ФРАКЦИОНИРУЮЩИЙ АППАРАТ
FRACTIONATOR

Изобретение относится к массообменному оборудованию для систем жидкость - газ (пар) и может быть использовано для реализации процессов ректификации, перегонки и абсорбционного разделения в нефтеперерабатывающей, газоперерабатывающей, химической, пищевой и других отраслях промышленности.
Известны многочисленные конструкции фракционирующих аппаратов, включающих корпус, оснащенный штуцерами ввода сырья, орошения, паров из кипятильника или горячей струи из печи, вывода кубового, верхнего и боковых продуктов, системами замера температуры, давления, расхода и качества, люками-лазами и массообменными секциями, в которых размещены контактные устройства насадочного и/или тарельчатого перекрестно-точного типа со сливными перегородками, карманами и переточными трубами (Александров И.А. Ректификационные и абсорбционные аппараты. Методы расчета и основы конструирования. М.: Химия, 1965. 308 с.). Общим недостатком этих конструкций является отсутствие универсальности, так как для конкретных производственных ситуаций необходимо разрабатывать новые конструкции фракционирующих аппаратов, например, когда во фракционирующем аппарате высоки или резко изменяются по высоте фракционирующего аппарата нагрузки контактных устройств по жидкой фазе.
Известна, например, ректификационная колонна, содержащая набор фракционирующих тарелок, выполненная в виде замкнутой цилиндрической наружной колонны, имеющей a) верхнюю и нижнюю концевые части и цилиндрическую внутреннюю поверхность, b) верхнюю первую и нижнюю вторую фракционирующие тарелки одинаковой конструкции, причем фракционирующие тарелки имеют сливной канал, который имеет боковую стенку, проходящую наружу из площади контактирования пар - жидкость, образованной перекрытием, причем верхняя первая тарелка поддерживается на месте внутри колонны нижней второй тарелкой, а нижняя вторая тарелка при этом поддерживается опорой, прикрепленной к наружной колонне. (Ректификационная колонна, содержащая набор фракционирующих тарелок, комплект фракционирующих тарелок для установки в колонне фракционной перегонки и способ установки тарелок в колонну для фракционной перегонки: заявка 2000119917 РФ; заявл. 25.07.2000; опубл. 27.06.2002.) Недостатком этого изобретения является формирование комплекта тарелок из двух тарелок, в котором только нижняя тарелка герметично сопрягается с корпусом колонны, а перфорированное перекрытие верхней первой тарелки имеет по существу круглую периферию, которая отделена от внутренней поверхности колонны неуплотненным кольцевым зазором, который обеспечивает прохождение вниз жидкости от перекрытия верхней первой тарелки на нижнюю вторую тарелку, при этом возможен байпасный проскок части парового потока со второй тарелки в паровое пространство над первой тарелкой, что снизит эффективность массообмена и коэффициент полезного действия первой тарелки комплекта. Кроме того, при увеличении потока жидкой фазы (флегмы) на второй тарелке в силу интенсивной конденсации паров на первой тарелке резко возрастет скорость течения жидкой фазы на первой тарелке, что приведет к снижению времени контакта между паровой и жидкой фазами на второй тарелке и опосредовано к снижению коэффициента полезного действия второй тарелки комплекта.
Известна ректификационная колонна, которая имеет внутреннюю стенку и содержит множество горизонтально расположенных одна над другой перфорированных фракционирующих тарелок, в том числе включает в себя первую перфорированную фракционирующую тарелку, по меньшей мере, с одним сливным стаканом, примыкающим к периферии тарелки, для канализирования выходного потока от первой тарелки через, по меньшей мере, один радиально расположенный выпускной канал ко второй перфорированной фракционирующей тарелке, расположенной непосредственно под первой тарелкой, причем указанная вторая тарелка содержит зону под сливным стаканом, расположенную непосредственно под сливным стаканом от первой фракционирующей тарелки, отличающаяся тем, что выпускной канал каждого сливного стакана размещен таким образом, что выходной поток из него первоначально протекает исключительно в направлении внутренней стенки колонны, смежной со сливным стаканом, причем, по меньшей мере, один участок зоны под сливным стаканом имеет множество перфораций, при этом имеется перфорированный барьер между перфорированной зоной второй перфорированной тарелкой и зоной первоначального контакта жидкости, вытекающей из сливного стакана. (Ректификационная колонна: пат. 2172203 РФ. №99117147/12; заявл. 27.01.97; опубл. 20.08.01.) Недостатком этого изобретения является существенный перепад уровней жидкой фазы по пути прохождения потока жидкой фазы вдоль полотна тарелки, при этом под сливным стаканом уровень жидкой фазы значительно выше, чем на противоположной стороне полотна тарелки, где будет формироваться минимальный перепад давления для прохождения паровой фазы и возможно образование каналов в жидкости, через которые паровая фаза будет проходить без контакта с жидкой фазой, а под сливным стаканом будет максимальный уровень жидкой фазы и будет формироваться максимальный перепад давления для прохождения паровой фазы и, как результат, возможность снижения расхода пара до нуля, что приведет к уменьшению эффективности массопереноса в этих зонах тарелки и к снижению коэффициента полезного действия тарелки в целом.
Известен также аппарат, в котором контактные устройства представляют собой мелкожалюзийную тарелку с отбойниками для осуществления тепломассообменных процессов, включающую приемный карман, горизонтальные просечные полотна основания тарелки, сливной карман, отбойники над полотнами основания тарелки, при этом в качестве материала полотен основания тарелки и отбойников применяется перфорированное полотно и дополнительно содержится отбойник в сливном кармане. (Мелкожалюзийная тарелка с отбойниками: свидетельство №128831 РФ. №2012147144/05; заявл. 06.11.2012; опубл. 10.06.2013.) Недостатком этого изобретения является то, что применение отбойников из перфорированного полотна, направленных гладкой стороной навстречу движению жидкости, расположенных над полотнами основания тарелки и в сливном кармане, способствуя интенсивной сепарации парожидкостного потока, образующегося в процессе работы тарелки, одновременно сокращают время контакта пузырьков пара и жидкой фазы парожидкостного потока, что приведет к уменьшению эффективности массопереноса в системе пар - жидкость и к снижению коэффициента полезного действия тарелки в целом. Кроме того, отбойники представляют собой дополнительное гидравлическое сопротивление при движении потока жидкой фазы (флегмы) вдоль тарелки, что приводит к постепенному возрастанию расхода пара сквозь перфорированную тарелку от начала к концу полотна тарелки вдоль движении потока, что приводит к параболическому закону изменения локальных коэффициентов полезного действия фрагментов перфорированной тарелки со снижением коэффициента полезного действия в начале и конце тарелки и к снижению коэффициента полезного действия тарелки в целом. Еще одним недостатком аппарата с мелкожалюзийными тарелками является постоянство числа потоков на смежных тарелках, что не позволяет оптимизировать процесс массопереноса при существенном изменении количества потока жидкой фазы (флегмы) по высоте колонны.
При создании изобретения ставилась задача разработки высокоэффективного фракционирующего аппарата, используемого в том случае, когда во фракционирующем аппарате высоки или резко изменяются по высоте нагрузки контактных устройств по жидкой фазе и/или паровой фазе. К подобным аппаратам относятся следующие:
- колонны стабилизации бензинов и нефтей при существенном изменении количества паровой и жидкой фаз в верхней и нижней частях колонны;
- ректификационные колонны с циркуляционными орошениями, существенно увеличивающими нагрузку контактных устройств по жидкой фазе в зоне циркуляционных орошений;
- ректификационные колонны для разделения многокомпонентных смесей с существенной разницей концентраций компонентов в исходном сырье, например, при разделении трехкомпонентной смеси с низким содержанием низкокипящего и высококипящего компонентов, при выделении в качестве дистиллята низкокипящего компонента контактные устройства в низу фракционирующего аппарата будут перегружены по потоку флегмы, а при выделении в качестве остатка высококипящего компонента контактные устройства в верху фракционирующего аппарата будут перегружены по потоку флегмы;
- абсорбционные колонны для очистки газового потока с высокой концентрацией абсорбируемой примеси, например аммиака, небольшим количеством эффективного абсорбента, когда по высоте колонны снизу вверх резко уменьшается расход газа и возрастает расход насыщаемого абсорбента.
Конструкции фракционирующих аппаратов, в которых по условиям их работы необходимо использовать многопоточные контактные устройства с различной поточностью смежных контактных устройств (например, двух- и трехпоточные, четырех- и трехпоточные), отсутствуют.
Поставленная задача решается за счет того, что во фракционирующем аппарате, включающем корпус, оснащенный штуцерами ввода сырья, орошения, паров из кипятильника или горячей струи из печи, вывода кубового, верхнего и боковых продуктов, системами замера температуры, давления, расхода и качества, люками-лазами и массообменными секциями, в которых размещены контактные устройства насадочного и/или тарельчатого перекрестно-точного типа со сливными перегородками, карманами и переточными трубами, при многопоточном исполнении контактных устройств с различным числом потоков на смежных контактных устройствах в пространстве между контактными устройствами с разнопоточным (четное и нечетное) исполнением контактных устройств размещен сборник флегмы, сообщающийся с переточными трубами вышележащего контактного устройства и сообщающийся переливными трубами с распределителем флегмы на нижележащее контактное устройство, при этом в случае наличия циркуляционного орошения во фракционирующем аппарате штуцера ввода и вывода циркуляционного орошения сообщаются с соответствующими сборниками флегмы. В этом случае, за счет варьирования числа и площади сечения переточных труб в сборник флегмы можно собрать поток жидкой фазы, стекающий с вышележащего контактного устройства независимо от числа потоков на этом контактном устройстве, а из сборника флегмы собранную жидкость можно направить в распределитель флегмы на нижележащее контактное устройство уже вне зависимости от числа потоков на этом контактном устройстве. При этом для создания гидравлического затвора при перетоке флегмы с вышележащего контактного устройства на нижележащее контактное устройство сборник флегмы имеет секцию сбора флегмы и секцию стока флегмы, разделенные сливной перегородкой, секция стока флегмы сборника флегмы соединена с переточными трубами вышележащего контактного устройства, а секция сбора флегмы сообщается с распределителем флегмы на нижележащее контактное устройство при помощи переливных труб.
Системы замера температуры, давления, расхода и качества отбираемых продуктов представляют собой соответственно датчики измерения температур (термопары), установленные в определяющих температурный режим работы фракционирующего аппарата позициях корпуса аппарата, датчик измерения давления (манометр), установленный в верхней части корпуса аппарата, датчики измерения расхода вводимых и отбираемых продуктов (диафрагмы), устанавливаемые на трубопроводах, подсоединенных к соответствующим штуцерам ввода и вывода этих продуктов из корпуса аппарата, датчики измерения качества отбираемых продуктов (пробоотборники поточного типа или периодического действия, подключенные к анализаторам качества), устанавливаемые на соответствующих штуцерах корпуса аппарата; аналоговые показатели температуры, давления, расхода и качества отбираемых продуктов через контроллер поступают на аналого-цифровой преобразователь и далее в компьютер, фиксирующий соответствующие показатели, и на регистрирующие и регулирующие технологический процесс контрольно-измерительные приборы.
Целесообразно, чтобы распределитель флегмы в виде гребенчатого или кольцевого коллектора был выполнен низконапорным для уменьшения необходимого свободного пространства между смежными контактными устройствами. Коллекторная форма распределителя флегмы обеспечивает подвод флегмы в нужные места расположения карманов нижележащего многопоточного контактного устройства, независимо от числа потоков нижележащего контактного устройства. Наиболее рациональное выполнение распределителя флегмы в виде гребенчатого или кольцевого коллектора позволяет подводить потоки флегмы в необходимые места нижележащего контактного устройства, особенно это важно для насадочных контактных устройств.
В тех случаях, когда по технологическим условиям число потоков на двух смежных контактных устройствах различно, а потоки пара и флегмы по высоте фрагмента фракционирующего аппарата незначительно изменяются, целесообразно, чтобы для двух смежных контактных устройств совокупное поперечное сечение переливных труб было равно совокупному поперечному сечению переточных труб, что соответствует постоянству расхода флегмы на двух смежных контактных устройствах по высоте аппарата при переходе от вышележащего контактного устройства к нижележащему контактному устройству.
В тех случаях, когда по технологическим условиям число потоков на двух смежных контактных устройствах различно, например для значительно изменяющихся потоков флегмы по высоте фрагмента фракционирующего аппарата, целесообразно, чтобы для двух смежных контактных устройств отношение произведения совокупного поперечного сечения переливных труб на скорость потока флегмы в переливных трубах к произведению совокупного поперечного сечения переточных труб на скорость потока флегмы в переточных трубах было равно отношению расходов флегмы двух смежных контактных устройствах.
Целесообразно, в случае наличия циркуляционного орошения во фракционирующем аппарате, чтобы штуцер ввода циркуляционного орошения сообщался с соответствующим сборником флегмы дополнительной трубой для обеспечения единой системы стока флегмы на нижележащее многопоточное контактное устройство, при этом для двух смежных контактных устройств произведение совокупного поперечного сечения переливных труб на скорость потока флегмы в переливных трубах равно сумме произведения совокупного поперечного сечения переточных труб на скорость потока флегмы в переточных трубах и произведения поперечного сечения дополнительной трубы на скорость потока флегмы в дополнительной трубе, что учитывает возрастание расхода флегмы между двумя смежными контактными устройствами за счет ввода циркуляционного орошения, а штуцер вывода циркуляционного орошения сообщался с соответствующим сборником флегмы дополнительной трубой для формирования системы стока флегмы на нижележащее многопоточное контактное устройство с учетом вывода циркуляционного орошения, при этом для двух смежных контактных устройств произведение совокупного поперечного сечения переливных труб на скорость потока флегмы в переливных трубах равно разности произведения совокупного поперечного сечения переточных труб на скорость потока флегмы в переточных трубах и произведения поперечного сечения дополнительной трубы на скорость потока флегмы в дополнительной трубе, что учитывает снижение расхода флегмы между двумя смежными контактными устройствами за счет вывода циркуляционного орошения.
Целесообразно также, чтобы контактные устройства с различным числом потоков на смежных контактных устройствах были выполнены, смещенными с поворотом на 90 градусов, что позволяет конструктивно упростить обвязку верхнего из смежных контактных устройств со сборником флегмы при помощи переточных труб, а также сборника флегмы с распределителем флегмы на нижележащее контактное устройство при помощи переливных труб, располагая систему переточных и сливных труб в одной плоскости.
Во фракционирующем аппарате формируется массообмен при условии перекрестного тока жидкой и паровой (газовой) фаз, при этом при использовании тарельчатых контактных устройств жидкая фаза объемно перемещается по полотну тарелок горизонтально несколькими потоками, а паровая (газовая) фаза перемещается вертикально и барботирует в слой жидкой фазы через клапаны, колпачки или иные устройства, установленные в полотне тарелок, а при использовании перекрестно-точных насадочных контактных устройств в виде пакетов регулярной насадки из сетки или просечно-вытяжного листа жидкая фаза пленочно перемещается по объему пакетов вертикально несколькими потоками по числу пакетов, а паровая (газовая) фаза перемещается горизонтально, проходя сквозь пленки жидкой фазы.
На фигуре 1 представлена схема фрагмента фракционирующего аппарата с двух- и трехпоточными смежными контактными устройствам в разрезе, на фигурах 2 и 3 представлено взаимное пространственное расположение в корпусе (на фигурах 2 и 3 не показан) трех- и четырехпоточных смежных контактных устройств, смещенных с поворотом на 90 градусов.
Фигуры 1 и 2 включают следующие секции и элементы:
1 - корпус;
2 - карман;
3 - сливная перегородка;
4 - переточная труба;
5 - сборник флегмы;
6 - секция стока флегмы сборника флегмы;
7 - сливная перегородка;
8 - секция сбора флегмы сборника флегмы;
9 - распределитель флегмы;
10 - переливная труба;
11 - двухпоточная тарелка;
12 - трехпоточная тарелка;
13- четырехпотоная тарелка.
Фракционирующий аппарат работает следующим образом.
В корпусе аппарата 1 в верхней его части последовательно установлены двухпоточные тарелки 11, а в нижней его части последовательно установлены трехпоточные тарелки 12 в силу того, что на последней двухпоточной тарелке 11 происходит интенсивная конденсация паровой фазы и, соответственно, возрастание расхода жидкой фазы, требующее дальнейшего трехпоточного исполнения контактного устройства. Перемещение и преобразование потока жидкой фазы (флегмы) с последней двухпоточной тарелки 11 на первую трехпоточную тарелку 12 обеспечивается тем, что флегма каждого потока двухпоточной тарелки 11 переливается через сливную перегородку 3 и выводится с полотна тарелки переточными трубами 4 в сборник флегмы 5. В секции стока флегмы сборника флегмы 6 обеспечивается смешение всех потоков флегмы, стекающих с вышележащей тарелки, обеспечивая усреднение состава флегмы, поступающей на нижележащую тарелку, поскольку в отдельных потоках флегмы, стекающих с вышележащей тарелки, возможны флуктуации составов флегмы из-за неоднородности гидродинамических факторов массообмена в отдельных потоках многопоточных тарелок (колебания расходов потоков, времени контакта фаз и т.д.). Усредненная по составу флегма вышележащей многопоточной (двухпоточной) тарелки через сливную перегородку 7 перетекает в секцию сбора флегмы сборника флегмы 8, откуда она распределяется при помощи переливных труб 10 по числу потоков нижележащей многопоточной (трехпоточной) тарелки в распределитель флегмы 9, откуда флегма поступает в карманы 2 нижележащей тарелки.
Таким образом, заявляемое изобретение позволяет решить задачу разработки высокоэффективного фракционирующего аппарата, когда в фракционирующем аппарате высоки или резко изменяются по высоте нагрузки контактных устройств по жидкой фазе и/или паровой фазе и необходимо в одном аппарате использовать контактные устройства с различным числом потоков.