КОНТАКТНАЯ ТАРЕЛКА ДЛЯ ВИХРЕВЫХ ТЕПЛОМАССООБМЕННЫХ АППАРАТОВ Российский патент 1997 года по МПК B01D3/26 

Изобретение относится к устройствам для проведения тепломассообменных процессов в системах газ (пар) жидкость для адсорбции, ректификации, концентрирования неорганических кислот, денитрации отработанных кислот в химической, нефтехимической и других отраслях промышленности.

Известны различные контактные тарелки вихревых тепломассообменных аппаратов, описанные, например, в а.с. N498009, кл. B01D 3/26, 1974; N1655532, кл. B01D 3/30, 1991. Эти тарелки выполнены в виде полотна, на котором установлены контактные элементы в виде цилиндрических патрубков с завихрителями внутри них и отбойниками с центральным отверстием, установленными над патрубками. В а.с. N498009 цилиндрический контактный патрубок плотно прилегает к полотну тарелки, а отбойник снабжен внешним и внутренним цилиндрами, коаксиально расположенными по отношению к контактному патрубку. Кроме того, контактный патрубок снабжен в нижней части узлом подачи жидкости с вышележащей тарелки. В а.с. N1655532 цилиндрический контактный патрубок установлен с зазором к полотну тарелки, а сам патрубок выполнен с двойной стенкой с полостью для теплоносителя, а стенки патрубка выполнены в виде набора чередующихся и изменяющихся по высоте выпуклых и плоских участков. Недостатком этих контактных тарелок является малое время контакта фаз, вторичный унос жидкости из-под отбойника, незначительный диапазон устойчивой работы, что особенно характерно при больших нагрузках по жидкой фазе и низкой нагрузке по газовой. Поэтому эти контактные тарелки не обеспечивают достаточной интенсификации процесса тепломассообмена, особенно при больших нагрузках по жидкой фазе.

Наиболее близким к предлагаемой тарелке является контактная тарелка для тепломассообменных аппаратов по а. с. N572272, кл. B01D 3/26, 1977. Эта контактная тарелка для вихревых тепломассообменных аппаратов выполнена в виде полотна с плотно закрепленными на нем контактными патрубками, снабженными в нижней части завихрителями внутри них и узлами подвода жидкости с полотна тарелки. В верхней части контактного патрубка установлен отбойник с центральным отверстием, снабженный внешним и внутренним цилиндрами, установленными коаксиально контактному патрубку. Нижний срез внешнего цилиндра расположен ниже уровня жидкости на тарелке. Тарелка снабжена устройством для рециркуляции газа, расположенным между контактным патрубком и внешним цилиндром. Это, по мнению авторов, позволит увеличить время контакта фаз, устранить вторичный брызгоунос. Однако это техническое решение работоспособно лишь при малых расходах по жидкости. С увеличением расхода жидкости зона пониженного давления в центральной части контактного патрубка заполняется жидкостью и перекрывает отверстия труб циркуляции газа, что существенно снижает процесс тепломасообмена, т.е. снижается диапазон устойчивой работы контактной тарелки. Возможно также попадание части жидкости в виде брызг и капель, уносимых газом, в циркуляционные трубы и заполнение их жидкостью. При этом возрастает давление газовой фазы в полости между контактным патрубком и внешним цилиндром отбойного устройства, что приводит к ухудшению условий сепарации фаз и увеличению брызгоуноса из контактной тарелки. Кроме того, в этом решении энергия газового потока в зоне пониженного давления в центральной части контактного элемента затрачивается не на завихряющий эффект, а в основном на подсос жидкости через патрубок подвода жидкости.

Все недостатки не позволяют эффективно использовать эту контактную тарелку при колебаниях нагрузки по жидкой и газовой фазе.

В основу изобретения поставлена задача разработать такую контактную тарелку, чтобы было обеспечено: увеличение диапазона устойчивой работы тарелки, интенсификация процесса тепломассообмена, исключение вторичного брызгоуноса из-под отбойника.

Поставленная задача решается тем, что в контактной тарелке для вихревых темломассообменных аппаратов, включающей установленный на полотне тарелки контактный патрубок с завихрителем внутри и отбойником над ним, который снабжен внутренним и внешним цилиндрами, расположенными коаксиально контактному патрубку, согласно изобретению контактный патрубок установлен с зазором к полотну тарелки, нижний срез внешнего цилиндра расположен выше уровня жидкости на тарелке, а в кольцевом пространстве между внешним цилиндром отбойника и контактным патрубком установлена контактная насадка с плотно примыкающими к стенкам торцовыми кромками.

Кроме того, контактная насадка выполнена в виде винтовой спиральной ленты.

С другой стороны, контактная насадка выполнена в виде радиально расположенных пластин.

Также контактная насадка выполнена в виде горизонтально расположенного слоя катализатора.

Преимущества предлагаемого решения заключаются в том, что вращающийся газожидкостный поток, отсекаемый под отбойником, попадает в кольцевое пространство между контактным патрубком и внешним цилиндром отбойника, где продолжается процесс тепломассообмена между газом и жидкостью в стесненных условиях прохождения по насадке, выполненной в виде винтовой спиральной ленты, либо радиально расположенных пластин, либо слоя катализатора. В зазоре между внешним цилиндром отбойника и уровнем жидкости на тарелке происходит сепарация контактирующих фаз. Это приводит к увеличению эффективности тепломасообмена контактной тарелки, к ускорению химических реакций в жидкой фазе, позволяет практически исключить вторичный брызгоунос из-под отбойника, увеличить время пребывания жидкой и газовой фаз в контактной зоне, увеличить поверхность контакта фаз за счет создания дополнительной зоны контакта фаз. Благодаря предлагаемому решению контактная тарелка обеспечивает высокую эффективность тепломасообменных процессов при любых нагрузках по газовой и жидкой фазам, т.е. увеличивается диапазон устойчивой работы тарелки.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг. 1 изображен продольный разрез устройства с выполнением насадки в виде винтовой спиральной ленты (первый вариант исполнения), на фиг. 2 изображено устройство с насадкой, выполненной в виде радиально расположенных пластин (второй вариант исполнения), на фиг. 3 его разрез по А-А, на фиг. 4 устройство с насадкой, выполненной в виде горизонтально расположенного слоя катализатора.

Контактная тарелка состоит из полотна 1, на котором установлен контактный патрубок 2. Внутри патрубка 2 установлен многощелевой завихритель 3. Над патрубком 2 установлен отбойник 4 с внутренним 5 и внешним 6 цилиндрами, расположенными коаксиально патрубку 2. В кольцевом пространстве 7 между контактным патрубком 2 и внешним цилиндром 6 установлена контактная насадка, плотно примыкающая к стенкам патрубка 2 и цилиндра 6. Контактный патрубок 2 установлен с зазором 8 к полотну тарелки 1. Нижний срез внешнего цилиндра 6 расположен выше уровня жидкости на тарелке 1 с образованием зазора 9. Контактная насадка по первому варианту исполнения выполнена в виде винтовой спиральной ленты 10, закрутка которой совпадает с направлением щелей завихрителя 3, по второму варианту исполнения в виде радиально расположенных пластин 11, по третьему варианту в виде слоя катализатора 12.

Контактная тарелка может работать в режиме абсорбции газов, ректификации и дистилляции, например, при концентрировании и денитрации отработанных кислот.

Рассмотрим работу контактной тарелки по первому варианту исполнения контактной насадки на примере 1 абсорбции паров азотной кислоты.

Работа контактной тарелки происходит в несколько стадий. На первой стадии отходящие газы, содержащие пары азотной кислоты, поступают с нижней стороны полотна тарелки 1 в завихритель газового потока 3 и на выходе из него приобретают вихревое, вращательное движение. Жидкость поступает через зазор 8. Здесь масса жидкости раскручивается газовым потоком, выходящим из щелей завихрителя 3, и движется по спирали вверх по внутренней стенке контактного патрубка 2 в виде высокотурбулизованного газожидкостного потока. При этом газожидкостный поток непрерывно бомбардируется каплями и струями жидкости, вылетающими из щелей завихрителя 3, и непрерывно многократно обновляет свою поверхность.

Во второй стадии работы, у верхнего среза контактного патрубка 2, часть газа с жидкостью в виде вращающегося высокотурбулизованного газожидкостного потока отсекается в зазоре между контактным патрубком 2 и внутренним цилиндром 5 отбойника 4 и попадает в кольцевое пространство 7, а отделившаяся часть газа выходит через центральное отверстие отбойника 4 из контактного патрубка 2 и поступает на вышележащую тарелку.

На третьей стадии работы контактной тарелки вращающийся газожидкостный поток в кольцевом пространстве 7 продолжает вращательное движение в стесненных условиях прохождения между витками винтовой спиральной ленты 10, установленной под острым углом к поверхности контактного патрубка. На всем пути движения продолжается процесс тепломассообмена между газовой и жидкостной фазами. Над поверхностью жидкости, в зазоре 9, за счет центробежных и гравитационных сил происходит сепарация газовой фазы от жидкости. Газовая фаза, свободная от капель и брызг жидкости, поступает на вышележащую ступень. Часть отсепарированной жидкости поступает на рециркуляцию в контактную тарелку, а другая часть перетекает на нижележащую ступень.

Характерной особенностью очистки отходящих газов от паров азотной кислоты, исходя из материального баланса процесса, является малое массовое отношение расхода жидкости к расходу газа на контактной тарелке. Масса жидкости, подаваемой на контактную тарелку, в 100 1000 раз меньше массы газа. Для повышения эффективности абсорбции паров азотной кислоты необходимо увеличение количества жидкости в зоне контакта фаз, уменьшение брызгоуноса со ступени.

Предложенная конструкция контактной тарелки за счет того, что часть жидкости находится в контактной зоне внутри контактного патрубка 2, а другая - большая часть жидкости удерживается в контактной зоне между витками винтовой спиральной ленты 10, обладает повышенной удерживающей способностью по жидкой фазе.

Благодаря тому, что газожидкостный поток проходит по кольцевому каналу между витками насадки 10 в стесненных условиях, при максимальной скорости газа, обеспечивается образование высокотурбулизированного вращающегося пенновихревого слоя и его движение по спирали в радиально-нисходящем направлении в объеме кольцевого канала, а затем эффективная сепарация фаз в зазоре 9. В предлагаемой конструкции благодаря тому, что направление крутки винтовой спиральной насадки 10 совпадает с направлением крутки газожидкостного потока в контактном патрубке, происходит подкрутка потока и обеспечивается закрученное движение потока в течение всего времени пребывания в ней, что позволяет организовать абсорбцию паров азотной кислоты в интенсивном режиме и высокоэффективное отделение жидкости от газа. Это приводит к высокой эффективности абсорбции паров азотной кислоты.

В случае резкого увеличения нагрузки по жидкой фазе контактная тарелка сохраняет устойчивую работу без захлебывания за счет создания организованного вращающегося газожидкостного потока как внутри контактного патрубка 2, так и в кольцевом канале между витками винтовой спиральной ленты 10, а также эффективной сепарации фаз после контакта.

Работу устройства по второму варианту исполнения рассмотрим на примере процесса денитрации отработанной серной кислоты (пример 2).

При этом работа устройства на первой и второй стадиях аналогична описанному в примере 1. На третьей стадии работы контактной тарелки вращающийся жидкостный поток в кольцевом пространстве 7 равномерно распределяется по каналам, образованным смежными радиально расположенными пластинами насадки 11, на большое количество струй, образуя хорошо смоченную поверхность. Газовый поток, проходя каналы, турбулизирует и перемешивает пленку жидкости по всей движущейся поверхности, создавая развитую постоянно обновляющуюся зону тепломассопереноса. В зазоре 9, над поверхностью жидкости, происходит сепарация газовой фазы от жидкости.

Процесс денитрации отработанной серной кислоты характеризуется массовым отношением расхода жидкости к расходу газа на контактной тарелке. Масса жидкости, подаваемой на контактную тарелку, в 5 10 раз больше массы газа. Для повышения степени денитрации отработанной серной кислоты, т.е. для увеличения количества десорбированных азотной кислоты и окислов азота, необходимо увеличение времени пребывания газовой и жидкой фаз в зоне контакта фаз, увеличение поверхности тепломассообмена, снижение брызгоуноса по ступени. Разработанная конструкция контактной тарелки за счет интенсивной турбулизации вихревого газожидкостного потока на первой стадии работы и рассечения газожидкостного потока на большое количество струй и движение этих струй в стесненных условиях в каналах, образованных смежными радиально расположенными пластинами 11, позволяет резко повысить поверхность тепломассообмена. При движении сверху вниз газ увлекает пленку жидкости, что увеличивает ее предельную скорость и уменьшает толщину пленки. Распределение жидкостного потока на большое количество струй позволяет повысить нагрузку контактной тарелки по жидкости. Предлагаемая конструкция обеспечивает эффективность массообмена как в поле действия центробежных сил, так и в поле действия сил тяжести, что способствует увеличению времени и поверхности контакта фаз за счет задержки жидкости в контактной зоне. Это приводит к повышению степени денитрации, обеспечению необходимой степени гидрозила нитрозилсерной кислоты, интенсификации тепломассообмена, практически полному исключению вторичного брызгоуноса из-под отбойника. Вследствие эффективной сепарации фаз разработанная конструкция обеспечивает работу в широком диапазоне изменения нагрузок по газу и жидкости.

Работу контактной тарелки, контактная насадка которой выполнена в виде горизонтально расположенного слоя катализатора 12 (вариант 3), рассмотрим на примере процесса абсорбции окислов азота (пример 3).

Работа контактной тарелки на первой и второй стадиях аналогична первому примеру. Отходящие газы, содержащие окислы азота, поступают в контактную тарелку, где происходит абсорбция окислов азота водой во вращающемся, высокотурбулизированном газожидкостном потоке. При этом в жидкой фазе протекают реакции образования и разложения азотистой кислоты. В третьей стадии работы контактной тарелки вращающийся высокотурбулизованный газожидкостный поток, отсекаемый под отбойником 4, попадает в кольцевое пространство 7 на горизонтально расположенный слой катализатора 12. При прохождении газожидкостным потоком слоя катализатора 12, обладающего большой поверхностью контакта фаз, ускоряется жидкофазная реакция разложения азотистой кислоты, увеличивается степень абсорбции окислов азота, практически полностью исключается вторичный брызгоунос из-под отбойника 4. В зазоре 9 происходит сепарация газовой фазы от жидкости.

В слое катализатора 12 постоянно находится некоторое количество жидкости. Данная жидкость постоянно обновляется, т.е. часть ее стекает со слоя катализатора и сейчас же замещается таким же количеством жидкости. Практически вся поверхность катализатора покрыта устойчивой пленкой жидкости. С повышением плотности орошения увеличиваются количество удерживающей жидкости и доля смоченной активной поверхности. Газовый поток турбулизирует и перемешивает пленку жидкости и способствует интенсификации тепломассообмена.

Предлагаемая конструкция контактной тарелки позволяет осуществлять различные виды тепломассообменных процессов, таких как абсорбция, денитрация с большой эффективностью при любых нагрузках по газу и жидкости, что позволяет увеличить диапазон работы, исключить вторичный брызгоунос.

Использование: контактная тарелка для вихревых тепломассообменных аппаратов предназначена для проведения процессов абсорбции, ректификации, дистилляции. Сущность изобретения: тарелка содержит установленный на полотне тарелки контактный патрубок с многощелевым завихрителем внутри и отбойником над ним, который снабжен внутренним и внешним цилиндрами, расположенными коаксиально контактному патрубку, установленному с зазором к полотну тарелки. Нижний срез внешнего цилиндра отбойника расположен выше уровня жидкости на тарелке, а в кольцевом пространстве между внешним цилиндром отбойника и контактным патрубком установлена контактная насадка с плотно примыкающими к стенкам торцовыми кромками. Контактная насадка выполнена в виде винтовой спиральной ленты, либо в виде радиально расположенных пластин или в виде горизонтально расположенного слоя катализатора. Это позволяет увеличить эффективность тепломассообмена контактной тарелки, увеличить диапазон устойчивой работы, исключить вторичный брызгоунос из-под отбойника. 3 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Контактная тарелка для вихревых тепломассообменных аппаратов, включающая установленный на полотне тарелки контактный патрубок с многощелевым завихрителем внутри и отбойником над ним, который снабжен внутренним и внешним цилиндрами, расположенными коаксиально контактному патрубку, отличающаяся тем, что контактный патрубок установлен с зазором к полотну тарелки, нижний срез внешнего цилиндра расположен выше уровня жидкости на тарелке, а в кольцевом пространстве между внешним цилиндром отбойника и контактным патрубком установлена контактная насадка с плотно примыкающими к стенкам торцевыми кромками. 2. Тарелка по п.1, отличающаяся тем, что контактная насадка выполнена в виде винтовой спиральной ленты. 3. Тарелка по п.1, отличающаяся тем, что контактная насадка выполнена в виде радиально расположенных пластин. 4. Тарелка по п.1, отличающаяся тем, что контактная насадка выполнена в виде горизонтально расположенного слоя катализатора.