МАССООБМЕННАЯ КОЛОННА ДЛЯ БОЛЬШИХ УДЕЛЬНЫХ НАГРУЗОК ПО ЖИДКОСТИ Российский патент 1995 года по МПК B01D3/22 B01D3/32 

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 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 неравномерности 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.

Наиболее близкой к предлагаемой по технической сущности и достигаемому результату 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 массобмена, что, как известно, является минимально возможной эффективностью массобмена.

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 сегменты решеток, выполненных из сеток, происходил сосредоточенно через сетки, а не рассредоточенно по всему сечению решетки.

Достигается это тем, что, в массообменной колонне для больших удельных нагрузок по жидкости, 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, в нижней части каждой решетки выполнены сегменты из сеток, ячейка которых имеет размеры меньше геометрических размеров элементов насадки для слива жидкости на нижерасположенную решетку.

На фиг. 1 схематически представлен продольный разрез массообменной колонны; на фиг. 2 разрез по А-А на фиг. 1; на фиг. 3 разрез Б-Б на фиг. 2; на фиг. 4 разрез по В-В на фиг. 2; на фиг. 5 разрез по Г-Г на фиг. 1; на фиг. 6 разрез по Д-Д на фиг. 5; на фиг. 7 вид по Е-Е на фиг. 5.

Массообменная колонна содержит вертикальный цилиндрический корпус 1 с поярусно установленными по высоте перфорированными 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 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 1, 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. В нижней части каждой решетки 2 для слива жидкости на нижерасположенную решетку 2 выполнены сегменты из сеток 11, ячейки которых имеют размеры меньше геометрических размеров элементов 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 колонны 1 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 решетками 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 жидкость стекает вниз через сегмент из сетки 11, свободное сечение которой намного больше чем арочных прорезей 3 решетки 2, что обеспечивает надежную работу при очень больших удельных нагрузках по жидкости, как то в условиях экстрактивной и азеотропной ректификации. 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 массообмена контактной ступени.

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 кроме того во всех случаях без исключения подтверждено экспериментально.

Технические преимущества предлагаемой массообменной колонны 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 предлагаемого изобретения заключаются в повышении четкости разделения колонны и, следовательно, повышении чистоты и качества продуктов разделения, или в уменьшении необходимого флегмового числа для разделения смесей ректификацией, что выразится в уменьшении расхода тепла (греющего водяного пара из котельной).

Ожидаемый экономический эффект от внедрения предлагаемого изобретения 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 предлагаемой массообменной колонны 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 расход 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 флегмовом отношении, равном R₃ 2,2.

Уменьшение количества греющего пара определяется по модифицированному уравнению теплового баланса для двух рассмотренных вариантов
D_λп= 4300 кг/ч (1)
D_λз= 4140 кг/ч (2)
где D , D количество водяного пара, расходуемое при флегмовых числах R_п и R_з соответственно, т.е. для прототипа и заявляемого объекта, кг/ч;
G_d количество отбираемого дистиллята, кг/ч;
r скрытая теплота конденсации водяного пара, Дж/кг.

Экономия водяного пара на одной колонне составляет
ΔD D D 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;
Ц стоимость количества тепла в гигакаллориях для местных условий, 7 руб 81 коп в ценах до 1985.

Для осуществления предлагаемой массообменной колонны для больших удельных нагрузок по жидкости 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.

Использование: для процессов абсорбции, ректификации, промывки газов и может найти применение в химической, нефтехимической, газовой и других отраслях промышленности. Сущность изобретения: в массообменной колонне для больших удельных нагрузок по жидкости, 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, в нижней части каждой решетки выполнены сегменты из сеток, ячейка которых имеет размеры меньше геометрических размеров элементов насадки для слива жидкости на нижерасположенную решетку. 7 ил.

МАССООБМЕННАЯ КОЛОННА ДЛЯ БОЛЬШИХ УДЕЛЬНЫХ НАГРУЗОК ПО ЖИДКОСТИ, 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, в нижней части каждой решетки выполнены сегменты из сеток, ячейки которых имеют размеры меньше геометрических размеров элементов насадки для слива жидкости на нижерасположенную решетку.