МАССООБМЕННАЯ КОЛОННА ПРЯМОУГОЛЬНОГО СЕЧЕНИЯ ДЛЯ БОЛЬШИХ НАГРУЗОК ПО ЖИДКОСТИ Российский патент 1995 года по МПК B01D3/22 

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 известной массообменной колонны является недостаточно высокая 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 заявляемой по технической сущности и достигаемому эффекту является массообменная колонна, включающая вертикальный аппарат прямоугольного 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 является минимально возможной эффективностью массообмена.

Цель изобретения повышение эффективности массообмена при взаимодействии между газом (паром) и большими объемами жидкости порядка более 100 м³/м²ч за счет организованного направленного движения жидкости в слое насадки на решетке по модели идеального вытеснения в горизонтальной плоскости так, чтобы слив жидкости происходил сосредоточенно в опущенной части решетки перекрытой сеткой.

Цель достигается тем, что в массообменной колонне прямоугольного сечения для больших удельных нагрузок по жидкости, включающей вертикальный корпус прямоугольного поперечного сечения с поярусно расположенными перфорированными решетками по высоте колонны и слоями насадки на решетках, решетки установлены наклонно попеременно в противоположные стороны по отношению к одним и тем же сторонам прямоугольного сечения колонны, перфорации решеток выполнены в виде арочных прорезей с осями, направленными в сторону уклона решетки и в противоположные стороны в смежных по высоте решетках, решетки установлены на параллельные рейки, прикрепленные к противоположным боковым стенкам колонны, в нижней части решетки выполнены прямоугольные окна, на которые натянуты сетки с размером ячеек меньше геометрических размеров насадки для слива жидкости на нижерасположенные решетки.

На фиг. 1 представлена массообменная колонна прямоугольного сечения, 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.2.

Массообменная колонна прямоугольного сечения для больших удельных нагрузок по жидкости (фиг.1-5) содержит вертикальный корпус с 1 прямоугольного сечения с поярусно расположенными перфорированными решетками 2 и наклоненными попеременно в противоположные стороны под острым углом к горизонтальной плоскости, перфорации решеток 2 выполнены в виде арочных прорезей 3 выпуклостями вверх с осями, направленными в сторону уклона решеток 2, решетки установлены на параллельные рейки 4, прикрепленные к стенкам колонны 1 из больших удельных нагрузок по жидкости, на каждую решетку 2 уложен слой насадки 5 так, что между секциями образуется сепарационное пространство 6, на нижнем слое решетки 2 выполнены прямоугольные окна, на которые натянуты сетки 7 с размером ячеек меньше геометрических размеров насадки 5 для слива жидкости на нижерасположенные решетки 2 со слоем насадки 5.

Массообменная колонна прямоугольного сечения из больших удельных нагрузок по жидкости работает следующим образом.

Газ (пар) поступает (фиг.1-5) в корпус 1 снизу и движется вверх, проходит через арочные прорези 3 решеток 2 и слой насадки 5, контактируя с жидкостью, находящейся в слое насадки 5 на решетке 2, причем газ (пар) проходит снизу вверх в слое насадки 5 по модели идеального вытеснения, а жидкость поступает в слой насадки 5, приподнятой части каждой решетки 2 и движется в сторону уклона решетки 2 по модели, близкой к модели идеального вытеснения в горизонтальной плоскости при полном перемешивании по высоте слоя насадки 5 на решетке 2, при этом достигается максимальная эффективность массообмена между газом (паром) и жидкостью, если реально соблюдаются описанные структуры потоков газа (пара) и жидкости. В связи с тем, что на каждой решетке 2 движутся большие объемы жидкости, в опущенной части каждой решетки 2 жидкость сливается вниз через сетку 7 с большим свободным сечением, равным величине порядка 0,97, на приподнятую часть нижерасположенной решетки 2 со слоем насадки 5 и т.д. Как следует из формальной логики при анализе явления взаимодействия газа (пара) и жидкости и процесса массообмена между фазами эффективность массообмена предлагаемой колонны должна повышаться, а производительность по газу (пару) и жидкости должна увеличиваться, что и соответствует действительности с учетом реальных результатов исследований массопередачи в секционированных по высоте насадочных колоннах.

Эффективность массообмена предлагаемой массообменной колонны повышается по сравнению с прототипом за счет благоприятной структуры потока жидкости, близкой к модели идеального вытеснения в горизонтальной плоскости, что обеспечивает увеличение движущей силы процесса массообмена между газом (паром) и жидкостью. Увеличение производительности предлагаемой массообменной колонны по сравнению с прототипом обеспечивается за счет сепарационного пространства под слоем насадки, в результате чего скорость газа (пара) в предлагаемой колонне может быть больше скорости газа (пара) в условиях эмульгирования в насадочных колоннах при сопоставимых условиях.

Предлагаемое изобретение повышает эффективность массообмена между газом (паром) и жидкостью вследствие увеличения движущей силы процесса за счет перекрестного потока жидкости и газа (пара) распределительных решетках, вследствие увеличения количества жидкости, удерживаемой в слое насадки на решетках, и увеличения времени пребывания жидкости в контакте с газом (паром); повышаются четкость разделения колонны и, следовательно, чистота и качество продуктов разделения, уменьшается необходимое флегмовое число для разделения смесей ректификацией, что выразится в уменьшении расхода тепла (греющего водяного пара из котельной).

Согласно выполненному расчету расход греющего водяного пара в кипятильнике давлением 0,32 МПа составляет 2460 кг/ч для непрерывной ректификации 100000 кг/ч исходной смеси бензол-толуол при атмосферном давлении при концентрациях исходной смеси 45 мас. дистиллята 96 мас. 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 флегмовом отношении, равном R_з=2,2.

Уменьшение количества греющего пара определяется по модифицированному уравнению теплового баланса для двух рассмотренных вариантов
D_λп 2870 кг/ч, (1)
D_λз 2750 кг/ч, (2)
где D_λп, D_λз количество водяного пара, расходуемое при флегмовых числах R_n и R_з, соответственно, т.е. для прототипа и заявляемого объекта, кг/ч;
G_d количество отбираемого 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= 2870-2750=120кг/ч.(3)

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. В массообменной колонне прямоугольного сечения для больших удельных нагрузок по жидкости, включающей вертикальный корпус прямоугольного поперечного сечения с поярусно расположенными перфорированными решетками по высоте колонны и слоями насадки на решетках, решетки установлены наклонно попеременно в противоположные стороны по отношению к одним и тем же сторонам прямоугольного сечения колонны, перфорации решеток выполнены в виде арочных прорезей с осями, направленными в сторону уклона решетки и в противоположные стороны в смежных по высоте решетках, решетки установлены на паралельные рейки, прикрепленные к противоположным боковым стенкам колонны, в нижней части решетки выполнены прямоугольные окна, на которые натянуты сетки с рвзмером ячеек меньше геометрических размеров насадки для слива жидкости на нижерасположенные решетки. Новым в заявляемой массообменной колонне является выполнение в нижней части решетки окна, перекрытого сеткой с ячейками, по размерам меньшими геометрического размера элементов насадки для свободного слива жидкости на нижерасположенную решетку. 5 ил.

МАССООБМЕННАЯ КОЛОННА ПРЯМОУГОЛЬНОГО СЕЧЕНИЯ ДЛЯ БОЛЬШИХ УДЕЛЬНЫХ НАГРУЗОК ПО ЖИДКОСТИ, включающая вертикальный корпус прямоугольного поперечного сечения с поярусно расположенными перфорированными решетками по высоте колонны и слоями насадки на решетках, отличающаяся тем, что решетки установлены наклонно попеременно в противоположные стороны по отношению к одним и тем же сторонам прямоугольного сечения колонны, перфорация решеток выполнены в виде арочных прорезей с осями, направленными в сторону уклона решетки и в противоположные стороны в смежных по высоте решетках, решетки установлены на параллельные рейки, прикрепленные к противоположным боковым стенкам колонны, в нижней части решетки выполнены прямоугольные окна, на которые натянуты сетки с размером ячеек меньше геометрических размеров насадки для слива жидкости на нижерасположенные решетки.