Массообменная колонна

 

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. Цель изобретения повышение эффективности массообмена при взаимодействии между большими объемами газа (пара) и малыми объемами жидкости за счет организованного направленного движения жидкости в слое насадки на решетке по модели идеального вытеснения в горизонтальной плоскости так, чтобы слив жидкости через перфорации решеток происходил сосредоточенно локально, а не рассредоточено по всему сечению решетки. Для этого в массообменной колонне, включающей вертикальный аппарат круглого сечения, внутри которого поярусно установлены перфорированные решетки, на которых расположена слоями насадка, перфорированные решетки установлены наклонно под острым углом к горизонтали поочередно в диаметрально противоположные стороны, перфорации решеток выполнены в виде арочных прорезей выпуклостью вверх с осями, направленными в сторону наклона решеток, перфорированные решетки установлены на распорные эллиптические разрезные кольца, к концам 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. 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 этой массообменной колонны является невысокая 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.

Наиболее близкой к изобретению является массообменная колонна, включающая вертикальный аппарат круглого сечения, внутри которого поярусно установлены перфорированные решетки, на которых расположена слоями насадка [2] Недостатком такой массообменной колонны при взаимодействии больших объемов газа (пара) и малых объемов жидкости является 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 массообмена слоя насадки на решетке равна локальной эффективности массообмена, что, как известно, является минимальной возможной эффективностью массообмена.

Цель изобретения повышение эффективности массообмена при взаимодействии между большими объемами газа (пара) и малыми объемами жидкости за счет организованного направленного движения жидкости в слое насадки на решетке по модели идеального вытеснения в горизонтальной плоскости так, чтобы слив жидкости через перфорации решеток происходил сосредоточенно локально, а не рассредоточенно по всему сечению решетки.

Для этого в массообменной колонне, включающей вертикальный аппарат круглого сечения, внутри которого поярусно установлены перфорированные решетки, на которых расположена слоями насадка, перфорированные решетки установлены наклонно под острым углом к горизонтали поочередно в диаметрально противоположные стороны, перфорации решеток выполнены в виде арочных прорезей выпуклостью вверх с осями, направленными в сторону наклона решеток, перфорированные решетки установлены на распорные эллиптические разрезные кольца, к концам 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 А-А на фиг. 1; на фиг. 3 разрез Б-Б на фиг. 2; на фиг. 4 разрез В-В на фиг. 2; на фиг. 5 разрез Г-Г на фиг. 1; на фиг. 6 разрез Д-Д на фиг. 5; на фиг. 7 разрез Е-Е на фиг. 5.

Массообменная колонна (фиг. 1-7) содержит вертикальный цилиндрический корпус 1 с поярусно установленными по высоте перфорироваными решетками 2, наклоненными под острым углом к горизонтали поочередно в диаметрально противоположные стороны, перфорации решеток 2 выполнены в виде арочных прорезей 3 с осями, направленными в сторону наклона решеток 2, решетки 2 опираются на распорные эллиптические разрезные кольца 4, к концам которых прикреплены упорные пластины 5 и 6, к одной (пластине 5) из которых прикреплен упорный винт 7, проходящий свободно в отверстие другой пластины 6, по обе стороны которой на упорный винт 7 навинчены гайки 8 и 9 так, что гайка 8 между упорными пластинами навинчена до упора в пластину 6 и распорное эллиптическое кольцо 4 плотно прижато к внутренним стенкам колонны, в результате чего кольцо 4 может принимать опорные нагрузки решетки 2 со слоем насадки. Ось упорного винта 7 распорного эллиптического кольца 4 смещена внутрь окружности распорного кольца 4 и вниз относительно плоскости распорного кольца 4. На каждую перфорированную решетку 2 засыпан слой насадки 10. При использовании эллиптических распорных колец в качестве опор для решеток 2 не потребуются какие-либо крепежные элементы на внутренних стенках колонны, что значительно упрощает конструкцию колонны, а также монтаж решеток и засыпку слоя насадки 10 на решетки 2.

Массообменная колонна работает следующим образом.

Газ (пар) поступает в корпус 1 колонны (фиг. 1-7) снизу и движется вверх, проходит через арочные прорези 3 решеток 2 и слой насадки 10, контактируя с жидкостью, находящейся на решетке 2 со слоем насадки, причем жидкость поступает на приподнятую часть самой верхней решетки 2 со слоем насадки 10 и стекает в диаметральном направлении в сторону уклона решетки 2, откуда через арочные прорези 3 решетки 2 стекает на слой насадки 10 в самой приподнятой части нижерасположенной решетки 2 и т.д. Жидкость движется в слое насадки 10 на решетке 2 под действием сил тяжести и наклона решетки 2, а также под действием потока струй газа (пара), выходящих из арочных прорезей 3 решетки 2, направленных в сторону наклона решетки, при этом при прохождении газа (пара) через арочные прорези 3 жидкость не может через эти прорези сливаться с решетки 2, в результате под действием всех сил жидкость движется только в направлении наклона решетки 2 по модели, близкой к модели идеального вытеснения в плоскости, параллельной плоскости решетки, или в горизонтальной плоскости, так как острый угол наклона решеток к горизонтали невелик. В самой нижней части решетки 2 у стенки колонны происходит накопление жидкости и образование гидростатического слоя жидкости, которая проникает через арочные прорези 3 и сливается у стенки колонны на слой насадки 10 приподнятой части нижерасположенной решетки 2 и т.д. Естественно, что при накоплении жидкости на нижней части решетки 2 газ (пар) не может пройти через арочные прорези 3 со слоем жидкости, так как при этом следует преодолеть газу (пару) гидростатический слой жидкости, который отсутствует в остальной части решетки 2, куда и направляется газ (пар) согласно закону сопротивления. В результате происходит упорядоченное распределение потоков газа (пара) и жидкости в слоях насадки 10 на наклонных решетках 2, причем газ (пар) движется через слой насадки на решетках 2 по модели идеального вытеснения, а жидкость движется попеременно в диаметрально противоположных направлениях на смежных решетках 2 по модели, близкой к модели идеального вытеснения в горизонтальной плоскости, при полном перемешивании жидкости по высоте слоя насадки 10 на решетке 2, при этом, как известно, достигается максимальная эффективность массобмена контактной ступени.

Поскольку предлагаемая колонна предназначена для взаимодействия больших объемов газа (пара) и малых объемов жидкости, то сечения арочных прорезей 3 в нижней части решетки 2 достаточно для регулярного слива всей жидкости с решетки 2, так как в колоннах с провальными решетками (тарелками) жидкость и газ (пар) проходят через одни и те же отверстия и при больших нагрузках по жидкости и газу (пару).

Наряду с повышением эффективности массообмена предлагаемой массообменной колонны по сравнению с прототипом обеспечивается также увеличение производительности по газу (пару) и жидкости за счет наличия сепарационного пространства над слоями насадки 10 на решетках, в результате чего скорость газа (пара) в полном сечении может быть выше, чем в обычной насадочной колонне в условиях эмульгирования при сопоставимых условиях, что во всех случаях без исключения подтверждено экспериментально.

Технические преимущества предлагаемой массообменной колонны по сравнению с прототипом 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. Кроме того, повышается четкость разделения колонны и, следовательно, чистота и качество продуктов разделения, уменьшается необходимое флегмовое число для разделения смесей ректификацией, что выражается в уменьшении расхода тепла (греющего водяного пара из котельной).

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

Экономическую выгоду предлагаемого изобретения 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 равно 14 при рабочем флегмовом отношении R_n 2,49, минимальное флегмовое отношение равно R_min 1,247. Повышение эффективности массообмена колонны на 10% соответствует увеличенному числу теоретических тарелок, равному 15,4. Такая эффективность при заданных тех же концентрациях целевых продуктов обеспечивается при меньшем отношении, равном R₃ 2,2.

Уменьшение количества греющего пара определяется по модифидицированному уравнению теплового баланса для двух рассмотренных вариантов D_λп= 4300, D_λз= 4140, где D , D количество водяного пара, расходуемое при флегмовых числах R_n и R₃ соответственно, т.е. для прототипа и предлагаемого объекта, кг/ч; G_d количество отбираемого дистиллята, кг/ч; r скрытая теплота конденсации водяного пара, Дж/кг; r_d скрытая теплота испарения дистиллята, Дж/кг. Экономия водяного пара на одной колонне составляет ΔD D D = 4300- 4140 160 кг/ч.

Для реализации предлагаемой колонны 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.

Формула изобретения

МАССООБМЕННАЯ КОЛОННА, включающая вертикальный аппарат круглого сечения, внутри которого поярусно установлены перфорированные решетки, на которых расположена слоями насадка, отличающаяся тем, что перфорированные решетки установлены наклонно под острым углом к горизонтали поочередно в диаметрально противоположные стороны, перфорации решеток выполнены в виде арочных прорезей выпуклостью вверх с осями, направленными в сторону наклона решеток, перфорированные решетки установлены на распорные эллиптические разрезные кольца, к концам 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.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7