла тестовая жидкость. Бак на одной из вертикальных стенок (толщина: 2 мм) имел различного рода отверстия, из которых тестовая жидкость снова вытекала дугообразно в форме струи. Отверстия были представлены двумя круглыми дырками (диаметр: 2 мм), причем первое отверстие было образовано с острыми кромками (цилиндрической формы) и второе отверстие имело фаску (согласно изобретению). Была выбрана фаска с углом 45°, которая занимала половину толщины стенки. Во время эксперимента исследовались отложения (Fouling) на различных отверстиях. Оценка осуществлялась с одной стороны путем демонтажа пластины с дырками после окончания экспериментов и визуального освидетельствования отложений на или в дырках и с другой стороны путем измерения дальности полета струи или высот точки удара h на противоположной стенке, которая была расположена в горизонтальном направлении на расстоянии около 5 см от обоих отверстий. При этом A представляет на фигуре 5 имеющую острые кромки дырку (без фаски). В представляет на фигуре 5 дырку, снабженную фаской (с фаской). Как визуальное освидетельствование, так и измерения показали, что для обоих исследованных механизмов отложения (нарастание кристаллов и образование отложений) наличие фаски (согласно изобретению) или скругление (согласно изобретению) дырок на выходе потока ведет к меньшей склонности к образованию отложений. Фигура 5 показывает графическое построение измеренных высот точек встречи h в различные моменты времени t.
Пример 2
3
Для изучения процесса обрастания распределительных отверстий в ряду опытов по скринингу было применено устройство для разделения потоков жидкости в форме плоской пластины в диапазоне температур между 80° и 220°C. Пластина из нержавеющей стали толщиной 2 мм была снабжена 2 геометрически различными отверстиями (диаметр каждого 1,4 мм для обеспечения гарантии эквивалентности площадей живого сечения потока) (фигура 6). При этом дырка C представляла собой простое прямое сверленное отверстие. Вторая дырка D была снабжена фаской (45°). В качестве тестовой жидкости применялась жидкость средней вязкостью с плотностью между 700 и 1200 кг/м с диапазоном вязкости от 1 до 100 мПа, чье поверхностное натяжение составляло от 15 до 50 мН/м. Жидкость содержала растворенные компоненты. Жидкость подлежала нескольким реакциям разложения, механика которых частично не выяснена. При этом выпадали в осадок как твердые компоненты в форме тончайших кристаллов (во время опыта образовывалась суспензия), так и компоненты в форме высокомолекулярных неопределенных образующих отложение продуктов (обрастание).
Применяемая текучая среда направлялась в обогреваемом кругообороте в атмосфере защитного газа, причем распределительная пластина покрывалась слоем жидкости между 0 и 300 мм. Скорость перекачки в кругообороте жидкости, проходящем через пластину, определяет уровень жидкости на дырчатой пластине, причем уровень жидкости благодаря гидростатической высоте определяет характеристику стекания или скорость стекания жидкости через распределительные дырки.
Эксперименты продолжались с соответственно одним перерывом в 2 суток на протяжении 10 суток. По размерам воронок в покрытии на пластине вокруг дырок смогли установить, что жидкость стекала через дырку, снабженную фаской, лучше (более высокая скорость стекания на краях дырки). Пластина из нержавеющей стали с дырками в конце опыта была покрыта очень прочным и тяжело удаляемым даже при высоких температурах, пастообразным осадком, однако дырки с фаской были более пригодны для прохода по сравнению с прямыми дырками.
В частности, при низком уровне жидкости на распределительной пластине можно было наблюдать различие в поведении стекания жидкости через два типа дырок с различной геометрией. Стекание жидкости через распределительную дырку с фаской показало предпочтительное поведение по сравнению с прямой дыркой. При очень низком гидростатическом давлении на пластину (уровень жидкости между 10-20 мм) благодаря более низкой потере давления дырка с фаской была сначала более пригодна для прохода (более низкие коэффициенты напряжений и более низкое падение давления). Напротив прямая дырка требовала более высокого уровня (40-50 мм), чтобы можно было наблюдать равномерное стекание жидкости. Эксперименты однозначно показали, что распределительная дырка с фаской во время установившегося режима показала лучшее поведение стекания, чем имеющая острую кромку дырка.