устройство для подачи потока текучей среды для массообменной колонны

Формула изобретения

1. Массообменная колонна, включающая следующие компоненты: наружную вертикальную стенку-оболочку, которой ограничено открытое внутреннее пространство,

питающее сопло, установленное в проеме, выполненном в наружной вертикальной стенке-оболочке, с простиранием вовне за пределы наружной вертикальной стенки-оболочки, при этом питающее сопло имеет воображаемую центральную вертикальную плоскость, расположенную вдоль продольной оси питающего сопла, причем проем в вертикальной наружной стенке-оболочке имеет предварительно заданный диаметр, которым ограничен входной канал,

питающее устройство, выполненное в открытом внутреннем пространстве и расположенное относительно проема в вертикальной наружной стенке-оболочке с обеспечением возможности отклонения парового потока или потока смешанной парожидкостной фазы, входящего в открытое внутреннее пространство через питающее сопло, при этом питающее устройство имеет внутреннюю стенку, которая расположена внутри области, ограниченной вертикальной наружной стенкой-оболочкой, на расстоянии от последней и служит границей канала кольцеобразного сечения, который находится в сообщении, с точки зрения поступления текучей среды, с входным каналом,

пару элементов конструкции, обеспечивающих пару вертикальных отклоняющих поверхностей, расположенных с простиранием от внутренней стенки питающего устройства по направлению к проему в наружной вертикальной стенке-оболочке, в котором установлено питающее сопло, при этом каждая из этих вертикальных отклоняющих поверхностей имеет внешний край, расположенный ближе к вертикальной наружной стенке-оболочке, и противоположный внутренний край, который расположен ближе к внутренней стенке питающего устройства, при этом эти вертикальные отклоняющие поверхности выполнены практически симметрично относительно центральной вертикальной плоскости питающего сопла, так что внешний край каждой из этих вертикальных отклоняющих плоскостей расположен ближе к центральной вертикальной плоскости питающего сопла, чем ее внутренний край, и по меньшей мере одну пару (первую пару) перенаправляющих пластин, которые расположены по разные стороны центральной вертикальной плоскости питающего сопла и находятся на расстоянии от отклоняющих поверхностей по окружности канала кольцеобразного сечения, при этом каждая из перенаправляющих пластин имеет радиально внешний относительно центра колонны край и противоположный радиально внутренний край, при этом внешний край каждой перенаправляющей пластины расположен ближе к центральной вертикальной плоскости питающего сопла, нежели ее внутренний край.

2. Массообменная колонна по п.1, в которой перенаправляющие пластины выполнены практически симметрично относительно центральной вертикальной плоскости.

3. Массообменная колонна по п.2, в которой перенаправляющими пластинами и отклоняющими поверхностями осуществлено разделение входного канала на подканалы практически одинаковой ширины.

4. Массообменная колонна по п.2, в которой перенаправляющими пластинами и отклоняющими поверхностями осуществлено разделение входного канала на подканалы с практически одинаковой площадью поперечного сечения.

5. Массообменная колонна по п.2, в которой каждая из перенаправляющих пластин выполнена с простиранием в вертикальном направлении и имеет изогнутый профиль по горизонтали в плане.

6. Массообменная колонна по п.5, снабженная второй парой перенаправляющих пластин, при этом перенаправляющие пластины второй пары выполнены практически симметрично относительно центральной вертикальной плоскости, при этом перенаправляющие пластины второй пары по обе стороны центральной вертикальной плоскости расположены на расстоянии от соответствующих перенаправляющих пластин первой пары.

7. Массообменная колонна по п.6, в которой перенаправляющими пластинами первой и второй пар и отклоняющими поверхностями осуществлено разделение входного канала на подканалы практически одинаковой ширины.

8. Массообменная колонна по п.6, в которой перенаправляющими пластинами первой и второй пар и отклоняющими поверхностями осуществлено разделение входного канала на подканалы с практически одинаковой площадью поперечного сечения.

9. Массообменная колонна по п.2, в которой диаметр проема, выполненного в наружной вертикальной стенке-оболочке, больше, чем измеренная в направлении радиуса колонны ширина канала кольцеобразного сечения.

10. Массообменная колонна по п.2, снабженная вторым питающим соплом, выполненным с простиранием вовне за пределы наружной вертикальной стенки-оболочки в противоположном направлении относительно первого питающего сопла и ориентированным радиально относительно вертикальной центральной оси колонны.

11. Массообменная колонна по п.2, в которой внутренние края элементов конструкции, образующих отклоняющие плоскости, скреплены с внутренней стенкой питающего устройства.

12. Массообменная колонна, включающая следующие компоненты: наружную вертикальную стенку-оболочку, которой ограничено открытое внутреннее пространство,

питающее сопло, установленное в проеме, выполненном в наружной вертикальной стенке-оболочке, с простиранием вовне за пределы наружной вертикальной стенки-оболочки в радиальном направлении относительно центральной вертикальной оси наружной вертикальной стенки-оболочки, при этом питающее сопло имеет воображаемую центральную вертикальную плоскость, расположенную в радиальном направлении, при этом проем в вертикальной наружной стенке-оболочке имеет предварительно заданный диаметр, ограничивающий входной канал, питающее устройство, выполненное в открытом внутреннем пространстве и расположенное относительно проема в вертикальной наружной стенке-оболочке с обеспечением возможности отклонения парового потока или потока смешанной парожидкостной фазы, входящего в открытое внутреннее пространство через питающее сопло, при этом питающее устройство имеет внутреннюю стенку, которая расположена внутри области, ограниченной вертикальной наружной стенкой-оболочкой, на расстоянии от последней и служит границей канала кольцеобразного сечения, образованного между внутренней стенкой и наружной вертикальной стенкой-оболочкой, при этом канал кольцеобразного сечения находится в сообщении с входным, с точки зрения поступления текучей среды, каналом,

пару элементов конструкции, обеспечивающих пару вертикальных отклоняющих поверхностей, расположенных с простиранием от внутренней стенки питающего устройства по направлению к проему в наружной вертикальной стенке-оболочке, в котором установлено питающее сопло, при этом каждая из этих вертикальных отклоняющих поверхностей имеет внешний край, расположенный ближе к вертикальной наружной стенке-оболочке, и противоположный внутренний край, который расположен ближе к внутренней стенке питающего устройства, при этом эти вертикальные отклоняющие поверхности выполнены практически симметрично относительно центральной вертикальной плоскости питающего сопла, при этом внешний край каждой из этих вертикальных отклоняющих плоскостей расположен ближе к центральной вертикальной плоскости питающего сопла, чем ее внутренний край, и по меньшей мере одну пару (первую пару) перенаправляющих пластин, которые расположены по разные стороны центральной вертикальной плоскости питающего сопла и находятся на расстоянии от отклоняющих поверхностей по окружности канала кольцеобразного сечения, при этом каждая из перенаправляющих пластин имеет радиально внешний край и радиально внутренний относительно центра колонны край, при этом внешний край каждой перенаправляющей пластины расположен ближе к центральной вертикальной плоскости питающего сопла, нежели ее внутренний край.

13. Массообменная колонна по п.12, в которой перенаправляющие пластины выполнены практически симметрично относительно центральной вертикальной плоскости.

14. Массообменная колонна по п.13, в которой перенаправляющими пластинами и отклоняющими поверхностями осуществлено разделение входного канала на подканалы практически одинаковой ширины.

15. Массообменная колонна по п.13, в которой перенаправляющими пластинами и отклоняющими поверхностями осуществлено разделение входного канала на подканалы с практически одинаковой площадью поперечного сечения.

16. Массообменная колонна по п.13, в которой каждая из перенаправляющих пластин выполнена с простиранием в вертикальном направлении и имеет изогнутый профиль по горизонтали в плане.

17. Массообменная колонна по п.16, снабженная второй парой перенаправляющих пластин, причем перенаправляющие пластины второй пары выполнены практически симметрично относительно центральной вертикальной плоскости, при этом перенаправляющие пластины второй пары по обе стороны центральной вертикальной плоскости расположены на расстоянии от соответствующих перенаправляющих пластин первой пары.

18. Массообменная колонна по п.17, в которой перенаправляющими пластинами первой и второй пар и отклоняющими поверхностями осуществлено разделение входного канала на подканалы практически одинаковой ширины.

19. Массообменная колонна по п.17, в которой перенаправляющими пластинами первой и второй пар и отклоняющими поверхностями осуществлено разделение входного канала на подканалы с практически одинаковой площадью поперечного сечения.

20. Массообменная колонна по п.13, в которой диаметр проема, выполненного в наружной вертикальной стенке-оболочке, больше, чем измеренная в направлении радиуса колонны ширина канала кольцеобразного сечения.

21. Массообменная колонна по п.13, снабженная вторым питающим соплом, выполненным с простиранием вовне за пределы наружной вертикальной стенки-оболочки в противоположном направлении относительно первого питающего сопла и ориентированным радиально относительно вертикальной центральной оси колонны.

22. Массообменная колонна по п.13, в которой внутренние края элементов конструкции, образующих отклоняющие плоскости, скреплены с внутренней стенкой питающего устройства.

23. Способ распределения парового потока или потока смешанной парожидкостной фазы в открытом внутреннем пространстве массообменной колонны по п.1, включающий следующие стадии:

доставку парового потока или потока смешанной парожидкостной фазы через питающее сопло в питающее устройство, разделение парового потока или потока смешанной парожидкостной фазы по подканалам таким образом, что только часть парового потока или потока смешанной парожидкостной фазы ударяется о внутреннюю стенку питающего устройства,

последующее протекание парового потока или потока смешанной парожидкостной фазы по окружности вдоль канала кольцеобразного сечения,

удаление, по меньшей мере, части парового потока или потока смешанной парожидкостной фазы через открытый нижний срез канала кольцеобразного сечения

и прохождение пара из этой части парового потока или потока смешанной парожидкостной фазы вверх через открытую центральную часть питающего устройства.

24. Способ по п.23, включающий стадию прохождения пара из части парового потока или потока смешанной парожидкостной фазы вверх через контактную зону, содержащую контактные элементы, способствующие массопередаче.

Описание изобретения к патенту

Предлагаемое изобретение относится к массообменным колоннам, в частности к способам и устройствам для подачи потока пара или смешанной парожидкостной фазы в массообменную колонну таким образом, что обеспечивается более равномерное распределение пара или смешанной парожидкостной фазы, образующей подаваемый поток, во внутреннем пространстве этой массообменной колонны. В настоящем описании здесь и далее под «потоком смешанной парожидкостной фазы» понимается поток, содержащий как пар, так и жидкость.

Массообменные колонны, в том числе теплообменные колонны, обычно имеют вертикальную наружную стенку-оболочку и совокупность зон внутри этой оболочки, где для облегчения массопередачи или теплообмена между потоками текучих сред внутри массообменной или теплообменной колонны используются контактные средства, такие как расположенные беспорядочно или упорядоченно заполнительные элементы (насадки) и/или горизонтально ориентированные тарелки. Вышеупомянутые потоки текучих сред - это обычно нисходящий жидкостный поток и восходящий паровой поток, однако возможны и другие комбинации потоков текучих сред. По мере распределения образующих потоки текучих сред по поверхности заполнительного элемента (насадки) или тарелки происходит увеличение площади контакта между упомянутыми потоками, благодаря чему обеспечиваются более благоприятные условия массопередачи или теплообмена между этими потоками текучих сред. Для увеличения эффективности массопередачи или теплообмена, которые имеют место между потоками текучих сред, важно, чтобы было обеспечено равномерное распределение сред, образующих эти потоки, по горизонтальному сечению массообменной или теплообменной колонны. Когда эти потоки сред представляют собой противоположно направленные паровой поток и жидкостный поток, соблюдение этого требования равномерности распределения сред особенно важно в нижней части парожидкостной интерфазы, где восходящий паровой поток входит в контакт с заполнительным элементом (насадкой) или другим контактным средством.

В массообменных или теплообменных колоннах, описанных выше, паровой поток или поток смешанной парожидкостной фазы часто подаются в массообменную или теплообменную колонну радиально или тангенциально (по касательной), относительно ее горизонтального сечения, через питающее сопло, которое расположено ниже зон контакта среды, образующей поток, с заполнительными элементами (насадками) или другими контактными средствами. Отклоняющие пластины также облегчают предотвращение уноса капель жидкости из потока смешанной парожидкостной фазы, так как при таком техническом решении происходит попадание этих капель на поверхность отклоняющих пластин с последующим стечением вниз по этим поверхностям. Затем при восхождении через зону парового потока обеспечивается взаимодействие между паром и жидкостью, стекающей вниз через эту зону. В попытках обеспечить прерывание радиального или тангенциального парового потока или потока смешанной парожидкостной фазы при его вхождении в массообменную или теплообменную колонну из питающего сопла и изменения его направления таким образом, чтобы было обеспечено восхождение потока с более равномерным распределением по горизонтальному сечению колонны в контактной зоне, разработаны различные питающие устройства, обычно называемые «паровыми горнами» (от переводчика: «паровой горн» это буквальный перевод использованного в оригинале англоязычного термина vapor horn; устройство, называемое «vapor horn» можно увидеть, например, здесь:

http://www.sulzerchemtech.com/eprise/SulzerDocuments/Documentslmages/lmages/Chemtech/mtc/separators/gitv schema.qif).

В таких питающих устройствах обычно используется канал кольцеобразного сечения, образованный пространством между наружной стенкой-оболочкой массообменной или теплообменной колонны и ее внутренней стенкой, расположенной на некотором расстоянии в пределах этой наружной стенки-оболочки. Верх этого канала кольцеобразного сечения обычно закрыт верхней плитой, а паровой поток или поток смешанной парожидкостной фазы выходит из канала кольцеобразного сечения через его открытую нижнюю часть и/или через отверстия, выполненные во внутренней стенке подающего устройства. В месте поступления в канал кольцеобразного сечения парового потока или потока смешанной парожидкостной фазы обычно установлено отклоняющее средство (дефлектор), имеющее отклоняющие поверхности, обращенные в противоположные стороны. Посредством этих отклоняющих поверхностей отклоняющего средства (дефлектора) обеспечивается разделение парового потока или потока смешанной парожидкостной фазы на два одинаковых или неодинаковых потока, направленных во внутреннем пространстве канала кольцеобразного сечения в противоположных направлениях по кругу. В питающем устройстве, раскрытом в патенте США №5.106.544, выданном на имя Ли и др. (Lee et al.), во внутреннем пространстве канала кольцеобразного сечения предусмотрено также наличие внутренних пластин, которые ориентированы таким образом, чтобы обеспечивалось изменение направления парового потока или потока парожидкостной фазы вниз через открытый низ питающего устройства.

При поступлении парового потока или потока смешанной парожидкостной фазы из питающего сопла внутрь питающего устройства на отклоняющую поверхность дефлектора и на внутреннюю стенку питающего устройства может воздействовать большая и/или несбалансированная сила. Например, когда питающее сопло широко и паровой поток или поток смешанной парожидкостной фазы через него подается с высокой скоростью, дефлектор и внутренняя стенка должны обладать достаточной механической прочностью, чтобы противостоять силам, оказываемым паровым потоком или потоком смешанной парожидкостной фазы. В других ситуациях на дефлекторе имеет место разделение парового потока или потока смешанной парожидкостной фазы на неравные части, и на ту сторону дефлектора, которая воспринимает большую часть первоначального парового потока или потока смешанной парожидкостной фазы, приходится большая сила. Конечно, для противостояния таким большим и несбалансированным силам дефлектор и внутренняя стенка могут быть выполнены, при использовании того же материала, более толстыми, однако являющееся следствием такого решения увеличение массы обычно нежелательно, так как компоненты питающего устройства обычно являются портативными - их заносят внутрь массообменной или теплообменной колонны и монтируют обычно вручную.

Еще один подход к решению проблемы уменьшения этой большой и/или несбалансированной силы, оказываемой паровым потоком или потоком смешанной парожидкостной фазы на дефлектор и внутреннюю стенку питающего устройства вышеописанного типа, состоит в использовании одной или более вертикально установленных пластин, посредством которых осуществляют разделение канала протекания потока с одной стороны дефлектора на несколько подканалов, уменьшая тем самым объем текучей среды, образующей поток, воздействующий на дефлектор и внутреннюю стенку питающего устройства. Эти пластины располагают на расстоянии друг от друга у входа питающего устройства, в месте выхода парового потока или потока смешанной парожидкостной фазы из питающего сопла и входа его в канал кольцеобразного сечения. Эти вертикальные пластины повернуты к выходящему из питающего сопла паровому потоку или потоку смешанной парожидкостной фазы внешней кромкой и имеют в плане изогнутую форму, так что обеспечивается изменение направления парового потока или потока смешанной парожидкостной фазы от его первоначального направления на входе к направлению по окружности. Прежде вертикальные пластины для поглощения этих больших и/или несбалансированных сил парового потока или потока смешанной парожидкостной фазы устанавливались только с одной стороны дефлектора. Применение таких вертикальных пластин ограничивается такими массообменными или теплообменными колоннами, у которых диаметр питающего сопла достаточно велик, то есть порядка 1,5 м (порядка 5 футов) или более, и несбалансированные силы также присутствуют, так как паровой поток или поток смешанной парожидкостной фазы разделяется дефлектором на две неравные части. Применение таких вертикальных пластин при меньших диаметрах питающего сопла, а также в случаях, когда паровой поток или поток смешанной парожидкостной фазы разделяется дефлектором на две равные части, сочтено ненужным, поскольку сила парового потока или потока смешанной парожидкостной фазы достаточно мала и/или сбалансирована с обеих сторон дефлектора, а потому поглощение всех сил, оказываемых паровым потоком или потоком смешанной парожидкостной фазы, может быть легко обеспечено при использовании обычных материалов и стандартных конструкционных решений. Кроме того, использование вертикальных пластин для иных целей, нежели для ослабления силы потока текучей среды, было сочтено нежелательным из-за ожидаемого увеличения перепада давлений по причине потерь на трение, возникающих при протекании парового потока или потока смешанной парожидкостной фазы вдоль поверхности этих вертикальных пластин. В результате принято считать, что вертикальные пластины описанного выше типа прежде не использовались в случае равного разделения потока текучей среды, поступающего из питающего сопла.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ПРЕДЛАГАЕМОГО ИЗОБРЕТЕНИЯ

Одним из предметов изобретения по настоящей заявке является массообменная колонна определенного типа, имеющая следующие составные части: вертикальную наружную стенку-оболочку, посредством которой ограничено некоторое открытое внутреннее пространство, питающее сопло, охватывающее проем, выполненный в вышеупомянутой вертикальной наружной стенке-оболочке с простиранием за пределы вышеупомянутой вертикальной наружной стенки-оболочки в радиальном направлении от вертикальной центральной оси вышеупомянутой вертикальной наружной стенки-оболочки, при этом питающее сопло имеет воображаемую простирающуюся в радиальном направлении центральную вертикальную плоскость, а вышеупомянутый проем в вертикальной наружной стенке-оболочке имеет предварительно заданный диаметр, и им ограничивается входной канал, а также питающее устройство, находящееся в вышеупомянутом открытом внутреннем пространстве и имеющее относительно вышеупомянутого проема в вертикальной наружной стенке-оболочке такое расположение, что обеспечивается возможность отклонения и изменения направления парового потока или потока смешанной парожидкостной фазы, входящего в вышеупомянутое открытое внутреннее пространство через питающее сопло. Вышеупомянутое питающее устройство имеет следующие составные части: внутреннюю стенку, которая расположена внутри области, ограниченной вышеупомянутой вертикальной наружной стенкой-оболочкой, на некотором расстоянии от последней, и канал кольцеобразного сечения, который образован между внешней поверхностью вышеупомянутой внутренней стенки и внутренней поверхностью вертикальной наружной стенки-оболочки и находится в сообщении, с точки зрения доступа текучей среды, с входным каналом. Имеется пара элементов конструкции, обеспечивающих пару вертикальных отклоняющих поверхностей, простирающихся от внутренней стенки питающего устройства по направлению к отверстию, охваченному питающим соплом. Каждая из этих вертикальных отклоняющих поверхностей имеет внешний край, расположенный ближе к вертикальной наружной стенке-оболочке, и противоположный внутренний край, который расположен ближе к внутренней стенке питающего устройства. В предпочтительных вариантах осуществления предлагаемого изобретения эти вертикальные отклоняющие поверхности выполнены практически симметричными относительно вышеупомянутой центральной вертикальной плоскости питающего сопла, так что внешний край каждой из этих вертикальных отклоняющих плоскостей расположен ближе к центральной вертикальной плоскости питающего сопла, чем ее внутренний край. Посредством этих вертикальных отклоняющих поверхностей осуществляется разделение поступающего парового потока или потока смешанной парожидкостной фазы на приблизительно одинаковые потоки, протекающие в противоположных направлениях по окружности внутри канала кольцеобразного сечения. В предпочтительных вариантах осуществления предлагаемого изобретения внутренние края вертикальных отклоняющих поверхностей скреплены с внутренней стенкой питающего устройства, чем обеспечивается передача на эту внутреннюю стенку силы, оказываемой на вертикальные отклоняющие поверхности со стороны парового потока или потока смешанной парожидкостной фазы. В соответствии с предлагаемым изобретением, по разные стороны центральной вертикальной плоскости питающего сопла расположена по меньшей мере одна пара перенаправляющих пластин, которые находятся на некотором расстоянии от вышеупомянутых отклоняющих поверхностей по окружности канала кольцеобразного сечения. Каждая из вышеупомянутых перенаправляющих пластин имеет внешний край и внутренний край, который в направлении радиуса канала кольцеобразного сечения расположен противоположно упомянутому внешнему краю, при этом внешний край расположен ближе к вышеупомянутой центральной вертикальной плоскости питающего сопла, нежели внутренний край. В предпочтительных вариантах осуществления предлагаемого изобретения перенаправляющие пластины расположены практически симметрично относительно центральной вертикальной плоскости питающего сопла. Этими перенаправляющими пластинами и отклоняющими поверхностями входной канал оказывается поделенным на подканалы, при этом имеет место разделение парового потока или потока смешанной парожидкостной фазы по этим подканалам. В результате такого технического решения только часть парового потока или потока смешанной парожидкостной фазы, поступающего в канал кольцеобразной формы, воздействует на внутреннюю стенку питающего устройства. Для дальнейшего уменьшения воздействия парового потока или потока смешанной парожидкостной фазы на внутреннюю стенку питающего устройства могут быть предусмотрены дополнительные пары перенаправляющих пластин. Предлагаемое изобретение применимо также в таких конструкциях массообменных колонн, в которых имеется второе питающее сопло, расположенное диаметрально противоположно первому питающему соплу.

В процессе предшествовавших созданию предлагаемого изобретения исследований неожиданно было обнаружено, что при наличии у места поступления в питающее устройство парового потока или потока смешанной парожидкостной фазы перенаправляющих пластин имеет место уменьшение перепада давлений, испытываемого паровым потоком или потоком смешанной парожидкостной фазы при изменении приблизительно на 90° его направления от выхода из питающего сопла до попадания в питающее устройство. Предполагается, что это уменьшение перепада давлений и являющееся результатом этого улучшение условий распределения пара достигается частично за счет уменьшения количества текучей среды (пара или смешанной парожидкостной фазы), ударяющейся о внутреннюю стенку питающего устройства. Предполагается также, что перенаправляющие пластины тоже вносят вклад в уменьшение перепада давлений, уменьшая количество текучей среды (пара или смешанной парожидкостной фазы), обычно вихреобразно рециркулирующей вблизи выходного отверстия питающего сопла. Эта способность перенаправляющих пластин уменьшать перепад давлений оказалась неожиданной, потому что прежде считалось, что перенаправляющими пластинами создается частичное перекрывание отверстия питающего сопла, результатом чего должно являться возрастание перепада давлений и увеличение турбулентности. В результате изучения на основе компьютерной гидродинамической модели было установлено, что перепад давлений зависит не только от площади поперечного сечения, обеспечиваемой для парового потока, но также и от эффективной площади, на которой поток концентрируется у внутренней стенки питающего устройства. При уменьшении перепада давлений обеспечивается также улучшение показателей выхода продукта в случаях, когда питающее устройство расположено в зоне испарения, например, в случае нефтяных вакуумных колонн. При улучшении характеристик потока смешанной парожидкостной фазы улучшаются также условия для предотвращения уноса жидкости благодаря тому, что удается избежать образования мелких капелек жидкости или тумана, которые легко уносятся при ударе потока смешанной парожидкостной фазы о внутреннюю стенку питающего устройства.

Еще одним предметом изобретения по настоящей заявке является способ распределения парового потока или потока смешанной парожидкостной фазы во внутреннем пространстве массообменной колонны с использованием питающего устройства, снабженного перенаправляющими пластинами, которые описаны выше.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ПРИЛАГАЕМЫХ ЧЕРТЕЖЕЙ

Прилагаемые чертежи составляют часть настоящей заявки на изобретение и должны рассматриваться в совокупности с другими частями настоящего описания изобретения. На прилагаемых чертежах сходные обозначения были присвоены сходным частям устройства по предлагаемому изобретению.

На фиг.1 схематично изображен фрагмент массообменной колонны (вид сбоку) с питающим устройством по предлагаемому изобретению, при этом пунктирными линиями изображена зона массопередачи.

На фиг.2 в крупном масштабе на виде сверху показана массообменная колонна по предлагаемому изобретению в разрезе по горизонтальному сечению А-А, обозначенному на фиг.1 (вид по направлению стрелок), при этом часть питающего устройства в целях лучшего иллюстрирования конструкции не показана (удалена).

На фиг.3 фрагмент массообменной колонны (вид сбоку) проиллюстрирован в еще более крупном масштабе, при этом питающее устройство по предлагаемому изобретению показано в разрезе по вертикальному сечению В-В, обозначенному на фиг.2 (вид по направлению стрелок).

На фиг.4 показан в аксонометрии фрагмент массообменной колонны с питающим устройством по предлагаемому изобретению.

На фиг.5 на виде сверху показана массообменная колонна с питающим устройством по альтернативному варианту осуществления предлагаемого изобретения, которое снабжено вторым питающим соплом.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ПРЕДЛАГАЕМОГО ИЗОБРЕТЕНИЯ

Теперь обратимся к более подробному рассмотрению прилагаемых чертежей, сначала к фиг.1-фиг.4, на которых изображена массообменная и/или теплообменная колонна, которая сконструирована в соответствии с одним из вариантов осуществления предлагаемого изобретения в части устройства (первый вариант) и в целом обозначена позицией 1. Массообменная и/или теплообменная колонна 1 имеет наружную вертикальную цилиндрическую стенку-оболочку 2 и содержит в себе открытое внутреннее пространство 3, в котором осуществляется массопередача и/или теплообмен между потоками текучих сред. С помощью такого рода колонн осуществляется массопередача между потоками текучих сред: обычно между нисходящими жидкостными потоками (одним или более) и восходящими паровыми (газовыми) потоками (тоже одним или более). В альтернативных вариантах все взаимодействующие в колонне потоки текучих сред могут быть жидкостными, или же все они могут быть паровыми (газовыми), или же нисходящие потоки могут быть паровыми (газовыми), а восходящие - жидкостными.

Колонна 1 содержит контактную зону 4 (см. фиг.1), в которой находятся контактные средства, например тарелки или насадки, расположенные таким образом, что обеспечиваются благоприятные условия для взаимодействия между потоками текучих сред, протекающих через открытое внутреннее пространство 3 колонны 1. Контактные средства могут располагаться беспорядочно, или же их расположение может быть структурированным, с образованием определенного количества различимых контактных зон.

Поступление потоков текучих сред в колонну 1 осуществляется через питающие линии (на прилагаемых чертежах не показаны), которые могут быть предусмотрены в любом подходящем количестве и расположены в подходящих местах по высоте колонны 1. Кроме того, один или большее количество паровых потоков или потоков смешанной парожидкостной фазы могут не вводиться колонну 1 через питающие линии, а генерироваться внутри нее. Следует заметить, что жидкость может быть и часто бывает связана с паром, и использование в настоящем описании термина «пар» предполагает наличие жидкости. Обычно массообменная и/или теплообменная колонна 1 имеет также верхнюю отводную линию, предназначенную для удаления из нее полезного или побочного продукта летучей (паровой) природы, и нижнюю отводную линию, предназначенную для удаления полезного или побочного продукта жидкой природы. Различного рода питающие и отводные линии, как и другие обычно наличествующие вспомогательные компоненты массообменной и/или теплообменной колонны, такие как возвратно-оросительные линии, кипятильники, дефлегматоры и т.п., на прилагаемых чертежах не показаны, так как они являются обычными устройствами этого рода, и сочтено, что их наличие на прилагаемых чертежах не является необходимым для понимания предлагаемого изобретения.

В колонне 1 по рассматриваемому варианту осуществления предлагаемого изобретения предусмотрено отходящее от наружной вертикальной цилиндрической стенки-оболочки 2 колонны 1 питающее сопло 5, место присоединения которого расположено на некотором расстоянии ниже контактной зоны 4, содержащей контактные средства, способствующие массопередаче. Через посредство питающего сопла 5 осуществляется подача парового потока или потока смешанной парожидкостной фазы в питающее устройство 6, которое расположено в пределах открытого внутреннего пространства 3 на одном горизонтальном уровне с питающим соплом 5. Это питающее устройство 6 предназначено для обеспечения более равномерного горизонтального распределения пара или смешанной парожидкостной фазы, образующей поток, после поступления этого потока в колонну 1 через питающее сопло 5. После этого происходит восхождение парового потока с прохождением его через контактную зону 4, в которой находятся контактные средства, способствующие массопередаче, при этом, благодаря более равномерному распределению текучей среды восходящего потока, обеспечивается более эффективный контакт и более эффективное взаимодействие между восходящим паровым потоком [или потоком смешанной парожидкостной фазы] и нисходящим жидкостным потоком.

Питающее устройство 6 может иметь разное конструктивное исполнение, в частности оно может быть выполнено как «паровой горн», упоминавшийся выше. Питающее устройство 6 имеет канал 7 кольцеобразного сечения, выполненный частично или полностью простирающимся по внутренней поверхности наружной вертикальной цилиндрической стенки-оболочки 2. Канал 7 кольцеобразного сечения образован в пространстве между наружной вертикальной цилиндрической стенкой-оболочкой 2 и внутренней стенкой 8, которая отстоит от наружной вертикальной цилиндрической стенки-оболочки 2 радиально на некотором расстоянии и расположена в пределах открытого внутреннего пространства 3. Во внутренней стенке 8 могут быть предусмотрены сквозные отверстия (на прилагаемых чертежах не показаны), предназначенные для прохождения через них некоторой части парового потока или потока смешанной парожидкостной фазы, находящегося в канале 7 кольцеобразного сечения. Рассматриваемая конструкция включает также верхнюю горизонтальную пластину 9, расположенную с простиранием от верхнего края внутренней стенки 8 до наружной вертикальной цилиндрической стенки-оболочки 2 с обеспечением частичного или полного перекрывания верхнего среза канала 7 кольцеобразного сечения. В предпочтительных вариантах осуществления предлагаемого изобретения нижний срез канала 7 кольцеобразного сечения частично или полностью открыт, так что обеспечена возможность поступления парового потока или потока смешанной парожидкостной фазы и выхода удержанной от уноса жидкости через открытый нижний срез канала 7 кольцеобразного сечения.

Внутренняя стенка 8 питающего устройства 6 обычно имеет кольцеобразное сечение и установлена вертикально, но при желании возможны и другие конструктивные решения. Расстояние между внутренней стенкой 8 и наружной вертикальной цилиндрической стенкой-оболочкой 2 может быть постоянным, но в предпочтительных технических решениях предусмотрено уменьшение этого расстояния по мере удаления (по окружности) от питающего сопла 5, результатом чего является соответствующее уменьшение ширины канала 7 кольцеобразного сечения. В диаметрально противоположном питающему соплу 5 месторасположении в канале 7 кольцеобразного сечения установлена ограничивающая стенка 10, посредством которой осуществлено перекрывание его кольцеобразного сечения по его окружности. Можно видеть, что при таком расположении ограничивающей стенки 10 обеспечивается прохождение канала 7 кольцеобразного сечения по всему внутреннему периметру наружной вертикальной цилиндрической стенки-оболочки 2, так что обеспечивается такое изменение направления подпотоков, образовавшихся после разделения первоначального парового потока или потока смешанной парожидкостной фазы, что после прохождения через питающее устройство 6 они направлены противоположно: под углом 180° друг к другу. Если желательно, чтобы канал 7 кольцеобразного сечения проходил не по всему внутреннему периметру наружной вертикальной цилиндрической стенки-оболочки 2, то могут быть установлены две ограничивающие стенки 10 в желаемых положениях в канале 7 кольцеобразного сечения.

В предпочтительных вариантах осуществления в канале 7 кольцеобразного сечения установлены по окружности на некоторых расстояниях друг от друга выполненные с простиранием вниз отклоняющие пластины 11, образующие некоторую совокупность. Верхняя часть каждой из отклоняющих пластин 11 изогнута навстречу направлению парового потока в канале 7 кольцеобразного сечения. Расположение отклоняющих пластин 11 по вертикали уступчатое: отклоняющие пластины 11, ближайшие к питающему соплу 5, установлены ниже, чем отклоняющие пластины 11, расположенные вблизи ограничивающей стенки 10. При таком техническом решении обеспечена приблизительно одинаковая порция протекающего по каналу 7 кольцеобразного сечения парового потока или потока смешанной парожидкостной фазы, приходящаяся на каждую отклоняющую пластину 11 и подвергающаяся изменению ее направления вниз относительно канала 7 кольцеобразного сечения.

Питающее устройство 6 прикреплено к наружной вертикальной цилиндрической стенке-оболочке 2 посредством косынок 12, отходящих радиально внутрь колонны 1 от внутренней поверхности наружной вертикальной цилиндрической стенки-оболочки 2 выше питающего устройства 6 и прикрепленных своими нижними краями к верхней поверхности верхней горизонтальной пластины 9 с помощью сварки или другим подходящим способом. Каждая из косынок 12 выполнена с простиранием внутрь колонны 1 сквозь внутреннюю стенку 8 питающего устройства 6 и соединена с отражательной перегородкой 13, ориентированной вертикально вдоль внутренней поверхности внутренней стенки 8. Отражательные перегородки 13 предназначены для разрушения вихревого закручивания парового потока или потока смешанной парожидкостной фазы, которое может иметь место при его восходящем движении через открытую центральную область питающего устройства 6 после выхода из канала 7 кольцеобразного сечения. Для увеличения прочности конструкции предусмотрены угловые подкосы 14, пара которых отходит от каждой отражательной перегородки 13 в направлении внутренней стенки 8 питающего устройства 6. Поддержание питающего устройства 6 снизу обеспечено посредством похожих подкосов 15, которые отходят от внутренней стенки 8 в направлении наружной вертикальной цилиндрической стенки-оболочки 2, и посредством которых обеспечена опора для питающего устройства 6.

Как можно видеть более подробно на фиг.2-4, в рассматриваемом варианте осуществления использовано отклоняющее средство (дефлектор) 16, имеющее пару изогнутых отклоняющих поверхностей 17 и расположенное в месте входа потока текучей среды, поступающей от питающего сопла 5 в питающее устройство 6. В предпочтительных вариантах осуществления отклоняющие поверхности 17 ориентированы вертикально и имеют внутренний и внешний края. Внутренние края элементов конструкции, обеспечивающих эти отклоняющие поверхности 17, прикреплены к внутренней стенке 8 с помощью сварки или другим подходящим способом, так что обеспечивается передача сил, оказываемых паровым потоком или потоком смешанной парожидкостной фазы на отклоняющие поверхности 17, на имеющую кольцевое сечение внутреннюю стенку 8. Внешние края отклоняющих поверхностей 17 по сравнению с их внутренними краями расположены ближе к воображаемой центральной вертикальной плоскости 18 (см. фиг.2), которая проходит через центр колонны 1 и питающее сопло 5. В предпочтительных вариантах осуществления отклоняющие поверхности 17 по форме и расположению зеркально симметричны относительно этой воображаемой центральной вертикальной плоскости 18, при этом внешние края отклоняющих поверхностей 17 непосредственно примыкают к воображаемой центральной вертикальной плоскости 18 или расположены близко к ней, так что обеспечивается разделение входящего парового потока или потока смешанной парожидкостной фазы на две приблизительно равные части, которые затем направляются по окружности канала 7 кольцеобразного сечения в противоположных направлениях. Расстояние между внутренним краем одной отклоняющей поверхности 17 и внутренним краем другой отклоняющей поверхности 17 зависит от степени искривленности отклоняющих поверхностей 17, которая выбирается по желанию. В предпочтительных технических решениях отклоняющие поверхности 17 выполнены выступающими вовне в радиальном направлении на предварительно заданное расстояние, кроме того, в предпочтительных технических решениях предусматривается достаточное расстояние для размещения внешних краев отклоняющих поверхностей 17 у проема в наружной вертикальной цилиндрической стенке-оболочке 2 колонны 1, который занят питающим соплом 5.

В соответствии с предлагаемым изобретением, в канапе 7 кольцеобразного сечения предусмотрена по меньшей мере одна пара (первая пара) перенаправляющих пластин 19, установленных по обе стороны от воображаемой центральной вертикальной плоскости 18. Эти перенаправляющие пластины 19 ориентированы в целом вертикально, и каждая из них установлена на предварительно заданном расстоянии от соответствующей отклоняющей поверхности 17. В предпочтительных технических решениях горизонтальное сечение перенаправляющих пластин 19 имеет изогнутую форму, при этом внешние края (то есть края, расположенные ближе к наружной вертикальной цилиндрической стенке-оболочке 2) перенаправляющих пластин 19 расположены ближе к воображаемой центральной вертикальной плоскости 18, чем их внутренние края (то есть края, расположенные ближе к внутренней стенке 3 питающего устройства 6). В предпочтительных технических решениях перенаправляющие пластины 19 по форме и расположению зеркально симметричны относительно воображаемой центральной вертикальной плоскости 18 - точно так же, как и отклоняющие поверхности 17. В рассматриваемом варианте осуществления предлагаемого изобретения предусмотрена еще одна пара перенаправляющих пластин (вторая пара) - перенаправляющие пластины 20, каждая из которых находится на некотором расстоянии от соответствующей перенаправляющей пластины 19 с аналогичной симметрией относительно воображаемой центральной вертикальной плоскости 18. Конструкция второй пары перенаправляющих пластин 20 аналогична конструкции первой пары перенаправляющих пластин 19. Аналогично могут быть предусмотрены дополнительные пары перенаправляющих пластин. Например, в массообменных и/или теплообменных колоннах большого диаметра могут использоваться до пяти пар перенаправляющих пластин. Прикрепление перенаправляющих пластин 19 и 20 может быть осуществлено любым подходящим способом, например, они могут быть приварены к верхней горизонтальной пластине 9 и к сегменту факультативной нижней пластины (на прилагаемых чертежах не показана), расположенному в области входа потока текучей среды.

Область входа потока текучей среды от питающего сопла 5 до канала 7 кольцеобразного сечения элементами конструкции, образующими отклоняющие поверхности 17, и парами перенаправляющих пластин 19 и 20 подразделяется на подканалы 21. Паровой поток или поток смешанной парожидкостной фазы, поступающий в канал 7 кольцеобразного сечения, подвергается расщеплению на подпотоки, протекающие через подканалы 21, с изменением направления протекания на 90°: от первоначального радиального направления к тангенциальному - по окружности питающего устройства 6. Должно быть понятно, что при таком техническом решении при изменении направления парового потока или потока смешанной парожидкостной среды с радиального на окружное на внутреннюю стенку 8 питающего устройства 6 воздействует только та его порция, которая приходится на подканалы 21, расположенные наиболее близко к воображаемой центральной вертикальной плоскости 18. Расположение пар перенаправляющих пластин 19 и 20 может быть выбрано таким, чтобы подканалы 21 имели приблизительно одинаковые площади поперечного сечения (сечения вертикальной плоскостью) или приблизительно одинаковые размеры по ширине. В предпочтительных вариантах осуществления рассматриваемого технического решения на всем протяжении подканалов 21, образуемых расположенными рядом перенаправляющими пластинами 19 и 20, поддерживается постоянное отношение площадей их поперечных сечений. Например, в некоторых вариантах осуществления предлагаемого изобретения диаметр проема в наружной вертикальной цилиндрической стенке-оболочке 2, занятого питающим соплом 5, может приблизительно быть равным радиальной ширине (ширине, измеренной по радиусу колонны 1 в этой области) канала 7 кольцеобразного сечения. В таких случаях каждый подканал 21 будет иметь одинаковые площади поперечного сечения на своих входном и выходном конце, так как перенаправляющие пластины 19 и 20 и отклоняющие поверхности 17 будут параллельны (вернее, образуемые ими в плане дуги будут эквидистантны). В других вариантах осуществления предлагаемого изобретения подканалы 21 будут иметь большую или меньшую площадь поперечного сечения на входе, чем на выходе, по той причине, что диаметр проема в наружной вертикальной цилиндрической стенке-оболочке 2, занятого питающим соплом 5, соответственно, больше или меньше, чем радиальная ширина канала 7 кольцеобразного сечения.

В результате изучения на основе компьютерной гидродинамической модели, на которой производилось сравнение питающего устройства 6, снабженного перенаправляющими пластинами 19 и 20, с питающим устройством 6 без таковых, было неожиданно обнаружено, что при наличии перенаправляющих пластин 19 и 20 имеет место уменьшение перепада давлений в паровом потоке или потоке смешанной парожидкостной фазы с 4,28 мм ртутного столба до 2,97 мм ртутного столба при его поступлении в питающее устройство 6 массообменной и/или теплообменной колонны 1 через питающее сопло 5. Благодаря наличию перенаправляющих пластин 19 и 20 имеет место также уменьшение пика скорости потока текучей среды при его вхождении в контактную зону 4, где осуществляется массопередача, без ущерба для распределения скоростей по сечению контактной зоны 4. Считается, что это уменьшение перепада давлений и улучшение распределения текучей среды достигаются за счет двух факторов. Во-первых, уменьшается воздействие потока текучей среды на внутреннюю стенку 8 питающего устройства 6, достигаемое благодаря наличию перенаправляющих пластин 19 и 20. Если бы этих перенаправляющих пластин не было, то весь паровой поток или поток смешанной парожидкостной фазы при изменении направления примерно на 90° на входе от питающего сопла 5 в питающее устройство 6 испытывал бы большее ускорение и до столкновения с поверхностью внутренней стенки 8 питающего устройства 6 проходил бы по поперечному сечению относительно малой площади. По мере прохождения по питающему устройству 6 паровой поток или поток смешанной парожидкостной фазы тормозится, и имеет место его расширение по всему поперечному сечению канала 7 кольцеобразного сечения. Поскольку посредством перенаправляющих пластин 19 и 20 осуществляется расщепление парового потока или потока смешанной парожидкостной фазы до его столкновения с внутренней стенкой 8, этот поток испытывает меньшие ускорения/торможения, результатом чего является уменьшение перепада давлений. Перенаправляющие пластины 19 и 20 вносят вклад в уменьшение перепада давлений также тем, что благодаря их наличию уменьшается вихревая рециркуляция, которая обычно имеет место около питающего сопла 5 при входе парового потока или потока смешанной парожидкостной фазы в канал 7 кольцеобразного сечения. Эта вихревая рециркуляция создается областью пониженного давления, которая возникает около питающего сопла 5 при входе парового потока или потока смешанной парожидкостной фазы в канал 7 кольцеобразного сечения. При наличии такой области пониженного давления часть парового потока или потока смешанной парожидкостной фазы увлекается обратно в сторону питающего сопла 5, где возникает вихревое движение текучей среды (пара или смешанной парожидкостной фазы), что является причиной увеличения перепада давлений. Эта способность перенаправляющих пластин 19 и 20 оказалась неожиданной, так как предполагалось, что перенаправляющие пластины, частично перекрывая проем в наружной вертикальной цилиндрической стенке-оболочке 2, занятый питающим соплом 5, способствуют увеличению перепада давлений в паровом потоке или потоке смешанной парожидкостной фазы и увеличению вихревой рециркуляции этой текучей среды в области около питающего сопла 5. Было установлено, однако, что перепад давлений зависит не только от площади поперечного сечения, которой располагает поток текучей среды, но и от эффективной площади поперечного сечения, на которой этот поток концентрируется напротив внутренней стенки 8 питающего устройства 6. Это уменьшение перепада давлений может способствовать также увеличению выхода продукта в тех случаях, когда питающее устройство 6 расположено в зоне испарения. Например, в нефтяных вакуумных колоннах при уменьшении перепада давлений в питающем устройстве 6 увеличивается количество отгоняемой фракции, благодаря чему увеличивается выход продукта. При улучшении характеристик потока смешанной парожидкостной фазы также обеспечивается уменьшение разбрызгивания жидкости на поверхности питающего устройства 6, благодаря чему обеспечиваются более благоприятные условия для образования более крупных и более легко поддающихся улавливанию капелек жидкости.

Хотя предлагаемое изобретение выше описывалось на примере колонны с одним радиально направленным питающим соплом 5, должно быть понятно, что возможны и такие варианты осуществления предлагаемого изобретения, когда колонна снабжена еще одним питающим соплом 22, расположенным диаметрально противоположно первому питающему соплу 5, как это показано на фиг.5. В варианте осуществления предлагаемого изобретения, иллюстрируемом на фиг.5, на угловом расстоянии 90° от питающих сопел 5 и 22 в канале 7 кольцеобразного сечения установлены две ограничивающих стенки 10, так что паровые потоки или потоки смешанной парожидкостной фазы от каждого из питающих сопел 5 и 22 проходят по окружности канала 7 кольцеобразного сечения путь, представляющий собой дугу 90°. Должно быть понятно также, что преимущества, обусловленные наличием перенаправляющих пластин 19 и 20 по обе стороны от отклоняющего средства (дефлектора) 16, могут достигаться даже в случае в точности радиальной ориентации питающих сопел 5 и 22. Такой случай также предусматривается предлагаемым изобретением и включается в его объем.

Из вышеизложенного должно быть ясно, что предлагаемое изобретение достигает поставленных целей, о которых говорилось выше, а также имеет другие преимущества, присущие предлагаемому техническому решению.

Должно быть понятно, что преимущество представляют и могут с пользой применяться определенные отдельные признаки предлагаемого изобретения и определенные их подмножества, независимо от остальных признаков или подмножеств признаков предлагаемого изобретения. Это также предполагается предлагаемым изобретением. Осуществление предлагаемого изобретения без выхода за пределы его объема возможно во множестве вариантов, и должно быть понятно, что все изложенное выше в настоящем описании изобретения или показанное на прилагаемых чертежах служит только целям иллюстрации, но никак не ограничивает объема предлагаемого изобретения.