Массообменная колонна с низким гидравлическим сопротивлением для больших удельных нагрузок по жидкости

 

Использование: для систем газ (пар) - жидкость, предназначенных для процессов абсорбиции, ректификации, промывки газов, и может найти применение в химической, нефтехимической, газовой и других отраслях промышленности. Цель изобретения - повышение эффективности массообмена, повышение производительности по газу (пару) с одновременным уменьшением гидравлического сопротивления потоку газа (пара) при высоких удельных нагрузках по жидкости порядка 100м32ч и выше. Сущность изобретения: в массообменной колонне, включающей вертикальный цилиндрический корпус с поярусно расположенными перфорированными решетками по высоте колонны и слоями насадки на решетках, решетки выполнены в виде наклонных ступеней поочередно в диаметрально противоположных направлениях в смежных по высоте решетках, смежные ступени решеток в плане перекрывают друг друга, задние и боковые кромки ступеней по направлению уклона решетки имеют отбортовки вверх для задержки жидкости, каждая ступень решетки выполнена с наклоном под острым углом к горизонтали в сторону наклона решетки, в ступенях выполнены арочные прорези выпуклостью вверх с осями, направленными в сторону уклона ступенчатой решетки, на наклонные ступенчатые решетки и сетки в нижней части наклонной решетки вертикально установлены с плотной укладкой элементы одинаковой высоты винтовой насадки из полимерных материалов, перфорированные ступенчатые решетки установлены на распорные эллиптические разрезные кольца, к концу которых прикреплены упорные пластины, к одной из которых прикреплен упорный винт, проходящий свободно в отверстие другой пластины, по обе стороны которой на упорный винт навинчены гайки так, что гайка между упорными пластинами навинчена до упора в пластину и распорное эллиптическое кольцо плотно прижато к внутренним стенкам колонны, ось упорного винта распорного эллиптического кольца смещена внутрь окружности распорного кольца и вниз относительно плоскости распорного кольца. В колонне имеется ступенчатая наклонная решетка с уклоном смежных по высоте решеток в диаметрально противоположных направлениях, с арочными прорезями в степенях и сеткой в нижних ступенях для слива больших объемов жидкости. 7 ил.

Изобретение относится к конструкциям массообменных колонн насадочного типа для систем газ (пар)-жидкость, предназначенных для процессов абсорбции, ректификации, промывки газов, и может найти применение в химической, нефтехимической, газовой и других отраслях промышленности.

Известна массообменная колонна, включающая вертикальный цилиндрический корпус, поддерживающие распределительные решетки, слой насадки на каждой распределительной решетке, устройство для перераспределения жидкости под промежуточными решетками [1] Недостатком известной массообменной колонны является недостаточно высокая эффективность массообмена из-за неравномерности распределения жидкости по поперечному сечению слоя насадки в колонне в зависимости от диаметра колонны и особенно в колоннах больших диаметров при высоких удельных нагрузках по жидкости газу (пару).

Наиболее близкой к предлагаемой по технической сущности и достигаемому результату является массообменная колонна, включающая вертикальный аппарат круглого сечения, внутри которого поярусно установлены перфорированные решетки, на которых расположена слоями насадка от загрязнения вредными веществами химических предприятий [2] Недостатками известной массообменной колонны при взаимодействии газа (пара) с большими объемами жидкости являются неравномерное распределение жидкости по поперечному сечению колонны на различной высоте слоя насадки над распределительной решеткой и проваливание жидкости по всему сечению решетки, в результате чего эффективность массобмена слоя насадки на решетке равна локальной эффективности массообмена, что, как известно, является минимально возможной эффективностью массообмена. Кроме того, при нагрузках по газу (пару) и жидкости, близких к режиму эмульгирования (захлебывания), в колоннах больших диаметров и при больших высотах сплошного слоя насадки наряду с неравномерностью поперечного распределения газа (пара) и жидкости по сечению колонны возникает продольное перемешивание газа (пара) и особенно жидкости, байпасирование потоков и каналообразование, что кроме отрицательного влияния на эффективность массообмена приводит к резкому возрастанию гидравлического сопротивления потоку газа (пара), что является одним из существенных недостатков известной массообменной колонны.

Цель изобретения повышение эффективности массообмена, повышение производительности по газу (пару) с одновременным уменьшением гидравлического сопротивления потоку газа (пара) при высоких удельных нагрузках по жидкости порядка 100 м32ч и выше.

Достигается это тем, что в массообменной колонне, включающей вертикальный цилиндрический корпус с поярусно расположенными перфорированными решетками по высоте колонны и слоями насадки на решетках, решетки выполнены в виде наклонных ступеней поочередно в диаметрально противоположных направлениях в смежных по высоте решетках, смежные ступени решеток в плане перекрывают друг друга, задание и боковые кромки ступеней по направлению уклона решетки имеют отбортовки вверх для задержки жидкости, каждая ступень решетки выполнена с наклоном под острым углом к горизонтали в сторону наклона решетки, в ступенях выполнены арочные прорези выпуклостью вверх с осями, направленными в сторону уклона ступенчатой решетки, несколько самых нижних ступеней выполнены в виде рамок, на которые натянута сетка с элементами ячеек меньше линейных размеров насадки, на наклонные ступенчатые решетки и сетки в нижней части наклонной решетки вертикально установлены с плотной укладкой элементы одинаковой высоты винтовой насадки из полимерных материалов, например винтовая насадка, изготовленная из полимерных материалов методом экструзии, перфорированные ступенчатые решетки установлены на распорные эллиптические разрезные кольца, к концу которых прикреплены упорные пластины, к одной из которых прикреплен упорный винт, проходящий свободно в отверстие другой пластины, по обе стороны которой на упорный винт навинчены гайки так, что гайка между упорными пластинами навинчена до упора в пластину, и распорное эллиптическое кольцо плотно прижато к внутренним стенкам колонны, ось упорного винта распорного эллиптического кольца смещена внутрь окружности распорного кольца и вниз относительно плоскости распорного кольца.

На фиг. 1 схематически представлен продольный разрез массообменной колонны; на фиг. 2 разрез по А-А на фиг. 1; на фиг. 3 разрез по Б-Б на фиг. 2; на фиг. 4 разрез по В-В на фиг. 2; на фиг. 5 разрез по Г-Г на фиг. 1; на фиг. 6 разрез по Д-Д на фиг. 5; на фиг. 7 разрез по Е-Е на фиг. 5.

Массообменная колонна с низким гидравлическим сопротивлением для больших удельных нагрузок по жидкости содержит вертикальный цилиндрический корпус 1 с поярусно расположенными перфорированными решетками 2 по высоте колонны, выполненными в виде наклонных ступеней 3 поочередно в диаметрально противоположных направлениях в смежных по высоте решетках 2, смежные ступени 3 решеток 2 в плане перекрывают друг друга, задние и боковые кромки ступеней 3 по направлению уклона решетки 2 имеют отбортовки 4 вверх для задержки жидкости, каждая ступень 3 решетки 2 выполнена с наклоном под острым углом к горизонтали в сторону наклона решетки 2, в ступенях 3 выполнены арочные прорези 5 выпуклостью вверх с осями, направленными в сторону уклона ступенчатой решетки 2, на наклонные ступенчатые решетки 2 вертикально установлены с плотной укладкой элементы одинаковой высоты винтовой насадки 6 из полимерных материалов, несколько самых нижних ступеней выполнены в виде рамок, на которые натянута сетка 7 с размерами ячеек меньше линейных размеров насадки 6, решетки 2 опираются на распорные эллиптические разрезные кольца 8, к концам которых прикреплены упорные пластины 9 и 10, к одной 9 из которых прикреплен упорный винт 11, проходящий свободно в отверстие другой пластины 10, по обе стороны которой на упорный винт 11 навинчены гайки 12 и 13 так, что гайка 12 между упорными пластинами навинчена до упора в пластину 10, и распорное эллиптическое кольцо 8 плотно прижато к внутренним стенкам колонны 1, в результате чего кольцо 7 может принимать нагрузки решетки 2 со слоем винтовой насадки 6. Ось упорного винта 11 распорного эллиптического кольца 8 смещена внутрь окружности этого распорного кольца 8 и вниз относительно него для предупреждения выступления упорных пластин 9 и 10 с упорным винтом 11 в место нахождения ступеней 3 решеток 2. К распорному эллиптическому кольцу 8 прикреплены крепежные шпильки 14 для крепления элементов распределительных решеток 2.

Массообменная колонная с низким гидравлическим сопротивлением для больших нагрузок по жидкости работает следующим образом.

Газ (пар) поступает в корпус колонны 1 (фиг. 1-7) снизу и движется вверх, проходит через арочные прорези 5 в ступенях 3 и между отдельными ступенями 3 в слой винтовой насадки 6, контактирует при этом с жидкостью и увлекает ее, в результате происходит образование газо(паро)жидкостной эмульсии с высокоразвитой межфазной поверхностью массообмена, при этом происходит перекрестное движение газа (пара) и жидкости, газ (пар) движется вверх практически по модели идеального вытеснения, а жидкость движется в слое насадки 6 на наклонной решетке 2 в диаметральном направлении по модели, близкой к модели идеального вытеснения при полном перемешивании по высоте слоя насадки 6, при высоких скоростях газа (пара), близких к режиму эмульгирования (захлебывания), так как при малых нагрузках по газу (пару) и жидкости, далеких от режима эмульгирования (захлебывания) использование предлагаемой массообменной колонны не имеет практического смысла. В условиях работы жидкость поступает в приподнятую часть решетки 2 со слоем насадки 6 и движется в слое насадки 6 по направлению уклона решетки 2 и стекает в нижней опущенной части решетки 2 через ячейки 7 сеток, натянутых на рамки самых нижних ступеней решеток 2, и между ступенями 3 вниз на слой насадки 6 в возвышенную часть решетки 2 нижерасположенной решетки 2 и т.д. а через прорези 5 и между ступенями 3 в более возвышенных частях решетки 2 проходит вверх газ (пар), а жидкость перемещается через слой насадки 6 по направлению уклона решетки 2, а при этом попадающая жидкость на ступени 3, увлекается газом (паром), выходящим из арочных прорезей 5, а сливу жидкости через задние или боковые кромки ступеней 3 препятствуют отбортовки 4 в ступенях 3.

Предлагаемая массообменная колонна предназначена обеспечить по меньшей мере три положительных эффекта: повысить эффективность массообмена, повысить производительность по газу (пару) при больших удельных нагрузках по жидкости порядка по 100 м32ч и больше и снизить гидравлическое сопротивление потоку газа (пара) при сопоставимых условиях.

Повышение эффективности массообмена обеспечивается за счет секционирования слоя насадки по высоте установки поярусно наклонных решеток по высоте колонны. При этом появляются дополнительные концевые эффекты, качественное воздействие которых на массообмен известно. Кроме того, предупреждаются явления продольного байпасирования потоков газа (пара) и жидкости и каналообразования в потоках по высоте колонны, сильно снижающие эффективность массообмена. Благоприятные структуры потоков жидкости и газа (пара) в секциях при оптимальных нагрузках по фазам обеспечивают максимальную эффективность массообмена, так как газ (пар) движется через слой насадки в секции по модели идеального вытеснения, а жидкость движется по модели, близкой к модели идеального вытеснения в диаметральном направлении слоя насадки в секции при полном перемешивании по высоте слоя насадки, причем если полного перемешивания жидкости по высоте слоя насадки не происходит, то от этого эффективность не снижается, а наоборот возрастает, что обеспечивает некоторый запас гарантии предполагаемой физической модели процесса массообмена в секции.

Повышение производительности по газу (пару) при высоких удельных нагрузках по жидкости порядка 100 м32ч и выше предлагаемой массообменной колонны за счет секционирования обеспечивается образованием над каждой секцией сепарационного пространства, которые компенсируют превышения нагрузок по газу (пару) и жидкости и явления захлебывания, при этом допускается работа предлагаемой массообменной колонны постоянно при нагрузках по газу (пару) и жидкости, превышающих нагрузки при режиме эмульгирования (захлебывания).

Снижение гидравлического сопротивления потоку газа (пара) предлагаемой массообменной колонны по сравнению с прототипом обеспечивается прежде всего тем, что уменьшается общая высота слоя насадки в предлагаемой колонне, а следовательно, и уменьшается гидравлическое сопротивление пропорционально уменьшенной высоте слоя насадки. Но в предлагаемой колонне увеличивается гидравлическое сопротивление дополнительно устанавливаемых распределительных решеток, гидравлическое сопротивление которых может оказаться большим, чем высота слоя насадки, на которую уменьшалась массообменная колонна за счет образования сепарационного пространства над секциями. Однако гидравлическое сопротивление распределительной решетки подобрано таким по величине за счет увеличения свободного сечения решеток, чтобы этим обеспечить уменьшение общего гидравлического сопротивления массообменной колонны по сравнению с прототипом при сопоставимых условиях.

Уменьшение гидравлического сопротивления решетки 2 обеспечивается за счет наклона решетки и образования просветов по вертикали между ступенями 3 решетки 2. При этом увеличение свободного сечения решетки увеличивается на величину свободного сечения просветов по вертикали между ступенями Fn, которое определяется как тангенс результирующего угла наклона решетки 2 tg( ) Fn, (1) где угол наклона решетки 2 к горизонтали, град; угол наклона ступеней к горизонтали, град.

Суммарное свободное сечение решетки Fp будет равно Fp Fc + Fn, (2) где Fc свободное сечение арочных прорезей 5, которое может составить около 35% (0,35 доли).

Если принять, что Fn tg( ) может быть равно от 0,15 до 0,2, то суммарное свободное сечение решеток может дотянуть величины Fp Fc + Fn 0,35 + 0,2 0,55, что приближается к свободному объему насадки.

Увеличение удельных нагрузок по жидкости до 100 м32ч и выше не оказывает существенного влияния на повышение гидравлического сопротивления потоку газа (пара) так как свободное сечение решеток 2 в нижней части увеличено за счет установки на нижних ступенях сеток 7 со свободным сечением, приближающимся к единице для слива жидкости.

Технические преимущества предлагаемой массообменной колонны заключаются в повышении эффективности массообмена между газом (паром) и жидкостью вследствие увеличения движущей силы процесса при перекрестном движении газа (пара) и жидкости и при отсутствии существенного продольного перемешивания жидкости в диаметральном направлении, а также в увеличении производительности колонны и стабильности режима работы при высоких скоростях газа (пара) за счет наличия сепарационного пространства над слоями насадки на решетках.

Общественно-полезные преимущества предлагаемого изобретения заключаются в повышении четкости разделения колонны и, следовательно, повышении чистоты и качества продуктов разделения, или в уменьшении необходимого флегмового числа для разделения смесей ректификацией, что выразится в уменьшении расхода тепла (греющего водяного пара из котельной).

Экономический эффект от внедрения предлагаемого изобретения может быть обеспечен за счет уменьшения флегмового отношения и соответствующего уменьшения расхода водяного пара из котельной в результате более высокой эффективности массообмена колонны.

Экономическую выгоду пpедлагаемой массообменной колонны можно проиллюстрировать на примере разделения эталонной смеси бензол-толуол при условии повышения эффективности разделения предлагаемой колонны на 10% по сравнению с прототипом.

Согласно выполненного расчета расхода греющего водяного пара в кипятильнике давлением 0,32 МПа составляет 2460 кг/ч для непрерывной ректификации 15000 кг/ч исходной смеси бензол-толуол при атмосферном давлении при концентрациях исходной смеси 45, дистиллята 96 и кубового остатка 1,2 мас. количество необходимых теоретических тарелок равна 14 при рабочем флегмовом отношении Rп2,49, минимальное флегмовое отношение равно Rim 1,247. Повышение эффективности массообмена колонны на 10% соответствует увеличенному числу теоретических тарелок, равном 15,4. Такая эффективность при заданных тех же концентрациях целевых продуктов обеспечивается при меньшем флегмовом отношении, равном R3 2,2.

Уменьшение количества греющего пара определяется по модифицированному уравнению теплового баланса для двух рассмотренных вариантов Dп= 4300 кг/ч (1) Dз= 4140 кг/ч (2) где D , D количество водяного пара, расходуемое при флегмовых числах Rп и Rз соответственно, т.е. для известного и предлагаемого объекта, кг/ч; Gd количество отбираемого дистиллята, кг/ч; r скрытая теплота конденсации водяного пара, Дж/кг; rd скрытая теплота испарения дистиллята, Дж/кг.

Экономия водяного пара на одной колонне составляет
D D D= 4300 4140 160 кг/ч. (3)
Стоимость сэкономленного водяного пара на одной колонне составляет
g 0,8 руб/ч (4)
где s энтальпия греющего водяного пара, Дж/кг;
Ц стоимость количества тепла в гигакаллориях для местных условий, 7 рублей 81 коп в ценах до 1985.

Для осуществления предлагаемой массообменной колонны с низким гидравлическим сопротивлением для больших удельных нагрузок по жидкости в настоящее время в лаборатории процессов и аппаратов химической технологии кафедры ТОПП изготовлены опытные колонны с решетками диаметром 300, 400, 600 и 800 мм для проведения широких исследований гидродинамики и массопередачи в условиях десорбции аммиака из воды в воздух в широких пределах нагрузок по газу и жидкости.

На основе обобщения экспериментальных данных проведенных исследований подготовлены рекомендации для внедрения предлагаемой массообменной колонны с винтовой насадкой в секциях для десорбции иода из нефтяных попутных буровых вод на Троицком иодном заводе.


Формула изобретения

МАССООБМЕННАЯ КОЛОННА С НИЗКИМ ГИДРАВЛИЧЕСКИМ СОПРОТИВЛЕНИЕМ ДЛЯ БОЛЬШИХ УДЕЛЬНЫХ НАГРУЗОК ПО ЖИДКОСТИ, включающая вертикальный цилиндрический корпус с поярусно расположенными перфорированными решетками по высоте колонны и слоями насадки на решетках, отличающаяся тем, что решетки выполнены в виде наклонных ступеней в диаметрально противоположных направлениях в смежных по высоте решетках, смежные ступени решеток в плане перекрывают друг друга, задние и боковые кромки ступеней по направлению уклона решетки имеют отбортовки вверх для задержки жидкости, каждая ступень решетки выполнена с наклоном под острым углом к горизонтали в сторону наклона решетки, в ступенях выполнены арочные прорези выпуклостью вверх с осями, направленными в сторону уклона ступенчатой решетки, несколько самых нижних ступеней выполнены в виде рамок, на которые натянута сетка с элементами ячеек меньше линейных размеров насадки, на наклонные ступенчатые решетки вертикально установлены с плотной укладкой элементы одинаковой высоты винтовой насадки из полимерных материалов, перфорированные ступенчатые решетки установлены на распорные эллиптические разрезные кольца, к концу которых прикреплены упорные пластины, к одной из которых прикреплен упорный винт, проходящий свободно в отверстие другой пластины, по обе стороны которой на упорный винт навинчены гайки так, что гайка между упорными пластинами навинчена до упора в пластину и распорное эллиптическое кольцо плотно прижато к внутренним стенкам колонны, ось упорного винта распорного эллиптического кольца смещена внутрь окружности распорного кольца и вниз относительно плоскости распорного кольца.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к конструкциям массообменных колонн насадочного типа для систем газ(пар)-жидкость, предназначенных для процессов абсорбции, ректификации, промывки газов и может найти применение в химической, нефтехимической, газовой и других отраслей промышленности

Изобретение относится к конструкциям массообменных колонн насадочного типа для систем газ (пар) - жидкость, предназначенных для процессов абсорбции, ректификации, промывки газов, и может найти применение в химической, нефтехимической, газовой и других отраслях промышлености

Изобретение относится к конструкциям массообменных колонн насадочного типа для систем газ (пар) - жидкость, предназначенных для процессов абсорбции, ректификации, промывки газов, и может найти применение в химической, нефтехимической, газовой и других отраслях промышленности

Изобретение относится к аппаратам химического машиностроения, в частности к технике контактирования в массообменных аппаратах, и может быть использовано как в химической промышленности, так и в других отраслях народного хозяйства, где применяются контактные тарелки в массообменных колоннах

Изобретение относится к устройствам, используемым для осуществления процессов тепломассообмена

Изобретение относится к контактным устройствам для осуществления процессов обмена между газовой (паровой) и жидкой фазами и может найти применение в процессах абсорбции, хемосорбции и ректификации

Изобретение относится к конструкциям массообменных колонн для взаимодействия систем газ (пар) - жидкость, предназначенных для процессов абсорбции, ректификации и преимущественно вакуумной ректификации, и может найти применение в химической, нефтехимической, газовой, пищевой и смежных с ними отраслях промышленности

Изобретение относится к конструкциям массообменных колонн насадочного типа для систем газ (пар) - жидкость, предназначенных для процессов абсорбции, ректификации и особенно вакуумной ректификации в условиях малых объемных нагрузок по жидкости и очень больших объемных нагрузок по газу (пару) и может найти применение в химической, нефтехимической, газовой и других отраслях промышленности
Наверх