Массообменная колонна с плавающей насадкой

 

Использование: изобретение относится к конструкциям насадочных колонн для взаимодействия систем газ /пар/ жидкость, предназначенных для процессов абсорбции, ректификации, особенно для малотоннажных производств химических реактивов высокой частоты и может найти применение в химической, нефтехимической, пищевой и других отраслей промышленности. Сущность изобретения: в массообменной колоне с плавающей насадкой, содержащей вертикальный цилиндрический корпус, поярусно расположенные распределительные конические решетки с перфорациями в виде арочных прорезей с тангенциально направленными осями, с центральными отверстиями у вершин, через которые установлен осесимметрично вертикальный стержень, закрепленный к вершинам конических решеток точечной сваркой, конические решетки имеют наружный диаметр, меньше внутреннего диаметра корпуса для свободного прохождения. Самая нижняя и самая верхняя решетка упираются в ограничители. На каждую решетку засыпана насадка из элементов шарообразной формы, выполненных из полимерных материалов, пористых материалов или керамзита с плотностью, близкой к плотности воды. Новым в заявляемом изобретении является закрепление распределительных конических решеток к вертикальному стержню, ограничение перемещения нижней решетки вниз и верхней решетки вверх, возможность транспортировки колонны в окончательном собранном состоянии, использование плавающей насадки из элементов шарообразной формы и с плотностью, близкой к плотности воды. 4 ил.

Предлагаемое изобретение относится к конструкциям массообменных колонн насадочного типа для взаимодействия систем газ(пар)- жидкость, предназначенных для малотоннажных процессов абсорбции, ректификации и может найти применение в химической, нефтехимической, пищевой и других отраслей промышленности, а также в производстве чистых и сверхчистых химических реактивов.

Известна массообменная колонна, включающая вертикальный цилиндрический корпус, поддерживающие решетки, слои насадки на каждой распределительной решетке, устройство для перераспределения жидкости под промежуточными решетками (Рамм В.М. Абсорбция газов. -М. Химия, 1976, с.310).

Недостатком известной массообменной колонны является недостаточно высокая эффективность массообмена из-за неравномерности распределения жидкости и газа (пара) по поперечному сечению колонны, байпасирование потоков газа (пара) и жидкости по высоте слоя насадки и вследствие каналообразования в потоках газа (пара) и жидкости.

Наиболее близкой и заявляемой по технической сущности и достигаемому аффекту является массообменная колонна, включающая вертикальный цилиндрический корпус, поярусно расположенные внутри него поддерживающие распределительные конические решетки с перфорациями в виде арочных прорезей с тангенциально направленными осями, слой насадки на каждой распределительной решетке (Патент РФ N 1823196, м.кл. B 01 D 3/22, 1991).

Недостатком известной массообразной колонны является снижение эффективности массообмена, приходящейся на единицу высоты колонны, за счет значительной высоты устройства для распределения жидкости в направляющих конусах.

Цель изобретения повышение эффективности и экономичности массообмена между газом(паром) и жидкостью за счет интенсификации конвективного массообмена при высокотурбулизированном трехфазном потоке газ(пар) жидкость твердая фаза (плавающие элементы насадки) в условиях высоких скоростей газа (пара), за счет уменьшения до минимального расстояния между распределительными решетками по высоте, за счет упрощения конструкции рабочих элементов колонны и использования в качестве насадки недорогих материалов и снижения трудовых затрат на изготовление, монтаж, ремонт и обслуживание.

Цель достигается тем, что в массообменной колонне с плавающей насадкой, содержащий вертикальный цилиндрический корпус, поярусно расположенные внутри поддерживающие распределительные конические решетки с перфорациями в виде арочных прорезей с тангенциально направленными осями, слой насадки на каждой распределительной решетке, каждая распределительная решетка выполнена в виде конуса, ориентированного вершиной вниз, с центральным отверстием у вершины, расположенным осесимметрично по отношению к основанию конуса, наружный диаметр основания конуса меньше внутреннего диаметра цилиндрического корпуса для обеспечения свободного прохождения внутри корпуса, внутри отверстия конусов установлен вертикальный стержень, закрепленный к вершинам конусов точечной сваркой, причем наружный диаметр стержня меньше внутреннего диаметра отверстия у вершины конуса, между внутренними стенками отверстий у вершин конусов (распределительных конических решеток) и поверхностью стержня образуются пространства для прохождения газа (пара) и жидкости, под самой нижней и над самой верхней распределительными коническими решетками установлены прикрепленные к внутренним стенкам цилиндрического корпуса, выступающие ограничители в качестве насадки на все решетки, за исключением самой верхней, служащей ограничительной, засыпаны элементы насадки шарообразной формы из полимерных материалов, пористого материала или керамзита с плотностью, близкой к плотности воды.

Предлагаемая массообменная колонна с плавающей насадкой за счет своих отличительных признаков обеспечивает решение поставленной технической задачи повышение эффективности и экономичности массообмена между газом (паром) и жидкостью.

На фиг. 1 схематически представлен продольный разрез массообменной колонны с плавающей насадкой; на фиг. 2 поперечный разрез в плоскости А-А; на фиг. 3 разрез по Б-Б фиг. 2; на фиг. 4 разрез по В-В фиг.2.

Массообменная колонна (фиг. 1-4) содержит вертикальный цилиндрический корпус 1, поддерживающие конические распределительные решетки 2 в виде конусов, ориентированных вершинами вниз, с перфорациями в виде арочных прорезей 3 с тангенциально направленными осями, в каждой конической решетке 2 выполнено отверстие у вершины осесимметрично по отношению к основанию конуса, наружный диаметр основания конической решетки 2 меньше внутреннего диаметра цилиндрического корпуса 1 для обеспечения свободного прохождения конической решетки 2 внутри корпуса 1, внутри отверстий конических решеток 2 установлен вертикальный стержень 4, закрепленный к вершинам решеток 2 точечной сварки 5, причем наружный диаметр стержня 4 меньше внутреннего диаметра отверстия у вершины конической решетки 2, между внутренними стенками отверстия у вершин конических решеток 2 и поверхностью стержня 4 образуются пространства для прохождения газа (пара) и жидкости. На каждой распределительной конической решетке 2 засыпан слой насадки 6. В самой нижней части цилиндрического корпуса 1 к его внутренним стенкам прикреплено не менее трех упоров 7 по периметру для установки на них самой нижней распределительной решетке 2.

Самые меньшие линейные размеры элементов насадки 6, засыпаемой на распределительные решетки 2, больше разности между внутренним диаметром корпуса 1 и наружным диаметром конической распределительной решетки 2. К нижней и к верхней частям корпуса 1 прикреплены фланцы 6 с образованием отдельных царг для соединения болтами нескольких царг по высоте. Слой насадки 6 засыпается на каждую распределительную решетку 2 последовательно снизу вверх при опускании каждой решетки 2 в колонну на высоту, равную не больше половины расстояния между смежными решетками 2 по высоте. Высота слоя насадки 6 на каждой конической распределительной решетке 2 равна не меньше половины расстояния между решетками 2 по высоте. Для подачи жидкости в колонну служит разъемный штуцер 9, установленный над слоем насадки 6 на решетке 2.

Для предупреждения подъема связанных между собой поддерживающих распределительных конических решеток 2 верхняя решетка 2 фиксируется отпорным винтом 10, установленным в верхний фланец 10 корпуса 1.

Свободное сечение арочных прорезей 3, выполненных в конических решетках 2, составляет от 10 до 15% от полного сечения колонны.

Массообменная колонна с плавающей насадкой работает следующим образом.

Газ (пар) поступает в корпус колонны (фиг. 1-4) снизу и движется вверх, проходит через арочные прорези 3 с тангенциально направленными осями распределительных решеток 2, контактируя при этом со стекающей сверху вниз жидкостью, сообщая ей часть кинетической энергии, в результате чего в слое насадки 6 на решетке 2 образуется высокотурбулизированный трехфазный слой, состоящий из газа (пара), жидкости и насадки, плавающей в газо(паро)-жидкостном слое между двумя смежными по высоте решетками 2 нижней и верхней. В условиях высоких линейных скоростей газа (пара) за счет соударений газа (пара) и жидкости с элементами плавающей насадки 6 образуется дополнительная высокоразвитая межфазная поверхность, на которой происходит конвективный массообмен между фазами, при этом твердая фаза в виде плавающих элементов насадки создают дополнительную турбулизацию фаз газ(пар)-жидкость, что обеспечивает, как известно, значительное эффективности между фазами и достигается самая высокая эффективность массообмена насадочной колонны с плавающей насадкой. При накоплении на решетке 2 жидкости последняя частично сливается через отверстие у конуса решетки 2 между стенками отверстия и стенками стержня 4, так как внутренний диаметр отверстия у конуса больше наружного диаметра стержня, а частично сливаются через нижние арочные прорези 3 решетки 2, а также через край основания конической решетки 2 в пространстве между внутренними стенками корпуса 1 и наружными кромками конической решетки 2. Причем распределение слива жидкости с решетки 2 происходит неравномерно через различные отверстия к щели. При малых удельных нагрузках по газу (пару) и жидкости слив жидкости происходит преимущественно через нижние арочные прорези 3 и щели решеток 2, а газ (пар) проходит преимущественно через верхние прорези 3 и щели решеток 2, при этом эффективность массообмена будет значительно ниже, чем при высокотурбулентном режиме.

В условиях работы массообменной колонны с плавающей насадкой при высокоэффективном турбулентном режиме в каждом объеме слоя насадки 6 между двумя нижней и верхней решетками 2 структура потока жидкости близка к модели полного перемещения с высокой эффективностью массообмена по Мерфри ячейки полного перемешивания. Очевидно, что расстояние между решетками 2 по высоте могут быть значительно уменьшены, что позволит значительно увеличить общую эффективность массообмена колонны.

Технические преимущества заявляемой массообменной колонны с плавающей насадкой по сравнению с прототипом заключается в повышении эффективности и экономичности массообмена между газом (паром) и жидкостью за счет эффективности массообмена по Мерфри ячейки полного перемешивания в условиях высокоэффективного турбулентного режима, за счет упрощения конструкции колонны, возможности ее транспортировки в собранном виде, уменьшения затрат на изготовление, монтаж и ремонт.

Общественно-полезные преимущества заявляемой массообменной колонны с плавающей насадкой по сравнению с прототипом, вытекающие из технических преимуществ, заключаются в повышении разрешающей способности колонны, обеспечивающей повышение чистоты готовых продуктов разделения, улучшении их качества и снижении себестоимости.

Формула изобретения

Массообменная колонна с плавающей насадкой для взаимодействия между газом (паром) и жидкостью, включающая вертикальный цилиндрический корпус, поярусно расположенные в нем поддерживающие распределительные конические решетки с прорезями в виде арочных прорезей с тангенциально направленными осями, слой насадки на каждой распределительной решетке, отличающаяся тем, что каждая коническая распределительная решетка выполнена в виде конуса, ориентированного вершиной вниз, с центральным отверстием у вершины, расположенным осесимметрично по отношению к основанию конуса, наружный диаметр основания конуса меньше внутреннего диаметра цилиндрического корпуса для обеспечения свободного прохождения конуса внутри корпуса, внутри отверстий конусов установлен вертикальный стержень, закрепленный к вершинам конусов точечной сваркой, причем наружный диаметр стержня меньше внутреннего диаметра отверстия у вершины конуса, между внутренними стенками отверстий у вершин конусов и поверхностью стержня образуются пространства для прохождения газа (пара) и жидкости, в качестве насадки на все конические решетки, за исключением самой верхней, служащей ограничительной, засыпана насадка шарообразной формы из полимерных материалов, пористых материалов или керамзита с плотностью, близкой к плотности воды, под самой нижней и над самой верхней распределительными коническими решетками установлены прикрепленные к внутренним стенкам цилиндрического корпуса выступающие ограничители.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4