RU2801516C1

RU2801516C1 - Film tubular heat and mass exchanger

Info

Publication number: RU2801516C1
Application number: RU2023101499A
Authority: RU
Inventors: Михаил Александрович Корнеев; Анатолий Витальевич Ковешников; Дмитрий Викторович Рубцов
Original assignee: Общество с ограниченной ответственностью "ВНИИОС-наука"
Filing date: 2023-01-24
Publication date: 2023-08-09

Abstract

FIELD: heat and mass transfer.

SUBSTANCE: film heat-and-mass transfer apparatus contains a vertical housing, upper and lower chambers, upper and lower tube sheets, heat exchange pipes, as well as fittings for inlet and outlet of the heating medium connected to the body, fittings for input of raw materials and output of the liquid phase connected to the chambers at opposite ends of the apparatus, a gas phase outlet fitting connected to the upper chamber of the apparatus. Horizontal baffles are installed in the annular space. Also, the device contains the upper and lower separation volumes of the pipe space, while the upper one is equipped with a mist eliminator, and the lower one, ensuring the separation of the two-phase liquid into an aqueous layer and a hydrocarbon layer, is equipped with a nozzle that provides an increase in the path of the two-phase liquid from the place of draining from the heat exchange pipes to the outlet fittings for removal of the water layer and the hydrocarbon layer, and level gauges for the water layer and for the hydrocarbon layer. The pipes in the pipe space are a multi-pass section. An additional vertical partition is installed in the annular space.

EFFECT: increased efficiency of heat transfer in the apparatus.

1 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к устройствам для проведения совместных процессов тепло - и массообмена и может быть использовано в химической, нефтехимической, нефтеперерабатывающей и других отраслях промышленности. Предназначен для межступенчатого и концевого охлаждения (МСО) при работе компрессоров, сжимающих газовые смеси, где кроме прямого охлаждения газа происходит конденсация более «тяжёлой» фракции.The invention relates to devices for carrying out joint processes of heat and mass transfer and can be used in the chemical, petrochemical, oil refining and other industries. Designed for interstage and aftercooling (MCO) during the operation of compressors compressing gas mixtures, where, in addition to direct gas cooling, condensation of a “heavier” fraction occurs.

Также может применяться в условиях, схожих с процессами, протекающими при реализации МСО.It can also be used in conditions similar to the processes occurring during the implementation of the MCO.

Известен пленочный тепломассообменный аппарат со спиральным оребрением труб (см. патент на полезную модель № 210642,з. 11.01.2022 г., оп. 25.04.2022 г., МПК B01D 3/28), содержащий вертикальный корпус, верхнюю и нижнюю камеры, верхнюю и нижнюю трубные решетки, теплообменные трубы, закрепленные в трубных решетках так, что концы труб выступают над верхней трубной решеткой, подключенные к корпусу штуцера подвода и отвода теплоносителя, штуцера ввода сырья и вывода жидкой фазы, подсоединенные к камерам с противоположных концов аппарата, штуцер вывода газовой фазы, подключенный к верхней камере аппарата, в верхней камере над штуцером ввода сырья, но ниже концов теплообменных труб, расположена перфорированная пластина с отверстиями диаметра, большего, чем наружный диаметр теплообменных труб, теплообменные трубы выполнены со спиральным оребрением.Known film heat and mass transfer apparatus with spiral finned tubes (see utility model patent No. 210642, 11.01.2022, op. 25.04.2022, IPC B01D 3/28), containing a vertical housing, upper and lower chambers, upper and lower tube sheets, heat exchange tubes fixed in the tube sheets so that the ends of the pipes protrude above the upper tube sheet, connected to the body of the coolant inlet and outlet fitting, raw material inlet and liquid phase outlet, connected to the chambers from opposite ends of the apparatus, fitting gas phase outlet, connected to the upper chamber of the apparatus, in the upper chamber above the feedstock inlet, but below the ends of the heat exchange tubes, there is a perforated plate with holes of a diameter greater than the outer diameter of the heat exchange tubes, the heat exchange tubes are made with spiral fins.

Недостаток известного пленочного тепломассообменного аппарата со спиральным оребрением труб состоит в том, что он является одноходовым, работает с насыщенными потоками и не решает поставленной задачи перед заявленным изобретением.The disadvantage of the known film heat and mass transfer apparatus with spiral finned tubes is that it is single-pass, operates with saturated flows and does not solve the problem of the claimed invention.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому решению является пленочный трубчатый тепломассообменный аппарат (см. патент на изобретение № 2104755, з. 29.01.1996 г., оп. 20.02.1998 г., МПК B01D 53/18), содержащий вертикальный корпус, верхнюю и нижнюю камеры, верхнюю и нижнюю трубные решетки, теплообменные трубы, закрепленные в трубчатых решетках так, что концы труб выступают над верхней трубной решеткой, подключенные к корпусу штуцера подвода и отвода теплоносителя, штуцера ввода и вывода жидкости, подсоединенные к камерам с противоположных концов аппарата, газовые штуцера, подключенные к камерам с противоположных концов аппарата, полку, установленную параллельно верхней трубной решетке и снабженную отверстиями и бортами, патрубки, герметично установленные в отверстиях полки, а также трубу для подвода жидкости к полке от штуцера ввода жидкости, патрубки в отверстиях полки выполнены со сплошными стенками, причем на центральном патрубке соосно установлена камера распределения жидкости со сплошными стенками, герметично закрытая с верхнего конца и открытая с нижнего конца, борта полки выполнены с зубчатыми верхними торцами, а труба для подвода жидкости к полке подключена тангенциально к камере распределения жидкости.The closest in technical essence to the claimed solution is a tubular film heat and mass transfer apparatus (see patent for invention No. 2104755, z. 29.01.1996, op. and lower chambers, upper and lower tube sheets, heat exchange tubes fixed in the tube sheets so that the ends of the pipes protrude above the upper tube sheet, connected to the body of the coolant inlet and outlet fitting, fluid inlet and outlet nozzles connected to the chambers from opposite ends of the apparatus , gas fittings connected to the chambers from opposite ends of the apparatus, a shelf installed parallel to the upper tube sheet and equipped with holes and sides, branch pipes hermetically installed in the openings of the shelf, as well as a pipe for supplying liquid to the shelf from the liquid inlet fitting, branch pipes in the openings of the shelf made with solid walls, moreover, a liquid distribution chamber with solid walls is installed coaxially on the central pipe, hermetically closed from the upper end and open from the lower end, the sides of the shelf are made with serrated upper ends, and the pipe for supplying liquid to the shelf is connected tangentially to the liquid distribution chamber .

Недостаток известного пленочного трубчатого тепломассообменного аппарата заключается в том, что он является одноходовым, работает с насыщенными потоками и не решает поставленной задачи перед заявленным изобретением.The disadvantage of the known film tubular heat and mass transfer apparatus is that it is single-pass, operates with saturated flows and does not solve the problem of the claimed invention.

Задача изобретения - создание нового многофункционального компактного пленочного трубчатого тепломассообменного аппарата с достижением технического результата: повышение эффективности теплоотпередачи в аппарате при работе с перегретым и насыщенным парами.The objective of the invention is the creation of a new multifunctional compact film tubular heat and mass transfer apparatus with the achievement of a technical result: an increase in the efficiency of heat transfer in the apparatus when working with superheated and saturated steam.

Поставленная задача решается за счет того, пленочный тепломассообменный аппарат, содержащий вертикальный корпус, верхнюю 3 и нижнюю 2 камеры, верхнюю 13 и нижнюю 17 трубные решетки, теплообменные трубы, закрепленные в трубных решетках, а также подключенные к корпусу штуцера подвода (12) и отвода (16) теплоносителя, штуцера ввода сырья (1) и вывода жидкой фазы (5), подсоединенные к камерам с противоположных концов аппарата, штуцер вывода газовой фазы (11), подключенный к верхней камере аппарата, в межтрубном пространстве установлены горизонтальные перегородки,The problem is solved due to the fact that a film heat and mass transfer apparatus containing a vertical housing, upper 3 and lower 2 chambers, upper 13 and lower 17 tube sheets, heat exchange tubes fixed in tube sheets, and also connected to the body of the inlet (12) and outlet (16) coolant, raw material inlet fitting (1) and liquid phase outlet (5) connected to the chambers from opposite ends of the apparatus, gas phase outlet fitting (11) connected to the upper chamber of the apparatus, horizontal partitions are installed in the annulus,

дополнительно содержит верхний и нижний сепарационные объемы трубного пространства, при этом, верхний снабжен каплеотбойным устройством, а нижний, обеспечивая деление двухфазной жидкости на водный слой и углеводородный слой, снабжен насадкой, обеспечивающей увеличение пути движения двухфазной жидкости от места стекания из теплообменных труб к выходным штуцерам для отвода водного слоя и углеводородного слоя и уровнемерами водного слоя и углеводородного слоя, а трубы в трубном пространстве представляют собой многоходовую секцию, в межтрубном пространстве дополнительно установлена вертикальная перегородка.additionally contains the upper and lower separation volumes of the pipe space, while the upper one is equipped with a droplet eliminator, and the lower one, ensuring the division of the two-phase liquid into an aqueous layer and a hydrocarbon layer, is equipped with a nozzle , which provides an increase in the path of the two-phase liquid from the place of draining from the heat exchange pipes to the outlet fittings for the removal of the water layer and the hydrocarbon layer and the level gauges of the water layer and the hydrocarbon layer, and the pipes in the pipe space are a multi-way section, a vertical partition is additionally installed in the annulus.

- Наличие верхнего сепарационного объема с каплеотбойным устройством, отделяющим от парового потока остатки капельной жидкости, снижает требования к последующему сепарационному оборудованию, или исключая его необходимость.- The presence of the upper separation volume with a droplet eliminator that separates the remaining droplet liquid from the vapor flow reduces the requirements for subsequent separation equipment, or eliminates its need.

- Использование труб в трубном пространстве в виде многоходовой секции повышает интенсивность теплообмена аппарата. Интенсифицированное охлаждение перегретого пара до состояния насыщения обеспечивает повышенную компактность аппарата.- The use of pipes in the tube space in the form of a multi-pass section increases the intensity of the heat exchange of the apparatus. The intensified cooling of superheated steam to the state of saturation provides an increased compactness of the apparatus.

- Наличие нижнего сепарационного объема обеспечивает деление двухфазной жидкости на водный слой и углеводородный слои посредством специальных внутренних устройств непосредственно в объеме нижней камеры трубного пространства в данном аппарате, что обеспечивает многофункциональность заявляемого пленочного трубчатого тепломассообменного аппарата. Его компактность и конструкция, исключает необходимость в коалесцерах и трехфазных сепараторах или снижает требования к ним.- The presence of a lower separation volume ensures the division of a two-phase liquid into an aqueous layer and a hydrocarbon layer by means of special internal devices directly in the volume of the lower chamber of the tubular space in this apparatus, which ensures the versatility of the inventive film tubular heat and mass transfer apparatus. Its compactness and design eliminates or reduces the need for coalescers and three-phase separators.

На рисунке показан общий вид пленочного трубчатого тепломассообменного аппарата.The figure shows a general view of a tubular film heat and mass transfer apparatus.

Пленочный трубчатый тепломассообменный аппарат состоит из: Film tubular heat and mass transfer apparatus consists of:

1 – входной штуцер;1 - inlet fitting;

2 – нижняя распределительная камера;2 - lower distribution chamber;

3 – верхняя распределительная камера;3 - upper distribution chamber;

4 – сепарационный объем;4 – separation volume;

5 – штуцер для отвода водного слоя (ВС);5 - fitting for draining the water layer (BC);

6 – штуцер для отвода углеводородного слоя (УВС);6 - fitting for the removal of the hydrocarbon layer (HC);

7 – уровнемер водного слоя (ВС);7 – water layer level gauge (VS);

8 – уровнемер углеводородного слоя (УВС);8 – hydrocarbon layer level gauge (HC);

9 – верхний сепарационный объем;9 – upper separation volume;

10 – каплеотбойное устройство;10 - drop eliminator;

11 – штуцер для отвода осушенного насыщенного пара относительно «лёгкой» фракции;11 - fitting for the removal of dried saturated steam with respect to the "light" fraction;

12 – штуцер для подачи холодного теплоносителя (ХТ);12 - fitting for supplying cold coolant (CT);

13 – верхняя трубная решетка;13 - upper tube sheet;

14 – поперечные перегородки межтрубного пространства;14 - transverse partitions of the annular space;

15 – продольная перегородка межтрубного пространства;15 - longitudinal partition of the annular space;

16 – штуцер для вывода потока тёплого теплоносителя (ТТ);16 - fitting for the output of the flow of warm coolant (HT);

17 - нижняя трубная решетка;17 - lower tube sheet;

18 - насадка с развитой адгезионной поверхностью.18 - nozzle with a developed adhesive surface.

Пленочный трубчатый тепломассообменный аппарат работает следующим образом.Film tubular heat and mass transfer apparatus operates as follows.

Сжатый горячий газ (ГГ), выходя, например, из компрессора, подаётся во входной штуцер 1 после чего движется через нижнюю распределительную камеру 2 по теплообменным трубкам трубного пространства восходящего вверх первого хода. Затем, газ поворачивает в верхней распределительной камере 3 и опускается вниз. Ходов в первой части может быть от одного до нескольких – в зависимости от доли тепла охлаждения перегретого газа до состояния насыщенного пара.Compressed hot gas (GHG), leaving, for example, from the compressor, is fed into the inlet fitting 1 and then moves through the lower distribution chamber 2 along the heat exchange tubes of the pipe space of the first ascending upward stroke. Then, the gas turns in the upper distribution chamber 3 and goes down. There can be from one to several moves in the first part, depending on the proportion of the heat of cooling the superheated gas to the state of saturated steam.

Охладившись в левой части трубного пространства до состояния насыщения - паровой поток поступает в правую часть теплообменника, где насыщенный пар, поднимаясь по трубкам последнего хода, охлаждается и в нём происходит конденсация относительно тяжёлых компонентов парогазовой смеси. Сконденсированная плёнка «тяжёлой» жидкости стекает в сепарационный объём 4, где возможно деление двухфазной жидкости на водный слой (ВС) и углеводородный слой (УВС). Разделённые жидкости ВС и УВС отводятся балансовым избытком через штуцера 5 и 6 соответственно при контроле посредством уровнемеров 7 и 8.Having cooled in the left part of the pipe space to the saturation state, the steam flow enters the right part of the heat exchanger, where the saturated steam, rising through the tubes of the last pass, is cooled and the relatively heavy components of the vapor-gas mixture condense in it. The condensed film of the "heavy" liquid flows into the separation volume 4, where it is possible to separate the two-phase liquid into an aqueous layer (AH) and a hydrocarbon layer (HPL). The separated liquids VS and UVS are discharged as a balance excess through fittings 5 and 6, respectively, under control by means of level gauges 7 and 8.

Выходя из последнего хода трубного пространства пар, освобождённый от «тяжёлой» фракции поступает в верхний сепарационный объём 9, где капельная жидкость отделяется от пара и вследствие снижения скорости потока опускается обратно в последний ход трубного пучка. Для более тонкой очистки пара от капельной влаги предусматривается каплеотбойное устройство 10 с развитой поверхностью (проволокой, жалюзи, сетками, фильтрами и т.п.). После этого осушенный насыщенный пар относительно «лёгкой» фракции покидает объёмы аппарата через штуцер 11 к следующей стадии переработки или к потребителю.Coming out of the last pass of the tube space, the steam released from the “heavy” fraction enters the upper separation volume 9, where the dropping liquid is separated from the steam and, due to a decrease in the flow rate, falls back into the last pass of the tube bundle. For finer cleaning of steam from dripping moisture, a drop eliminator 10 with a developed surface (wire, blinds, nets, filters, etc.) is provided. After that, the dried saturated steam of a relatively “light” fraction leaves the volumes of the apparatus through fitting 11 to the next stage of processing or to the consumer.

Для обеспечения противоточной схемы движения холодного теплоносителя (ХТ) в кожухе относительно восходящего парового потока в трубном пространстве, обеспечивая при этом градиент температуры стенки, а также градиент концентраций паров и жидкости в плёнке, вход в межтрубное пространство осуществляется через штуцер 12, расположенный под верхней трубной решёткой 13.To provide a countercurrent flow pattern of the cold coolant (CT) in the casing relative to the ascending steam flow in the pipe space, while providing a wall temperature gradient, as well as a gradient of vapor and liquid concentrations in the film, the annular space is entered through the fitting 12, located under the upper pipe grid 13.

Опускаясь по правой стороне межтрубного пространства ХТ огибает поперечные перегородки 14, повышающие теплоотдачу теплоносителя, при этом нагревается. Кроме того, перегородка 14 сокращает влияние прямоточных ходов на температурный напор в многоходовой схеме аппарата.Descending along the right side of the annular space, the CT goes around the transverse partitions 14, which increase the heat transfer of the coolant, while heating up. In addition, the baffle 14 reduces the influence of direct-flow strokes on the temperature difference in the multi-pass circuit of the apparatus.

Отведя тепло конденсации «тяжёлой» фракции, теплоноситель разворачивается вокруг продольной перегородки 15 и поступает в левую часть межтрубного пространства. Здесь теплоноситель принимает тепло охлаждения перегретого пара после чего выводится через штуцер 16 потоком тёплого теплоносителя (ТТ).Having removed the heat of condensation of the “heavy” fraction, the coolant turns around the longitudinal partition 15 and enters the left side of the annulus. Here, the coolant receives the heat of superheated steam cooling and then is discharged through the fitting 16 by the flow of warm coolant (HCT).

В результате работы заявляемого пленочного трубчатого тепломассообменного аппарата происходит:As a result of the work of the proposed film tubular heat and mass transfer apparatus, the following occurs:

- Интенсифицированное охлаждение перегретого пара до состояния насыщения, обеспечивающее компактность аппарата;- Intensified cooling of superheated steam to the state of saturation, ensuring the compactness of the apparatus;

- Охлаждение углеводородных смесей, например, пирогаза с частичной конденсацией тяжёлых компонентов при минимальной абсорбции лёгких компонентов образовавшимся конденсатом посредством организации плёночного режима без брызгоуноса и при приемлемых плотностях орошения;- Cooling of hydrocarbon mixtures, for example, pyrogas with partial condensation of heavy components with minimal absorption of light components by the formed condensate by organizing a film mode without splash entrainment and at acceptable irrigation densities;

- Обеспечение первичной сепарации капельной влаги от пирогаза в объемах теплообменника, снижая требования к качеству работы последующего сепарационного оборудования или исключая его;- Ensuring the primary separation of drop moisture from pyrogas in the volumes of the heat exchanger, reducing the requirements for the quality of work of subsequent separation equipment or excluding it;

- Обеспечение отделение двухфазной жидкости и её разделение, что исключает необходимость в коалесцерах и трёхфазных сепараторах.- Ensuring separation of two-phase liquid and its separation, which eliminates the need for coalescers and three-phase separators.

Помимо указанных технологических преимуществ заявляемое техническое решение сокращает парк необходимого оборудования, например, в установках переработки пирогаза на предприятиях получения этилена и пропилена, а также позволяет минимизировать количество газовых рецикловых потоков на ступени компрессора пирогаза или иных газовых смесей.In addition to these technological advantages, the proposed technical solution reduces the fleet of necessary equipment, for example, in pyrogas processing plants at ethylene and propylene production plants, and also minimizes the amount of gas recycle flows at the pyrogas compressor stage or other gas mixtures.

Claims

A film heat and mass transfer apparatus containing a vertical body, upper and lower chambers, upper and lower tube sheets, heat exchange pipes fixed in the tube sheets, and also connected to the body of the coolant inlet and outlet fitting, raw material inlet and liquid phase outlet, connected to the chambers with opposite ends of the apparatus, a gas phase outlet connection connected to the upper chamber of the apparatus, horizontal partitions are installed in the annular space, characterized in that it additionally contains the upper and lower separation volumes of the pipe space, while the upper one is equipped with a drop eliminator, and the lower one, providing the division of a two-phase liquid on the water layer and the hydrocarbon layer, is equipped with a nozzle that provides an increase in the path of two-phase liquid from the place of runoff from the heat exchange pipes to the outlet fittings for draining the water layer and the hydrocarbon layer, and the level gauges of the water layer and the hydrocarbon layer, and the pipes in the pipe space are a multi-way section , a vertical partition is additionally installed in the annulus.