НАБИВКА С ПЕРЕКРЕСТНО-КАНАЛЬНОЙ СТРУКТУРОЙ ДЛЯ МАССООБМЕННОЙ НАБИВНОЙ КОЛОННЫ С ВЫСОКОЙ УДЕЛЬНОЙ ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТЬЮ РАЗДЕЛЕНИЯ, А ТАКЖЕ СПОСОБ ЭКСПЛУАТАЦИИ ТАКОЙ КОЛОННЫ

Изобретение относится к набивке с перекрестно-канальной структурой для массообменной набивной колонны с высокой удельной производительностью разделения, а также к способу эксплуатации такой колонны.

Набивки с перекрестно-канальной структурой известны уже в течение многих лет (см. , например, заявку ФРГ 2601890). Они складываются, как правило, из нескольких расположенных друг над другом элементов набивки, причем каждый элемент набивки выполнен из множества параллельных слоев. Слои касаются друг друга и образуют с открытыми друг к другу проточными каналами, наклоненными к вертикали (оси колонны), перекрестно-канальную структуру. С помощью такой набивки колонны может быть осуществлен массо- и/или теплообмен, а именно между оросительной пленкой на поверхности набивки и газовым потоком, протекающим по каналам.

В стандартном учебнике по дистилляции (H.Z.Kister. "Distillation Design", McGraw-Hill, Inc. 1992, стр.441-458) описаны набивки с перекрестно-канальной структурой для осуществления способов разделения веществ. Эти набивки оптимальны в использовании тогда, когда не требуется слишком высокая удельная производительность разделения. Удельную производительность разделения можно обозначить величиной NTSM, которая указывает число n теоретических ступеней на метр (или у Кистера измеренной в дюймах величиной НЕТР "высота, эквивалентная теоретической тарелке", являющейся, в основном, обратным значением к величине NTSM). Удельная производительность разделения понимается здесь как высокая, когда NTSM больше 4,5 м^-1 (т.е. n>4,5).

В известных областях применения на практике оказалось, что оптимальным является класс набивок, у которых угол наклона каналов одинаков. В качестве значения этого угла наклона в этом учебнике указано 45^o (см. Kister, Таблица 8.1, в частности, класс набивок "Mellapak^®" 125.Y, 250.Y, 350.Y и 500.Y). У класса набивок "Mellapak^®" (далее набивки 125.Y,...) этот угол составляет не 45, а 42,5^o; он оказался более оптимальным.

Изобретатель столкнулся с проблемой создания набивок для разделительных колонн, для которых удельная производительность разделения является высокой и которые предпочтительны особенно в способах разделения воздуха. При этом он обнаружил, что целесообразно провести в отношении принципа действия набивок с перекрестно-канальной структурой дополнительные основополагающие опыты, с тем чтобы на основе заново полученных результатов можно было предложить критерии для более экономичных набивок.

Задачей изобретения является создание набивки с перекрестно-канальной структурой, характеризующейся высокой удельной производительностью разделения и обеспечивающей, по возможности, экономичный способ разделения. Эта задача решается посредством набивок, относящихся к раскрытому в п.1 формулы изобретения классу набивок.

Набивка с перекрестно-канальной структурой для массообменной колонны должна иметь высокую удельную производительность разделения. Набивка характеризуется удельной поверхностью а и углом наклона каналов ϕ. Она относится к классу набивок с а=a_c1 и ϕ = ϕ_cl согласно следующим данным:
- для протекающих в набивке жидкостей для всех набивок заданы соответственно одинаковые потоки жидкостей;
- эмпирически определяемое для набивки число n теоретических ступеней разделения на метр, а именно величина NTSM, изображается первой функцией f₁(a, ϕ) переменных а и ϕ;
- гидравлическое сопротивление, возникающее для протекающего через набивку газового потока, характеризуется потерей давления на метр, Δp, в качестве второй функции f₂(a, ϕ);
- Δp принимает при дополнительном условии n=const относительный минимум, для которого переменные а и ϕ в зависимости от величины n принимают соответственно значения а_m(n) и ϕ_m(n);
- справедливы условия n>4,5, a_c1< а_m(n), ϕ_cl>ϕ_m(n), а также ϕ_cl>45^°.
Зависимые пп. 2-7 формулы изобретения относятся к особым формам выполнения набивки согласно изобретению. Предметом пп. 8 и 9 является способ эксплуатации колонны с такой набивкой.

Изобретение необходимо проиллюстрировать двумя примерами.

Набивка 750. Y (удельная поверхность а = 750 м^-1, угол наклона каналов ϕ = 42,5^°) имеет 5,5 ступеней разделения на метр (n=5,5). При увеличении угла до 50^o необходимая для разделения веществ поверхность набивки может быть уменьшена до 500 м²/м³, благодаря чему затраты на материал набивки сокращаются на 66%. При этом производительность разделения при практически неизменном гидравлическом сопротивлении набивки (потеря давления Δp = 2 мбар/м при также остается неизменной. При равной производительности разделения можно экономить дополнительный материал, правда, за счет увеличенного гидравлического сопротивления (для а=450 м^-1 и ϕ=57^o, Δp= 2,7 мбар/м).

Для набивки 500.Y (а=500 м^-1, ϕ=42,5^o) n=4,5. Для ϕ=46^o, а=450 м^-1, т.е. затраты на материал сокращаются на 90%, причем гидравлическое сопротивление практически неизменное. Для ϕ=50^o, а=400 м^-1 (затраты на материал 80%), однако гидравлическое сопротивление увеличивается на 123% от значения, ожидаемого для набивки 500.Y.

Изобретение более подробно поясняется ниже с помощью чертежей, на которых изображают:
фиг.1 - верхнюю часть колонны с элементами набивки;
фиг. 2 - фрагмент набивки с перекрестно-канальной структурой (идеальная форма "Mellapak^®");
фиг. 3 - диаграмму, на которой потеря давления показана в зависимости от удельной поверхности для набивки по фиг.2;
фиг. 4 - таблицу с тройками значений к показанной на диаграмме фиг.3 кривой.

Колонна 2 с осью 20 (фиг.1) содержит набивку 1 и распределитель 21 жидкости (питающая труба 210, распределительные каналы 211). Несколько элементов 10, 10', 10'' расположены друг над другом. У особых форм выполнения колонны 2 в элементах 10 набивки различают нижнюю зону 102, среднюю зону 100 и верхнюю зону 101. В зонах 101 и 102 на краях элементов 10 набивки вследствие подходящей формы гидравлическое сопротивление уменьшено по сравнению с гидравлическим сопротивлением средней зоны. Такие предпочтительные формы выполнения известны из международной заявки WO 97/16247 (= Р.6765).

Каждый элемент 10 набивки выполнен из множества параллельных слоев 11', 12' (фиг.2). В слоях 11', 12' за счет зигзагообразно сложенных пленок 11, 12 образованы параллельные каналы 13 треугольного сечения 14. (Пленки 11, 12 могут быть также, например, синусообразно гофрированы.) Каналы наклонены к вертикали 20' (параллель к оси 20 колонны): они заключают с ней угол ϕ наклона. В плоскости 15 касания между соседними слоями 11', 12' открытые в этой плоскости каналы 13 слоя 12' пересекаются с соответствующими каналами соседнего слоя 11'. Сечение 14 имеет форму равнобедренного треугольника высотой h(= ширине слоя 12'), сторонами s и основанием b. Угол σ между стороной s и основанием b составляет во многих случаях 45^o. Удельная поверхность а этой набивки в идеальном случае, когда складки не имеют скруглений, задана выражением
На фиг. 3 изображены результаты новейших основополагающих опытов для набивок 1 с изображенной на фиг.2 структурой, причем σ=45^o, а ϕ принимает значения в диапазоне между 20 и 70^o. Эти результаты были получены для постоянных потоков жидкости и (V_G=скорость течения, ρ_G = плотность газа G). Число n теоретических ступеней разделения на метр, а именно величина NTSM, определяется эмпирически и выражается первой функцией f₁(a,ϕ) переменных а и ϕ. Гидравлическое сопротивление, возникающее для протекающего через набивку газового потока, характеризуется потерей давления на метр, Δp, в качестве второй функции f₂(a,ϕ). Путем исключения ϕ из функций f₁ и f₂, Δp можно выразить как функцию а и n. На диаграмме фиг.3 эта функция изображена в виде семейства кривых 31, 32,... 36, причем каждая из этих кривых имеет относительный минимум, для которого переменные а и ϕ принимают соответственно значения a_m(n) и ϕ_m(n). Минимальные точки лежат на штрихпунктирной кривой 30. Для значений а_m и ϕ_m приближенно действительны числа, приведенные в таблице на фиг.4. Эти ряды чисел выражаются формулами, дополнительно приведенными на фиг.4. Для других набивок с перекрестно-канальной структурой, для которых σ составляет не 45^o или которые выполнены, например, из гофрированных пленок, следует ожидать, разумеется, иных чисел для значений а_m и ϕ_m.
Минимальные точки кривой 30 имеют особое значение, поскольку кривые 31,. .., 36 в области своего минимума очень плоские. Для минимальных точек гидравлические сопротивления для заданной производительности разделения наименьшие. Можно перейти к меньшей удельной поверхности а без существенного возрастания при этом гидравлического сопротивления, а именно при остающейся постоянной производительности разделения. По мере увеличения расстояния от минимальной точки гидравлическое сопротивление, однако, прогрессивно возрастает. Где-то существует оптимум. Критериями оптимума являются, с одной стороны, затраты на набивку, в частности, на материал набивки, а, с другой стороны, потери давления газового потока при эксплуатации колонны. Как осуществить оптимизацию, зависит от особых обстоятельств конкретного случая.

Штриховая прямая 40, для которой ϕ =42^°, приближенно указывает значения Δp для известного класса набивок 125.Y,... (см. нижний край диаграммы на фиг. 3). Как видно, эта прямая 40 для а<550 м^-1 проходит на меньшем расстоянии слева рядом с кривой 30 с минимальными точками. Это соответствует тому известному факту, что использование набивок 125.Y,... является оптимальным для не слишком высокой производительности разделения.

Прямая 40 пересекает кривую 30 при приблизительно а=550 м^-1. Это означает, что для приблизительно а>500 м^-1 или n>4,5 (кривая 34') класс набивок 125. Y, . .. не подходит больше для экономичного способа разделения веществ. Поэтому для высокой производительности разделения необходимо использовать новый класс набивок, для которых а=a_c1 и ϕ = ϕ_cl и справедливы следующие условия: n>4,5, a_c1<а_m(n), а также ϕ_cl>45^°.
Благодаря этим условиям открытая вверх область над кривыми 34', 50 и 30 ограничена. Из-за прогрессивного возрастания гидравлического сопротивления эта область не может произвольно простираться вверх. Ограничение вверх возникает за счет уже упомянутых оптимизаций. Произвольно взятым ограничением является прямая 60, на которой ϕ постоянно равно 55^o. Заштрихованная область 3 устанавливает тогда значения а=a_c1 и ϕ = ϕ_cl, определяющие согласно изобретению класс набивок с перекрестно-канальной структурой.

Из практических соображений целесообразно образовать подкласс с n (или NTSM) в качестве выбираемого параметра, для которого аналогично классу набивок 125.Y,... ϕ = ϕ_cl является постоянной. Преимущественно для ϕ_cl выбирают 50^o или другое значение, которое примерно на 2 или 3^o может отличаться от 50^o.

Как видно из диаграммы на фиг.3, гидравлическое сопротивление на кривой 30 прогрессивно возрастает по мере увеличения n. Поэтому нецелесообразно стремиться для удельной производительности разделения к слишком высоким значениям. Верхний предел для n, предпочтительно не превышаемый, задан для n=7.

Набивка согласно изобретению особенно хорошо пригодна для осуществления разложения воздуха. С помощью набивки согласно изобретению можно осуществлять, например, также реактивную дистилляцию. При этом способе материал на поверхностях набивки оказывает, по меньшей мере частично, каталитическое действие.