Способ контактирования фаз и устройство для его осуществления

 

E р

81,".ъ;с с ю..-ЖгФ-т-x i- -. -и- --.

ОПИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕНИЯ i i) 7904I6

Союз Советских

Социалистических

Республик

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (61) Дополнительное к авт. свид-ву (22) Заявлено 03.08.79 (21) 2823860/23-26 с присоединением заявки № (23) Приоритет (51) М. К..

В 01J 19/00

В 01D 3/32//

В 01D 11/00

Государствениый комитет

Опубликовано 07.05.82. Бюллетень № 17 (53) УДК 66.061.3 (088.8) по делам изобретеиий и открытий

Дата опубликования описания 07.05.82 (72) Авторы изобретения

А. Е. Костанян, В. В. Дильман, Л. А. Костанян, В. А. Преображенский, А. А. Васин, Б. С. Смолянский, В. В. Харламов, А. С. Бадриан и В. В. Липес (71) Заявитель (54) СПОСОБ КОНТАКТИРОВАНИЯ ФАЗ И УСТРОЙСТВО

ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ

Изобретение относится к области химической технологии, в частности к способам проведения тепло- и массообменных и реакционных процессов путем контактирования нескольких фаз, в частности газа с жидкостью, а также к аппаратам для осу5 ществления этих процессов. Оно может найти широкое применение в химической, нефтехимической, металлургической и других отраслях промышленности.

Известен способ смешения газа с жидкостью, в котором путем инжектирования газа и жидкости в объеме жидкости создают один или два циркуляционных контура (1).

Недостатками этого способа является то, что таким путем в аппарате можно создать не более двух контуров, и способ применим лишь при условиях прямоточного движения газа с жидкостью.

Известен способ контактирования газа с жидкостью в прямотоке путем создания циркуляционных контуров за счет различия плотностей фаз, расположенных по высоте устройства (2).

Недостатком известного способа является то, что кроме созданных циркуляционных контуров в колонне возникает общая циркуляция, резко снижающая движущую силу процессов тепло- и массообмена и ухудшающая избирательность большинства химических процессов. Возникновение общей циркуляции, охватывающей всю жидкость в аппарате, происходит из-за частичного или полного слияния восходящих потоков отдельных контуров, в которых в одинаковом направлении циркулируют сплошную фазу. Использование секционирующих перфорированных тарелок в известном способе частично снижает отрицательный эффект указанного явления. Однако при этом усложняется конструкция устройства, используемого для осуществления известного способа контактирования фаз.

Кроме того, наличие тарелок снижает производительность при осуществлении противоточного контактирования фаз и может привести к образованию в колонне газовых подушек, нежелательных для ряда процессов жидкофазного окисления углеводородов.

Цель изобретения — повышение эффективности контактирования фаз.

Цель достигается за счет уменьшения степени продольного перемешивания, дисперсную фазу пропускают в чередующейся последовательности через центральную и периферийную части поперечного сечения устройства, при этом направление циркуляции сплошной фазы противоположно в соседних контурах.

790416

Предлагаемый способ контактирования фаз может быть реализован при прямоточном и противоточном движении фаз, а также в периодических процессах прп отсутствии протока одной из фаз. В отличие от известных в предлагаемом способе эффект секционирования достигается без применения секциопирующих тарелок, а лишь за счет противоположной по направлению циркуляции жидкости в соседних контурах.

Способ может быть использован и при проведении процессов тепло- и массообмена и химических реакций в двухфазных системах: газ — жидкость, жидкость — жидкость, жидкость — твердые частицы и трехфазных системах: газ — жидкость — твердые частицы, газ — жидкость — жидкость, жидкость — жидкость — твердые частицы.

На фиг. 1 показана схема осуществления способа для случая, когда дисперсной является легкая фаза.

При противотоке двух фаз, например газ — жидкость, жидкость — жидкость, жидкость — твердые частицы, способ осуществляют следующим образом.

В вертикальный корпус 1 снизу подают легкую фазу, а сверху — тяжелую, Поток одной из контактирующих фаз перемещают в колонне неразрывно в виде сплошной фазы, а поток другой — дискретно в виде дпсперсной фазы. За счет различия в плотностях фаз в корпусе 1 с помощью вертикальных труб 2 создают ряд расположенных друг над другом циркуляционных контуров. Дисперсную фазу при этом поочередно по ходу ее движения пропускают через центральную и периферийную части поперечного сечения колонны; центральная часть — площадь поперечного сечения колонны, ограниченная циркуляционными трубами 2, периферийная часть — кольцевое сечение между корпусом 1 и наружной стенкой труб 2. В первом контуре А дисперсную фазу пропускают через центральную часть поперечного сечения колонны, направляя поток ее внутрь первой трубы, во втором контуре Б — через периферийную часть сечения, направляя поток ее в пространство между корпусом колонны и второй трубой. В третьем контуре В дисперсную фазу пропускают через центральную часть сечения, направляя поток ее внутрь третьей трубы, в четвертом контуре à — через периферийную, направляя поток ее в пространство между корпусом и четвертой трубой. Таким же образом в чередующейся последовательности дисперсную фазу пропускают через остальные циркуляционные контуры. В контурах А и В внутри вертикальных труб образуется эмульсия, плотность которой ниже плотности среды, занимающей пространство между корпусом 1 и наружной стенкой труб 2.

В результате сплошная фаза циркулирует в этих контурах, поднимаясь внутри труб

1О

15 ()p

25 зо

35 ю

4 через центральную часть сечения колонны и опускаясь через периферийную часть сечения колонны в пространстве между корпусом 1 и трубами 2. В контурах Б и Г эмульсия образуется в пространстве между корпусом 1 и трубами 2, и сплошная фаза циркулирует, опускаясь внутри труб 2 (через центральную часть сечения колонны) и поднимаясь через периферийную часть сечения (в пространстве между корпусом 1 и трубами 2). Таким путем обеспечивают изменение направления циркуляции сплошной фазы при переходе от одного контура к другому. Сепарация фаз в каждом контуре осуществляется в области перехода восходящего потока в нисходящий и на начальном участке нисходящего потока.

После последнего по ходу легкой фазы контура сверху колонны отводят легкую фазу, снизу колонны после первого контура — тяжелую фазу. При прямоточном контактировании двух фаз обе фазы подают снизу (если диспергируют легкую фазу) или сверху (если диспергируют тяжелую фазу) в вертикальную колонну. Одну из фаз диспергируют в объеме другой и перемещают по колонне так, как описано выше. Сплошная фаза при этом перемеш,ается параллельно с дисперсной и образует расположенные друг над другом циркуляционные,контуры. Направление циркуляции сплошной фазы при переходе от контура к контуру изменяют таким же образом, как и в случае противотока фаз.

В случае трехфазной системы, если обе дисперсные фазы легче или обе дисперсные фазы тмкелее сплошной, то их пропускают вместе в чередующейся последовательности через одну из двух частей поперечного сечения колонны (как описано выше) .

Если одна дисперсная фаза легче сплошной, а другая тяжелее, то возможны два варианта проведения процесса по предлагаемому способу.

При первом варианте легкую дисперсную фазу, например газ в системе газ — жидкость — твердые частицы, подают в нижнюю часть колонны и перемещают по ней аналогично перемещению дисперсной фазы в случае контактирования двух фаз. Тяжелую дисперсную фазу и сплошную фазу подают в верхнюю часть вертикальной колонны или тяжелую дисперсную фазу подают в верхнюю часть, а сплошную фазу — в нижнюю часть колонны. Тяжелую дисперсную фазу при подаче в колонну вводят в нисходящий поток первого по ходу ее движения циркуляционного контура, дальнейшее перемещение ее по колонне происходит через нисходящие части остальных контуров, Во втором варианте тяжелую дисперсную фазу, например твердые частицы в системе газ — жидкость — твердые частицы или тяжелая жидкость в системе газ — жидкость—

790416

5 жидкость, подают в верхнюю часть вертикальной колонны и перемещают по ней аналогично перемещению дисперсной фазы в случае контактирования по пр",1лагаемо".у способу двух фаз. Легкую дисперсную флзу и сплошную фазу подают в I;11 кню о часть KQJIolllkbl или легкую дисперсную фазу подают в нижнюю часть колонны . лн легкую диспсрсную фазу подают в нижшо:о, а сплошную фазу — в верхнюю часть колонны. Легкую дисперсную фазу при подлче в колонну вводят в восход пцш . поток первого по ходу ее движения циркуляционного контура, дальнейшее ее перемещенllc по колонне происходит через во :n.". !;:c части остальных контуров.

Во всех описанных противоточ и-...;. процессах достигают высокой прои "Äoдительности благодаря тому, что при ou:öcì пг аппарату противотокс в каждом контуое обеспечивают преимущественно прямоточпос движение фаз.

При отсутствии протока через колонну сплошной фазы, например, в барботажных реакторах периодического действия процесс проводят аналогично описанному выше случаю контактирования двух фаз, но без транзитного потока сплоп1ной фазы. Предлагаемый способ может быть реализова11 и в случае, когда непроточной является одна из дисперсных фаз, например. в процессах со взвешенным слоем катализатора. Процесс контактирования проводят аналоги шо описанному вьшле случаю контактирова1:,ня трех фаз, но без транзитного потока одной из дисперсных фаз (твердой дисперсной фазы), которую внутри аппарата рассматривают вместе со сплошной как единую псевдоожиженную фазу.

Известно контактное устройство, содержащее вертикальный корпус и размещенные в нем соосно друг над другом циркуляционные трубы с установленными между ними перегородками, патрубки ввода и гывода фаз. Устройство предназначено,чля контактирования газа с ко:1центрированной суспензией твердых частиц B жидкости.

Вертикальный цилиндрический корпус известного устройства разчелен FIB ccKIIH!I перегородками в форме перевернутых усеченных конусов, в которых предусмотрено центральное отверстие для прохода суспензии и отверстия в боковой поверхности конуса для прохода газа.

Недостатками известного устройства являются сложность конструкции и низкая эффективность при осуществлении в нем массообменных процессов. Сложность конструкции заключается в наличии секпионирующих перегородок, закрепленных нл внутренней стенке корпуса. а также в том. что для работы устройства необходим параллельный подвод газа в каждую из секций. Известное устройство может работать эффективно только тогда, когда сплошной

ЗО

6 фазой является концентрированная суспензия, поток которой запирает для газа центральные отверстия секционирующих перегоро 10K, препятствуя возникновению восхо1я1цсго газожидкостного потока в центральной части аппарата. Когда сплошной фазой ральной части известного аппарата образуется восходящий газожпдкостной поток, резко снижаю ций эффективность противото1ного тепло- или массообменцого процесса. Секционирующис перегородки снижают производительность устройства, а забивка отверстий на боковой поверхности этих перегородок может привести к его аварийной остановке.

Отличие устройства, позволяющее осуществить предлагаемый способ, состоит в том, что цпркуляционныс трубы расположены парами, а перегородки выполнеklы конусообразными с вершиной, направленной вниз.

На фиг. 2 показано устройство для осуществления способа контактирования фаз.

Устройство содержит вертикальный корпус 1, внутри которого соосно друг над другом размещены циркуляционнь1е трс бы 2.

Тр ..бы 2 расположены в корпусе 1 парами

3. гежду тр .бами каж.1о11 пары 3 с зазором .становчена кон сообпазная пепегорочка 4 с веьмниноЙ, направленной вни в пепвго по хоч . потока дисперсной фазы трубу парь1. Диа СТо основания пепегородки 4 не меньше диаметра второй Tp) бы пары.

Для эффективной работы устройства целесообразно, чтобы вь1сота трубы 2 и расстояние между трубами 2 соседних пар 3 составляло не менее 50 мм, а диаметр труб

2 — не менее 1/4 диаметра корпуса 1.

Устройство работает следующим образом.

Дисперснля фаза подается внутрь первой трубы 2 парь; 3, затем через зазор межд

KoIIi сообразной перегородкой 4 и первой тр .бой пары IlocTvïàåò в пространство, образованное второй трубой пары и корпусом 1. При этом в паре 3 возникает два последовательных цирк ляционных контура с противоположным направлением ципкуляции сплошной фазы. Дисперсная фаза после второй тр бы 2 пары 3 циркулирующей сплошной фазой сносится к центральной части корпуса 1 и попадает внутрь первой трубы следующей пары 3. Далее по высоте колонны процесс повторяется, и в колонне образуется ряд расположенных друг над другом конт .ров с противоположным по отношению к соседним направлениям циркс ляпин в каждом кг нтуре.

П р и м е и 1. В устройстве, конструкция котnon;n схемлтн шо показлнл нл с)1иг. 2, по предлагаемому способ . проводят контактирование воздуха с водой. Критерием для оценки эффективности способа служит коэффициент продольного перемешивания

790416 сплошной фазы (воды) Е„. Величину Е„определяют по числовой характеристике кривой отклика на импульсный ввод индикатора (раствор NaCI).

Процесс осуществляют в аппарате диаметром 150 мм и высотой 1000 мм, в котором размещены друг над другом две пары

3 циркуляционных труб 2 каждая диаметром 100 мм и высотой 100 мм. Между тру- 10 бами 2 каждой пары 3 с зазором установлена конусообразная перегородка (воронка) 4, вершиной направленная вниз. Диаметр основания конусной воронки 4 равен

100 мм, зазор между воронкой 4 и каждой Б трубой 2 пары 3 равен 20 мм, расстояние между трубами 2 соседних пар 3 — 100 мм.

Направляя воздух, как показано на фиг. 1, в колонне создают четыре циркуляционных контура. Воздух подают с расходом Q =

= 500 л/ч, расход сплошной фазы (воды)

V = О. Получают величину Е„= 27 см /с.

Пример 2, При условиях примера 1 воздух подают с расходом Q = 1000 л/ч, получают Е„= 30 см /с.

Как видно из примеров, предложенный способ контактирования, реализуемый в предлагаемом устройстве, позволяет без применения секционирующих тарелок в

8 — 23 раза снизить степень продольного псремешивания в барботажном реакторе по сравнению с известным способом.

Формул а изобретения

1. Способ контактирования фаз, преимущественно сплошной и дисперсной, путем создания циркуляционных контуров за счет различия плотностей фаз, расположенных по высоте устройства, отличающийся тем, что, с целью повышения эффективности контактирования фаз, за счет уменьшения степени продольного перемешивания, дисперсную фазу пропускают в чередующейся последовательности через центральную и периферийную части поперечного сечения устройства, при этом направление циркуляции сплошной фазы противоположно в соседних контурах.

2. Устройство для осуществления способа по п. 1, содержащее вертикальный корпус, размещенные в нем соосно одна над другой циркуляционные трубы с установленными между ними перегородками, патрубки ввода и вывода фаз, о т л и ч а ю щ ее с я тем, что циркуляционные трубы расположены парами, а перегородки выполнены конусообразными с вершиной, направленной вниз.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Патент Великобритании Уо 1173812, кл. В 01F 3/04, 1969.

2. Патент Великобритании М 1276414, кл. В 01F 3/04, 1972.

3. Патент Великобритании Ке 1147273, кл. В 01J 1/00, 1969.

790416 фиг.1

Составитель Г. Урусова

Техред А. Камышникова Корректор 3. Тарасова

Редактор Я. Багирова

Типография, пр, Сапунова, 2

Заказ 711/12 Изд. № 150 Тираж 577 Подписное

НПО «Поиск» Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, 5К-35, Раушская наб., д. 4/5