КОНТАКТНОЕ УСТРОЙСТВО ПЛЕНОЧНОГО ТИПА И НАСАДКА ДЛЯ ТЕПЛО- И МАССООБМЕННЫХ ПРОЦЕССОВ
FILM-TYPE CONTACT DEVICE AND HEAT EXCHANGER PACKING

Изобретение относится к конструкциям контактных устройств для реализации процессов тепло- и массообмена, а именно к регулярным насадкам, и может использоваться для осуществления таких процессов, как экстракция, абсорбция и ректификация, в нефтеперерабатывающей, нефтехимической и химической отраслях промышленности.
Известно контактное устройство пленочного типа [1], включающее плоскопараллельные прямоугольные элементы, образованные расположенными вертикально и параллельно друг относительно друга пленконесущими перегородками в виде сеток и горизонтально расположенными между ними турбулизирующими элементами в виде стержней. Внутри каждого плоскопараллельного прямоугольного элемента происходит упорядоченное движение фаз в противотоке, в плоскости, перпендикулярной плоскостям пленконесущих перегородок. В параллельной плоскости возможно произвольное перераспределение фаз.
Известна набивка для противоточной колонны высокого давления и колонна высокого давления [2], в которой набивочные элементы в основном имеют квадратную форму, составлены из пластов, образованных рифлеными или сложенными зигзагообразно пластинами. В набивочных элементах нет турбулизаторов, но пластины составлены так, что образуют щелевидные или каналообразные пустоты. Внутри пустот происходит упорядоченное движение фаз в противотоке. Пласты ориентированы таким образом, что щелевидные или каналообразные пустоты между пластинами сбоку ограничены расположенными поперек зигзагообразными каналообразными пустотами соседних набивочных элементов. Благодаря этому потоки фаз из набивочного элемента попадают в каналообразные пустоты только крайних пластин соседних набивочных элементов, что обеспечивает более равномерное распределение фаз в поперечном сечении колонны, чем в колонне с устройствами [1].
Технической задачей, решаемой изобретением, является повышение эффективности тепломассообменных процессов за счет улучшения распределения жидкости по сечению насадки и увеличения площади поверхности контакта фаз, расширение диапазона эффективной работы, снижение поперечного перемешивания и создание возможности распределения потоков по сечению колонны между блоками контактных устройств.
Ниже изобретение поясняется на чертежах. На них показано:
на фиг.1 - принципиальное строение насадки по изобретению;
на фиг.2 - вид блока контактного устройства сбоку в разрезе;
на фиг.3, 5-6 - разрез А-А фиг.2;
на фиг.4 - вид сверху фиг.2;
на фиг.7-8 - общий вид структурированого элемента;
на фиг.9-17 - схемы вариантов расположения турбулизирующих элементов.
На фиг.1 представлены два варианта тарелки регулярной насадки из двух слоев, размещенные в корпусе колонны 1.
Каждый слой насадки 2 составлен из контактных устройств 3, имеющих форму прямоугольного прямого параллелепипеда, боковые грани которого ориентировочно параллельны вертикальной оси 4 корпуса колонны.
Каждый слой насадки 5 составлен из контактных устройств 6, имеющих форму параллелепипеда, две боковые грани которого ориентировочно параллельны вертикальной оси 4 корпуса колонны, а две другие боковые грани расположены под углом к вертикальной оси 4 корпуса колонны.
На фиг.2 представлен вариант контактного устройства пленочного типа, включающего объемные ориентировочно плоскопараллельные элементы 7, образованные расположенными приблизительно вертикально и параллельно друг относительно друга перегородками 8 и турбулизирующими элементами 9, установленными между перегородками.
Перегородки 8 (далее сетки) изготавливаются из плетеной сетки, просечно-вытяжного, перфорированного, перфорировано-гофрированного листа и других материалов. Турбулизирующие элементы 9 (далее турбулизаторы) преимущественно прямоугольного сечения, изготавливаются из сплошного, а также просечно-вытяжного, перфорированного, перфорировано-гофрированного листа, сетки и других материалов.
Тяжелая фаза (жидкость) стекает по сеткам 8 в виде пленки, легкая фаза (газ или жидкость), направление движения которой обозначено стрелками, движется внутри каждого элемента 7 в противотоке, делится турбулизаторами 9 на два потока, каждый из которых проходит через ячейки в сетках 8 и в локальном перекрестном токе взаимодействует с тяжелой фазой. Затем потоки попадают в вышерасположенный элемент 7, смешиваются и процесс продолжается.
На фиг.3 представлен разрез контактного устройства, выполненный параллельно поверхности сеток 8. Турбулизатор 9 имеет турбулизирующую полку 10 и две боковые полки 11, ориентировочно параллельные друг другу. Полки 11 параллельны боковым стенкам 12 сеток 8. Длина полок 11 турбулизаторов 9 равна расстоянию между турбулизирующими полками соседних турбулизаторов 9. В контактном устройстве происходит упорядоченное движение фаз, в плоскости, перпендикулярной плоскостям пленконесущих элементов. Движение фаз в плоскости, параллельной поверхности сеток 8, полностью ограничено полками 11. В насадке 2 (фиг.1) в каждом слое контактные устройства 3 повернуты относительно друг друга и вертикальной оси 4 на 90° и полки 11 делят все поперечное сечение колонны на изолированные каналы. Движение фаз происходит по образованным каналам и, в отличие от насадок [1] и [2], перераспределение фаз в поперечном сечении колонны полностью исключено.
На фиг.4 представлен вид контактного устройства сверху. Сетка 8 имеет фронтальную пленконесущую поверхность 13 и две стенки 12, которые расположены поперек плоскопараллельных элементов 7 (фиг.2). Боковые стенки 12 имеют ширину большую, чем ширина турбулизаторов 9. В сетку 8 вставлена сетка 14, между сетками установлены турбулизаторы 9. Турбулизаторы 9 удерживаются от перемещения поверхностями 13 и 15 соседних сеток. Турбулизаторы 9 в данном случае играют, дополнительно, роль дистанционных упоров, которые обеспечивают установку сеток на заданном расстоянии. При установке сетки 14 стенки 16 сетки 15 раздвигают стенки 12 сетки 8, возникающие при этом силы упругости и трения между стенками удерживают все элементы от взаимного перемещения. Следующие сетки и турбулизаторы установлены аналогично. Последним установлен плоский пленконесущий элемент 17, а части стенок 18 последней сетки 19, выступающие над поверхностью 20 элемента 17, загибаются до соприкосновения с поверхностью 20. Все элементы могут быть зафиксированы между собой не менее чем двумя стяжками 21, которые охватывают и прижимают друг к другу все элементы, фиксируют силы упругости и трения между ними, обеспечивая высокую объемную прочность контактного устройства.
На фиг.5 и фиг.6 представлены разрезы контактных устройств, в котором турбулизаторы имеют промежуточные полки 22, ориентировочно параллельные своим боковым полкам 11. На фиг.5 представлен разрез контактного устройства, в котором промежуточные полки 22 соседних турбулизаторов 9 расположены в одну линию и делят плоскопараллельные элементы 7 на несколько частей. Количество изолированных каналов увеличивается, и достигается более равномерное распределение фаз в сечении колонны.
На фиг.6 представлен разрез контактного устройства, в котором промежуточные полки 22 соседних турбулизаторов 9 расположены со смещением друг относительно друга, делят плоскопараллельные элементы 7 на несколько частей и дополнительно изменяют траектории движения потоков фаз, что повышает эффективность тепломассообменных процессов.
Промежуточная полка 22 может быть образована гибкой турбулизатора (фиг.5) или приварена к турбулизатору (фиг.6).
Сетка 8 и турбулизаторы 9 предварительно могут быть соединены в структурированный элемент.
На фиг.7 представлен общий вид структурированного элемента 23, в котором турбулизаторы 9 крепятся к сетке 8 сваркой.
На фиг.8 - при помощи неподвижных замковых соединений, образованных путем загибания части боковых стенок 12, выступающих над боковыми полками 11 турбулизаторов 9.
На фиг.9-17 изображены различные компоновочные схемы контактных устройств.
В контактных устройствах, изготовленных по схемам, приведенным на фиг.9, 10, 11, часть легкой фазы направляется на стенки 12 сеток, проходит через ячейки, в перекрестном токе взаимодействует с тяжелой фазой, стекающей по стенкам 12 в виде пленки, и попадает в крайние элементы 7 (фиг.2) расположенных рядом контактных устройств 3 (фиг.1). Площадь поверхности контакта и направление потоков фаз задается и регулируется изменением формы турбулизаторов 9.
На фиг.12 изображена схема контактного устройства с наклонными турбулизаторами 9. Длина полок 11 турбулизаторов равна расстоянию между турбулизирующими полками соседних турбулизаторов. Контактные устройства, изготовленные по этой схеме, имеют меньшее гидравлическое сопротивление, чем контактные устройства, изображенные на фиг.3, и как следствие большие скорости потоков фаз, что повышает эффективность тепломассообменных процессов.
На фиг.13 и 14 изображены схемы контактных устройств с наклонными турбулизаторами 9 различной формы. Контактные устройства, изготовленные по этим схемам, имеют меньшее гидравлическое сопротивление, а часть легкой фазы проходит через ячейки боковых стенок сеток. Сочетание свойств контактных устройств, изображенных на схемах фиг.9, 10, 12, также повышает эффективность тепломассообменных процессов.
На фиг.15 изображена схема контактного устройства, в котором стенки 12 сеток расположены под углом к основанию сетки. В контактных устройствах, изготовленных по этим схемам, эффективность тепломассообменных процессов повышается дополнительно за счет увеличения времени нахождения фаз в насадке, так как траектории движения фаз отклоняются от вертикали и удлиняются.
На фиг.16 и 17 изображены схемы контактных устройств с наклонными турбулизаторами (9 различной формы и наклонными боковыми стенками сеток. В контактных устройствах, изготовленных по этим схемам, эффективность тепломассообменных процессов повышается дополнительно за счет сочетания свойств контактных устройств, изображенных на схемах 9, 10, 15.
При иготовлении турбулизаторов из просечно-вытяжного, перфорированного, перфорировано-гофрированного листа или сетки площадь поверхности контакта увеличивается, что дополнительно повышает эффективность тепломассообменных процессов, а также создается дополнителная возможность по регулированию свободного сечения насадки.
Если в устройстве [1] в плоскости, параллельной поверхности пленконесущих элементов, возможно произвольное перераспределение фаз, то в контактном устройстве 3 (фиг.1) изменение формы сеток 8 (фиг.2) и турбулизаторов 9 (фиг.2) позволяет организовывать различные направления движения потоков фаз, изменять их скорость, изменять площадь поверхности контакта фаз.
Применяемые в настоящем изобретении технические решения позволяют увеличивать площадь поверхности контакта в единице объема от 10% относительно образцов насадки из контактных устройств пленочного типа [1].
На фиг.1 изображены некоторые варианты составления насадок 2 и 5 из контактных устройств 3 и 6 в корпусе колонны 1.
Насадка 2 собрана из контактных устройств 3, составленных так, что объемные плоскопараллельные элементы соседних устройств расположены ориентировочно перпендикулярно и объемные плоскопараллельные элементы установленных друг на друга устройств расположены ориентировочно перпендикулярно.
В насадке по настоящему изобретению возможно одновременное использование различных контактных устройств с использованием различных компоновочных схем в слоях насадки, что позволяет организовывать различные направления движения потоков фаз, изменять их скорость, изменять площадь поверхности контакта фаз, что существенно расширяет диапазон эффективной работы насадки и повышает эффективность тепломассообменных процессов.
Литература
1. Патент РФ 1510850, В01D 3/28, 11/04, дата публикации 30.09.1989, Контактное устройство пленочного типа // Г.К.Зиганшин, Б.К.Марушкин, Н.В.Ракочий и др.
2. Патент РФ 2136363, B01J 19/32, дата публикации 10.09.1999, Набивка для противоточной колонны высокого давления и колонна высокого давления // Бернхард Бруннер; Филипп Зюесс.