МАССООБМЕННАЯ КОЛОНКА ПРЯМОУГОЛЬНОГО СЕЧЕНИЯ 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]
Однако эта массообменная колонна отличается недостаточно высокой эффективностью 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 изобретению является массообменная колонна, включающая вертикальный аппарат прямоугольного сечения, внутри которого поярусно установлены перфорированные решетки, на которых расположена слоями насадка [2]
Недостатком этой массообменной колонны при взаимодействии больших объемов газа (пара) и малых объемов 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 (точечной) эффективности массообмена, что, как известно, является минимально возможной эффективностью массообмена.

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 перфорацию решеток происходил сосредоточенно локально, а не рассредоточенно по всему сечению решетки.

Для этого в массообменной колонне, 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, под острым углом к горизонтальной плоскости, перфорации решеток выполнены в виде арочных прорезей с осями, направленными в сторону уклона решетки и в противоположные стороны в смежных по высоте решетках, решетки установлена на параллельные наклонные рейки, прикрепленные к противоположным боковым стенкам колонны.

На фиг. 1 схематически представлен продольный разрез массообменной колонны прямоугольного сечения; 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 (фиг. 1-5) содержит вертикальный корпус 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, на каждую решетку 2 уложен слой насадки 5 так, что между секциями образуется сепарационное пространство 6.

Массообменная колонна прямоугольного сечения 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 2 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. 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 условия эмульгирования в насадочных колоннах при сопоставимых условиях.

Технические преимущества изобретения по сравнению с прототипом заключаются в повышении эффективности массообмена между газом (паром) и жидкостью вследствие увеличения движущей силы процесса за счет перекрестного потока жидкости и газа (пара) распределительных решетках, а также вследствие увеличения количества жидкости, удерживаемой в слое насадки на решетках, и увеличения времени пребывания жидкости в контакте с газом (паром). Кроме того повышается четкость разделения колонны и, следовательно, частота и качество продуктов разделения, при этом уменьшается необходимое флегмовое число для разделения смесей ректификацией, что выражается в уменьшении расхода тепла (греющего водяного пара из котельной).

Ожидаемый экономический эффект от внедрения предлагаемого изобретения по сравнению с прототипом может быть обеспечен за счет уменьшения флегмового отношения и соответствующего уменьшения расхода водяного пара из котельной, возможного в результате более высокой эффективности массообмена колонны.

Экономическую выгоду предлагаемого изобретения 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 100000 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 R₃ 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= 2870,
D_λз= 2750 где D , D количество водяного пара, расходуемое при флегмовых числах R_n и R₃ соответственно, т.е. для прототипа и предлагаемого объекта, кг/ч;
G_d количество отбираемого дистиллята, кг/ч;
r скрытая теплота конденсации водяного пара, Дж/кг;
r_d скрытая теплота испарения дистиллята, Дж/кг.

Экономия водяного пара на одной колонне составляет
ΔD D D = 2870 2750 120 кг/ч.

Использование: для систем газ (пар) жидкость, предназначенных для процессов абсорбции, ректификации и промывки газов, в химической, нефтехимической, газовой и других отраслях промышленности. Сущность изобретения: в массообменной колонне, 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, под острым углом к горизонтальной плоскости, 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 пареллельные наклонные рейки, прикрепленные к противоположным боковым стенкам колонны. Решетки выполнены прямоугольного сечения и с уклонами поочередно в противоположные стороны, а перфорации в виде арочных прорезей выполнены выпуклостью вверх с осями, направленными в сторону уклона решетки. 5 ил.

МАССООБМЕННАЯ КОЛОНКА ПРЯМОУГОЛЬНОГО СЕЧЕНИЯ для противоточного взаимодействия газа (пара) и 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, 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 противоположым боковым стенкам колонны.