Распылительная колонна

 

РАСПЫЛИТЕЛЬНАЯ КОЛОННА для проведения прогйвоточньЕх теплообменных и экстра кии онгаых процессов между несмешивакадимися жидкостями, включающая основную оилиндрическутю секцию, примыкающую к ней коническую секцию, устройство для диспергирования одной из фаз, устройства для подвода и отвода фаз, отличающаяся тем, что, с целью снижения температуры диспергируемого теплоносителя и степени регенерации диспергируи«гого эвстрагента, она снабжена дополнительной цилиндрической секцией с диаметром, равным диаметру основной цилиндрической секции, верхняя часть которой располЪжена в конической секции, а ниж (Л няя часть соединена с устройством для диспергирования. -J со IN: а С5 7

СО03 СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

I

1 !

Н ABTOPCHOMY,ÑBÈÄETÅËÜÑÒÂÓ

ГОСУДАРСТ8ЕННЫЙ НОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЬП ИЙ (21 ) 3 442 060/23-2 6 (22) 24.05.82 (46) 15.03..84. Бюл. № 10 (72) Б. М. Граховский, И. И. Бербенец, И, М. Гурковский, Н. А. Киктева, Б. j1. Педяш, И. Т. Перекрест, Т. А. Польская, А. В. Поротников и Ю. Н. Резников (71) Донецкий филиал Всесоюзного научноисследовательского и проектного института по очистке технологических газов, сточных вод и использованию вторичных энергоресурсов предприятий черной металлургии (53) 66.061 5(088.8) (56) 1. Трейбал P. Жидкостная экстракция, М., "Химия", 1966, с. 722.

2. Патент CILIA № 2364892, кл. 23-310, 1944. У

„,SU„„ I 079266 А

3(59 (54) (57) РАСПЫЛИТЕЛЬНАЯ КОЛОННА для проведения противоточных теплообменных и экстракционных процессов между несмешивающимися жидкостями, включающая основную цилиндрическую секцию, примыкающую к ней коническую секцию, устройство для диспергирования одной из фаз, устройства для подвода иотводафаз, отличающаяся тем, что, с целью снижения температуры диспергируемого теплоносителя и степени регенерации диспергируемого экстрагента, она снабжена дополнительной.цилиндрической секцией с диаметром, равным диаметру основной цилиндрической секции, верхняя часть которой располЬжена в конической секции, а нижняя часть соединена с устройством для диспергирования.

1079266

Изобретение относится к устройствам для проведения противоточных теплооб менных и экстракционньм процессов между несмешивающимися жидкостями при их непосредственном контакте и может быть применено для нагоева минепализованной воды в термообессоливающих установках с промежуточным теплоносителем, а также любом экстракционном процессе. о

Известны устройства в виде колонн, заполненных различными конструкционными элементами (сетками, перегородками, различного типа насадками), через которые противоточно движутся контактиру- ющие фазы, одна из которых диспергирована в дрУгой (13.

Недостатком этих устройств является наличие в зоне контакта конструкционных элементов (сеток, перегородок, насадок), что приводит к их эарастанию при наличии в контактирующих жидкостях механических примесей и кристаллизующихся веществ, повышенному расходу энергии HB преодоление сопротивления, удорожанию устройств и реализуемых в них теплои массообменных процессов.

Наиболее близкой по технической сущности и достигаемому результату к изобретению является распылительная колон на Элджина, включающая вертикальную цилиндрическую секцию, B которой организуется противоточное движение несмешивающихся жидкостей, одна иэ которых находится в диспергированном состоянии;

35 коническую секцию, примыкаемую к ци.линдрической, в которой происходит по,.степенное снижение скорости сплошной фазы перед ее выводом из зоны контакта через кольцевую щель между стенкой конической секции и распылительным устройством; устройство для подачи и распыления одной из жидкостей, расположенное так, что сопла или отверстия этого устройства находятся на уровне большого „ основания конической секции; устройся ва для подвода и отвода сплошной фазы 2 .

Недостатком известной колонны явля. ется то, что в конической секции, предназначенной для постепенного снижения скорости сплошной фазы, наблюдается интенсивное изменение температуры и концентрации экстрагируемого вещества в каплях при, практически, неизменной температуре и концентрации в сплошной фазе вследствие распыла и формирования капель в условиях противоточного движения фаз. Это требует поваленной температуры диспергируемого теплоносителя и повышенной степени регенерации экстрагента на входе в колонну, 11ель изобретения — снижение температурьп диспергируемого теплоносителя и степени регенерации диспергируемого экстрагента на входе в колоыну.

Указанная цель достигается тем, что распылительная колонна, которая включает основную цилиндрическую секцию, примыкающую к ней коническую секцию, устройство для диспергирования одной иэ фаэ,устройства для подвода и отвода сплошной" фазы патрубкй для подвода и отвода диспергированной фазы, снабжена дополнительной цилиндрической секцией с диаметром, равным диаметру основной цилиндрической секции, верхняя часть которой расположена в конической секции, а нижняя часть соединена с устройством для диспергирования, при этом высота дополнительной цилиндрической секции равна 1-6-кратной длине, проходимой каплей за один период роста присоединенного кормового вихря.

Дополнительная цилиндрическая секция позволяет осуществить распыл и формирование потока дисперсной фазы в непроточную сплошную фазу, Непроточность дополни тельной цилиндрической секции по сплошной фазе способствует установлению теплового и диффузионного равновесия между фазами, благодаря чему ликвидируется локальное интенсивное изменение температуры и концентрации экстрагируемого вещества в каплях на входе в колонну.

На фиг. 1 схематически изображена конструкция распылительной колонны; на фиг. 2 — зависимость пути развития кормового вихря за каплей от числа

Рейнольдса и приняты следующие обозначения: 1 — система гексан-вода, диаметр капель 3,7 мм; 2 — система бензин-вода, диаметр — 3-6 мм; 3 — сасгема керосин-вода, диаметр капель 4,8 мм

4 — система керосин-вода, диаметр капель 3,9 мм; 5 — то же, диаметр капель 3,3; 6 — система додекан-вода, диаметр капли 2,5-4,; 7 — то же, диаметр капли 3,6-6 мм; 8 — то же, диаметр капли 2-3,9 мм; 9 — то же, диаметр капли 3,5 мм; 10 — то же, диаметр капли 3-4,8 мм; 11 — керосинслабый раствор f>, диаметр капли

4 мм; 1 2 — керосин-концентрированный раствор M+8, диаметр капли 4,7 мм; на фиг. 3 — температурные профили фаэ концентраций, т.е. снизить температуру диспергируемого теплоносителя на входе в колонну без изменения температуры нагреваемой среды, а также снизить степень регенерации диспергируемого

$KcTpaFBHTa на входе в колонну без снижения степени эксграгирования.

Это связано с особенностями гидродинамики и межфазного тепломассопереноса в распылительных колоннах на участке формирования дисперсной фазы.

При истечении жидкости, образующей дисперсную фазу в колонне, эа каплями периодически формируются присоединенные кормовые вихри. После отрыва капель от диспергирующего устройства гидродинамический пограничный слой, образовавшийся на лобовой поверхности капли. сворачивается в корм ов ой вихрь. По мере подъема капли кормовой вихрь увеличивается в объеме за счет поступления жидкости из лобовой части калли и до-стигает своего максимального, усхрйчивого размера. После этого кормовой вихрь отрывается и смешиваегся с окружающей сплошной фазой, а цикл его раэвигия повторяется. Путь, который проходит капля за период развития присоединенного кормового вихря, не зависит от диаметра капли и физических свойств фаэ.

На фиг. 2 предстчвлены обработка экспериментальных и опытных данных

s форме зависимости пути развития кормового вихря эа каплей ог числа Рейнольдс а. Из фиг. 2 следует, что этот п5ть в среднем равен 0,175 м.

Образование присоединенных кормовых вихрей за каплями обуславливает интенсивное изменение температуры и концентрации в каплях на входе в колонну при противоточном движении фаз, а температура и концентрация переносимого вещесгеа в сплошной фазе остается при этом постоянной. Это связано с тем, что в условиях распылительных коло»п» толщина гидродинамическогD пограничного слоя на поверхности капли обычно много больше толщины теплового и диффузионного пограничных слоев. Поэтому в процессе межфаэного обмена учасгвуег только та часть сплошной фазы, которая сосредоточена в пределах гидродинамического логранслоя и сносится затем в кормовой вихрь. В результате этого в кормовом вихре првисходиг аккумуляция тепла и вещества, которые переходят во внешний лоток после отрыва вихря. з 1079266 в известной колонне Элджина и предлагаемой конструкции распылигельной колонны.

Конструкция распылительной колонны (фиг. 1) соответствует случаю, когда 5 плотность дисперсной фазы меньше пло» ности сплошной фазы. 1)ля обратного соотношения плотностей конструкции колонны аналогична, но перевернута.

Распыли тельная колонна . включает 10 устройство для подвода сплошной фазы 1, основную цилиндрическую секцию 2, коническую секцию 3, дополнительную цилиндрическую секцию 4, устройство для отвода сплошной фазы 5, устройство для диспергирования одной из фаз 6, кольцевой канал 7, пагрубки для подвода

8 и отвода 9 диспергируемой фазы.

Распылигельная колонна работает следующим образом. 20

Диспергируемая фаза через патрубок

8 и сопла или отверстия диспергирующего устройства 6 поступает в дополнигел» ную цилиндрическую секцию 4, в которой образуется зона распыла и формирования 25 потока дисперсной фазы. Сформированный в дополнительной цилиндрической секции дисперсный поток поступает в коническую 3 и основную цилиндрическую 2 секции, в которых движение фаз и меж-. фазные процессы обмена протекают как и в обычной колонне Элджина. Отвод дисперсной фазы иэ колонны осуществляется через патрубок 9. Сплошная фаза подается в основную цилиндрическую секцию 35

2 с помощью устройства для подвода 1 и движется в прогивогоке с дисперсной фазой. В конической секции 3 происходит постепенное снижение скорости сплошной фазы, которая затем выводится из колон-40 ны через устройство отвода 5. Коническая секция 3 и верхний край дополнительной цилиндрической секции 4 на уровне большого сечения конической секции образуют кольцевой канал 7, через 4> который сплошная фаза поступает в уст ройство для отвода 5. Для устранения возможности уноса дисперсной фазы через кольцевой канал площадь сечения кольцевого канала выбирается равной.или более площади сечения основной цилиндрической секции.

Указанные размеры дополни тельной цилиндрической секции позволяют ликвидировать локальное интенсивное измене- 55 ние температуры и концентрации экстрагируемого вещества в каплях, уменьшить межфазовую разность температур и

Керосин

1,9

На фиг. 3 кривые 1 и 2 построены по экспериментальным точкам и показыBaIor распределение температуры дисттерсБ 10792

Периодическая аккумуляция тепла и в шества кормовыми вихрями не приводит, однако к ступенчатому изменению температуры и концентрации переносимого вещества в фазах по высоте основного участка распылительной колонны. В силу случайных возмущений, которые присуши двухфазным системам, на основном участ ке колонны двухфазный поток находится в развитом состоянии, когда любая 10 стадия развития кормового вихря за кап лек равновероятна. Б любом сечении такого потока имеет место переход жид1 кости,а следовательно, и конвектив. ный тепло-масс оперенос or кормовых вихрей во внешнюю фазу. Поэтому изменение температуры и концентрации в фазах на основном участке колонны носит монотонный характер. Наличие ко мовых вихрей вызывает только эффект

20 обратного перемешивания сплошной фазы в направлении движения дисперсного потока.

На участке распыления первоначально в момент отрыва капель or диспергирующего устройства кормовые вихри за каплями отсутствутот. Кормовые вихри нарастают по мере подъема капель и по-. этому, в соответствии с фиг. 2, отрыв вихрей после первого периода их разви30 тия происходит у капель, поднявшихся в среднем на высоту 0,175 м or диспергирутощего устройства. До момента отрыва кормовых вихрей в них идет аккумуляция тепла и вещества вследствие соответствующих процессов обмена междуЗ5 поверхностью капли и жидкостью пограничного слоя. Поэтому на участке высотой 0,175 м от диспергирутотдего устрой-. ства наблюдается интенсивное изменение температуры и концентрации экстрагиру- 40 емого вещества в каплях при постоянной температуре и концентрации во внешнем потоке сплошной фазы. В последующие циклы развития кормовых вихрей двухфазная система постепенно переходит к 45 развитому состоянию с монотонным изменением температуры и концентрации в обеих фазах. Чтобы ликвидировать резкое изменение температуры и концентрации дисперсной фазы на участке ее рас- 50 пыла, необходимо устранить возможностй ! межфазного тепло- и массопереноса на этом участке. Введение непроточной по сплошной фазе дополнительной . илиндрической сек. пи,в нижней .асти которой находится зона распылв капель, позволяет достичь теплового и диффузионного равновесия между каплями и неполточной жидкостью, 66 6 если высоту этой секции принять достаточной для достижения теплового и диффузионного равновесия. Установлено, что такое равновесие между фазами достигается при высоте дополнительной цилиндрической секции до l м. Дальнейшее увеличение высоты этой секции нежелательно, так как это приводит к увеличению габаритов колонны и соответственно к росту капитальных затрат без повышения эффективности процесса. Таким образом, высота дополнительной цилиндрической секции выбирается в диапазоне

0,175-1,0 м, что составляет 1-6 крат ную длину, проходимую каплей за один период роста присоединенного кормового вихря.

Возможности новой рвспылительной колонны в достижении указанной цели по сравнению с колонной Элджина показаны на примере теплообменной распылительной колонны в сопоставимых услови- . ях. Размеры, физические свойства фаз, расходы и температурные профили фаз для колонны Элджина приняты в соответст вии с экспериментальными данными.Для новой распылительной колонны выбраны те же размеры, физические свойства фаз.Температура сплошной (нагреваемой) фазы на выходе из колонны и на входе в колонну в обоих случаях одинакова. Сравнение ведется по температуре диспергируемого теплоносителя на входе в колонну. Температурные профили фаз в новой колонне определены с учетом экспериментальных значений коэффициентов значений коэффициентов межфазного теплообмена. Основные параметры, при которых производится сравнение обеих колонн, сл едующи е

Сплошная (нагреваемая) фаза Вода

Дисперсная (греющая) фаза

Отношение объемных расходов фаз 2,5

Объемная концентрация дисперсной фазы,% 22

Диаметр капель, мм 3,5

Высота рабочей зоны теплообмена, м

Температура сплошной фазы: на входе в колонну, С 32,5 о о на выходе из колонны, С 40,3.

7 1079 ной и сплошной фаз соответственно по высоте распылительной колонны известной конструкции; кривые 3 и 4 — распределение температуры дисперсной и сплошной фаз соответственно по высоте ко- 5 лонны предлагаемой конструкции. На фиг.

3 следует, что в новой распылительной колонне разность между температурой диспергированного теплоносителя на входе в колонну и температурой сплошной фазы на выходе из колонны в 7,8 раза меньше, чем соответствукццая разность температур в колонне Элджина, что соответствует снижению температуры теплоносителя на входе в колонну на 12%. 5

Применение данной конструкции распылительной колонны в качестве тепло266 8 обменного аппарата позволяет снизить температуру диспергируемого теплоносителя на входе в колонну без изменения температуры нагреваемой среды.

Это дает возможность применять ниэкопотенциальные йсточники нагрева теп° лоносителя, например пар низких параметpob испарительного охлаждения или отборный пар турбин, что дает экономию .топлива в народном хозяйстве.

Применение данной конструкции рас-

° пылительной колонны в качестве эктрактора позволяет снизить степень регенерапии диспергируемого экстрагента на ироде в колонну без уменьшения степени экстрагирования, что снижает экономиче- ские расходы на регенерацию..

/00

700

40 (Ъ

30 )

1

ro

Ь

О

ЮР

ФДР 900

Уе

q .z

1079266

-г, фыГ5

Составитель A. Миронов

Редактор Г. Гербер Техред Т.Дубинчак Корректор А.Понх

Заказ 1 200/4 Тираж 682 П одпис но е

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и oTKpbTTHA

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

Филиал ППП "Патент", г. Ужгород, ул. Проектная, 4