Газожидкостный аппарат

 

Предлагаемое изобретение относится к области конструирования газожидкостных аппаратов химической и микробиологической технологии и может быть использовано в химической, нефтехимической, микробиологической , пищевой и других Отраслях промышленности для проведения газожидкостных химических реакций, процессов абсорбции, десорбции, ферментации на газовом питательном сырье. Его применение наиболее целесообразно в процессах , протекающих со значительным тепловым эффектом при невысоких расходах газовой фазы, когда газ представляет собой ценный реагент и должен быть использован практически полностью. Изобретение позволяет повысить равномерность распределения газовой фазы по трубам и снижение затрат энергии путем уменьшения гидравлического сопротивления аппарата . Это достигается тем, что вставки расположены в барботажных трубах выше уровня отверстий для входа газа, при этом расстояние по вертикали от осевой линии указанных отверстий до середины цилиндрического участка вставки составляет 1,0- 1,5 диаметра барботажной трубы. По сравнению с аппаратом-прототипом, предлагаемый аппарат позволяет существенно улучшить равномерность распределения газовой фазы по трубам и снизить затраты энергии на 20-30%. 2 ил. сл

союз соВетских

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (я)5 В 01 J 10/00

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4888200/26 (22) 25.09.90 (46) 07.07.92. Бюл. N 25 (71) Ленинградский технологический.институт им, Ленсовета (72) М.А.Яблокова, С.Г.Метелица и B,Н.Соколов (53) 66,023 (088.8) (56) Авторское свидетельство СССР

N 129643, кл. В 01 J 10/00, 1960.

Авторское свидетельство СССР

N 1389837, кл. В 01 J 10/00, 1968, (54) ГАЗОЖИДКОСТН Ы Й АППАРАТ (57) Предлагаемое изобретение относится к области конструирования газожидкостных аппаратов химической и микробиологической технологии и может быть использовано в химической, нефтехимической. микробиологической, пищевой и других отраслях промышленности для проведения газожидкостных химических реакций, процессов абсорбции, десорбции, ферментаИзобретение относится к области конструирования газожидкостных аппаратов химической и микробиологической технологии и может быть использовано в химической, нефтехимической, микробиологической, пищевой и других отраслях промышленности для проведения газожидкостных химических реакций, процессов абсорбции, десорбции, ферментации на газовом питательном сырье, применение наиболее целесообразно в процессах, протекающих со значительным тепловым эффектом при невысоких расходах газовой фазы, когда газ представляет собой ценный реагент и должен быть использован практически полностью.

ÄÄ5Q ÄÄ 1745329А1 ции на газовом питательном сырье, Его применение наиболее целесообразно в процессах, протекающих со значительным тепловым эффектом при невысоких расходах газовой фазы, когда газ представляет собой ценный реагент и должен быть использован практически полностью. Изобретение позволяет повысить равномерность распределения газовой фазы по трубам и снижение затрат энергии путем уменьшения гидравлического сопротивления аппарата. Это достигается тем, что вставки расположены в барботажных трубах выше уровня отверстий для входа газа, при этом .расстояние по вертикали от осевой линии указанных отверстий до середины цилиндрического участка вставки составляет 1,0—

1,5 диаметра барботажной трубы. По сравнению с аппаратом-прототипом, предлагаемый аппарат позволяет существенно улучшить равномерность распределения газовой фазы по трубам и снизить затраты энергии на 20 — 30%. 2 ил.

Известен газожидкостной кожухотрубный реактор-теплообменник для проведения экзо- и эндотермических реакций при контактировании газа с жидкостями. Аппарат выполнен в виде корпуса круглого сечения, в котором параллельно друг другу, расположены реакционные ячейки в. виде барботажных труб, нижние концы которых выведены под трубную решетку в днище аппарата и имеют круглые отверстия для прохода газа в реакционные ячейки. В днище аппарата расположены штуцеры для подвода газовой и жидкой фаз из соответствующих трубопроводов, в корпусе аппарата — штуцеры для подвода и отвода теплоносителя, в крышке аппарата — штуцеры для от1745329 вода готового продукта. В качестве трубопровода для циркуляции жидкости используется центральная циркуляционная труба.

Газовая фаза. подаваемая в днище аппарата под трубную решетку, образует газовую подушку и затем через отверстия в нижней части барботажных труб поступает в реакционные ячейки, где образуется газожидкостная смесь, За счет разности плотностей жидкости в циркуля цион ной трубе и реакционных ячейках в аппарате происходит циркуляция жидкости. Отвод (подвод) теплоты реакции осуществляется хладагентом (теплоносителем}, подаваемым в межтрубное пространство.

Недостаток аппарата заключается в том, что газовая фаза, проникая через отверстия в барбота>кных трубах во внутренний объем реакционной ячейки, дробится на пузыри, имеющие достаточно крупные размеры, не зависящие от диаметра отверстий, Вследствие этого в аппарате указанной конструкции не удается достичь высокоразвитой поверхности контакта фаз, определяющей интенсивность процесса массопереноса.

Наиболее близким к предлагаемому аппарату по технической сущности и достигаемому результату является газожидкостной химический реактор с принудительной циркуляцией жидкости и цилиндроконическими вставками в барботажных трубах. Реактор включает корпус с крышками, циркуляционную трубу, насос, штуцеры для ввода и вывода фаэ и теплоносителя, трубные решетки с установленными в них барботажными трубами, нижние концы которых выведены под нижнюю трубную решетку и имеют отверстия для входа газа. Барботажные трубы снабжены установленными в их нижней части вставками, BblnoflHGHKblMvl в виде двух конусов, обращенных друг к другу основаниями и соединенных посредством цилиндрического участка, площадь сечения которого составляет 0,9-0,95 площади сечения барботажной трубы, при атом цилиндрический участок вставки расположен на уровне отверстий для входа газа и имеет высоту, равную 4 — 5 их диаметрам, углы при вершинах нижнего и верхнего конусов составляют соответственно 40 — 60 и 10 — 20О.

Жидкость вводится в аппарат под нижнюю трубную решетку с помощью насоса и, заполнив трубное пространство, сливается через штуцер, расположенный над верхней трубной решеткой. При подаче в реактор газа под нижней трубной решеткой образуется газовый слой, отжимающий жидкость вниз до тех пор, пока не откроются отверстия в нижних концах труб, и газ не устре5

55 мится в барботажные трубы, Восходящий поток жидкости, создаваемый в барботажных трубах насосом, в области расположения газораспределительных отверстий подвергается сначала резкому сужению вставками, а затем плавному расширению.

При прохождении вблизи газораспределительных отверстий поток жидкости имеет максимальную скорость, В результате в зазоре между стенкой барботажной трубы с отверстиями и вставкой происходит дробление газа за счет сдвиговых напряжений жидкости. Образуется газожидкостная смесь с развитой поверхностью контакта фаз. Плавное расширение потока газожидкостной смеси. обеспечиваемое конической формой верхней части вставки, уменьшает коалесценцию мелких пузырей газа в крупные. Поднимаясь в барботажных трубах, газовые пузыри растворяются в жидкости, Непрореагировавший газ отделяется от жидкости в пространстве над верхней трубной решеткой и выводится из аппарата через штуцер в его верхней крышке. Жидкость по выносной циокуляционной rpyGe возвращается в реактор с помощью насоса. Для снятия или подвода теплоты в межтрубное пространство аппарата подав"ся теплоноситель.

Одним из недостатков известного аппарата является недостаточно равномерное распределение подаваемой газовой фазы по барботажным трубам. В таком реакторе роль газораспределительного устройства выполняют нижние концы барботажных труб с отверстиями в их стенках. Равномер-. ность распределения газа по трубам может быть гарантирована только достаточно большой высотой газового слоя под нижней трубной решеткой.

В известном аппарате, где вставки расположены своей цилиндрической частью непосредственно напротив газораспределительных отверстий, истинная скорость жидкости в сечении, суженном вставкой, на порядок выше, чем в аппарате без вставок. Выше и потери напора на участке трубы ниже отверстий из-за сужения потока жидкости нижней конической частью вставки. Все зто приводит к значительному уменьшению высоты газовой подушки по сравнени1о с высотой подушки в аппарате без вставок, отчего существенно ухудшается равномерность распределения газа по барботажным трубам.

Также недостатком известного аппарата является его высокое гидравлическое сопротивление, которое приводит к большим затратам энергии насоса на циркуляцию жидкости. Высокое гидравлическое сопротивление циркуляционного контура аппара1745329

30

55 та обусловлено большими потерями давления потока на вставках как на местных сопротивлениях. Газ, подаваемый в самое. узкое сечение барботажных труб (зазор между стенкой и цилиндрической частью вставки) перпендикулярно потоку жидкости. в значительной мере запирает и без того малый зазор и увеличивает его гидравлическое сопротивление. Эксперименты показывают, что в аппарате описанной конструкции потери давления при прохож.дении вставок достигают Л Р = 6,8 кПа (при скорости жидкости в зазоре 9 м/с), что намного превышает расчетные потери давления при обтекании цилиндроконических вставок, Целью изобретения является повышение равномерности распределения газовой фазы по трубам и снижение затрат энергии. путем уменьшения гидравлического сопротивления аппарата.

Указанная цель достигается тем, что вставки расположены в барботажных трубах выше уровня отверстий для входа газа, при этом расстояние по вертикали от осевой линии указанных отверстий до середины цилиндрического участка вставки составляет

1,0-.1,5 диаметра барботажной трубы.

Аппарат позволяет, сохраняя преимущество прототипа — высокую интенсивность массопереноса, обусловленную наличием цилиндроконических вставок, добиваться в то же время равномерного распределения газа по барботажным трубам. Это достигается установкой вставок выше уровня отверстий для входа газа. При этом сечение трубы на уровне отверстий остается свободным, и истинная скорость жидкости в этом сечении остается такой же, как и в обычном аппарате без цилиндроконических элементов. Из этоto следует, что высота газовой подушки в заявленном аппарате будет такой же, как и в аппарате без вставок, Возможность подбора такой скорости газа, при которой высота газовой подушки в аппарате без вставок будет достаточной для обеспечения равномерного распределения газа по трубам, доказана промышленной практикой использования таких аппаратов. Следовательно, заявляемая конструкция также гарантирует равномерное и устойчивое газораспределение.

Установка вставок выше уровня отверстий для входа газа позволяет уменьшить потери давления при прохождении газожидкостным потоком участка барботажной трубы с цилиндроконическим элементом.

При установке вставок напротив газораспределительных отверстий (как в аппарате прототипе) газ вынужден совершать непосредственно в зазоре внезапный поворот на

90О, что стесняет поток жидкости и увеличивает гидравлическое сопротивление барботажных труб аппарата. Расположение вставки на расстоянии от оси отверстий, равном (1,0 — 1,5) внутреннего диаметра (dg) барботажной трубы, по данным эксперимента, позволяет уменьшить потери давления на вставках в 1,2 — 1,3 раза.

При расстоянии от осевой линии отверстий до середины цилиндрического участка вставки, меньшем 1,0 бь, поступающий газ не успевает равномерно распределиться по сечению трубы до того, как попадает в область сужения, что приводит к повышенным потерям давления на участке со вставкой.

При подъеме вставки относительно отверстий на высоту более 1.506 гидравлическое сопротивление вставки остается таким же, как и на высоте (1,0 — l,5)dü, однако дальнейшее увеличение укаэанного расстояния нецелесообразно. В этом случае в трубах под вставками образуются большие области с пузырями крупных размеров, не вносящие существенного вклада в массоперенос, и нижняя часть барботажных труб работает неэффективно, Пример, При установке вставок в барботажной трубе диаметром 100 мм непосредственно напротив газораспределительных отверстий (как в аппарате-прототипе) при приведенных скоростях в зазоре жидкости 9,0 м/с и газа 8 м/с потери давления в жидкостном потоке при прохождении вставки составили Л P =

=6,8 кПа, При подъеме вставки на высоту Н

= 50 мм (0,5бь), Ь P = 5,0 кПа. При Н = 100 мм (1бь) и 150 мм (1,5сЬ) потери давления были минимальными и составляли 4,5 кПа, Таким образом, расположение вставок выше уровня отверстий для входа газа на

1,0 — 1,5 диаметра барботажной трубы приводит к уменьшению потерь давления в тру-. бах на 20 — 30% по сравнению с аппаратом-прототипом. Соответственно на

20 — 30% снижаются затраты энергии на циркуляцию жидкости с помощью насоса.

На фиг.1 изображен газожидкостный аппарат; на фиг.2 — узел I на фиг.1.

Аппарат состоит из вертикального цилиндрического корпуса 1, нижней крышки 2 и.увеличенной по высоте верхней крышки 3, где происходит отделение непрореагировавшего газа от жидкости. В трубных решетках 4 закреплены барботажные трубы 5, удлиненные концы которых выведены под нижнюю трубную решетку и имеют газораспределительные отверстия 6 в стенках, расположенные на одном уровне. В

1745329 линдрической частью вставки происходит 40 тонкое дробление газа в потоке жидкости. В зазоре и на выходе иэ него образуется тонкодисперсная газожидкостная смесь с развитай поверхностью контакта фаз. Плавное расширение потока газожидкостнай смеси, обеспечиваемое конической формой верхней части вставки, предотвращают коалесценцию мелких пузырьков газа в крупные, барбатажных трубах 5 выше уровня отверстий 6 установлены специальные вставки 7, представляющие собой тела вращения, состоящие из двух конусов с противоположно направленными вершинами и равными основаниями, соединенными цилиндрической частью, площадь сечения которой составляет 0,9 — 0,95 площади сечения барботажной трубы. Расстояние по вертикали от осевой линии газораспределительных отверстий до вершины нижнего конуса составляет 1,0—

1,5 диаметра барбатажной трубы. Углы при вершинах нижнего и верхнего конусов составляют соответственно 40-60 и 10-20О

Аппарат снабжен выносной циркуляционнай трубой 8, насосом 9, штуцерами 10-15 для ввода и вывода реагирующих фаз и теплоносителя (хладагента), Аппарат работает следующим образом.

Жидкость с помощью насоса 9 вводится в аппарат через штуцер 10 и, заполнив трубное пространство, сливается через штуцер

11. При подаче в реактор газа по штуцеру 12 под нижней трубной решеткой 4 образуется газовый слой, отжимающий жидкость вниз до тех пар, пока не откроются газораспределительные отверстия 6 в нижних, концах труб 5, Газ устремляется в барботажные трубы и достаточно равномерно распределяется па их сечениям. Восходящий поток жидкости, создаваемый в барботажных трубах насосом 9, подхватывает газовую фазу, поступающую через отверстия 6, Образовавшийся поток газожидкостнай смеси в области расположения цилиндроконических вставок подвергается сначала резкому сужению, а затем — плавному расширению. За счет больших сдвиговых напряжений в зазоре между стенкой барботажной трубы и ци5

Поднимаясь в барбатажных трубах, мелкие пузыри быстро растворяются в жидкости, что способствует наиболее полному использованию газа в реакции, Нерастворившийся газ отделяется от жидкости в пространстве над верхней трубной решеткой, выполняющем роль сепаратора, и выводится из аппарата через штуцер 13. Жидкость через штуцер 11 по выносной циркуляционной трубе 8 возвращается в аппарат с помощью насоса 9. Для снятия или подвода теплоты процесса в межтрубное пространство может быть подан теплоноситель, который вводится в аппарат и выводится иэ него соответственно через штуцеры 14 и 15.

По сравнению с известным предлагаемый аппарат позволяет существенно улучшить равномерность распределения газовой фазы по трубам и снизить затраты энергии на 20 — 30%, Формула изобретения

Газожидкостный аппарат, включающий цилиндрический корпус с крышками, циркуляционную трубу, насос, штуцеры для ввода и вывода фаз и теплоносителя, трубные решетки с установленными в них барботажными трубами, нижние концы которых имеют отверстия для входа газа и выведены под нижнюю трубную решетку, вставки в йижней части барботажных труб, выполненные в виде двух конусов, нижнего и верхнего, с углами при вершинах соответственно 4060 и 10-20, обращенных друг к другу основаниями и соединенных посредством цилиндрического участка, площадь сечения которого составляет 0,9-0,95 площади сечения барботажной трубы, отличающийся тем, что, с целью повышения равномерности распределения газовой фазы по трубам и снижения затрат энергии путем уменьшения потерь давления в аппарате, вставки расположены в барботажных трубах выше уровня отверстий для входа газа, при этом расстояние по вертикали от осевой линии указанных отверстий до середины цилиндрического участка вставки составляет 1,01,5 диаметра барботажной трубы.

1745329

Составитель M.ßáëoêîaà .Техред M.Ìîðãåíòàë Корректор Э.Лончакова

Редактор О. Головач

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101

Заказ 2343 . Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

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