Ячейка устройства для орошения насадки массообменной колонны

 

Использование: в химической технологии при производстве серной кислоты. Сущность изобретения: ячейка устройства для орошения насадки содержит узел для централизованной подачи жидкости и распределительную плиту с патрубками локальной подачи жидкости и насадки, выполненные эластичными, а их свободные концы уложены на торец насадки, причем количество патрубков соизмеримо с количеством каналов регулярной насадки, некоторые из патрубков, преимущественно размещенных по периферии распределительной плиты, установлены под углом к ее плоскости и образуют конус, площадь основания которого пропорционально превышает площадь распределительной плиты. Свободные концы эластичных патрубков локальной подачи могут быть выполнены перфорированными. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к химической промышленности, в частности к технологии производства кислот, а именно к устройствам для производства серной кислоты.

Для равномерного орошения насадок массообменных колонн применяют разнообразные по конструкции распределительные плиты цельные либо секторные в зависимости от габаритов (диаметра) колонн. Разбивка точек подачи жидкости в распределительной плите может осуществляться различными конструктивными решениями (по концентрическим окружностям, по параллельным рядам и т.д.). Патрубки локальной подачи жидкости, кроме равномерного распределения жидкости, предназначены и для обеспечения работы колонны с минимальным уносом брызг.

Распределительные плиты существующих конструкций предусматривают расположение самих плит или установленных на них патрубков, из которых жидкость подается к насадке колонны, на определенном расстоянии от торца насадки. Это расстояние определяется параметрами конструктивных элементов самого устройства (например диаметром патрубков, их количеством и т.д.) и параметрами режима работы плит (например степенью равномерности распределения жидкости по торцу насадки, расходом жидкости в каждой точке подачи орошения, характером истечения жидкости, воздействием газового потока на изливающиеся струи). При этом увеличение расстояния между поверхностями распределительной плиты (или патрубками) и насадки приводит к возрастанию брызгоуноса.

Уменьшения брызгоуноса можно достичь соответственно при уменьшении этого расстояния, а его полного отсутствия при заглублении патрубков в насадку. Однако в последнем случае снижается степень равномерности орошения насадки.

Решить это противоречие с помощью известных устройств полностью не удается. Возможно достижение определенного соотношения между степенью равномерности подачи жидкости и степенью брызгоуноса, которое выбирается исходя из конкретных условий реализуемого процесса.

Известно устройство для орошения насадки массообменной колонны, содержащее распределительную плиту с кольцевым сливом жидкости, периферийными отверстиями. Плита предназначена для колонн небольшого диаметра, равного 0,3-0,8 м. При низких расходах жидкости внутренний ярус отверстий полностью залит, тогда как большие отверстия работают в качестве кольцевых переливов с проходом газа в свободном сечении [1] Однако при малых и средних расходах распределение жидкости такой плитой недостаточно равномерно. Кроме того, расположение плиты на некотором расстоянии от торца насадки колонны определяет большую степень брызгоуноса.

При истечении из отверстий плиты жидкость движется к насадке в виде свободных струй. При этом брызгоунос возрастает при увеличении расстояния между распределительной плитой и поверхностью насадки. Причем для каждого диаметра струи существует некоторый критический расход жидкости, ниже которого брызгоунос не изменяется. При превышении критического расхода брызгоунос резко возрастает за счет повышения относительной скорости жидкости и газа. Такая закономерность связана с тем, что при расходах ниже критического орошение производится не распадающимися на капли струями и их дробление происходит лишь при ударе о насадку. При расходах больше критического разрушение струи происходит в наднасадочном пространстве, что приводит к увеличению брызгоуноса. При повышенных значениях линейной скорости газа (до 2-3 м/с) брызгоунос становится недопустимо большим. Это объясняется тем, что при больших относительных скоростях газа и струй жидкости разрушение последних происходит на небольшом расстоянии от места их истечения.

Образовавшиеся в результате разрушения струй капли подхватываются потоком газа и выносятся за пределы массообменной колонны. Таким образом, наднасадочное пространство становится одним из основных источников выносимых брызг.

Еще одной зоной образования брызг, которая "поставляет" брызги как при больших, так и при малых скоростях газа, является поверхность насадки. На этой поверхности происходит либо разрушение струй, не потерявших своей сплошности в наднасадочном пространстве, либо разрушение крупных капель, образовавшихся в наднасадочной области. Естественно при увеличении скорости движения газа увеличиваются размеры выносимых газом капель, что ведет к увеличению брызгоуноса.

Таким образом, основными недостатками устройства описанной конструкции являются недостаточная равномерность распределения жидкости на насадке массообменной колонны и высокая степень брызгоуноса.

Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности и достигаемому результату является устройство для орошения насадки массообменной колонны, содержащее узел централизованной подачи жидкости и распределительную плиту с патрубками для локальной подачи жидкости к насадке [2] Распределительная плита указанной конструкции устанавливается преимущественно в колоннах большого диаметра, равного 1,5-3,5 м, и имеет съемные фарфоровые или металлические патрубки (часто с полусферическим оголовком вокруг входного отверстия) длиной до 1,0-1,5 м. Нижние концы трубок обычно заглублены в насадку на 1/3-1/2 их длины. Такие плиты часто имеют отверстия для прохода газа, причем вследствие раздельного прохода газа и жидкости через плиту удается избежать уноса брызг из колонны даже при высоких нагрузках по газу.

Однако плиты описанной конструкции не обеспечивают необходимой степени равномерности подачи жидкости на насадку, так как жидкость подается вглубь насадки локально и не может распространиться равномерно в радиальном направлении. Это особенно ярко проявляется в массообменных колоннах с регулярной насадкой.

Таким образом, ликвидируя одно из вредных явлений массообменного процесса брызгоунос, оросительные устройства описанной конструкции не решают задачи обеспечения равномерной подачи жидкости на насадку, что и является их основным недостатком.

Изобретение позволяет разрешить это противоречие и обеспечить необходимую степень равномерности подачи жидкости при наименьшей степени брызгоуноса, либо при полном его отсутствии.

Целью изобретения является повышение эффективности технологического процесса путем равномерного орошения регулярных насадок и уменьшение брызгоуноса.

Указанная цель достигается тем, что в ячейке для орошения насадки массообменной колонны, содержащей узел централизованной подачи жидкости и распределительную плиту с патрубками локальной подачи жидкости к насадке, согласно изобретению патрубки локальной подачи жидкости выполнены эластичными, а их свободные концы уложены на торец насадки, причем количество патрубков соизмеримо с количеством каналов регулярной насадки, а по крайней мере некоторые из патрубков, преимущественно, размещенных по периферии распределительной плиты, установлены под углом к ее плоскости и образуют конус над соответствующим участком поверхности насадки, площадь основания которого пропорционально превышает площадь распределительной плиты. Свободные концы эластичных патрубков локальной подачи жидкости могут быть выполнены перфорированными.

Выполнение патрубков из эластичного материала, например фторопласта, позволяет максимально приблизить их к поверхности насадки до полного контакта с ней и сдеформировать концы патрубков, укладывая их на поверхность насадки. Истекающая из патрубков жидкость растекается равномерно по поверхности насадки, причем эффект равномерности может быть усилен за счет количества патрубков, соизмеримого с количеством каналов регулярной насадки, что обеспечивает локальную подачу жидкости непосредственно в каждый канал насадки, и распределением некоторого числа патрубков под углом к распределительной плите, что создает зоны взаимного перекрытия точек локальной подачи жидкости на всю поверхность насадки, над которой установлено несколько распределительных плит. Перфорация концов патрубков обеспечивает разбиение струи, текущей по патрубку, на малые струи по числу перфораций, чем достигается большая степень равномерности растекания жидкости.

Предлагаемое устройство может быть также с плетеными (перфорированными) трубками, надетыми на концы распределительных патрубков. При этом плетеные (перфорированные) трубки укладываются на поверхность насадки. При использовании плетеных (перфорированных) трубок исключается возможность образования капель при разбиении струй жидкости о поверхность насадки.

Распределительная плита может иметь разнообразную форму поперечного сечения (круга, квадрата, многоугольника и т.д.), а патрубки установлены в центральной части перпендикулярно, а в периферийных зонах под углом к плоскости распределительной плиты. Свободные концы патрубков образуют над поверхностью насадки конусный зонт. При этом площадь основания конусного зонта, покрывающего соответствующий участок поверхности насадки, пропорционально превышает площадь распределительной плиты.

Изобретение является промышленно применимым, так как может быть использовано в химической промышленности, например в производстве серной кислоты.

На чертеже изображен общий вид предлагаемой ячейки.

Ячейка содержит узел 1 централизованной подачи жидкости к каждой распределительной плите из общего числа плит, установленных над торцом насадки массообменной колонны, и распределительную плиту 2 с патрубками 3 локальной подачи жидкости к насадке массообменной колонны. Патрубки 3 имеют свободные концы 4, которые могут быть выполнены как сплошными, так и перфорированными. Концы 4 патрубков 3 уложены на торце насадки, причем их количество соизмеримо с количеством каналов регулярной насадки 5. Для упорядоченного размещения патрубков 3 над торцом насадки может быть установлен фиксатор, в ячейки которого размещаются патрубки 3 в заданной последовательности.

Ячейка работает следующим образом.

Через узел 1 централизованной подачи жидкость поступает к распределительной плите 2 и далее по патрубкам 3 через перфорацию подается на торец и поверхность верхнего слоя насадки 5, поступая непосредственно в ее каналы и стекая по ним навстречу газовому потоку.

П р и м е р. Предлагаемая ячейка изготовлена и испытана на массообменной колонне диаметром 800 мм института "УКРНИИХИММАШ" г.Харьков, заполненной регулярной блочной керамической насадкой. В качестве распределительной плиты 2 с патрубками 3 использовались фторпластовые плиты с вваренными фторпластовыми трубками. Распределительная плита имела форму круга, радиус R которой определяется соотношением: R r₁+2π+ где r₁ внешний радиус патрубка; Δ расстояние между соседними патрубками; N число точек орошения на единицу площади торца насадки; S орошаемая ячейкой поверхность.

Патрубки выполнены эластичными, причем их длина l равна расстоянию от края распределительной плиты до наиболее удаленной точки орошения. Внутренний радиус r патрубка равен (не менее) r где Q удельный расход жидкости; ν и ρ кинематические вязкость и плотность жидкости; h расстояние между распределительной плитой и торцом насадки;
g ускорение свободного падения.

Радиус распределительной плиты выбирается из условия взаимности размещения на ней расположенных по концентрическим окружностям патрубков, количество n которых равно
n N ˙ S.

Минимальный внутренний радиус трубок определен из условия равенства расходов жидкости, поступающей в ячейку и движущейся по патрубкам. На концах патрубков 3 закреплены части оплетки антенного кабеля, выполняющие роль перфорированных концов 4 патрубков 3. Так как в описываемом устройстве используются гибкие трубки 3, то для их фиксации над заданным участком насадки используется кольцевая металлическая рама с натянутой на ней металлической сеткой. Концы 4 патрубков 3 помещаются в ячейки этой сети. Всего в ячейке используется 495 патрубков с внутренним диаметром отверстий 5 мм.

Распределительная плита, имея количество патрубков локальной подачи жидкости на порядок выше, чем в прототипе, позволяет достичь высокой степени равномерности подачи жидкости в каналы регулярной насадки.

Проведенные эксперименты подтвердили возможность уменьшения в 3-4 раза брызгоуноса из колонны, а также увеличение ≈ в 1,3 раза массопередачи по сравнению с контрольным оросительным устройством.

Описанная ячейка имеет значительно меньшую по площади чем в прототипе распределительную плиту, что обеспечивает снижение гидравлического сопротивления по газу колонны в целом. Это качество ячейки становится особенно важным при применении регулярных блочных насадок, когда предполагается использовать газ, движущийся с большой скоростью, хотя ее возможно применять при различных линейных скоростях движения газов. Устройства с перфорированными концами патрубков более эффективны при низких скоростях газа, а при больших скоростях их лучше использовать без перфорации. Дополнительным преимуществом заявляемого устройства по сравнению с устройством-прототипом является его меньшая масса.

Расходящиеся от распределительной плиты патрубки создают легко проницаемый для потока газа лабиринт, который частично служит отбойником для находящихся в газе капель жидкости.

Еще одним преимуществом, проявляющимся при использовании заявляемого устройства, является возможность подвода патрубка практически к каждому каналу верхнего яруса регулярной насадки. Это дает возможность избежать использования слоя нерегулярной насадки в колонне, что также приводит к уменьшению гидравлического сопротивления колонны по газу.

Уменьшение брызгоуноса при использовании заявляемой ячейки обусловлено как исключением одной из зон брызгообразования (наднасадочной), так и совмещением в ячейке функций оросителя с функцией отбойника.

Перечисленные преимущества заявляемого устройства позволяют применить его в массообменных колоннах, работающих в широком диапазоне технологических параметров процесса производства серной кислоты.

Формула изобретения

1. ЯЧЕЙКА УСТРОЙСТВА ДЛЯ ОРОШЕНИЯ НАСАДКИ МАССООБМЕННОЙ КОЛОННЫ содержащая узел для централизованной подачи жидкости и распределительную плиту с патрубками локальной подачи жидкости к насадке, отличающаяся тем, что патрубки локальной подачи жидкости выполнены эластичными, а их свободные концы уложены на торец насадки, причем количество патрубков соизмеримо с количеством каналов регулярной насадки, а по крайней мере некоторые из патрубков, преимущественно размещенных по периферии распределительной плиты, установлены под углом к ее плоскости и образуют конус над соответствующим участком поверхности насадки, площадь основания которого пропорционально превышает площадь распределительной плиты.

2. Ячейка по п. 1, отличающаяся тем, что свободные концы эластичных патрубков локальной подачи жидкости выполнены перфорированными.

РИСУНКИ

Рисунок 1