Способ контактирования газа и жидкости и аппарат для его осуществления

 

Использование: в химической технологий. Способ состоит в том, что газ и жидкость подают в нижнюю часть вертикальной трубы, процесс ведут в три или более последовательных стадии, причем первую и последнюю стадии осуществляют в режиме устойчивого восходящего прямотока, а средние одну или несколько стадий осуществляют в режиме инверсии фаз (т.е. в режиме захлебывания). Предпочтительные скорости газа определяются соотношениями: для первой и последней стадии w₁ = (1^oC2)w₀; w₀ = 3,13(D·ρ_ж/ρ_г)^0,5; для средних стадий w_c = (0,5^oC1,0)w₀, для снижения уноса брызг в последней стадии предпочтительна скорость газа w_п = (1^oC1,25)·w₀. При указанных условиях повышается эффективность процессов переноса. Аппарат включает три или более вертикальные рабочие трубы, нижний узел ввода газа и жидкости, верхний узел вывода газа и жидкости, рабочие трубы соединены последовательно коническими переходами, диаметр первой (нижней) трубы и диаметр средней трубы D_c находятся в соотношении D₁/D_c = 0,55^oC0,95. Предпочтительные размеры определяются соотношениями: D_п/D_c = 0,7^oC0,9 (D_п - диаметр последней, т.е. верхней трубы); конические переходы имеют угол при вершине 10^oC20^oC. 2 с. и 5 з.п.ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к области процессов и аппаратов химической технологии. Предлагаемый способ предназначен для осуществления таких процессов, как абсорбция, десорбция, охлаждение или нагревание газов при непосредственном контакте с жидкостями, насыщение их парами или конденсация паров из газовых смесей, проведение химических реакций, очистка газов от пыли и аэрозолей, дезодорация и т.д. В особенности этот способ рекомендуется для процессов, определяемых диффузионным сопротивлением жидкой фазы.

Известен способ контактирования газа и жидкости в режиме инверсии фаз (в режиме захлебывания) [1]. Этот режим характеризуется высокой интенсивностью протекания процессов в жидкой фазе. Но в силу неустойчивости гидродинамического режима этот способ трудно поддается управлению. Его разрабатывают в основном применительно к аппаратам с нерегулярной насадкой.

Известен способ контактирования газа и жидкости, осуществляемый в вертикальных трубах при высоких скоростях газа, обеспечивающих прямоточное восходящее течение газа и жидкости [2]. Газ и жидкость подают в нижнюю часть трубы. В верхней части трубы жидкость отделяется от газа в виде пленки, переливающейся через края трубы. При этом способе интенсивно протекают диффузионные процессы в газовой фазе, а процессы в ламинарной пленке жидкости интенсифицируются в меньшей мере. Время пребывания жидкости невелико и часто недостаточно для осуществления реакций в жидкой фазе.

Известно также устройство для контактирования газа и жидкости, включающее несколько вертикальных рабочих труб с различным поперечным сечением, соединенных последовательно коническими переходами, нижний узел ввода газа и жидкости, и верхний узел вывода газа и жидкости [3]. Такое устройство предназначено для работы в газлифтном режиме, при котором соотношение газовой и жидкой фаз очень мало, что не позволяет эффективно использовать этот аппарат в процессах абсорбции, десорбции и ректификации.

Цель изобретения, касающаяся способа, состоит в том, чтобы создать такой способ контактирования газа и жидкости, который сочетал бы положительные черты обоих указанных выше известных способов: он должен характеризоваться высокой интенсивностью протекания процессов обмена как в жидкой, так и в газовой фазе и обладать устойчивостью, то есть воспроизводиться в некотором диапазоне скоростей газа при заданной норме подачи жидкости.

Поставленная цель достигается следующим образом.

Газ и жидкость подают в нижнюю часть вертикальной трубы, а выводят в верхней части. Процесс ведут в три или более стадии, различающиеся скоростью газа. Первую и последнюю стадии проводят в режиме устойчивого восходящего прямотока. А средние одну или несколько стадий осуществляют в режиме инверсии фаз (то есть в режиме захлебывания). В последней стадии скорость газа предпочтительно назначать соответствующей режиму наименьшего брызгоуноса.

Цель изобретения, касающаяся устройства создать аппарат для осуществления способа контактирования газа и жидкости в неустойчивых режимах (захлебывание), которые характеризуются наибольшей интенсивностью.

Поставленная цель достигается тем, что рабочую часть выполняют в виде трех или более труб разного диаметра значения диаметров назначают таким образом, чтобы в первой и последней трубе осуществлялся режим устойчивого восходящего прямотока, а в средней трубе или нескольких средних трубах скорость газа находилась в области инверсии фаз (захлебывания). Рабочие трубы соединены последовательно коническими переходами с углом при вершине 10-20^o.

Сущность способа состоит в следующем.

Режим захлебывания в силу его неустойчивости очень чувствителен к условиям на входе и выходе трубы. Этот режим является переходным между противотоком и восходящим прямотоком.

Если труба работает в режиме противотока, то увеличение скорости газа выше некоторой величины приводит к торможению вытекающей снизу жидкости, она перекрывает сечение трубы и препятствует газовому потоку, газ выталкивает жидкость как поршень и выбрасывает ее из трубы в беспорядочной форме.

Если труба работает в режиме восходящего прямотока, то уменьшение скорости газа ниже некоторой величины приводит к падению пленки жидкости вниз, она перекрывает сечение трубы и препятствует газовому потоку.

Однако возможен и плавный переход от одного режима к другому в некотором диапазоне скоростей газа, относящемся к области захлебывания. При мягком регулировании удается работать при скорости газа, соответствующей области захлебывания, как угодно долго. Жидкость зависает на стенках трубы в виде пленки, на отдельных участках она совершает циркуляционные движения, частично переходит в брызги, которые уносятся газовым потоком. Верхний предел скорости захлебывания w = w_о является нижним пределом устойчивых режимов восходящего прямотока. Это оптимальная скорость газа при восходящем прямотоке. В этом случае потеря давления имеет наименьшее значение. При некоторой скорости газа w = (1 - 1,25)w₀ режим восходящего прямотока характеризуется наименьшим брызгоуносом. Скорость газа w₀ может быть определена по соотношению W₀ = 3,13(D·ρ_ж/ρ_г)^1/2. Здесь: D - диаметр трубы в метрах; ρ_ж и ρ_г - плотности газа и жидкости. Режим восходящего прямотока предпочтительно осуществлять при скорости газа в диапазоне w₀ = (1 - 2)w₀. В этом случае потеря давления и брызгоунос еще невысоки. Нижний предел скорости захлебывания является верхним пределом устойчивых режимов противотока w = 0,5w₀.

Эти особенности пленочных течений в вертикальной трубе установлены авторами в результате экспериментальных и теоретических исследований.

Способ осуществляют следующим образом.

В первой стадии, то есть в нижней части аппарата, осуществляют устойчивый режим восходящего прямотока, процесс ведут при скорости газа w₁ = (1 - 2)w₀, где W₀ = 3,13(D·ρ_ж/ρ_г)^1/2. При этом провал исключается, потеря давления невелика, а брызгоунос в этой стадии не создает вредных последствий для процесса в целом.

В средней стадии процесс ведут в режиме захлебывания, а именно в режиме зависания жидкости в виде пленки на стенках трубы. Скорость газа составляет w_c = (0,5 - 1)w₀. Средняя стадия питается жидкостью из первой стадии. После некоторого времени пребывания жидкости в средней стадии она покидает ее в виде брызг в газовом потоке и поступает в последующую (последнюю) стадию. Средних стадий может быть несколько, если, например, по условиям теплового и материального баланса процесс не удается организовать в одной средней стадии в диапазоне скоростей w_c = (0,5 - 1)w₀.

В последней стадии, то есть в верхней части аппарата, так же, как и в нижней, осуществляют устойчивый режим восходящего прямотока, то есть обеспечивают скорость газа w_п = (1 - 1,2)w₀. Однако в этом случае предпочтителен более узкий диапазон скорости газа w_п = (1 - 1,25)w₀, при котором брызгоунос имеет наименьшие значения. В этом режиме брызги жидкости, уносимые газовым потоком из средней зоны аппарата в последнюю, полнее всего оседают на стенках трубы и образуют спокойную восходящую пленку, которая плавно переливается через верхние края трубы, не создавая большого количества новых брызг.

При такой комбинации пленочных процессов основная роль в целевом процессе отводится средним стадиям, работающим в диапазоне скоростей, относящихся к области инверсии фаз. Возможные скачкообразные изменения давлений и скоростей, характерные для захлебывания, гасятся устойчивыми гидродинамическими режимами на входе в среднюю зону и на выходе из нее. Таким образом, процесс в целом приобретает устойчивость как в гидродинамическом, так и в тепломассообменном отношении.

Необходимый скоростной режим в каждой стадии может быть обеспечен разными способами, к числу которых относятся байпасирование некоторой части общего газового потока, поддув инертного носителя, тепловое воздействие, учет изменения расходов фаз по ходу процесса и устройство аппарата.

На чертеже изображен аппарат для контактирования газа и жидкости.

Он включает питающее устройство 1, патрубок ввода газа 2, патрубок ввода жидкости 3, рабочую трубу первой ступени 4, конусный переход между первой и средней ступенями 5, рабочую трубу средней ступени 6, конусный переход между средней и последней ступенью 7, рабочую трубу последней ступени 8, сепаратор 9, патрубок выхода газа 10, патрубок выхода жидкости 11.

Конусные переходы обеспечивают плавное изменение скорости и предотвращают толчки давления, которые могут спровоцировать кризисы в средней рабочей трубе, работающей в неустойчивом гидродинамическом режиме. Угол при вершине 10-20^o соответствует наименьшим потерям давления.

Соотношения диаметров рабочих труб обусловлены скоростным режимом способа контактирования газа и жидкости согласно вышеописанному изобретению: D₁/D_c = 0,55 - 0,95; D_п/D_с=0,7 - 0,9.

Пример осуществления способа согласно изобретению в аппарате согласно изобретению.

Аппарат устроен как показано на чертеже. Первая рабочая труба 4 имеет диаметр D₁ = 20 мм и длину 250 мм, конусный переход 5 имеет высоту 30 мм (угол при вершине 15^o), средняя рабочая труба 6 имеет диаметр D_с = 28 мм и длину 1000 мм, конусный переход 7 имеет высоту 30 мм (угол при вершине 10^o), последняя (верхняя) рабочая труба имеет диаметр D_п = 23 мм и длину 300 мм. Отношение диаметров: D₁/D_с = 0,71; D_п/D_с = 0,82.

Газ (воздух) подают при комнатных условиях через патрубок 2 в количестве 23,1 м³/ч. Жидкость (вода) поступает через патрубок 3 в количестве 11,3 л/ч (q = 0,5 см³/(см·с) ). Процесс ведут в три стадии. В нижней трубе 4 осуществляется первая стадия процесса. Газ и жидкость контактируют в режиме устойчивого восходящего прямотока. Жидкость течет вверх в виде спокойной пленки по внутренней поверхности трубы. Газ движется со скоростью w₁ = 20,4 м/с. Оптимальная скорость газа в этих условиях составляет w_c1 = 3,13(0,02·1000/1,205)^1/2 = 12,8 м/с. Отношение скоростей w₁/w_о1 = 1,59. В конусном переходе 5 течение медленно перестраивается. В средней трубе 3 осуществляют вторую стадию процесса. Газ и жидкость контактируют в режиме подвисания. Жидкость покрывает внутреннюю поверхность трубы в виде неспокойной пленки, которая может пульсировать или состоять из отдельных ячеек с внутренней циркуляцией жидкости, может образовывать волны, с гребней которых срываются брызги и уносятся газовым потоком. Жидкость в пленке может эпизодически менять направление движения: то вверх, то вниз. Газ движется со скоростью w_с = 10,4 м/с. Оптимальная скорость газа в этих условиях составляет 15,1 м/с. Отношение скоростей w_с/w_ос = 0,69.

Из средней трубы 3 жидкость переходит в последнюю трубу 8 через конусный переход 7 частично в виде пленки, частично в виде брызг. В последней трубе 8 осуществляют третью стадию процесса. Газ и жидкость контактируют в режиме устойчивого восходящего прямотока при условиях наименьшего брызгоуноса. Жидкость течет в виде спокойной пленки по внутренней поверхности трубы. Газ движется со скоростью w_п = 15,45 м/с. Оптимальная скорость газа в этих условиях составляет w_оп = 13,7 м/с, отношение скоростей w_п/w_оп = 1,13. В верхней части рабочей трубы 8 пленка жидкости спокойно переливается через края, собирается в сепараторе 9 и выходит из аппарата через патрубок 11. Газ выходит из аппарата через патрубок 10.

Таким образом, за счет признаков способа и признаков аппарата достигается эффективное контактирование газа и жидкости в трубе в режиме инверсии фаз.

Формула изобретения

1. Способ контактирования газа и жидкости, при котором газ и жидкость подают в нижнюю часть вертикальной трубы, отличающийся тем, что процесс ведут в три или более последовательных стадии, причем первую и последнюю стадии осуществляют в режиме устойчивого восходящего прямотока, а средние одну или несколько стадий осуществляют в режиме инверсии фаз.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что скорость газа в первой и последней стадиях поддерживают в интервале w₁ = (1 ^oC 2) · w₀, где оптимальная скорость определяется соотношением w₀= 3,13·(D·ρ_ж/ρ_г)0,5 м/с, где D - диаметр трубы, м; ρ_ж и ρ_г - плотности фаз.

3. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что скорость газа в средних стадиях поддерживают в интервале w_с = (0,5 ^oC 1) · w₀.

4. Способ по пп.1, 2 или 3, отличающийся тем, что скорость газа в последней стадии поддерживают в интервале w_п = (1 ^oC 1,25) · w_с.

5. Аппарат для контактирования газа и жидкости, включающий три или более вертикальные рабочие трубы, соединенные последовательно коническими переходами, нижний узел ввода газа и жидкости, верхний узел вывода газа и жидкости, отличающийся тем, что диаметр первой (нижней) трубы D₁ и диаметр средней трубы D_с находятся в соотношении D₁ / D_с = 0,55 ^oC 0,95.

6. Аппарат по п. 5, отличающийся тем, что диаметр последней (верхней) трубы D_п и диаметр средней трубы D_с находятся в соотношении D_п / D_с = 0,7 ^oC 0,9.

7. Аппарат по п.5 или 6, отличающийся тем, что конические переходы имеют угол при вершине в диапазоне 10 - 20^o.

РИСУНКИ

Рисунок 1