Абсорбер с псевдоожиженной насадкой

 

Изобретение относится к насадкам тепломассообменных аппаратов с псевдоожиженным трехфазным слоем и может быть использовано в химической и других отраслях промышленности. Целью изобретения является увеличение скорости движения элементов насадки в псевдоожиженном слое для интенсификации гидродинамического режима абсорбера, улучшение равномерности перемешивания псевдоожиженного слоя, исключение застойных зон в рабочей зоне абсорбера. Аппарат содержит корпус с патрубками для ввода и вывода газа и жидкости, опорно-распределительные и ограничительную решетки, между которыми помещены два слоя подвижной насадки. Элементы подвижной насадки выполняют отличающимися по массе и размеру, причем плотность материала выбирают из условия гидродинамического равновесия в потоке элементов различного размера. 1 ил.

Изобретение относится к аппаратурному оформлению процессов взаимодействия между газом и жидкостью и может применяться в химической, нефтехимической, металлургической и других отраслях промышленности.

Известен аппарат для комплексной очистки газа, содержащий корпус с подводящими и отводящими штуцерами, опорную распределительную решетку с размещенной на ней ожижаемой насадкой и перфорированную направляющую решетку, снабженную обечайкой, установленной коаксиально корпусу между направляющей перегородкой и газораспределительной решеткой на расстоянии от них, при этом направляющая решетка выполнена в виде тора (см. авт. свид. N 850177 по кл. B 01 D 47/14, 1981). Полученный в барботажной зоне псевдоожиженный слой сильно турбулизируется ожиженной шаровой насадкой, элементы которой, постоянно соударяясь друг с другом, деформируют и разрушают газовые пузыри, чем способствуют непрерывному обновлению поверхности контакта фаз и соответственно повышению эффективности очистки газа от содержащихся в нем примесей.

Недостатком такого устройства является неполное использование внутреннего объема аппарата, т. к. зона активного псевдоожижения (барботажная зона) составляет только около 40% от суммы объемов барботажной и циркуляционной зон, которая, в свою очередь, составляет не более половины внутреннего объема аппарата. Сонаправленное движение (прямоток) жидкости и газа в барботажной зоне не способствует полному перемешиванию взаимодействующих газовой и жидкостной фаз из-за малой скорости движения шаров, совершающих хаотическое движение. Принудительно организованное циркуляционное движение потоков жидкости снижает движущую силу процесса массообмена, т. к. на входе в барботажную зону загрязненный газовый поток омывается свежими порциями жидкой фазы и в процессе дальнейшей очистки взаимодействует с все более загрязняющимся по мере продвижения слоем жидкости. Элементы насадки одинакового размера и одинаковой формы недостаточно интенсифицируют процесс, т. к. при этом средние скорости движения шаров после соударения являются равными.

Известен аппарат для очистки газов, содержащий корпус с патрубками для ввода и вывода газа и жидкости, диффузор с горловиной, опорную и ограничительную решетки и подвижную насадку, причем ограничительная решетка выполнена в виде сетки (см. авт. свид. N 1699540 по кл. B 01 D 47/14, 1991). Газовый поток приводит подвижную насадку в псевдоожиженное состояние и расправляет гибкую сетку в виде купола. Элементы подвижной насадки соударяются между собой, с взвешенными в газовом потоке твердыми частицами и взаимодействуют с сеткой следующим образом: при ударе о сетку элементы подвижной насадки отбрасываются ею и попадают обратно в поток взаимодействующих сред, что хотя и повышает интенсивность проводимого процесса, но ресурсы интенсификации гидродинамики процесса являются неиспользованными, т. к. при этом не используется эффект взаимодействия псевдоожиженных шаров различной массы, и вследствие этого, не обеспечивается интенсивное перемешивание взаимодействующих сред. Кроме того, куполообразная форма сетки не позволяет использовать верхнюю часть внутреннего объема секции абсорбера, находящуюся над сеткой.

В литературе описаны абсорберы с псевдоожиженной насадкой, предназначенные для проведения процессов, в которых газ контактирует и взаимодействует с жидкостью, которые содержат корпус с патрубками для ввода и вывода газа и жидкости, опорно-распределительные и ограничительную решетки, между которыми помещены слои подвижной насадки (см. книгу А. А. Заминяна и В. М. Рамма "Абсорберы с псевдоожиженной насадкой", М. : Химия, 1980. С. 12-13). При работе аппарата в режиме развитого псевдоожижения насадка находится в виде сильно разреженного слоя, способствующего турбулизации рабочего объема аппарата. В таком аппарате имеется возможность полностью использовать внутренний объем секций, который является свободным для движения элементов насадки (нет никаких дополнительных элементов аппарата таких, например, как диффузор с горловиной, сетка - в аппарате по авт. свид. N 1699540 по кл. B 01 D 47/14, 1991).

Недостатком такого абсорбера является то, что элементы насадки шаровой формы одного размера и одинаковой массы совершают при соударении хаотические движения, которые недостаточны для интенсивного перемешивания взаимодействующих фаз. Кроме того, таким абсорберам при малых скоростях газа свойственны явления пассивного выстраивания насадки вдоль стенок аппарата, а также возникновение циркуляционных потоков, когда насадка циркулирует внутри аппарата: в центральной части движется вверх, а у стенок вниз. Эти явления снижают эффективность работы абсорбера.

Цель изобретения - увеличение скорости движения элементов подвижной насадки в псевдоожиженном слое для интенсификации гидродинамического режима абсорбера, улучшение равномерности перешивания псевдоожиженного слоя, исключение застойных зон в рабочей зоне абсорбера.

Поставленная цель достигается тем, что в известном аппарате, содержащем корпус с патрубками для ввода и вывода газа и жидкости, опорно-распределительные и ограничительную решетки, между которыми помещены два слоя подвижной насадки, согласно изобретению элементы подвижной насадки выполняют отличающимися по массе и размеру, причем плотность материала выбирают из условия гидродинамического равновесия в потоке элементов различного размера.

В патентной и научно-технической литературе отсутствуют сведения об использовании в одном и том же аппарате одновременно насадочных тел различной массы, размера и плотности, следовательно, предлагаемое устройство соответствует критерию изобретения "существенные отличия".

На чертеже изображено устройство абсорбера с псевдоожиженной насадкой, где 1 - опорно-распределительные решетки, 2 - подвижная насадка различного размера и массы, 3 - ограничительная решетка, 4 - брызгоуловитель.

Такое конструктивное решение обеспечивает увеличение скорости элементов насадки меньшей массы при соударении с элементами большей массы. Устройство работает следующим образом. Если при одновременной подаче в абсорбер орошающей жидкости постепенно увеличивать расход газа, то до некоторой скорости газа насадка будет неподвижна, а затем перейдет в псевдоожиженное состояние. Насадочные тела более крупного размера имеют относительно небольшую скорость движения и разрушают крупные вихри жидкости и газа. Элементы меньшей массы, в соответствии с законом сохранения импульса, после соударения с крупными приобретают более высокую скорость и интенсивно перемешивают газожидкостный поток в пространстве между крупными элементами. Вблизи стенок аппарата интенсифицируется вихреобразование в пограничном слое, что препятствует циркуляции элементов насадки. В равномерно перемешанном псевдоожиженном слое обеспечивается хорошее взаимодействие жидкости и газа. Правильный подбор плотности элементов различного размера исключает явления вымывания из зоны псевдоожижения более крупных насадочных тел и обеспечивает равномерное распределение по объему псевдоожиженного слоя элементов различной массы. Диапазон нагрузок абсорбера по газу расширяется: псевдоожижение начинается при меньшей скорости газа, а режим плавающей насадки реализуется при большей скорости газа, чем в прототипе. Расширяется также и рабочий диапазон изменения плотности орошения. Высокая скорость движения элементов насадки малой массы позволяет эффективно разбивать возникающие в псевдоожиженном слое газовые пузыри. Это способствует равномерности псевдоожиженного слоя, что повышает эффективность абсорбера, включая застойные зоны, недоступные ранее для элементов большого размера.

Для экспериментальной проверки произведен расчет плотности элементов насадки при отношении диаметров d₁/d₂ = 0.22, выбранном из условия заполнения малыми элементами октаэдрических и тетраэдрических пустот между большими элементами. При плотности орошения q = 6 кг/(м²/с) и скорости газа V_г = 4 м/с расчетным путем для шарового элемента насадки диаметром d₁ = 20 мм получена плотность материала ρ₁ = 0.369 кг/м³; для шарика диаметром d₂= 0.22•20 = 4.4 мм - ρ₂ = 1591 кг/м³. Были изготовлены шаровые элементы насадки диаметром 20 мм из дерева липы, покрытые тонким слоем пентафталевой водостойкой краски, ( ρ = 400 кг/м³) массой 12.6. . . 13.4 г и шарики диаметром 4.3. . . 4.5 мм из магния ( ρ = 1600 кг/м³) массой 0.5. . . 0.6 г. Количество элементов малого диаметра брали в 3 раза больше количества крупных элементов. В процессе эксперимента на опытной секции абсорбера, изготовленной из органического стекла, наблюдали интенсивные перемещения элементов насадки в направлениях, близких к горизонтальному, без расслоения псевдоожиженного слоя по фракциям элементов насадки. Интенсивность гидродинамических процессов оценивали измерением удельной поверхности контакта между газом и жидкостью с помощью электронно-счетного прибора. Интенсивность гидродинамики заявляемого абсорбера на различных режимах в 2. . . 3 раза превышает интенсивность прототипа.

Технико-экономические преимущества заявляемого технического решения, обеспечивающего более интенсивный гидродинамический режим и соответственно процесс тепломассообмена, выражается в качественном улучшении разделительной способности абсорбера при снижении расхода абсорбента и энергозатрат на транспортировку газа.

Формула изобретения

Абсорбер с псевдоожиженной насадкой, содержащий корпус с патрубками для ввода и вывода газа и жидкости, опорно-распределительные и ограничительную решетки, между которыми помещены два слоя подвижной насадки, отличающийся тем, что элементы подвижной насадки выполняют различающимися по массе и размеру, причем плотность материала выбирают из условия гидродинамического равновесия в потоке различных элементов насадки.

РИСУНКИ

Рисунок 1