ВЫСОКОПРОИЗВОДИТЕЛЬНАЯ СТРУКТУРИРОВАННАЯ НАСАДКА ДЛЯ КОНТАКТНОЙ КОЛОННЫ ДЛЯ ЖИДКИХ СРЕД
HIGH-PERFORMANCE STRUCTURED NOZZLE FOR CONTACT COLUMN FOR LIQUID MEDIA

Настоящее изобретение относится к области оборудования для контактирования жидких сред.
Назначение контактных колонн состоит в приведении в соприкосновение жидких сред, чтобы осуществить массообмен или теплообмен между жидкими средами. Этот тип оборудования для контактного обмена между жидкими средами широко используется для осуществления операций дистилляции, ректификации, абсорбции, теплообмена, экстракции, химических реакций и т.д.
Контактные колонны обычно состоят из цилиндрического корпуса, оснащенного внутренними контактными элементами, способствующими обмену между жидкими средами. В колонне жидкие среды могут циркулировать в прямоточном или противоточном режиме. В целом, колонна позволяет осуществить тесное контактирование восходящей газовой фазы с нисходящей жидкой фазой. Контактные элементы, которые увеличивают поверхность контакта между жидкими средами, могут быть тарелками, структурированными насадками, то есть смежное расположение многочисленных единичных элементов, установленных упорядоченным образом, например волнистых листов, или насадок насыпью, то есть беспорядочных пакетов единичных элементов, например колец, спиралей.
Структурированные насадки могут состоять из сложенных и размещенных упорядоченным образом листов в виде больших блоков, как описано, например, в документах US 3679537 и US 4296050. Насадки насыпью нового поколения обычно состоят из металлических элементов, снабженных перфорациями и аркообразными участками со сложными формами.
Структурированные насадки имеют преимущество, заключающееся в создании большой геометрической площади для характерного заданного диаметра, обычно гидравлического диаметра каналов, тогда как их эффективная площадь меньше или близка к их геометрической площади. И наоборот, насадки насыпью обеспечивают достаточно маленькие значения геометрической площади относительно их характерного размера, зато они могут увеличивать эффективные площади обмена, которые превосходят их геометрические площади.
Из заявки на патент US 2010/0213625 известна насадка, соединяющая преимущества структурированных насадок и преимущества насадок насыпью. Подобная структурированная насадка разработана таким образом, что в ней имеются характеристики насадок насыпью, приводящие, в частности, к отслоению жидкости от поверхности насадки и позволяющие увеличивать эффективную площадь, значительно превосходящую геометрическую площадь. Эта насадка (фиг. 1) состоит из пакета пластинок (фиг. 2, 3А и 3B), имеющих складки, причем каждая пластинка вписана между двумя параллельными плоскостями, отстоящих друг от друга на расстоянии от 5 до 50 (mm) мм. Складки образуют последовательность положительных остановок (вершина канала, СА2) и отрицательных остановок (впадина канала, СА1), которые содержат ребра, вписанные между упомянутыми двумя параллельными плоскостями. Ребра образованы путем разреза и деформации полосы В. Эта полоса В разрезана по надрезам С1 и С2. Надрезы С1 и С2 образуют угол 90º по отношению к основному направлению каналов. Полоса В остается жестко соединенной с пластинкой на уровне своих концов Е1 и Е2. Полоса В деформирована таким образом, чтобы принять треугольную форму, почти симметричную своей начальной форме по отношению к меридианной плоскости Р. Ширина L полосы В приблизительно равна расстоянию, разделяющему две смежные полосы вдоль канала (от 1 до 15 (mm) мм). Направление (D) остановок одной пластинки образует не равный нулю угол по отношению к направлению (D') остановок соседней пластинки. Положения двух последовательных пластинок являются такими, что основные направления остановок каждой из двух пластинок изменяются от 60 до 90º.
На фиг. 4 и фиг. 5 показаны, соответственно, два возможных случая контактирования между двумя последовательными пластинками. Хорошим контактированием между двумя пластинками считают контактирование, которое происходит между положительной остановкой одной пластинки и отрицательной остановкой соседней пластинки. На фиг. 4 есть сообщение между двумя зонами без отверстий и имеется хорошее контактирование между пластинками, так что отсутствует риск их взаимного проникновения. На фиг. 5 есть сообщение, с одной стороны, между одной зоной без отверстий (нижняя пластинка) и, с другой стороны, одной зоной с отверстием (верхняя пластинка), таким образом, нет хорошего контактирования между пластинками, так что они могут взаимно проникать таким образом, что не возможна удовлетворительная сборка с применением, соответствующим промышленному производству.
Вероятность плохого контактирования проиллюстрирована на фиг.6. Эта фигура соответствует 2D (двухразмерному) виду двух наложенных одна на другую пластинок. Установлено, что на несколько зон хорошего контактирования (круги, выполненные пунктиром) имеется большое число плохих контактов (круги, выполненные сплошными линиями). Во время монтажа промышленных блоков насадок многочисленные составляющие блок пластинки удерживаются прижатыми друг к другу, при этом факт отсутствия достаточного места контактирования приводит в результате к несоблюдению общей толщины блока, и имеются зоны нагромождения пластинок, пагубно влияющих на поток, а также другие зоны со слишком большим зазором, оставляющие возможность обтекания (байпаса) газа или жидкости.
Для того чтобы сохранить характеристики насадки, необходимо обеспечить хороший монтаж насадок между собой, то есть монтаж без нагромождения.
Таким образом, предмет изобретения относится к насадке, объединяющей преимущества структурированных насадок и преимущества насадок насыпью, такой как насадка, описанная в документе US 2010/0213625, в которой число хороших контактов доведено до максимума за счет разницы длины ребер между одним каналом и соседним с ним каналом.
В целом изобретение относится к структурированной насадке обменной колонны для жидкой среды, образующей поверхность обмена по меньшей мере для одной жидкой фазы, предназначенной тесно контактировать по меньшей мере с одной газовой фазой, при этом упомянутая насадка состоит из пакета прямоугольных пластинок, содержащих складки, причем каждая пластинка заключена между двумя параллельными плоскостями (L1:L2), упомянутые складки образуют последовательность каналов, которые содержат ребра (А), заключенные между упомянутыми двумя параллельными плоскостями, каждое из упомянутых ребер состоит по меньшей мере из одной полосы (В), разрезанной в одной из упомянутых пластин, ширина (L) полосы составляет от 1 до 15 (mm) мм, причем полоса остается жестко соединенной с пластинкой по меньшей мере с одной стороны (E1; Е2), при этом полоса деформирована с возможностью создания отверстия, образующего прерывистость на поверхности пластинки, и в которой направление (D) каналов одной пластинки образует не равный нулю угол относительно направления (D') каналов соседней пластинки, и в которой ребра канала имеют длину отличную от длины ребер соседнего канала.
Согласно настоящему изобретению ребра канала могут иметь длину от 1 до 15 (mm) мм, а ребра соседнего канала могут иметь большую длину, составляющую от 2 до 50 (mm) мм.
Согласно одному варианту осуществления настоящего изобретения ребра одного и того же канала имеют одинаковую длину.
Изобретение относится также к контактной колонне для жидкой среды, содержащей многочисленные блоки, включающие в себя структурированные насадки по изобретению, в которой упомянутое направление каналов насадок ориентировано под углом, составляющим от 10º до 75º по отношению к оси колонны, и в которой медианные плоскости структурированной насадки одного из упомянутых блоков образуют угол, составляющий от 20º до 90º, по отношению к медианным плоскостям соседних блоков.
Изобретение относится также к применению контактной колонны по изобретению для сушки газа, раскисления природного газа, декарбонизации дымов, обработки промышленного газа в процессе Клауса (каталитической очистки серосодержащего газа) или для дистилляции.
Другие характеристики и преимущества изобретения будут лучше понятны из нижеследующего описания, приводимого со ссылкой на чертежи, на которых:
Фиг. 1 изображает насадку, состоящую из пакета пластинок со складками, содержащими ребра.
Фиг. 2 - в виде схемы форму пластинки со складками, представленной без ребер.
Фиг. 3А и 3В изображают разрезанную полосу в канале пластинки со складками.
Фиг. 4 изображает случай хорошего контактирования между двумя последовательными пластинками.
Фиг. 5 - случай плохого контактирования между двумя последовательными пластинками.
Фиг. 6 иллюстрирует вероятность плохих контактов и хороших контактов между двумя последовательными пластинками.
Фиг. 7 - 3D вид пластинки насадки согласно настоящему изобретению.
Фиг. 8 - вид сверху пластинки согласно настоящему изобретению с длинными отверстиями на гребнях (положительные остановки, показанные жирной линией) и короткими отверстиями во впадинах (отрицательные остановки, показанные тонкими линиями).
Фиг. 9 - вид сверху двух пластинок насадки согласно настоящему изобретению, одна сверху другой с показом хороших контактов (зоны, окруженные кругами).
На фиг. 2, 3А и 3В представлен лист или прямоугольная пластинка со складками, которая составляет основу структурированной насадки согласно настоящему изобретению. Складки заключены между двумя параллельными относительно близкими плоскостями L1 и L2. Расстояние h, отделяющее L1 от L2, может составлять от 5 (mm) мм до 50 (mm) мм, предпочтительно больше 10 (mm) мм, и предпочтительнее от 10 (mm) мм до 30 (mm) мм. Средняя плоскость Р делит пространство между L1 и L2 на две равные части. На фиг. 2, 3А и 3В складки выполнены в форме треугольника и расходятся с одной и с другой стороны от средней плоскости Р: одна часть складок расположена с одной стороны плоскости Р, другая часть складок расположена с другой стороны от плоскости Р. Складки образуют последовательность каналов, которые продолжаются в направлении, отмеченном стрелкой D. На фиг. 2 канал СА1 расположен под плоскостью Р. Канал СА2, смежный с каналом СА1, расположен над плоскостью Р. Выбирают предпочтительно складки, которые создают каналы, которые соприкасаются с плоскостями L1 и L2, не выходя из пространства, ограниченного этими двумя плоскостями. Таким образом, листы со складками занимают максимальную поверхность на плоском участке, образованном плоскостями L1 и L2. Канал содержит либо положительную остановку (СА2), либо отрицательную остановку (СА1).
Можно применять разные формы складок пластин для того, чтобы выполнить структурированную насадку по изобретению. Например, можно использовать пластины со складками синусоидальной формы. Можно изготовить складки, которые не являются симметричными, например сочетание полукругов и треугольников. Можно равнозначным образом использовать пластинки, содержащие нерегулярные и случайные складки. Складки, которые образуют последовательность положительных остановок (вершина канала) и отрицательных остановок (впадина канала), содержат ребра, заключенные между двумя параллельными плоскостями. Каждое из ребер состоит по меньшей мере из разрезанной полосы в одной из пластинок, ширина полосы составляет от 1 до 15 (mm) мм, причем полоса остается жестко соединенной с пластинкой по меньшей мере с одной стороны, при этом полоса деформирована с возможностью создания отверстия, образующего прерывистость на поверхности пластинки. Направление (D) остановок одной пластинки образует не равный нулю угол по отношению к направлению (D') остановок соседней пластинки.
Для того чтобы ребра хорошо выполняли свою функцию, ширина L полос В превышает 1 mm с целью избежать феномена капиллярности, сопровождаемого перекрыванием отверстий, сформированных на поверхности каналов деформированными полосами В. Для улучшения протекания в форме жидкой пленки на поверхности каналов и протекания в форме капель в свободном пространстве, оставленном деформированным полосами, можно предвидеть, что ширина полос В должна бы быть больше 15 mm
Положения двух последовательных пластинок таковы, что основные направления остановок каждой из двух пластинок изменяются от 60 до 90º.
Для того чтобы улучшить рабочие характеристики этого типа насадки, необходимо обеспечить хороший монтаж пластинок между собой, то есть монтаж без нагромождения. Для того чтобы это сделать пластины изменяют таким образом, чтобы довести до максимума число хороших контактов между двумя пластинками, то есть контактов, создающихся между положительной остановкой одной пластинки и отрицательной остановкой соседней пластинки.
Согласно настоящему изобретению ребра канала имеют длины, отличные от длин ребер соседнего канала, как это проиллюстрировано на фиг. 7 и фиг. 8.
Например, можно использовать большие отверстия на положительных остановках и маленькие отверстия на отрицательных остановках.
Маленькие отверстия имеют длину, составляющую от 1 до 15 (mm) мм, и предпочтительно от 2 до 10 (mm) мм.
Большие отверстия имеют длину, составляющую от 2 до 5 0 (mm) мм, и предпочтительно от 5 до 25 (mm) мм.
2
3
2
3
Характеристики канала таковы, что геометрическая поверхность увеличивается от 50 до 800 м/м, и предпочтительно от 150 до 500 м/м.
На фигуре 7 представлен 3D вид пластинки насадки согласно настоящему изобретению.
На фиг. 8 представлен вид сверху пластинки согласно настоящему изобретению с длинными отверстиям на вершинах (положительные остановки) и короткими отверстиями во впадинах (отрицательные остановки).
На фиг. 9 представлен вид сверху двух пластинок насадки согласно настоящему изобретению, одна над другой (представлены только нижние отверстия верхней пластины и только верхние отверстия нижней пластины). Круги выделяют точки хорошего контакта (контакт между положительной остановкой пластины и отрицательной остановкой соседней пластины).
Снабженные ребрами листы со складками штабелированы с образованием структурированной насадки. Предпочтительно направление каналов листа со складками смещено по отношению к направлению каналов соседних листов, например на угол от 20º до 90º, и предпочтительно на угол, составляющий величину, существенно близкую к 90º.
Для пластинки со складками высотой Н и длиной L, высота Н фиксирует высоту блоков насадки и обычно она составляет около 20 (cm) см, но может составлять от 2 (cm) см до 1 (m) м, предпочтительно от 10 (cm) см до 30 (cm) см. Длина L изменяется и является функцией диаметра колонны, в которой установлена насадка, причем этот диаметр изменяется обычно от 5 (cm) см до 15 (m) м. Для классических промышленных колонн, то есть имеющих диаметр, превышающий 1 метр, длины составляют предпочтительно от 0,5 до 3 (m) м и предпочтительно от 1 до 2 (m) м.
Насадка согласно настоящему изобретению может быть использована для осушки газа, раскисления природного газа, декарбонизации дымов, обработки промышленных газов в процессе Клауса (каталитической очистки серосодержащего газа.)
В этих применениях подлежащий обработке газ контактирует с жидким поглощающим раствором в контактной колонне. Эта колонна содержит многочисленные блоки, включающие в себя структурированные насадки согласно настоящему изобретению, в колонне направление каналов насадок ориентировано под углом от 10º до 75º по отношению к оси колонны, и при этом средние плоскости структурированной насадки упомянутых блоков образуют угол, составляющий от 20º до 90º относительно средних плоскостей соседних блоков.
Направление каналов насадок ориентировано под углом 10-75°. В данном интервале наблюдается хороший компромисс. Действительно, между 0 и 10° ориентация каналов должна была бы быть почти вертикальной, что существенно уменьшает кпд обмена жидкость/газ. И напротив, между 75 и 90° направление каналов насадок должно было бы быть почти горизонтальным, что привело бы к существенному уменьшению потока и кпд обмена жидкость/газ. В интервале 10-75° наблюдается хороший компромисс для обеспечения высокого кпд системы.
Для улучшения обмена жидкость/газ необходимо, чтобы средние плоскости пластинки насадки формировали достаточный угол с плоскостями соседних пластинок. Угол меньший 20° не способствовал бы обмену жидкость/газ и не был бы удовлетворительным, откуда ограничение 20-90° для интервала значений углов между двумя средними (медианными) плоскостями пластин насадок соседних блоков. Для оптимизации обмена жидкость/газ необходимо периодически изменять направление потоков вдоль оси колонны.
Насадка согласно настоящему изобретению может быть использована для дистилляции, в частности для дистилляции углеводородных фракций. В этом применении насадка согласно настоящему изобретению находится в колонне, оборудованной по меньшей мере подачей самотеком и двумя отводами, фазы тяжелой и фазы легкой.