МАССООБМЕННАЯ КОЛОННА Российский патент 1996 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 особенно вакуумной ректификации, и может найти применение в химической, нефтехимической, газовой и других отраслях промышленности.

Известна массообменная колонна, включающая вертикальный цилиндрический корпус, поддерживающую распределительную решетку, слой насадки на решетке, направляющий усеченный конус в периферийной части колонны, установленный меньшим основанием вниз, с арочными прорезями вырубленными на поверхности конуса выпуклостью вверх, равномерно расположенными по концентрическим окружностям по отношению к оси конуса, сечение меньшего основания конуса равно не меньше 0,1 поперечного сечения колонны, перфорации, поддерживающей распределительной решетки выполнены в виде арочных прорезей с направлением осей арочных прорезей от тангенциального, промежуточным между тангенциальным и радиальным, до радиального от центра к периферии, соответственно, с увеличением диаметра колонны, оси арочных прорезей на поверхности конуса направлены под остры углом к образующим конуса от поверхности к центру, сечение арочных прорезей конусов больше сечений арочных прорезей распределительных решеток.

Известная массообменная колонна обеспечивает увеличение производительности и повышение эффективности массообмена по сравнению с обычной известной насадочной колонной.

Недостатком известной массообменной колонной является то, что часть жидкости не переходит путь от центра к периферии распределительной решетки, а проваливаются вниз через арочные прорези при наличии статического слоя жидкости на горизонтальной распределительной решетке вследствие наличия градиента высоты слоя жидкости при подаче жидкости в центр решетки и стоке ее в периферийной части. В результате промежуточного проваливания жидкости с решетки на пути ее движения от центра к периферии эффективность массообмена слоя насадки на распределительной решетке снижается и в пределе будет приближаться к значению локальной эффективности Е_ру по газовой фазе, которая, как известно, будет меньшей общей эффективности массообмена по Мерфри в газовой фазе Е_му, а именно Е_ру<Е_му. В то же время известно, что общая эффективность по Мерфри может быть даже больше единицы Е_му≅1, а локальная эффективность в пределе может быть равна единице Е_ру ≅ 1, причем Е_ру ехр (-N_OG), где N_OG общее число единиц переноса массы в газовой (паровой фазе).

Особенно усугубляется снижение эффективности известной массообменной колонны в условиях вакуумной ректификации, когда количество подаваемой жидкости в центре распределительной решетки со слоем насадки.

Наиболее близкой к предлагаемой по технической сущности и достигаемому эффекту является массообменная колонна, включающая вертикальный корпус, поярусно расположенные поддерживающие распределительные решетки с перфорациями, слой насадки на каждой решетке, направляющий усеченный конус в периферийной части колонны под каждой распределительной решеткой, установленный меньшим основанием вниз, с арочными прорезями, выполненными на поверхности конуса выпуклостью вверх, равномерно расположенными по концентрическим окружностям по отношению к оси корпуса, оси арочных прорезей на поверхности конуса направлены под острым углом к образующим конуса от периферии к центру, каждая распределительная решетка выполнена в виде конуса, ориентированного вершиной вверх с острым углом образующей к горизонтали, и снабжена арочными прорезями с тангенциально направленными осями.

Недостатком известной массообменной колонны является недостаточная плотность между стенками колонны и направляющими конусами, в результате чего часть жидкости стекает между стенками колонны и распределительными конусами в периферийную часть слоя насадки нижерасположенной решетки вместо того, чтобы стекать внутpь распределительного конуса и по его стенкам в центр нижерасположенной решетки с насадкой, что естественно исключает контакт части жидкости с газом, в результате чего снижается эффективность массообмена между жидкостью и газом (эффективность по Мерфри).

Цель изобретения повышение эффективности массообмена массообменной колонны за счет исключения провала жидкости между стенкой колонны и направляющими конусами и обеспечения движения всей жидкости на направляющих конусах от периферии к центру.

Цель достигается тем, что в массообменной колонне, включающей вертикальный корпус, поярусно расположенные, поддерживающие распределительные решетки с перфорациями, слой насадки на каждой решетке, направляющий усеченный конус в периферийной части колонны под каждой распределительной решеткой, установленный меньшим основанием вниз, с арочными прорезями, выполненными на поверхности конуса выпуклостью вверх, равномерно расположенными по концентрическим окружностями по отношению к оси конуса, оси арочных прорезей на повеpхности конуса направлены под острым углом к образующим конуса от периферии к центру, каждая распределительная решетка выполнена в виде конуса, ориентированного вершиной вверх с острым углом образующей к горизонтали, и снабжена арочными прорезями с тангенциально направленными осями, над распределительными решетками внутрь направляющего конуса горизонтально установлено распорное кольцо с упорным винтом и гайками, плотно прижимающее стенки направляющего конуса к внутренним стенкам колонны, выполненные разъемным, к одному концу которого прикреплен упорный винт, с пластиной, а к другому концу прикреплена упорная пластина с отверстием, в которое свободно проходит упорный винт, на котором находится гайка, завинченная до упора в пластину в собранном состоянии, а другая гайка завинчена на упорном винте по другую сторону пластины до упора в нее, причем ось упорного винта смещена внутрь окружности распорного кольца и вверх относительно горизонтальной плоскости распорного кольца.

На фиг.1 представлена массообменная колонна, продольный разрез; на фиг.2 разрез А-А на фиг.1; на фиг.3 разрез Б-Б на фиг.1; на фиг.4 разрез В-В на фиг. 2; на фиг.5 разрез Г-Г на фиг.2; на фиг.6 распорное кольцо, вид сверху; на фиг.7 разрез Д-Д на фиг.6; на фиг.8 разрез Е-Е на фиг.6.

Массообменная колонна содержит вертикальный цилиндрический корпус 1, поддерживающие распределительные конические решетки 2 с тангенциально направленными арочными прорезями 3, на которых расположен слой насадки 4, под распределительными решетками 2 между стенками корпуса 1 и решетки 2 установлены направляющие конуса 5 с арочными прорезями 6 выпуклостями вверх, оси которых направлены под острым углом к образующим конусов от центра к периферии, причем сечение меньшего основания конуса 5 равно не меньше 10% поперечного сечения колонны для слива жидкости.

Внутри каждого направляющего конуса 5 над распределительной решеткой 2 в горизонтальной плоскости установлено разрезное распорное кольцо 7 с двумя упорными пластинами 8 и 9, прикрепленными к концам кольца 7, причем к упорной пластине 8 прочно прикреплен упорный винт 10, свободно входящий в отверстие упорной пластины 9, на упорный винт 10 по обе стороны упорной пластины 9 навинчены упорная гайка 11 со стороны пластины 8 и фиксирующая гайка 12 по другую сторону пластины 9, причем при затянутой упорной гайке 11 до упора в пластину 9 упорное кольцо 7 плотно прижимает стенки направляющего конуса 5 к внутренним стенкам колонны 1, ось упорного винта 10 смещена внутрь окружности распорного кольца и вверх относительно горизонтальной плоскости распорного кольца 7.

Свободное сечение арочных прорезей 3 поддерживающих распределительных решеток 2 меньше свободного сечения насадки 4, а свободное сечение арочных прорезей 6 направляющих конусов 5 больше свободного сечения арочных прорезей 3, распределительных решеток 2.

Массообменная колонна работает следующим образом.

Газ (пар) поступает в корпус 1 колонны (фиг.1-5) снизу и движется вверх, проходит через арочные прорези 3 поддерживающих распределительных решеток 2, проходит через арочные прорези 6 направляющих конусов 5, конструируя при этом со стекающей сверху вниз жидкостью.

В условиях работы массообменной колонны при наличии неплотностей между внутренними стенками колонны 1 и направляющим конусом 5 жидкость будет стекать по стенкам колонны 1 вниз в периферийную часть слоя насадки 4 вместо того, что пройти путь от периферии к центру направляющего конуса 5 и далее от центра к периферии слоя насадки 4, т.е. часть жидкости будет байпассировать без контакта с газом (паром), что будет приводить к снижению эффективности массообмена. Особенно существенно будет снижение эффективности массообмена за счет байпасирования жидкости вследствие неплотности между стенками колонны и направляющим конусом в условиях вакуумной ректификации. Использование распорного кольца для достижения плотности между стенками колонны и направляющим конусом отличается простотой конструкции в изготовлении и обслуживании по сравнению с уплотнениями сальникового типа или с прокладками.

Очевидно, что уплотнения распорными кольцами возможно использовать в колоннах диаметром до 1,0-1,2 м, при этом не требуется изготовление опорных элементов и их крепление к внутренним стенкам колонны.

При прохождении через тангенциально направленные арочные прорези 3 распределительных конических решеток 2 колонны газ (пар) контактирует с жидкостью, стекающей сверху через слой насадки 4 от центра к периферии за счет наклона конической поверхности решеток 2, и одновременно за счет тангенциальных составляющих скорости газа (пара), выходящего из арочных прорезей 3, перемещает жидкость от центра периферии, в результате происходит перемещение жидкости от центра к периферии на решетке 2, где жидкость стекает на периферийную часть направляющего конуса 5, откуда стекает по внутренней поверхности, контактируя одновременно с газом (паром), проходящим сразу вверх через арочные прорези 6, направленные под острым углом вниз к образующим конуса 5, способствуя перемещению жидкости вниз к меньшему основанию, через которое жидкость стекает вниз на слой насадки 4 на нижележащей конической решетке 2, что обеспечивает увеличение пропускной способности конуса 5 по жидкости и т.д.

На конической решетке 2 жидкость контактирует с газом (паром) и одновременно перемещается от центра к периферии решетки, где проваливаются через те же арочные прорези 3 вниз на конус 5, а газ (пар) движется снизу вверх, в результате жидкость и газ (пар) взаимодействуют при перекрестном относительном движении на решетке 2 и в слое насадки 4, что, как известно, обеспечивает максимальную движущую силу процесса и высокую эффективность массообмена. Аналогично при перекрестном движении газа (пара) и жидкости происходит по направляющем конусе 5, но уже при движении жидкости от периферии к центру колонны.

Тангенциальный ввод газа (пара) через арочные прорези 3 конических решеток 2 способствуют поперечному перемешиванию жидкости, что, как известно, обеспечивает повышение эффективности массообмена. На наклонной поверхности конических распpеделительных решеток 2 происходит перемещение жидкости от центра к периферии, которая находится в гидродинамическим состоянии взаимодействия с газом (паром) в слое насадки 4, в результате отсутствует гидростатический слой жидкости на решетке 2, что положительно сказывается на гидравлическом сопротивлении потоку газа (пара) в условиях вакуумной ректификации и одновременно исключает провод жидкости на пути движения от центра к периферии, а провал жидкости происходит только в периферийной части решетки 2.

Таким образом, при общем противоточном движении газа (пара) и жидкости в колонне и при перекрестном взаимодействии фаз на решетках 2 и конусах 5 достигается максимальная движущая сила процесса массообмена между газом (паром) и жидкостью и максимальная эффективность массообмена.

Из практики эксплуатации насадочных колонн известно, что наибольший эффект массообмена создают концевые эффекты при взаимодействии газа (пара) с жидкостью в верхней и нижней частях колонны. В связи с этим в предлагаемой массообменной колонне дополнительные концевые эффекты создаются на каждой ступени распределительных решеток 2, направляющих конусов 5. Кроме того, за счет подбора соответствующего минимального свободного сечения арочных прорезей 3 распределительных конических решеток 2 может достигаться стабильный режим эмульгирования, при котором, как известно, достигается значительное повышение эффективности массообмена между газом (паром) и жидкостью, что также обеспечивает дополнительное повышение эффективности работы массообменной колонны.

Объем колонны между слоем насадки 4 и направляющим конусом 5 в условиях работы может выполнять роль сепарационного пространства, что позволяет работать при оптимальных высоких нагрузках по газу (пару), близких к режиму эмульгирования, чем обеспечивается увеличение нагрузок колонны по газу (пару) и жидкости и повышение эффективности массообмена, так как при максимальных нагрузках обеспечиваются гидродинамические условия высокоэффективного конвективного тепло- и массообмена в фазах.

Технические преимущества изобретения по сравнению с прототипом заключаются в повышении эффективности массообмена между газом (паром) и жидкостью вследствие исключения провала жидкости между стенками колонны и направляющего конуса в периферийную часть слоя насадки, предупреждения байпасирования части жидкости и обеспечения за счет этого структуры потока жидкости в слое насадки на распределительных решетках и на поверхности направляющих конусов структур потока жидкости, близкой к модели идеального вытеснения в радиальных направлениях при полном перемешивании по высоте контактного слоя.

Общественно полезные преимущества изобретения, вытекающие из технических преимуществ, заключаются в повышении четкости разделения колонны и, следовательно, повышение 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) на ректификацию.

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

Экономическая выгода изобретения можно проиллюстрировать на примере разделения эталонной смеси бензол-толуол при условии повышения эффективности разделения предлагаемой колонны на 10% по сравнению с прототипом.

Согласно выполненному расчету расход греющего водяного пара в кипятильнике давлением 0,32 МПа составляет 2460 кг/ч для непрерывной ректификации 15000 кг/ч составляет 2460 кг/ч для непрерывной ректификации 15000 кг/ч исходной смеси бензол-толуол при атмосферном давлении при следующих концентрациях, мас. исходная смесь 45; дистиллят 96; кубовый остаток 1,2; количество необходимых теоретических тарелок равно 14 при рабочем флегмовом отношении R_n 2,49, минимальное флегмовое отношение R_min 1,247. Повышение эффективности массообмена колонны на 10% соответствует увеличенному числу теоретических тарелок, равном 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= 4300 кг/ч
D_λз 4140 кг/ч
где D_λпD_λз количество водяного пара, рекомендуемо при флегмовых числах R_п и R_з, соответственно, т.е. для прототипа и предлагаемого объекта, кг/ч;
G_d количество отбираемого дистиллята, кг/ч;
r_λ скрытая теплота конденсации водяного пара, Дж/кг;
r_d открытая теплота испарения дистиллята, Дж/кг.

Экономия водяного пара на одной колонне составляет
ΔD_λ=D_λп-D_λз 4300 4140 160 кг/ч. (3)
Стоимость сэкономленного водяного пара на одной колонне составляет
g 0,8 руб/ч
(4) где λ_s энтальпия греющего водяного пара, Дж/кг;
Ц_λ стоимость количества тепла в гигакалориях для местных условий, 7 руб. 81 коп. (в ценах 1986 г.).

Ожидаемый годовой экономический эффект от использования одной массообменной колонны
Э 8600·g 8600·0,8 68300 руб./год, (5) где 8600 количество рабочих часов в году.

Для реализации предлагаемой массообменной колонны в настоящее время в лаборатории процессов и аппаратов химической технологии кафедры ТОПП изготовлены опытные колонны диаметром 300, 400, 600 и 800 мм для испытания в условиях десорбции аммиака из воды в воздух. В результате проведенных предварительных испытаний предлагаемой массообменной колонны диаметром 300 мм установлено, что эффективность массообмена повышается на 20-30% по сравнению с прототипом при сопоставимых условиях.

Изобретение относится к массообменной колонне насадочного типа для систем газ (пар)-жидкость, предназначенной для процессов абсорбции, ректификации, промывки газов и особенно выкуумной ректификации. Сущность изобретения: конструкция обеспечивает повышение эффективности массообмена за счет исключения провала жидкости в периферийной части между стенкой колонны и направляющими конусами. С этой целью над распределительными решетками внутрь направляющего конуса в горизонтальной плоскости установлено разрезное распорное кольцо с двумя упорными пластинами, прикрепленными к концам кольца. 8 ил.

Массообменная колонна, включающая вертикальный корпус с поярусно расположенными поддерживающими перфорированными распределительными решетками, слой насадки на каждой решетке, перфорированный направляющий усеченный конус в периферийной части колонны под каждой распределительной решеткой, ориентированный меньшим основанием вниз, с перфорациями в виде арочных прорезей, выполненных выпуклостями вверх, равномерно расположенными по концентрическим окружностям по отношению к оси конуса, отличающаяся тем, что распределительные решетки выполнены в виде конусов, ориентированных вершинами вверх, с острым углом образующих к горизонтали, перфорации распределительных решеток выполнены в виде арочных прорезей выпуклостями вверх с тангенциально направленными осями, оси арочных прорезей направляющего усеченного конуса направлены под острым углом к образующим конуса от периферии к центру, над распределительными решетками внутрь направляющего конуса в горизонтальной плоскости установлено разрезное распорное кольцо с двумя упорными пластинами, прикрепленными к концам кольца, к одной пластине прикреплен упорный винт, входящий в отверстие второй пластины, по обе стороны второй пластины навинчены на упорный винт гайки так, что гайка между упорными пластинами навинчена до упора в пластину и упорное кольцо плотно прижимает стенки направляющего конуса к внутренним стенкам колонны, причем ось упорного винта смещена внутрь окружности распорного кольца и вверх относительно горизонтальной плоскости распорного кольца.