РАСПРЕДЕЛИТЕЛЬНОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОРОШЕНИЯ НАСАДКИ

Изобретение относится к распределительным устройствам, которые должны обеспечить равномерное распределение жидкости по поверхности насадки, и может быть использовано в ректификационных и абсорбционных колоннах в нефтегазоперерабатывающей, нефте- и газохимической и других отраслях промышленности.

Известно распределительное устройство для орошения насадки в колоннах, включающее систему подачи жидкости в распределитель в форме каналов прямоугольного сечения с отверстиями капиллярного типа в боковых стенках (Леонтьев B.C. «Инновации в области разработки высокоинтенсивных массообменных устройств для модернизации ректификационных комплексов» (Электронный научный журнал «Нефтегазовое дело», 2012, №1, с.178-186)). Недостатками использования капиллярных многоточечных распределителей жидкостного потока для колонн различного диаметра являются:

- неравномерное распределение жидкой фазы по поверхности насадки в связи с точечной подачей жидкости через систему удаленных друг от друга капилляров;

- возможность забивки капиллярных отверстий продуктами коррозии оборудования и смолистыми веществами, находящимися в орошающей жидкости;

- большое гидравлическое сопротивление капилляров в связи с маленьким проходным отверстием, которое резко уменьшает расход орошающей жидкости через капиллярное отверстие и требует увеличения напора этой жидкости в канале распределителя, что приводит к необходимости увеличения уровня жидкости в канале и увеличения высоты канала и, как следствие, к увеличению материалоемкости распределителя;

- каналы распределителя занимают около 50% живого сечения колонны и при истечении жидкости через капиллярные каналы непосредственно орошается только 5-20% зеркала насадки и лишь затем происходит выравнивание орошения насадки жидкостью уже в глубинном слое насадки, что снижает эффективность массообмена в верхней части слоя насадки пропорционально зоне ее смачиваемости жидкостью по высоте слоя насадки колонны и, соответственно, вызывает снижение коэффициента полезного действия слоя насадки на данном участке и всей насадки в целом. При применении данного распределителя вынуждены высоту насадки выполнять больше, чем принято по расчету, иначе не будет достигнута требуемая четкость разделения.

Известно распределительное устройство для орошения насадки в колоннах, включающее систему подачи жидкости в распределитель в форме каналов прямоугольного сечения с отверстиями в боковых стенках, при этом между каналами расположены направляющие плоскости, выполненные из металлической ткани или вытяжной сетки с мелкими ячейками, сопряженные с распределительными желобами (патент на изобретение RU 2334551 С2, B01J 4/00, B01D 3/00, 27.09.2008). Недостатками данного изобретения являются:

- сложная конструкция распределения жидкой фазы на насадку в колонне, состоящая из большого числа конструктивных элементов, что удорожает распределительное устройство;

- многостадийность перемещения жидкого орошения от канала подачи жидкости в колонну до истечения орошения на зеркало насадки, которая состоит из стадии истечения жидкости через далеко разнесенные друг от друга отверстия в канале, стадии стока образовавшихся струй жидкости по направляющим плоскостям, стадии накопления жидкости в распределительном желобе и стадии ее истечения по кромке направляющей плоскости;

- неравномерность истечения жидкости из распределительного устройства на зеркало слоя насадки, поскольку зоны истечения жидкости по кромке направляющей плоскости для системы смежных каналов прямоугольного сечения разнесены друг от друга на значительное конструктивное расстояние, из-за чего даже при формировании капельного истечения жидкости с кромок направляющих плоскостей образующиеся зоны капельного истечения орошают только незначительную поверхность зеркала слоя насадки, и лишь затем, происходит выравнивание орошения насадки жидкостью уже в глубинном слое насадки, что снижает эффективность массообмена в верхней части слоя насадки пропорционально зоне ее смачиваемости жидкостью по высоте слоя насадки колонны и, соответственно, вызывает снижение коэффициента полезного действия слоя насадки в целом;

- наличие направляющей пластины приводит к уменьшению свободного сечения в колонне в зоне размещения распределительного устройства и, как следствие, к росту гидравлического сопротивления при прохождении паровой фазы, что увеличивает перепад давления в колонне и приводит к дополнительным энергозатратам на реализацию массообменного процесса в колонне.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к предлагаемому техническому решению является распределительное устройство для орошения насадки в ректификационных и абсорбционных колоннах, включающее систему подачи жидкости в распределитель в форме каналов прямоугольного сечения с отверстиями в боковых стенках, сопряженных с желобами для стока жидкой фазы, образующихся совокупностью U-образных и V-образных пластин, по которым жидкость стекает по трем поверхностям желобов в капельном режиме и далее распределяется по поверхности насадки (Патент US 4,909,967, B01F 3/04, 20.03.1990). Недостатками данного изобретения являются:

- возможность скручивания струи жидкости на выходе из желоба треугольного сечения в паровое пространство и образование за счет этого хаотичного истечения жидкости на насадку. Отсутствие какого-либо регулирования характера истечения жидкости на срезе желоба может вызвать истечение в виде одной крупной струи или двух-трех существенно отличающихся по расходу друг от друга. Особенно это возникает, когда расход жидкости крайне мал. В результате появляется неоднородность смачивания насадки;

- ограниченность равномерности распределения жидкости по поверхности насадки, в виду возможности создания небольшого числа точек орошения, на уровне 100 точек на 1 м² насадки, поскольку используется система существенно удаленных друг от друга желобов, чтобы обеспечить проход паров;

- возможность забивки отверстий прямоугольного канала продуктами коррозии оборудования и смолистыми веществами, находящимися в орошающей жидкости;

- выполнение каналов с боковыми отверстиями в стенках для стока жидкости и желобов, образованных совокупностью U-образных и V-образных пластин, усложняет вероятность нивелирования всей конструкции распределителя, чтобы достичь равномерного орошения в существенно удаленных друг от друга участках насадки. Также конструкция распределителя является сложной и громоздкой и занимает достаточно большую высоту в колонне;

- большое гидравлическое сопротивление в связи с маленьким проходным отверстием резко уменьшает расход орошающей жидкости через отверстие и требует увеличения напора этой жидкости в канале распределителя, что приводит к необходимости увеличения уровня жидкости в канале и увеличения высоты канала и, как следствие, увеличению материалоемкости распределителя;

- каналы распределителя занимают около 40% живого сечения колонны и при истечении жидкости через желоба непосредственно орошается только 5-20% зеркала насадки и лишь затем происходит выравнивание орошения насадки жидкостью уже в глубинном слое насадки, что снижает эффективность массообмена в верхней части слоя насадки пропорционально зоне ее несмачиваемости жидкостью по высоте слоя насадки и, соответственно, вызывает снижение коэффициента полезного действия слоя насадки в целом.

Техническая задача предлагаемого изобретения заключается в создании распределительного устройства для орошения насадки в ректификационных и абсорбционных колоннах за счет диспергирования струй жидкости, вытекающих из распределительного устройства.

Поставленная задача решается тем, что распределительное устройство для орошения насадки в ректификационных и абсорбционных колоннах, включающее систему подачи жидкости в распределитель в форме каналов прямоугольного сечения с отверстиями в боковых стенках, сопряженных с желобами для стока жидкой фазы, в нижней части желобов размещены рассекатели жидких струй в виде пучка диспергирующих элементов, имеющих сопряжение в нижней части желобов верхними концами диспергирующих элементов и направленных вниз нижними концами.

Размещение в нижней части желобов рассекателей жидких струй в виде пучка диспергирующих элементов, имеющего сопряжение в нижней части желобов верхними концами диспергирующих элементов и направленных вниз нижними концами, обеспечивает дробление пленки жидкости, стекающей по желобу на отдельные локальные струйки и капли, что приводит к орошению участка насадки в ректификационных и абсорбционных колоннах, расположенного под желобом площадью существенно большей площади нормального сечения желоба, что формирует большую степень равномерного орошения насадки.

Расстояние от отверстия в стенке канала прямоугольного сечения до противолежащей поверхности желоба меньше длины вылета струи жидкости из отверстия в стенке канала, при этом обеспечивается налив струи жидкости на поверхность желоба с образованием тонкой пленки жидкости, стекающей по всей поверхности желоба под действием гравитации, орошая по крайней мере участок насадки в ректификационных и абсорбционных колоннах, расположенный под желобом площадью не менее площади нормального сечения желоба, в противном случае струя жидкости не попадает на стенку желоба и стекает вниз произвольной струей, что приводит к точечному орошению расположенного под желобом небольшого участка насадки в ректификационных и абсорбционных колоннах. Например, при стороне желоба 1,0 см и диаметре отверстия в стенке канала 0,2 см площадь орошения насадки в ректификационных и абсорбционных колоннах при истечении жидкости из отверстия произвольной струей в 12,7 раз меньше, чем при наливе струи на поверхность желоба и дальнейшем ее стоке по поверхности желоба на насадку.

Диспергирующие элементы распределительного устройства размещаются под углом α относительно друг друга, при этом значение угла α зависит от величины коэффициента поверхностного натяжения жидкости, обеспечивающего образование тонкой дугообразной вогнутой пленки жидкости, стекающей вниз по верхнему участку пучка диспергирующих элементов, которая, постепенно утончаясь по мере расширения пленки жидкости между двумя соседними диспергирующими элементами, распадается на отдельные капли и микроструйки, которые частично скользят по поверхности диспергирующих элементов, а частично срываются с них и падают вниз на поверхность насадки в ректификационных и абсорбционных колоннах, формируя большую площадь многоточечного орошения насадки.

Длина диспергирующего элемента определяется по формуле:

где L - длина диспергирующего элемента;

а - ширина канала, мм;

b - ширина желоба, мм;

N - количество диспергирующих элементов, шт.;

α - угол между диспергирующими элементами, град,

при этом создается такая совокупность диспергирующих элементов в распределителе, что крайние диспергирующие элементы двух соседних желобов создают точки соприкосновения струй жидкости, истекающих из соседних желобов, образуя сток орошающей жидкости по всей поверхности массообменной насадки в ректификационных и абсорбционных колоннах.

Целесообразно также конструкцию желоба в нижней его части выполнить в виде капельника. В производственных условиях возникают ситуации, когда в соответствии с технологией работы колонны с массообменной насадкой необходимо уменьшить расход орошения, при этом уровень жидкости в канале прямоугольного сечения снизится, приводя к уменьшению напора жидкости в канале. Уменьшение напора жидкости может привести к тому, что при вылете струи жидкости из отверстия в боковой стенке канала она не сможет достигнуть противолежащего острого угла треугольного желоба и начнет падать точечно, достаточно произвольным образом, и не будет попадать на пучок диспергирующих элементов. Наличие капельника устраняет этот недостаток, направляя произвольно истекающую струю жидкости на пучок диспергирующих элементов.

На фиг. 1 показано распределительное устройство для орошения насадки в ректификационных и абсорбционных колоннах по прототипу.

На фиг. 2 показано распределение локальных струй по поверхности насадки в ректификационных и абсорбционных колоннах по прототипу.

На фиг. 3 показано распределительное устройство для орошения насадки в ректификационных и абсорбционных колоннах с пучком диспергирующих элементов.

На фиг. 4 показано распределение локальных струй по поверхности насадки в ректификационных и абсорбционных колоннах по заявляемому изобретению.

На фиг. 5 показан стенд для испытания распределительного устройства по прототипу и заявляемому изобретению.

На фиг. 1-5 показаны распределительные устройства, состоящие из следующих элементов:

1 - канал прямоугольного сечения,

2 - желоб треугольного сечения,

3 - пучок диспергирующих элементов,

4 - поверхность насадки.

Работа распределительного устройства по заявляемому изобретению заключается в следующем: жидкость заполняет канал прямоугольного сечения 1, который имеет отверстия в боковых стенках, расположенных на определенном расстоянии друг от друга, струя жидкости вылетает из этих отверстий и попадает в желоб треугольного сечения 2, где происходит рассечение струи и формирование пленочного течения жидкости. Далее для равномерного распределения потока жидкости в нижней части желоба установлен пучок диспергирующих элементов 3, благодаря которым обеспечивается дробление пленки жидкости, стекающей по желобу на отдельные локальные струйки и капли, что приводит к максимальной поверхности орошения насадки 4.

Как видно из фиг.1 капельки жидкости, вытекающие из V-образного канала и попадающие в верхнюю часть насадки в ректификационных и абсорбционных колоннах по прототипу, не обеспечивают равномерное распределение потока жидкости по поверхности насадки из-за скручивания струи жидкости на выходе из желоба треугольного сечения. Это приводит к несмачиваемости значительной части поверхности массообменной насадки. На фиг.3 по заявляемому изобретению используется дополнительный диспергирующий элемент, с помощью которого достигается полное орошение поверхности верхней части насадки в ректификационных и абсорбционных колоннах. В зависимости от поверхностного натяжения жидкости угол α у диспергирующего элемента будет разным.

На фиг. 2 и 4 представлены варианты распределения потока жидкости на массообменную насадку в ректификационных и абсорбционных колоннах по прототипу и заявляемому изобретению, при этом часть высоты слоя насадки H₁ по прототипу не обеспечивает равномерное распределение жидкости в слое массообменной насадки (фиг. 2), а по заявляемому изобретению необходимая равномерность распределения жидкости по поверхности массообменной насадки в ректификационных и абсорбционных колоннах обеспечивается, при этом высота слоя насадки H₂ (фиг. 4), в которой может наблюдаться незначительная неравномерность распределения потока жидкости в верхней части насадки, значительно меньше соответственно высоты слоя насадки H₁ по прототипу (фиг. 2), что должно привести к увеличению коэффициента полезного действия массообменной насадки в ректификационных и абсорбционных колоннах при использовании распределителя потока жидкости по заявляемому изобретению по сравнению с прототипом на 3-5%.

Пример 1. На фиг.5 (левая часть) представлен стенд для испытания распределительного устройства по прототипу, включающий канал прямоугольного сечения 1 и желоб треугольного сечения 2. Как видно из фиг.5, диаметр рассеивания струи (D₁) незначителен и приблизительно составляет 4,0 мм. Следовательно, площадь точечного рассеивания составляет 12,56 мм².

Пример 2. На фиг.5 (правая часть) представлен стенд для испытания распределительного устройства по заявляемому изобретению, включающий канал прямоугольного сечения 1, желоб треугольного сечения 2 и пучок диспергирующих элементов 3. Как видно из фиг.5, диаметр рассеивания струи (D₂) значительно больше, чем в опыте с прототипом, и приблизительно составляет 30,0 мм. Следовательно, площадь точечного рассеивания составляет 706,5 мм².

Из приведенных примеров следует, что площадь орошения массообменной насадки в ректификационных и абсорбционных колоннах с пучком диспергирующих элементов в 56 раз превышает площади орошения массообменной насадки без их использования.

Таким образом, заявляемое изобретение обеспечивает большую равномерность смачивания насадки жидким орошением.