Тепло-массообменная колонна

Полезная модель относится к тепло-массообменным устройствам, работающим в условиях подвода внешнего тепла, и может использоваться в системах разделения компонентов жидкофазных смесей отгонкой или ректификацией в химической, нефтеперерабатывающей и др. отраслях промышленности. В качестве аналога полезной модели выбрана тепло-массообменная колонна, включающая вертикальный корпус, соединенный с выносным вертикальным кожухотрубным испарителем посредством нижней и верхней соединительных труб с образованием циркуляционного контура, циркуляционный насос, установленный в нижней соединительной трубе, штуцера ввода питания, вывода кубового продукта, вывода верхнего продукта 1. Основным недостатком известного устройства является повышенное энергопотребление(в виде электроэнергии), затрачиваемое на работу циркуляционного насоса. Другим существенным недостатком в условиях работы колонны с агрессивными компонентами и, особенно, под вакуумом является снижение эксплуатационной надежности системы и увеличение эксплуатационных затрат из-за нарушения герметичности уплотнения циркуляционного насоса и необходимости ее восстановления. В качестве прототипа полезной модели выбрана тепло-массообменная колонна, включающая вертикальный корпус с контактной зоной и куб, соединенный на концах с выносным вертикальным кожухотрубным испарителем, посредством нижней и верхней соединительных труб с образованием циркуляционного контура, штуцера ввода питания,вывода кубового продукта, вывода верхнего продукта 2. Основным недостатком известного устройства-прототипа является высокая стоимость потребляемого тепла, обусловленная необходимостью использования греющего пара высокого потенциала. Использование пара низкого потенциала, обеспечивающее снижение стоимости энергопотребления, приводит к снижению тепловой нагрузки колонны при существующем испарителе и, следовательно, к снижению ее производительности, что недопустимо по технологическим условиям. Снижение тепловой нагрузки при использовании пара низкого потенциала обусловлено следующими технологическими эффектами, имеющими место в условиях существующего испарителя снижение температурного напора и снижение коэффициента теплопередачи в трубах испарителя. Эти эффекты взаимосвязаны, т.к. работа испарителя основана на принципе естественной циркуляции кубовой жидкости. Так, снижение температурного напора приводит к снижению величины скорости циркуляции кубовой жидкости в циркуляционном контуре, что ухудшает процесс теплоотдачи в трубах испарителя и вызывает снижение коэффициента теплопередачи. Задача, решаемая полезной моделью, - снижение стоимости энергопотребления при сохранении тепловой нагрузки и производительности колонны в условиях существующего испарителя. Сущность полезной модели заключается в том, что в известном устройстве, включающем вертикальный корпус с контактной зоной и куб, соединенный на концах с выносным вертикальным кожухотрубным испарителем посредством нижней и верхней соединительных труб с образованием циркуляционного контура, штуцера ввода питания, вывода кубового продукта, вывода верхнего продукта, согласно полезной модели, в нижней соединительной трубе неподвижно установлен патрубок ввода газа с насадком, соединенный с источником инертного неконденсируемого газа. Насадок установлен по высоте на расстоянии от труб испарителя. Насадок установлен в плане осесимметрично испарителю. Насадок выполнен многоэлементным. Сущность отличительных признаков полезной модели и их влияние на решение задачи состоит в следующем. В нижней соединительной трубе установлен патрубок ввода газа с насадком, соединенный с источником инертного неконденсируемого газа. Такое техническое решение организует подвод энергии в циркуляционный поток кубовой жидкости в виде потока инертного неконденсируемого газа, что обеспечивает повышение скорости циркуляции кубовой жидкости в условиях существующего испарителя за счет снижения плотности восходящей паро-газожидкостной смеси в его трубном пространстве. Так как газ инерт ный, то его присутствие не оказывает изменения химического состава разделяемой смеси,что обеспечивает технологическую надежность модели. Так как газ неконденсируемый,этим обеспечивается стабильность движущей силы циркуляции и, следовательно, технологическая надежность модели. Наличие насадка обеспечивает рациональную передачу энергии от газовой струи к потоку кубовой жидкости. Присутствие инертного неконденсируемого газа в циркуляционном потоке кубовой жидкости также вызывает увеличение коэффициента теплоотдачи в трубах испарителя за счет дополнительной турбулизации пристенного слоя кубовой жидкости (здесь сконцентрировано основное сопротивление процесса теплопередачи) газовыми пузырьками. Также происходит снижение температуры циркулирующей смеси перед испарителем за счет процесса адиабатического испарения легкокипящих компонентов из циркулирующей смеси в инертный неконденсируемый газ. Это является физической основой возможности использования греющего теплоносителя более низкого потенциала при сохранении прежней тепловой нагрузки и в условиях существующей поверхности испарителя. Насадок установлен неподвижно. Такое решение обеспечивает высокую эксплуатационную надежность системы, особенно при работе с агрессивными компонентами и под вакуумом из-за отсутствия вращающихся и движущихся элементов. Насадок установлен по высоте на расстоянии от труб испарителя. Такое конструктивное решение обеспечивает необходимые условия распределения газа по сечению испарителя за счет торможения газовой струи в жидкости, что обеспечивает эффективную циркуляцию кубовой жидкости. Насадок установлен в плане осесимметрично испарителю. Такое решение повышает поперечную равномерность заполнения трубок испарителя паро-газожидкостной смесью,что повышает эффективность использования существующей поверхности теплопередачи,повышает скорость циркуляции кубовой жидкости. Насадок выполнен многоэлементным. Такое решение повышает равномерность начального распределения паро-газожидкостной смеси перед трубным пучком, что обеспечивает наиболее эффективное использование существующей поверхности теплопередачи,исключает возникновение гидравлического эффекта срыва циркуляции в отдельных трубах и повышает скорость циркуляции кубовой жидкости. Таким образом, наличие в полезной модели системы ввода и распределения инертного неконденсируемого газа обеспечивает повышение скорости циркуляции кубовой жидкости с интенсификацией процесса теплоотдачи, что позволяет использовать тепло низкого потенциала в условиях существующей поверхности испарителя. Сущность полезной модели поясняется чертежами. На фиг. 1 показан общий вид устройства, схема на фиг. 2 - установка патрубка ввода газа в нижней соединительной трубе с одиночным насадком в виде сопла, фронтальный разрез на фиг. 3 - установка патрубка ввода газа с многоэлементным насадком, схема на фиг. 4 - вариант выполнения насадка в виде струйного распределителя, разрез. Тепло-массообменная (ректификационная) колонна включает вертикальный корпус 1 с размещенной внутри контактной зоной 2, выполненной из массообменной насадки(кольца Рашига, Паля и т.д.) или массообменных тарелок (типа колпачковых, клапанных и т.д.), куб 3 и выносной вертикальный испаритель 4. Испаритель подключен к кубу посредством нижней соединительной трубы 5 и верхней соединительной трубы 6. Испаритель выполнен в виде цилиндрического корпуса 7, внутри которого размещены трубы 8,закрепленные в трубных решетках 9. В нижней соединительной трубе жестко закреплен патрубок ввода газа 10, снабженный в верхнем конце насадком 11. Патрубок ввода газа соединен с источником инертного неконденсируемого газа. В качестве инертного неконденсируемого газа может быть использован азот. Насадок может быть выполнен в виде сопла или струйного распределителя. Насадок может быть одноэлементным или многоэлементным. Если насадок одноэлементный, то ось насадка и ось испарителя совпадают. Если насадок многоэлементный, то оси элементов насадка параллельны оси испарителя. Насадок установлен на расстоянии 12 от труб испарителя. Ввод жидкофазной смеси в ко лонну осуществляется через штуцер ввода питания 13, вывод кубового продукта осуществляется через штуцер 14, вывод верхнего продукта осуществляется через штуцер 15. Подвод флегмы осуществляется через штуцер 16. Подвод греющего теплоносителя в испаритель осуществляется через штуцер 17, вывод отработанного теплоносителя производится через штуцер 18. В качестве греющего теплоносителя может использоваться водяной пар давлением 4-6 ат. либо отработанный технологический поток, например в виде отходящего пара из колонн выделения спиртовой фракции в производстве циклогексанона. Устройство работает следующим образом. Жидкофазная смесь поступает на разделение в колонну через штуцер 13, распределяется в контактной зоне 2 по насадке или по тарелкам и под действием силы тяжести стекает в куб 3 колонны. В верхнюю часть колонны через штуцер 16 подается флегма в виде потока легколетучего компонента для предотвращения проскока тяжелокипящих компонентов в верхней части колонны. Противотоком стекающей жидкости движется восходящий парогазовый поток. Процесс массообмена между паром и жидкостью по высоте колонны протекает таким образом, что парогазовый поток обогащается легколетучими компонентами и обедняется тяжелокипящими, а стекающая жидкофазная смесь наоборот обогащается тяжелокипящими компонентами и обедняется легкокипящими компонентами. В результате верхний продукт, освобожденный от тяжелокипящих компонентов, выводится из колонны через штуцер 15 и направляется на последующую технологическую стадию. Жидкофазная смесь, обогащенная тяжелокипящими компонентами, циркулирует через выносной испаритель 4 по контуру куб 3- нижняя соединительная труба 5 - испаритель 4 - верхняя соединительная труба 6 - куб 3. Кубовая жидкость, максимально обогащенная тяжелокипящими компонентами, выводится из устройства через штуцер 14 на последующую технологическую стадию. При поступлении кубовой жидкости в нижнюю часть испарителя 4 происходит ее ускорение за счет увлекающего воздействия на нее струй инертного неконденсируемого газа, вытекающих из насадка 11, закрепленного на патрубке 10. При этом происходит образование газожидкостной смеси, что существенно снижает плотность кубовой жидкости и обеспечивает ее ускорение в восходящем движении за счет повышения движущей силы, обусловленной разностью плотностей. Перед испарителем происходит снижение температуры циркулирующей смеси за счет процесса адиабатического испарения легкокипящих компонентов из циркулирующей смеси в инертный неконденсируемый газ. Это является физической основой возможности использования греющего теплоносителя более низкого потенциала при сохранении прежней тепловой нагрузки и в условиях существующей поверхности испарителя. Так как насадок 11 установлен по высоте на расстоянии 12 от труб испарителя 4, то при вытекании инертного неконденсируемого газа из насадка 11 происходит расширение струи (или струй) перед испарителем 4 за счет ее торможения в жидкостном потоке,что обеспечивает равномерность распределения газа по сечению перед испарителем 4. При прохождении газожидкостной смеси через испаритель 4 происходит частичное испарение жидкости с образованием пара, обогащенного легколетучими компонентами. Процесс теплопередачи внутри труб 8 интенсифицируется неконденсируемыми газовыми пузырьками, турбулизирующими пристенный слой жидкости, в котором сосредоточено основное сопротивление процессу теплопередачи. Паро-газожидкостная смесь из труб 8 испарителя 4 поступает через верхнюю соединительную трубу 6 в куб 3, где происходит механическое отделение парогазовой фазы и жидкой. Парогазовая фаза далее участвует в восходящем движении по колонне, а жидкая фаза смешивается со стекающей в куб 3 жидкостью и направляется на циркуляцию в нижнюю соединительную трубу 5. Греющий теплоноситель в испаритель 4 вводится через штуцер 17, отдает тепло циркулирующей смеси,охлаждается и выводится из испарителя через штуцер 18. Наличие в устройстве системы ввода и распределения инертного неконденсируемого газа обеспечивает повышение скорости циркуляции кубовой жидкости со снижением температуры циркулирующей смеси перед испарителем и с интенсификацией процесса теплоотдачи в испарителе, что позволяет использовать тепло более низкого потенциала и снизить стоимость энергопотребления в условиях существующей поверхности испарителя тепло-массообменной колонны. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20.