МАССООБМЕННАЯ КОЛОННА И КОРОНЧАТЫЙ ЭЛЕМЕНТ ДЛЯ МАССООБМЕННОЙ КОЛОННЫ
MASS-TRANSFER COLUMN AND CROWN ELEMENT FOR MASS-TRANSFER COLUMN

Предпосылки к созданию изобретения
Настоящее изобретение относится к корончатому элементу для насадки массообменной колонны. Изобретение также относится к массообменной колонне, содержащей корончатые элементы данного типа.
Обменная часть такой колонны, в которой, в частности, поднимающийся вверх газ и перемещающаяся навстречу жидкость приводятся в контакт, состоит из насадки, которая заполняет поперечное сечение колонны до кольцевого зазора у стенки колонны. Корончатые элементы, которые окружают насадку, служат для отклонения данных потоков вещества. Посредством корончатых элементов поток газа принудительно направляется в насадку, тем самым газ частично удерживается от прохождения вдоль участка у края колонны без вхождения в контакт с жидкостью. Насадка представляет собой, в частности, упорядоченный наполнитель, который обеспечивает распределение двух потоков вещества по всему поперечному сечению колонны. Такой корончатый элемент, например, раскрыт в US 5456865 или JP 08-000983 А.
Насадка состоит, например, из слоев из волнообразных гофров или слоистых материалов, изогнутых зигзагообразно. Гофры состоят из материала типа фольги; края на сгибах или ребрах продолжаются в направлении, расположенном под углом к оси колонны, например под углом к оси, равным 45° или 30°. Слои, образованные гофрами, выровнены параллельно оси; относительно наклона краев на сгибах они расположены поочередно, так что образуются открытые каналы, которые проходят наискосок и поперек. Насадка сгруппирована в секции, которые различаются по ориентации слоев. Между смежными секциями ориентация изменяется каждый раз приблизительно на 90°.
Через наклонные каналы в насадке, часть жидкости перемещается к участку у края. Для того чтобы предотвратить вхождение данной жидкости в контакт со стенкой колонны, предусмотрен краевой зазор, то есть вышеупомянутый кольцевой зазор. При отсутствии данного зазора значительная часть жидкости проходила бы вдоль стенки колонны.
Наличие краевого зазора позволяет возвращать жидкость, подходящую к краю насадки, внутрь насадки через другие каналы. Однако практически невозможно избежать того, что некоторая часть жидкости просачивается к стенке колонны и тем самым снижает эффективность массообменного процесса. Корончатые элементы выполняют дополнительную функцию пропускания жидкости обратно от стенки колонны в насадку, когда жидкость затем направляется через некоторые из каналов обратно внутрь насадки.
Другие примеры упорядоченных насадок, которые обеспечивают распределение двух потоков вещества по всему поперечному сечению колонны, описаны в европейских патентах ЕР 0070917 В1 и ЕР 0069241 В1.
Насадка массообменной колонны содержит по меньшей мере один элемент насадки. Множество элементов насадки могут быть соединены скобами друг с другом, образуя стопку. Элемент насадки выполнен в виде блока слоев насадки, образующего, по существу, цилиндрическую конструкцию или любую другую конструкцию, помещающуюся внутри массообменной колонны. Такой элемент насадки может быть разделен на множество сегментов насадки. Таким образом, сегменты насадки могут рассматриваться как части, образующие элемент насадки.
Для простого монтажа колонны кольца нужно прикреплять к встроенным элементам уже перед установкой насадки. Поскольку насадка состоит из тонкостенного материала, прикрепление колец, которое может быть осуществлено посредством сварки, соединения винтами или заклепочного соединения, представляет собой дорогой технологический этап.
При использовании элементов насадки без вмонтированных колец, прикрепленных к каждому крайнему элементу насадки, должно быть обеспечено уплотнение посредством зажимного кольца. При сборке зажимные кольца сначала размещают горизонтально вдоль стенки колонны, затем устанавливают элементы насадки. В конце элементы насадки проталкивают из центрального положения к стенке. Таким образом, кольцо растягивается к стенке и вследствие этого устанавливается под натяжением посредством сжимающей силы от насадки. Зажимные кольца в соответствии с известным уровнем техники не являются гибкими и поэтому не обеспечивают надлежащего уплотнения. Вследствие этого при работе образуется обходной канал для жидкости рядом со стенкой колонны, что приводит к снижению эффективности колонны. Вследствие своей геометрической конфигурации зажимные кольца могут расплющиваться и разрушаться, в частности, когда насадка должна быть вмонтирована в стенку колонны, которая имеет горизонтальную продольную ось.
Краткая сущность изобретения
Задачей настоящего изобретения является обеспечение решения, которое является менее дорогим по сравнению с вышеупомянутым уровнем техники и посредством которого обходной канал для жидкости вдоль стенки колонны может быть в значительной степени устранен.
Данная задача решается посредством корончатого элемента для закрепления насадки в массообменной колонне, содержащего удлиненный лист, который содержит верхний элемент, стеновой элемент и нижний элемент. Стеновой элемент расположен между верхним элементом и нижним элементом таким образом, что между верхним элементом и стеновым элементом образуется первая линия сгиба. Вторая линия сгиба образуется между стеновым элементом и нижним элементом. Верхний элемент выполнен с множеством насечек. Нижний элемент выполнен с множеством выемок, причем количество насечек меньше, чем количество выемок.
Верхний элемент содержит край верхнего элемента, и насечки продолжаются от края верхнего элемента до первой линии сгиба. Таким образом, по меньшей мере, некоторые из насечек могут перекрывать только часть расстояния между краем верхнего элемента и первой линией сгиба. В предпочтительном варианте осуществления насечки могут представлять собой прорези.
Нижний элемент содержит край нижнего элемента, причем канавки продолжаются от края верхнего элемента до второй линии сгиба.
Предпочтительно, на стеновом элементе может быть расположен выступ.
В предпочтительном варианте осуществления часть насечек расположена в шахматном порядке относительно выемок. Тем самым может быть устранен обходной канал для жидкости вдоль стенки колонны. Любая жидкость, стекающая вниз по общей стенке, захватывается верхним элементом и направляется через насечки к насадке. Если по какой-то причине часть данной жидкости проходит через первую линию сгиба, то, вероятнее всего, она проходит через первую линию сгиба на участке, где расположены насечки. При дальнейшем стекании она наталкивается на вторую линию сгиба. Там она может быть либо направлена в ближайшую канавку, либо, как вариант, в отверстие, предусмотренное в стеновом элементе. Таким образом, жидкость будет проходить через данное отверстие в стеновом элементе и направляться к насадке.
В предпочтительном варианте осуществления по меньшей мере один из стенового элемента, верхнего элемента и нижнего элемента имеет толщину в пределах от 0,05 мм до меньше 0,2 мм. Лист, имеющий меньшую толщину по сравнению с листом известного уровня техники, может более точно повторять кривизну стенки колонны. Таким образом, любые протечки между первой линией сгиба и стенкой колонны устраняются в значительной степени.
Таким образом, по сравнению с известным уровнем техники, количество насечек меньше, чем количество выемок. Вследствие этого сегменты верхнего элемента увеличиваются по длине. В результате менее вероятно, что такие более длинные сегменты верхнего элемента повторяют кривизну стенки колонны. Поэтому количество насечек в известном уровне техники обычно соответствует количеству выемок.
Как ни удивительно, авторы изобретения могли быть продемонстрировать, что при использовании более длинных и/или более высоких сегментов верхнего элемента, кривизна стенки колонны более точно повторяется сегментами верхнего элемента, когда они установлены в колонне.
Край верхнего элемента также повторяет кривизну стенки колонны благодаря деформации сегмента верхнего элемента, особенно когда толщина верхнего элемента мала, например, находится в пределах от 0,05 мм до меньше 0,2 мм.
Отверстие может быть предусмотрено в по меньшей мере одном из стенового элемента, верхнего элемента или нижнего элемента. Такое отверстие используется для направления любой жидкости, которая просачивается вдоль стенки колонны, обратно к насадке. Таким образом, такая обходная жидкость может снова участвовать в переносе массы, когда она направляется к насадке. Следовательно, можно повысить эффективность массообменной колонны.
На стеновом элементе может быть предусмотрен распорный элемент. Такой распорный элемент может быть выполнен с возможностью увеличения механической прочности стенового элемента. Данные распорные элементы могут представлять собой выступы и могут иметь любые из форм, соответствующих US 6170805 В1.
Перед монтажом верхний элемент, предпочтительно, расположен под углом в пределах от 5° до 60° относительно стенового элемента, предпочтительно под углом от 10° до 40°. Данный угол уменьшается, когда корончатый элемент находится в своем смонтированном состоянии в колонне. После монтажа данный угол находится в пределах примерно от 2° до 30°, предпочтительно от 5° до 20°. Насадка помещается в колонну только тогда, когда верхний элемент деформирован. То есть когда угол между верхним элементом и стеновым элементом уменьшается.
Верхний элемент состоит из множества сегментов верхнего элемента, а нижний элемент состоит из множества сегментов нижнего элемента, причем каждый сегмент верхнего элемента имеет длину, которая по меньшей мере для одного из сегментов верхнего элемента больше, чем длина сегмента нижнего элемента. Длина сегмента верхнего элемента или сегмента нижнего элемента представляет собой размер, продолжающийся, по существу, в направлении стенки колонны, следовательно, в горизонтальном направлении, если ось массообменной колонны вертикальная.
Длина сегмента верхнего элемента представляет собой расстояние между двумя смежными насечками. Длина сегмента нижнего элемента представляет собой расстояние между двумя смежными канавками. Если насечка или канавка имеет, например, V-образную форму, то длина представляет собой размер, измеренный от самой нижней точки V-образной канавки, соответственно крайней точки или самой глубокой точки, образованной V-образной канавкой. Необходимо отметить, что в зависимости от места установки корончатого элемента, крайней точкой насечки или канавки быть самая высокая точка насечки или канавки. Таким образом, упомянутое определение относится к общей концепции v-образной формы, а не к месту установки корончатого элемента.
Сегмент верхнего элемента, предпочтительно, имеет длину, которая находится в пределах от 40 мм до 120 мм, особенно предпочтительно в пределах от 60 мм до 90 мм.
Предпочтительно верхний элемент имеет высоту, которая находится в пределах от 15 мм до 4 0 мм, особенно предпочтительно в пределах от 25 мм до 35 мм. Высота представляет собой расстояние, измеренное между первой линией сгиба и краем верхнего элемента.
Таким образом, высота верхнего элемента и соответственно высота каждого из сегментов верхнего элемента больше, чем высота соответствующих решений известного уровня техники, что дополнительно улучшает совмещение сегментов верхнего элемента с криволинейной стенкой колонны. Таким образом, в соответствии с предпочтительным вариантом осуществления, край верхнего элемента имеет криволинейную форму. Другими словами, край верхнего элемента повторяет кривизну стенки колонны благодаря вышеупомянутой возможности деформации, которая невозможна, если высота сегмента верхнего элемента меньше 15 мм, а толщина сегмента верхнего элемента составляет примерно 2 мм или больше.
Дополнительным следствием изменения размеров длины и высоты сегментов верхнего элемента является уменьшение угла между верхним элементом и стенкой колонны при монтаже.
В качестве альтернативы или в дополнение к этому, нижний элемент содержит край нижнего элемента, который имеет криволинейную форму. В частности, если толщина нижнего элемента находится в пределах от 0,05 мм до меньше 2 мм, то край нижнего элемента повторяет кривизну контура насадки благодаря вышеупомянутой возможности деформации.
Корончатый элемент в соответствии с любым из предыдущих вариантов осуществления содержит первую поверхность и вторую поверхность, причем первая поверхность имеет, по существу, форму трапеции, а вторая поверхность является треугольной.
Массообменная колонна содержит насадку, а также содержит трубчатую стенку. Насадка расположена в пределах трубчатой стенки. Корончатый элемент в соответствии с любым из предыдущих вариантов осуществления расположен между трубчатой стенкой и насадкой.
Стеновой элемент находится в контакте с насадкой, когда он смонтирован, и стеновой элемент расположен на расстоянии от стенки колонны, когда он расположен в пределах стенки колонны. Верхний элемент и нижний элемент проходит от стенового элемента под непрямым углом относительно стенового элемента таким образом, что верхний элемент продолжается в направлении стенки колонны, а нижний элемент продолжается в направлении насадки, в результате чего корончатый элемент может быть упруго деформирован с возможностью приложения удерживающей силы к насадке, чтобы зафиксировать насадку в пределах стенки колонны в таком положении, чтобы обеспечить осуществление переноса массы, когда массообменная колонна находится в своем рабочем состоянии.
Насадка может содержать множество элементов насадки и каждый из элементов насадки может содержать множество сегментов насадки, в частности, для колонн, имеющих большие диаметры.
Краткое описание чертежей
Фиг. 1 представляет собой подробный вид поперечного сечения корончатого элемента.
Фиг. 2 представляет собой вид спереди корончатого элемента в соответствии с фиг. 1.
Фиг. 3 представляет собой часть корончатого элемента в соответствии с фиг. 1, расположенную в пределах стенки колонны.
Фиг. 4 представляет собой поперечное сечение фиг. 1, показывающее корончатый элемент и насадку.
Фиг. 5 изображает вид сверху насадки.
Фиг. 6 изображает подробный вид потока по краю насадки.
Описание предпочтительных вариантов осуществления
Фиг. 1 представляет собой подробный вид поперечного сечения корончатого элемента 3. Корончатый элемент 3 содержит удлиненный лист 4, часть которого показана также на фиг. 2. Данный удлиненный лист 4 содержит верхний элемент 5, стеновой элемент 6 и нижний элемент 7. Стеновой элемент 6 расположен между верхним элементом 5 и нижним элементом 7. Верхний элемент расположен под углом 13 относительно стенового элемента 6. Нижний элемент 7 расположен под углом 14 относительно стенового элемента 6.
Стеновой элемент 6 может содержать выступ 16. Такой выступ может представлять собой ребро, продолжающееся, по существу, параллельно первой и второй линиям сгиба, а также может содержать множество пузырчатых элементов. В смонтированном состоянии корончатого элемента выступ 16 предназначен для поддержания расстояния, краевого зазора 12 между стенкой 10 колонны, как показано на фиг. 3, и стеновым элементом 6.
Фиг. 2 представляет собой вид спереди части удлиненного листа 4, образующего корончатый элемент в соответствии с фиг. 1.
Удлиненный лист 4 состоит из верхнего элемента 5, стенового элемента 6 и нижнего элемента 7. Стеновой элемент 6 соединен с верхним элементом 5 и с нижним элементом 7. Первая линия 8 сгиба образована между верхним элементом 5 и стеновым элементом 6. Вторая линия 9 сгиба образована между стеновым элементом 6 и нижним элементом 7.
Верхний элемент 5 выполнен с множеством насечек 15. Верхний элемент 5 имеет край 18 верхнего элемента. Край 18 верхнего элемента продолжается, по существу, параллельно первой линии 8 сгиба. Насечки 15 продолжаются от края 18 верхнего элемента до первой линии 8 сгиба. По меньшей мере, некоторые из насечек могут также проходить только по части верхнего элемента 5. В соответствии с предпочтительным вариантом осуществления, насечки выполнены в виде прорезей.
Нижний элемент 7 выполнен с множеством выемок 17. В предпочтительном варианте осуществления канавки имеют V-образную форму. Количество насечек 15 меньше, чем количество выемок 17.
Стеновой элемент 6 содержит первую поверхность 31 и вторую поверхность 32, причем первая поверхность 31 имеет, по существу, форму трапеции, а вторая поверхность 32 является, по существу, треугольной. Предпочтительно, стеновой элемент 6 состоит из множества первых поверхностей 31 и вторых поверхностей 32. Каждая из первых поверхностей 31 контактирует с двумя смежными вторыми поверхностями 32 вдоль пары общих краевых линий 33, 34. Каждая из общих краевых линий 33, 34 может также быть линией сгиба. Каждая из вторых поверхностей 32 контактирует с двумя смежными первыми поверхностями 31 вдоль пары общих краевых линий 34, 35. Каждая из общих краевых линий 34, 35 может также быть линией сгиба.
Фиг. 3 представляет собой часть корончатого элемента 3, расположенную в пределах стенки 10 колонны. На фиг. 3 корончатый элемент 3 показан в перспективе, отделенный от насадки, но, тем не менее, расположенный на месте его использования в стенке 10 колонны. Корончатый элемент 3 может быть изготовлен очень просто из удлиненного листа 4, такого как полоска фольги.
Фиг. 3 также показывает, что верхний элемент 15, по существу, перекрывает краевой зазор 12. В верхнем элементе 5 предусмотрены насечки 15, которые предназначены для облегчения сгибания верхнего элемента под непрямым углом относительно стенового элемента. Когда стеновой элемент 6 сгибают из плоского удлиненного листа 4 в цилиндрическую поверхность, верхний элемент 5 может быть согнут благодаря наличию насечек, при этом может быть образовано множество v-образных выемок. Данные канавки показаны на фиг. З. Между насечками 15 образуются лапки. При сгибании нижнего элемента 5 вдоль первой линии 8 сгиба, верхний элемент 5, по существу, перекрывает краевой зазор 12, как показано на фиг. 4 или фиг. 5. Жидкость, которая подходит к стенке колонны, когда колонна находится в своем рабочем состоянии, пропускается обратно к насадке посредством верхнего элемента 5.
Благодаря тому что толщина верхнего элемента 5 находится в пределах от 0,05 мм до 0,2 мм, верхний элемент может быть легко деформирован из цилиндрической формы в, по существу, коническую форму. Стеновой элемент 6, по существу, сохраняет цилиндрическую форму. Нижний элемент 7 также сгибают, однако направление загиба противоположно направлению сгибания верхнего элемента 5.
Фиг. 4 изображает поперечное сечение корончатого элемента 3 в его смонтированном состоянии. Кроме того, показана часть насадки 2, которая размещена в заданном месте в колонне посредством корончатого элемента 3. Верхний элемент 5 может быть также согнут перед монтажом насадки и корончатого элемента в стенку колонны. До вставки корончатого элемента 3 в стенку колонны угол 13 между верхним элементом 5 и стеновым элементом 6 может быть больше, чем после данной вставки. Таким образом, верхний элемент подвергается воздействию изгибающего момента и силы, действующей в направлении, перпендикулярном оси колонны. Данный изгибающий момент и сила помогают удерживать корончатый элемент 3 на требуемом месте в пределах колонны. Другими словами, верхний элемент 5 может действовать как пружина.
В отличие от известных колец, корончатый элемент 3 настоящего изобретения является отдельным элементом, который не прикреплен к краю насадки и удерживается прочно в краевом зазоре 12 между стенкой 10 колонны и насадкой 2 посредством упругих сил и/или сил трения.
Кроме того, стеновой элемент 6 может быть выполнен с распорным элементом 22, который может быть, в частности, выполнен в виде множества выступов 16. Когда он смонтирован, выступы 16 находятся в контакте со стенкой колонны. Если глубина выступов в сумме с диаметром стенового элемента 6 превышает внутренний диаметр колонны, то на выступы действует сжимающая сила. Данная сжимающая сила помогает удерживать выступы и соответственно стеновой элемент 6 в требуемом положении внутри колонны. Таким образом, сочетание силы трения и упругой силы помогает удерживать корончатый элемент 3 в колонне. Кроме того, он удерживается в правильной ориентации, в частности вертикальной ориентации стенового элемента 6.
Нижний элемент 7 помогает удерживать насадку 2 в требуемом положении и/или ориентации, как показано на фиг. 4. Нижний элемент 7, по меньшей мере, частично подвергается сжатию между первым и вторым элементами насадки, когда он проходит в зазор между двумя смежными элементами насадки, расположенными друг над другом. Благодаря тому что первый и второй элементы насадки образуют стопку элементов насадки, по меньшей мере, край нижнего элемента зафиксирован в своем положении между двумя элементами насадки. В результате весь корончатый элемент 3 зафиксирован в надлежащем положении в массообменной колонне. В случае массообменной колонны с вертикальной осью колонны, надлежащим положением является горизонтальное положение. Нижний элемент помогает перенаправить жидкость, просачивающуюся по стенке колонны, обратно в насадку. Фиг. 5 изображает часть кольцевого или краевого зазора 12, который находится между стенкой 10 массообменной колонны 1 и насадкой 2. Слои насадки состоят из гофров 20 и 21, согнутых зигзагообразно, пропускают жидкость в направлении стрелок 25 из внутренней части насадки к краю, который образован посредством краев 200 и 210 гофров, или соответственно в противоположном направлении в соответствии со стрелками 26. Условия у края насадки показаны на фиг. 6. Частично показанные гофры 20 и 21 контактируют в точках С и С′ и содержат пленку жидкости, просачивающуюся через них. Посредством жидкости, пропущенной наружу через гофр 20, как показано стрелкой 25, у края 200 образуется более сильный поток жидкости, как показано стрелками 27. Часть данного потока в соответствии со стрелками 27 перескакивает у выступов А, А′, А″ на край 210 смежного гофра 21 в точки В, В′, как показано стрелками 28, откуда жидкость затем пропускается обратно внутрь насадки, как показано стрелками 26. Если бы существовал контакт между насадкой 2 и стенкой 10 колонны, то жидкость, пропущенная к краю, имела бы тенденцию перемещаться вдоль внутренней поверхности 11 стенки 10 колонны.
Отверстие может быть предусмотрено в по меньшей мере одном из стенового элемента 6, верхнего элемента 5 или нижнего элемента 7. Отверстия позволяют жидкости, которая удаляется от стенки 10 колонны, проходить через корончатый элемент. Данные отверстия могут иметь одинаковую форму, как отверстия в документе US 6170805 В1.
Установка насадки осуществляется сегмент за сегментом. При этом, например, на предварительно вмонтированном сегменте насадки, прежде всего, корончатые элементы 3 распределяют по периметру поперечного сечения колонны. Затем следующий сегмент насадки проталкивают в кольцо, образованное корончатым элементом 3, при этом корончатые элементы 3 прижимаются к стенке 10 колонны.
Массообменная колонна 1 с корончатыми элементами 3, выполненными в соответствии с изобретением, содержит на одну секцию насадки, по меньшей мере одно кольцо корончатых элементов, замкнутое по окружности; причем данное кольцо может также состоять из только одного корончатого элемента. Корончатые элементы, предпочтительно, изготовлены из, по существу, того же материала, что и насадка. Материал насадки или корончатых элементов, предпочтительно, состоит из металлического сплава. В качестве альтернативы, корончатый элемент может быть изготовлен из пластмассы. Насадка, изображенная на фиг. 1 и 2, следует воспринимать только в качестве примера. Таким образом, насадка может иметь любую структуру, которая обеспечивает распределение обрабатываемых текучих сред в направлениях, поперечных линии падения. Корончатые элементы, подобные насадке, предпочтительно, изготовлены из материала типа фольги, толщина стенки которого находится в пределах от 0,05 мм до 2 мм, предпочтительно приблизительно 0,15 мм.