АППАРАТ ДЛЯ МАССО- И ТЕПЛООБМЕНА Российский патент 1995 года по МПК B01D3/20 

Изобретение относится к конструкции аппаратов для массо- и теплообмена и может быть использовано для осуществления процессов ректификации, абсоpбции, десоpбции и теплообмена в химической, нефтехимической, гидролизной и пищевой отраслях промышленности.

Известна горизонтальная массообменная колонна для противоточного контактирования газа и жидкости, корпус которой секционирован последовательно установленными по ходу газа верхними и нижними поперечными перегородками с барботирующими устройствами между ними [1]
Однако работа известной колонны основана на осуществлении массообмена между жидкостью и паром в барботажном режиме, эффективность которого существенно ниже, чем при восходящем прямотоке фаз.

Известен аппарат для массо- и теплообмена [2] состоящий из корпуса, разделенного на камеры вертикальными перегородками, не доходящими до его дна и крышки и образующими каналы для прохода пара (газа). В каждой камере смонтированы тарелки с установленными на них инжекционными элементами. Инжекционные элементы заглушенные сверху трубки имеют два ряда отверстий: нижние меньшего диаметра для входа жидкой фазы и верхние большего диаметра для выхода паро-(газо-)жидкостной смеси. Массообмен осуществляется за счет контакта между поднимающейся по стенкам жидкостью, инжектируемой паром (газом), и струей пара (газа).

Экспериментально установлено, что массообмен осуществляется эффективно в элементах диаметром, не превышающим 50 мм. При дальнейшем возрастании диаметра пар, поднимающийся в центральной части поперечного сечения элемента, неудовлетворительно участвует в массо- и теплообмене и снижает КПД элементов.

Все тарелки в аппарате размещены в одной горизонтальной плоскости и снабжены расположенными под ними направляющими дисками со сливной трубкой для перетока жидкости из одной камеры в другую.

Недостатками известного аппарата являются следующие:
1. Монтаж аппарата в едином корпусе обусловливает необходимость демонтажа и монтажа всего аппарата в случае ремонта и чистки и его остановки на длительное время. Тем самым возникает необходимость в резервном оборудовании.

2. Возможность расположения аппарата только в одной горизонтальной плоскости создает затруднения при его использовании в аппаратных отделениях сравнительно небольшой площади.

3. Недостаточно эффективный массо- и теплообмен в инжекционных элементах диаметром более 50 мм является причиной невозможности сооружения аппарата большой единичной мощности, что потребовало бы установки на тарелках большого числа элементов диаметром 50 мм, а значит, и неоправданного увеличения площади сечения секций.

Известен аппарат [3] который состоит из разъемных, преимущественно на три части, камер, в каждой из которых установлены тарелки с закрепленными в них патрубками, выполненными с нижним и верхним рядами отверстий. В патрубке коаксиально размещены заглушенные с обоих концов дополнительные патрубки, образующие кольцевой канал для прохода парожидкостной смеси. Над тарелками размещены в каждой камере направляющие диски со сливными трубками.

Пар (газ) и жидкость перемещаются в аппарате противотоком, например, жидкость справа налево, а пар (газ) слева направо, а массо- и теплообмен между фазами в восходящем прямотоке в инжекционных элементах.

Экспериментально установлено, что высокий КПД инжекционных элементов сохраняется при диаметре до 50 мм. Как показано в прототипе, для исключения из массо- и теплообмена центральной части пара в элементах более 50 мм по диаметру, например, в элемент диаметром 100 мм был введен коаксиально заглушенный с обоих концов патрубок, благодаря чему массо- и теплообмен протекал только в кольцевом пространстве.

Результаты испытаний элементов диаметром 50 и 100 мм конструкции прототипа приведены в таблице и подтверждают изложенный выше недостаток элементов диаметром более 50 мм.

К недостаткам прототипа относится также расположение входных паропроводов внутри секций, что обусловливает излишние гидравлические сопротивления, затраты металла, а также исключение части площади тарелки для использования для массо- и теплообмена.

Цель изобретения интенсификация процесса массо- и теплообмена в инжекционных элементах без использования коаксиальных патрубков и снятие ограничения единичной мощности аппарата.

Указанная цель достигается тем, что в аппарате, содержащем камеры, выполненные в виде отдельных разъемных и взаимозаменяемых секций, соединенных между собой паровыми и переточными линиями с вмонтированными в них тарелками с заглушенными сверху инжекционными элементами и направляющими дисками, инжекционные элементы выполнены в виде трубок с переменным сечением, причем площадь сечения нижней части (10-20% от общей высоты элемента) составляет 0,4-0,6 площади сечения верхней части, имеют внизу два ряда отверстий для входа жидкой фазы: первый снизу ряд расположен в суженной части инжекционного элемента над тарелкой, а второй в расширенной его части, перед штуцерами для выхода пара из секций установлены перегородки, образующие сегментный канал для прохода пара.

Высота нижней части инжекционных элементов принята 10-20% от общей их высоты, исходя из того, что высота менее 10% не обеспечивает конструктивное размещение нижнего ряда отверстий, а при высоте свыше 20% сокращается время массо- и теплообмена, а следовательно и эффективность работы инжекционных элементов. Площадь сечения нижней части элемента ограничена 40-60% от площади сечения верхней части: при площади сечения нижней части менее 40% скорость паровой (газовой) фазы будет слишком велика и обусловит факельный выброс жидкости вдоль оси элемента, сократит время контакта и эффективность массообмена; при площади сечения свыше 0,6 сечения верхней части будет недостаточен перепад скоростей и нарушено распределение жидкой фазы по всему сечению элемента.

Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что предлагаемое устройство отличается наличием новых конструктивных элементов и их связей с отдельными элементами аппарата, позволяющих достичь цель изобретения.

1. Выполнение инжекционного элемента в виде трубки с переменным сечением и двумя рядами отверстий для входа жидкости позволяет разделить поступающую в элемент жидкость на два потока соответственно числу отверстий: первый 25-50% общего объема, входящий в суженную часть элемента, подхватываемый струей пара и понимающийся по центральной зоне сечения инжекционного элемента, вступает в массо- и теплообмен с паром в этой части, второй 75-50% входящий в отверстия расширенной части инжекционного элемента, подхватывается паром, поднимается по стенкам и контактирует с паром аналогично тому, как и в прототипе. Разделение потока жидкости на две части обеспечивает организацию массо- и теплообмена по всему сечению инжекционного элемента, исключает необходимость в коаксиальном патрубке в прототипе и снимает ограничение в площади сечения инжекционного элемента, а значит, и мощности единичного аппарата.

2. Вынесение паровых линий из секций позволяет вдвое сократить их длину и снизить соответственно величину гидравлических сопротивлений для прохода пара, что особенно важно при проведении процесса ректификации при пониженном давлении, одновременно на 12% сокращаются затраты металла на изготовление секций и создается возможность смонтировать в секциях на освободившейся площади тарелки дополнительное количество инжекционных элементов, а значит, увеличить производительность аппарата ≈на 10%
3. Установка перед штуцером выхода паровой фазы из секций перегородок, отсекающих сегментный канал, предотвращает унос большей части диспергированной жидкой фазы паром и повышает укрепление летучих компонентов на 5 отн.

Таким образом, предлагаемое устройство соответствует критерию изобретения "Новизна". При изучении других известных технических решений в данной области техники признаки, отличающие предлагаемое изобретение от прототипа, не были выявлены, и потому они обеспечивают предлагаемому техническому решению соответствие критерию "Изобретательский уровень".

На фиг. 1 представлен аппарат для массо- и теплообмена, общий вид; на фиг.2 продольный разрез инжекционного элемента.

Предложенный аппарат состоит из разъемных секций 1, в которых смонтированы тарелки 2 с укрепленными в них заглушенными сверху инжекционными элементами 3 и направляющие диски 4. Секции соединены между собой паровыми разъемными линиями 5 и разъемными же переточными линиями 6 для жидкости.

Инжекционные элементы 3 представляют собой трубки с переменным сечением: нижняя часть высотой 10-20% от общей высоты элемента сужена и имеет площадь сечения 0,4-0,6 от площади сечения верхней части инжекционного элемента. Последний имеет внизу два ряда отверстий меньшего сечения для входа жидкой фазы: нижний ряд 7 в суженной части элемента и верхний 8 в расширенной его части. Вверху элемент имеет ряд отверстий большего сечения 9 для выхода парожидкостной смеси.

Аппарат, применительно к осуществлению в нем процесса ректификации, снабжен патрубками 10 для входа исходной питающей жидкости, патрубком 11 для выхода паро-(газовой) фазы, патрубком 12 для входа паровой фазы и патрубком 13 для выхода исчерпанной по летучим компонентам жидкости.

Аппарат работает следующим образом.

Исходная жидкость поступает в секцию А через патрубок 10 на тарелку 2 и через два нижних ряда отверстий меньшего течения 7 и 8 в инжекционные элементы 3. Часть жидкости (25-50% по объему), поступившая через отверстия 7, подхватывается струей пара и приходит в массо- и теплообмен с паром в центральной зоне площади сечения инжекционного элемента, оставшаяся часть потока через отверстия 8 поднимается по стенкам и контактирует с паром в расширенной части инжекционного элемента, где скорость пара, например, в 2 раза ниже, чем в суженной части, аналогично тому, как и в прототипе.

Парожидкостная смесь через отверстия 9 в верху расширенной части инжекционного элемента 3 выбрасывается в паровое пространство секции А над направляющим диском 4 и разделяется на жидкую и паровую фазы. Последняя выводится из аппарата через патрубок 11 в конденсационную систему, а жидкая фаза опускается на направляющий диск 4 и по переточной линии 6 поступает на тарелку 2 следующей (по ходу жидкости) секции.

Пар для подогрева аппарата поступает в аппарат через штуцер 12 и распределяется между инжекционными элементами 3. Парожидкостная смесь по выходе из последних через отверстия 9 разделяется в паровом пространстве над направляющим диском 4 на жидкую фазу, удаляющуюся по переточным линиям 6 из секции в секцию или из аппарата через штуцер 13, а паровая фаза освобождается с помощью перегородок 14 от основной массы увлеченных капель жидкости и по паропроводам 5 проходит последовательно через все секции до секции А.

В аппарате предусмотрена возможность изменения точки ввода питания и отбора фракций летучих компонентов из любой секции. С точки зрения эксплуатации и возможности монтажа аппарата произвольной геометрии предлагаемая конструкция имеет все преимущества прототипа.

В таблице сопоставлены экспериментальные данные по исследованию эффективности массо- и теплообмена в инжекционных элементах диаметром 100 мм прототипа и в предлагаемой конструкции аппарата.

Для подтверждения достижения поставленной цели в таблице приведены два показателя, характеризующих преимущества предлагаемой конструкции против прототипа, а именно КПД и производительность единичного элемента.

Из сопоставления результатов испытаний инжекционных элементов диаметром 100 мм, представленных в таблице, явствует, что предлагаемая новая конструкция инжекционных элементов позволила достичь предложенную цель повысить эффективность процесса массо- и теплообмена с доведением ее до величины, полученной в элементах диаметром 50 мм, и повысить производительность почти в 2 раза. Это означает, что при сохранении габаритов секций единичная мощность аппарата может быть удвоена, или для заданной мощности представляется возможным сократить в 2 раза число инжекционных элементов в секции и соответственно уменьшить площадь поперечного сечения секций, в том числе и за счет освобождения части площади тарелки, при вынесении паропроводов за пределы секции. Повышение эффективности массо- и теплообмена сказывается и на сокращении удельного расхода пара, не превышающего для предлагаемой конструкции элемента диаметром 100 мм и 10% от веса питания.

Изобретение относится к конструкциям для массо- и теплообмена и может быть использовано для осуществления процессов ректификации, абсорбции, десорбции и теплообмена в химической, нефтехимической, гидролизной и пищевой отраслях промышленности. Цель изобретения интенсификация процесса массо- и теплообмена. Аппарат содержит камеры, выполненные в виде отдельлных разъемных и взаимозаменяемых секций, соединенных между собой паровыми и переточными линиями, с вмонтированными в них тарелками с инжекционными элементами и направляющими дисками, причем инжекционные элементы выполнены в виде трубок с переменным поперечным сечением и имеют внизу два ряда отверстий в суженой и расширенной частях элемента над тарелкой, а длина паровых линий, вынесенных за пределы секций, сокращена в 2 раза по сравнению с прототипом, и перед штуцерами для выхода пара установлены перегородки, образующие сегментный канал для прохождения пара. Конструкция аппарата позволяет снять ограничения в сечении используемых инжекционных элементов и единичной мощности аппарата, сократить удельный расход пара, протяженность паропроводов, снизить гидравлические сопротивления секций и затраты металла на их изготовление. 2 ил. 1 табл.

АППАРАТ ДЛЯ МАССО- И ТЕПЛООБМЕНА, содержащий камеры, выполненные в виде отдельных разъемных и взаимозаменяемых секций, соединенных между собой паровыми и переточными линиями, с вмонтированными в них тарелками с инжекционными и направляющими дисками, отличающийся тем, что инжекционные элементы выполнены в виде трубок переменного сечения, причем нижняя суженная часть составляет 10-20% от общей высоты элемента и имеет площадь сечения 0,4-0,6 от площади сечения верхней расширенной части и имеет в нижней части два ряда отверстий: по одному в суженной и расширенной частях элемента над тарелкой, секции снабжены перегородками, установленными перед штуцерами для выхода пара из секций, образующие сегментный канал для прохода пара.