Массообменная колонна с низким гидравлическим сопротивлением

 

Использование: для прцесса абсорбции, ректификации, промывки газов и может найти применение в химической, нефтехимической, газовой и других отраслях промышленности. Цель изобретения - повышение эффективности массообмена, увеличение производительности по газу /пару/ с одновременным уменьшением гидравлического сопротивления потоку газа /пара/. Сущность изобретения: в массообменной колонне, включающей вертикальный цилиндрический корпус с поярусно расположенными перфорированными решетками по высоте колонны и слоями насадки на решетках, решетки выполнены в виде наклонных ступеней поочередно в диаметрально противоположных направлениях в смежных по высоте решетках, смежные ступени решеток в плане перекрывают друг друга, задние и боковые кромки ступеней по направлению уклона решетки имеют отбортовки вверх для задержки жидкости, каждая ступень решетки выполнена с наклоном под острым углом к горизонтали в сторону наклона решетки, в ступенях выполнены арочные прорези выпуклостью вверх с осями, направленными в сторону уклона ступенчатой решетки вертикально установлены с плотной укладкой элементы одинаковой высоты винтовой насадки из полимерных материалов. Наклонная ступенчатая решетка с арочными прорезями в ступенях и зазоры между ступенями для прохода газа /пара/ обеспечивают увеличение свободного сечения решетки и уменьшение гидравлического сопротивления потоку газа /пара/. 7 ил.

Изобретение относится к конструкциям массообменных колонн насадочного типа для систем газ(пар) жидкость, предназначенным для процессов абсорбции, ректификации, промывки газов, и может найти применение в химической, нефтехимической, газовой и других отраслей 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 известной массообменной колонны является недостаточно высокая эффективность массообмена из-за неpавномеpности распределения жидкости по поперечному сечению слоя насадки в колонне в зависимости от диаметра колонны и особенно в колоннах больших диаметров при высоких удельных нагрузках по жидкости газу (пару).

Наиболее близкой к предлагаемой по технической сущности и достигаемому эффекту является массообменная колонна, включающая вертикальный аппарат круглого сечения, внутри которого поярусно установлены перфорированные решетки, на которых расположена слоями насадка [2] Недостатком известной массообменной колонны при взаимодействии газа (пара) с большими объемами 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 минимально возможной эффективностью массообмена. Кроме того, при нагрузках по газу (пару) и жидкости, близких к режиму эмульгирования (захлебывания), в колонных больших диаметров и при больших высотах сплошного слоя насадки наряду с неравномерностью поперечного распределения газа (пара) и жидкости по сечению колонны возникает продольное перемешивание газа (пара) и особенно жидкости, байпасирование потоков и каналообразование, что кроме отрицательного влияния на эффективность массообмена приводит к резкому возрастанию гидравлического сопротивления потоку газа (пара), что является одним из существенных недостатков известной массообменной колонны.

Цель изобретения повышение эффективности массообмена, увеличение производительности по газу (пару) с одновременным уменьшением гидравлического сопротивления потоку газа (пара).

Это достигается тем, что в массообменной колонне, включающей вертикальный цилиндрический корпус с поярусно расположенными перфорированными решетками по высоте колонны и слоями насадки на решетках, решетки выполнены в виде наклонных ступеней поочередно в диаметрально противоположных направлениях в смежных по высоте решетках, смежные ступени решеток в плане перекрывают друг друга, задние и боковые кромки ступеней по направлению уклона решетки имеют отбортовки вверх для задержки жидкости, каждая ступень решетки выполнена c наклоном под острым углом к горизонтали в сторону наклона решетки, в ступенях выполнены арочные прорези выпуклостью вверх с осями, направленными в сторону уклона ступенчатой решетки, на наклонные ступенчатые решетки вертикально установлены с плотной укладкой элементы одинаковой высоты винтовой насадки из полимерных материалов, например, винтовая насадка, изготовленная из полимерных материалов методом экструзии, перфорированные ступенчатые 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.

Не известны технические решения, включающие признаки, изложенные в отличительной части формулы изобретения, поэтому предлагаемая массообменная колонна по нашему мнению обладает существенными отличиями.

На фиг.1 схематически представлена массообменная колонна, продольный разрез; 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 вид Д-Д на фиг. 5; на фиг.7 вид Е-Е на фиг.5.

Массообменная колонна с низким гидравлическим сопротивлением (фиг.1-7) содержит вертикальный цилиндрический корпус с поярусно расположенными перфорированными решетками 2 по высоте колонны, выполненными в виде наклонных ступеней 3 поочередно в диаметрально противоположных направлениях в смежных по высоте решетках 2, смежные ступени 3 решеток 2 в плане перекрывают друг друга, задние и боковые кромки ступеней 3 по направлению уклона решетки 2 имеют отбортовки 4 вверх для задержки жидкости, каждая ступень 3 решетки 2 выполнена с наклоном под острым углом к горизонтали в сторону наклона решетки 2, в ступенях 3 выполнены арочные прорези 5 выпуклостью вверх с осями, направленными в сторону уклона ступенчатой решетки 2, на наклонные ступенчатые решетки 2 вертикально установлены с плотной укладкой элементы одинаковой высоты винтовой насадки 6 из полимерных материалов, решетки 2 опираются на распорные эллиптические разрезные кольца 7, к концам которых прикреплены упорные пластины 8 и 9, к одной 8 из которых прикреплен упорный винт 10, проходящий свободно в отверстие другой пластины 9, по обе стороны которой на упорный винт 10 навинчены гайки 11 и 12 так, что гайка 11 между упорными пластинами навинчена до упора в пластину 9 и распорное эллиптическое кольцо 7 плотно прижато к внутренним стенкам колонны 1, в результате чего кольцо 7 может принимать нагрузки решетки 2 со слоем винтовой насадки 6. Ось упорного винта 10 распорного эллиптического кольца 7 смещена внутрь окружности распорного кольца 7 и вниз относительно плоскости распорного кольца 7 для предупреждения выступания упорных пластин 8 и 9 с упорным винтом 10 в место нахождения ступеней 3 решеток 2. К распорному эллиптическому кольцу 7 прикреплены крепежные шпильки 13 для крепления элементов распределительных решеток 2.

Массообменная колонна с низким гидравлическим сопротивлением работает следующим образом.

Газ (пар) поступает в корпус колонны 1 (фиг.1-7) снизу и движется вверх, проходит через арочные прорези 5 в ступенях 3 и между отдельными ступенями 3 в слой винтовой насадки 6, контактирует при этом с жидкостью и увлекает ее, в результате происходит образование газо(паро)-жидкостной эмульсии с высокоразвитой межфазной поверхностью массообмена, при этом происходит перекрестное движение газа (пара) и жидкости, газ (пар) движется вверх практически по модели идеального вытеснения, а жидкость движется в слое насадки 6 на наклонной решетке 2 в диаметральном направлении по модели, близкой к модели идеального вытеснения при полном перемешивании по высоте слоя насадки 6, при высоких скоростях газа (пара), близких к режиму эмульгирования (захлебывания), так как при малых нагрузках по газу (пару) и жидкости, далеких от режима эмульгирования (захлебывания) использование предлагаемой массообменной колонны не имеет практического смысла. В условиях работы жидкость поступает в приподнятую часть решетки 2 со слоем насадки 6 и движется в слое насадки 6 по направлению уклона решетки 2 и стекает в нижней опущенной части решетки 2 через арочные прорези 5 в ступенях 3 и между ступенями 3 вниз на слой насадки 6 в возвышенную часть решетки 2 нижерасположенной решетки 2 и т.д. при этом в самой нижней части каждой решетки 2 со слоем насадки 6 накапливается статический слой жидкости, который по величине больше, чем в более возвышенных слоях насадки 6 вследствие уклона решеток 2, то в самых нижних частях слоя насадки 6 жидкость стекает вниз через арочные прорези 5 в ступенях 3 и между степенями 3, а через эти же прорези 5 и между ступенями 3 в более возвышенных частях решетки 2 проходит вверх газ (пар), а жидкость перемещается через слой насадки 6 по направлению уклона решетки 2, при этом попадающая жидкость на ступени 3 увлекается газом (паром), выходящим из арочных прорезей 5, а слив жидкости через задние или боковые кромки ступеней 3 препятствуют отбортовки 4 в ступенях 3.

Предлагаемая массообменная колонна в отличие от прототипа предназначена повысить эффективность массообмена, увеличить производительность и снизить гидравлическое сопротивление потоку газа (пара) при сопоставимых условиях.

Повышение эффективности массообмена обеспечивается за счет секционирования слоя насадки по высоте установкой поярусно наклонных решеток по высоте колонны. При этом появляются дополнительные концевые эффекты, качественное воздействие которых на массообмен известно. Кроме того, предупреждается явления продольного байпассирования потоков газа (пара) и жидкости и каналообразования в потоках по высоте колонны, сильно снижающие эффективность массообмена. Благоприятные структуры потоков жидкости и газа (пара) в секциях при оптимальных нагрузках по фазам обеспечивают максимальную эффективность массообмена, так как газ (пар) движется через слой насадки в секции по модели идеального вытеснения, а жидкость движется по модели близкой к модели идеального вытеснения в диаметральном направлении слоя насадки в секции при полном перемешивании по высоте слоя насадки, причем если полного перемешивания жидкости по высоте слоя насадки не происходит, то от этого эффективность не снижается, а наоборот возрастает, что обеспечивает некоторый запас гарантии предполагаемой физической модели процесса массообмена в секции.

Увеличение производительности предлагаемой массообменной колонны за счет секционирования обеспечивается образованием над каждой секцией сепарационного пространства, которые компенсируют превышения нагрузок по газу (пару) и жидкости и явления захлебывания, при этом допускается работа предлагаемой массообменной колонны постоянно при нагрузках по газу (пару) и жидкости, превышающих нагрузке при режиме эмульгирования (захлебывания).

Снижение гидравлического сопротивления потоку газа (пара) предлагаемой массообменной колонны по сравнению с прототипом обеспечивается прежде всего тем, что уменьшается общая высота слоя насадки в предлагаемой колонне, а следовательно, и уменьшается гидравлическое сопротивление пропорционально уменьшен- ной высоте слоя насадки. Но в предлагаемой колонне увеличивается гидравлическое сопротивление дополнительно устанавливаемые распределительные решетки, гидравлическое сопротивление которых может оказаться большим, чем высота слоя насадки, на которую уменьшалась массообменная колонна за счет образования сепарационного пространства над секциями. Однако гидравлическое сопротивление распределительной решетки подобрано таким по величине за счет увеличения свободного сечения решеток, чтобы этим обеспечить уменьшение общего гидравлического сопротивления массообменной колонны по сравнению с прототипом при сопоставимых условиях.

Уменьшение гидравлического сопротивления решетки 2 обеспечивается за счет наклона решетки и образования просветов по вертикали между ступенями 3 решетки 2. При этом увеличение свободного сечения решетки увеличивается на величину свободного сечения просветов по вертикали между ступенями F_п, которое определяется как тангенс результирующего угла наклона решетки 2 tg (α-γ) F_п, (1) где α угол наклона решетки 2 к горизонтали, град. м; γ угол наклона ступеней к горизонтали, град.

Суммарное свободное сечение решетки F_р будет равно F_р F_с + F_п, (2) где F_с свободное сечение арочных прорезей 5, которое может составить около 35% (0,35 доли).

Если принять, что F_п tg ( α-γ) может быть 0,15-0,2. то суммарное свободное сечение решеток может достигнуть величины F_р F_c + F_п 0,35 + 0,2 0,55, что приближается к свободному объему насадки.

Технические преимущества 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.

Общественно полезные преимущества изобретения, вытекающие из технических преимуществ, по сравнению с пpототипом заключаются в повышении четкости разделения колонны и, следовательно, повышении частоты и качества продуктов разделения или в уменьшении необходимого флагмового числа для разделения смесей ректификацией, что выражается в уменьшении расхода тепла (греющего водяного пара из котельной).

Ожидаемый экономический эффект от внедрения 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.

Экономическая выгода предлагаемой колонны с низким гидравлическим сопротивлением 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_п2,49, минимальное флегмовое отношение равно R_мин 1,247. Повышение эффективности массообмена колонны на 10% соответствует увеличенному числу теоретических тарелок, равном 15,4. Такая эффективность при заданных тех же концентрациях целевых продуктов обеспечивается при меньшем флегмовом отношении, равном R₃2,2.

Уменьшение количества греющего пара определяется по модифицированному уравнению теплового баланса для двух рассмотренных вариантов Д_λп= 4300 кг/ч (1) Д_λз= 4140 кг/ч (2) где D_λп,D_λз количество водяного пара, расходуемого при флегмовых числах (R_п и R₃ соответственно, т.е. для прототипа и заявляемого объекта, кг/ч; G_d количество собираемого дистиллята, кг/ч;
r_λ- скрытая теплота конденсации водяного пара. Дж/кг;
r_d скрытая теплота испарения дистиллята, Дж/кг;
Экономия водяного пара на одной колонне составляет
ΔD_λ=D_λп-D_λз= 4300 4140
160 кг/ч (3)
Стоимость сэкономленного водяного пара на одной колонне составляет
q 0,8 руб/ч (4)
где λ_s энтальпия греющего водяного пара, Дж/кг;
U_λ стоимость количества тепла в гигакаллориях.

Для реализации предлагаемой массообменной колонны с низким гидравлическим сопротивлением в настоящее время в лаборатории процессов и аппаратов химической технологии кафедры ТОПП изготовлены опытные колонны 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.

На основе обобщения экспериментальных данных проведенных исследований подготовлены рекомендации для внедрения предлагаемой массообменной колонны с винтовой насадкой в секциях для десорбции иода из нефтяных попутных буровых вод на Троицком иодном заводе.

Формула изобретения

МАССООБМЕННАЯ КОЛОННА С НИЗКИМ ГИДРАВЛИЧЕСКИМ СОПРОТИВЛЕНИЕМ, включающая вертикальный цилиндрический корпус с поярусно расположенными перфорированными решетками по высоте колонны и слоями насадки на решетках, отличающаяся тем, что решетки выполнены в виде наклонных ступеней, расположенных поочередно в диаметрально противоположных направлениях в смежных по высоте решетках, смежные ступени решеток в плане перекрывают друг друга, задние и боковые кромки ступеней по направлению уклона решетки имеют отбортовки вверх для задержки жидкости, каждая ступень решетки выполнена с наклоном под острым углом к горизонтали в сторону наклона решетки, в ступенях выполнены арочные прорези выпусклостью вверх с осями, направленными в сторону уклона ступенчатой решетки, наклонные ступенчатые решетки снабжены вертикально установленными с плотной укладкой элементами одинаковой высоты винтовой насадки из полимерных метериалов, 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 прикреплен упорный винт, проходящий свободно с 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, в нижней части каждой решетки выполнены сегменты из сеток, ячейки которых имеют размеры меньше геометрических размеров элементов насадки для слива жидкости на нижерасположенную решетку.

РИСУНКИ

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