МАССООБМЕННАЯ КОЛОННА Российский патент 1997 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 отраслей 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 острым углом к образующим конуса от поверхности к центру, сечение арочных прорезей конусов больше сечения арочных прорезей распределительных решеток [1]
Известная массообменная колонна обеспечивает увеличение скорости газа (пара) за счет наличия сепарационного пространства между решетками со слоями насадки на них и повышение эффективности массообмена по сравнению с обычной известной насадочной колонны за счет секционирования слоя насадки по высоте и исключение байпасирования и каналообразования в потоках.

Недостатком известной массообменной колонны является недостаточная поверхность массообмена между жидкостью и газом (паром) при движении от периферии к центру, на поверхности направляющего усеченного конуса, а также провал жидкости через арочные прорези в горизонтальной распределительной решетке при ее накоплении непрерывной подачи в центр слоя за счет градиента вследствие непрерывной подачи в центр слоя насадки, в результате чего снижается эффективность массообмена между газом (паром) и жидкостью.

Цель изобретения повышение эффективности массообмена между газом (паром) и жидкостью за счет увеличения межфазной поверхности массообмена в свободном объеме насадки и обеспечения структуры потока жидкости, близкой к модели идеального вытеснения в горизонтальной плоскости в радиальном направлении при полном перемешивании жидкости по высоте слоя насадки в секции и обеспечение увеличения удельной нагрузки по жидкости.

Цель достигается тем, что в массообменной колонне, включающей вертикальный корпус, внутри которого поярусно расположены поддерживающие распределительные решетки, каждая из которых выполнена в виде конуса, ориентированного вершиной вверх с острым углом образующей к горизонтали, с перфорациями, выполненными в виде арочных прорезей выпуклостью вверх с тангенциально направленными осями и расположенными по концентрическим окружностям, слой насадки на каждой решетке, под каждой распределительной решеткой установлена направляющая решетка в виде усеченного конуса, ориентированного меньшим основанием вниз, с арочными прорезями, выполненными на поверхности конуса выпуклостью вверх, равномерно расположенными по концентрическим окружностям по отношению к оси конуса, оси арочных прорезей на поверхности конуса направлены под острым углом к образующим конуса от периферии к центру, оси арочных прорезей распределительных решеток могут быть направлены также под острым углом к образующим конуса от центра к периферии или радиально от центра к периферии, в периферийной части распределительной решетки выполнены радиальные разрезы и кольцевые надрезы с отгибом лепестков вниз и вверх навстречу потоку газа (пара), выходящего из арочных прорезей с тангенциально направленными осями. Угол наклона образующих к горизонтали направляющего усеченного конуса в два раза больше, чем для распределительной решетки, меньшее отверстие направляющей решетки в виде направляющего усеченного конуса перекрыто сеткой с размером ячейки, меньшим линейного размера элемента насадки. На направляющую решетку в виде направляющего усеченного конуса засыпан слой насадки.

Решетки установлены на распорные разрезные кольца, к концам которых прикреплены упорные пластины, к одной из которых прикреплены упорный винт, проходящей 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 упорное кольцо плотно прижато к внутренним стенкам колонны. Ось упорного винта смещена внутрь окружности распорного кольца и вниз относительно горизонтальной плоскости распорного кольца, к распорному кольцу по периметру прикреплены шпильки с гайками для закрепления решеток.

Угол наклона образующих направляющих решеток к горизонтали β в два раза больше угла наклона образующих распределительных решеток к горизонтали a(β=2d) для обеспечения одинаковых условий стока жидкости на решетках за счет гидравлического уклона, выражающихся в одинаковом объеме удерживаемой жидкости на решетках или средней высоте слоя жидкости на решетках, которая является определяющей для эффективности массообмена.

Для доказательства необходимости увеличения в 2 раза угла наклона образующих направляющих решеток, на которых жидкость движется от периферии к центру, по сравнению с распределительными решетками, на которых жидкость движется от центра к периферии, представим работу решеток при одинаковых нагрузках по жидкости и газу (пару), но при горизонтальных положениях решеток β=α=0
Очевидно, что в условиях работы на решетках без насадки и при подаче на верхнюю распределительную решетку жидкости в центр, на решетках образуются естественные гидравлические градиенты: на распределительных решетках образуются конусы, а на направляющих воронки, причем гидравлические уклоны конусов и воронок естественно будут абсолютно одинаковы при одинаковых нагрузках по жидкости и газу (пару). Однако, количество жидкости на распределительной решетке будет в 2 раза меньше, чем на направляющей решетке, так как объем прямого конуса при его высоте h_k равен:

а объем воронки при ее высоте h_в равен:

причем r_к r_в; h_к h_в.

Здесь задача упрощена за счет линеоризации, но аналогичные результаты получаются при интегрировании дифференциальных уравнений объемов жидкости на решетках.

Следовательно, чтобы обеспечить одинаковое количество удерживаемой жидкости на решетках при одинаковых нагрузках необходимо соблюдать условия β=2d
Приведенные доказательства подтверждены экспериментально. В насадочной колонне при одинаковых углах α=β количество жидкости, удерживаемое в слое насадке на направляющей решетке было в 2 раза больше, чем на распределительной решетке.

Предлагаемая массообменная колонна за счет своих отличительных признаков обеспечивает решение поставленной технической задачи повышение эффективности массообмена между газом (паром) и жидкостью.

На фиг. 1 схематически представлена массообменная колонна, продольный разрез; на фиг. 2 разрез А-А (фиг. 1); на фиг. 3 разрез Б-Б (фиг. 1); на фиг. 4 разрез В-В (фиг. 2); на фиг. 5 разрез Г-Г (фиг. 2); на фиг. 6 - распорное кольцо; на фиг. 7 разрез Д-Д (фиг. 6); на фиг. 8 разрез Е-Е (фиг. 6); на фиг. 9 распорное кольцо, вид сверху; на фиг. 10 разрез Ж-Ж (фиг. 9); на фиг. 11 разрез И-И (фиг. 9).

Массообменная колонна (фиг. 1 11) содержит вертикальный цилиндрический корпус 1, поярусное расположение по высоте внутри корпуса поддерживающие распределительные решетки 2, выполненные в виде конусов, ориентированных вершинами вверх с острыми углами образующих к горизонтали, с перфорациями, выполненными в виде арочных прорезей 3 выпуклостью вверх, расположенными по концентрическим окружностям с тангенциально направленными осями, или прорезей 4, направленных под острым углом к образующей конуса от центра к периферии, или прорезей 5 направленных радиально от центра к периферии, в периферийной части решетки 2 выполнены радиальные разрезы и кольцевые надрезы с отгибами лепестков 6 вниз и вверх навстречу потоку газа (пара) выходящего из арочных прорезей 3 с тангенциально направленными осями, между решетками 2 установлены распределительные решетки 7 в виде усеченных конусов 7, ориентированных меньшими основаниями вниз, с острым углом образующих к горизонтали, но в 2 раза большим, чем для решеток 2, с перфорациями в виде арочных прорезей 8 выпуклостью вверх, расположенных по концентрическим окружностям с тангенциально направленными осями, или прорезей 9, направленных под острым углом к образующим конуса от периферии к центру, или прорезей 10, направленных радиально от периферии к центру.

Периферийные края решеток 7 выполнены с отбортовкой вверх для уплотнения со стенкой корпуса 1, на решетки 2 и решетки 7 засыпан слой насадки 11 с образованием над слоем насадки сепарационного пространства, центральное отверстие решетки 7 перекрыто сеткой 12 с размером ячейки, меньшим линейного размера элемента насадки.

Решетки 2 и 7 установлены на горизонтальные разрезные распорные кольца 13 и закреплены шпильками 14, прикрепленными к кольцам 13 по периметру. К концам каждого распорного кольца 13 прикреплены упорные пластины 15 и 16, к одной 15, из которых прикреплен упорными винт 17, проходящий свободно в отверстие другой пластины 16, по обе стороны которой на упорный винт 17 завинчены гайки 18 и 19 так, что гайки 18 между упорными пластинами 15 и 16 навинчена до упора в пластину 16 и упорное кольцо 13 плотно прижимается к внутренним стенкам цилиндрического корпуса 1.

Ось упорного винта 17 распорного кольца 13 смещена внутрь окружности распорного кольца 13 и вниз относительно горизонтальной плоскости (фиг. 9 - 11) для возможности обслуживания гаек 18 и 19 и беспрепятственной опоры на кольце 13 решеток 2 и 7. Для подачи жидкости в колонну над центром слоя насадок 11 на решетке 2 служит центральная труба 20.

Решетки 2 и 7 больших диаметров изготовляются из отдельных элементов-секторов и соединяются внахлестку, совпадающей с подъемом арочных прорезей 3 и 8 на решетках 2 и 7 (фиг. 2, 3).

Массообменная колонна работает следующим образом.

Газ (пар) поступает в корпус 1 колонны (фиг. 1 8) снизу и движется вверх, проходит через арочные прорези 8 (9, 10) решетки 7 и слой насадки 11 на ней, где контактирует с жидкостью, проходит вверх через арочные прорези 3 (4, 5) распределительной решетки 2 и слой насадки 11 на ней и т.д.

Жидкость поступает по трубе 20 в центр над слоем насадки 11 на верхней распределительной решетке 2 и движется от центра к периферии, контактируя с газом (паром), поступающим снизу, при этом жидкость частично совершает кольцевое движение под действием газа (пара), входящего через тангенциальное направленные арочные прорези 3, в результате чего происходит поперечное перемешивание жидкости по окружности. Структура потока жидкости в слое насадки на решетке 2 близка к модели идеального вытеснения в радиальном направлении от центра к периферии при полном перемешивании жидкости по высоте слоя насадки. В периферийной части решетки 2 жидкость стекает через щели между лепестками 6 (фиг. 6, 7) вниз на слой насадки 11 в периферийной части решетки 7.

Аналогично в слое насадки 11 на решетке 7 жидкость движется от периферии к центру, структура потока жидкости близка к модели идеального вытеснения в радиальном направлении от периферии к центру при полном перемешивании жидкости по высоте слоя насадки. В центральной части решетки 7 жидкость стекает через отверстие с сеткой 12 вниз на слой насадки 6 на нижерасположенной решетки 2 и т.д.

Для обеспечения одинаковой средней высоты слоя жидкости на решетках и одинакового гидравлического сопротивления слой жидкости, а также одинаковой эффективности массообмена секций угол наклона образующих конических решеток 7 принят в два раза больше, чем решеток 2.

Использование в массообменной колонне распорных колец 13 обеспечивает сохранность и долговечность корпуса колонны, работающего при особенно агрессивных условиях. При этом не требуются специальные опорные элементы, привариваемые к стенкам колонны, что намного снижает затраты на изготовление опорных устройств.

Технические преимущества изобретения по сравнению с прототипом заключаются в повышении эффективности массообмена между газом (паром) и жидкостью вследствие увеличения межфазной поверхности в слое насадки на решетках и за счет увеличения пропускной способности колонны по жидкости вследствие увеличения сечения сливных устройств на решетках.

Общественно полезные преимущества изобретения вытекающие из технических преимуществ, по сравнению с прототипом, 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 изобретения 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. Ыу

Использование: в конструкциях массообменных колонн насадочного типа для взаимодействия систем газ (пар) - жидкость, предназначенных для процессов абсорбции, ректификации, промывки газов и особенно вакуумной ректификации в химической, нефтехимической, газовой и в других смежных отраслях промышленности. Сущность изобретения: в колонне поярусно установлены конические распределительные решетки вершинами вверх с арочными прорезями выпуклостью вверх с направлением осей арочных прорезей от тангенциального до радиального от центра к периферии, и конические распределительные решетки вершинами вниз с арочными прорезями выпуклостью вверх, с направлением осей арочных прорезей от тангенциального до радиального, от периферии к центру. Распределительные решетки крепятся между нижним и верхним распорными кольцами, прижатыми к внутренним стенкам колонны с помощью распорных болтов с гайками и упорными пластинами. 11 ил.

Массообменная колонна, включающая вертикальный корпус, внутри которого поярусно расположены поддерживающие распределительные решетки с перфорациями, выполненными в виде арочных прорезей выпуклостью вверх, расположенными по концентрическим окружностям и с осями, направленными тангенциально, или под острым углом, или радиально, слой насадки на каждой решетке и направляющие решетки с арочными прорезями выпуклостью вверх, расположенными по концентрическим окружностям, отличающаяся тем, что поддерживающие распределительные решетки выполнены в виде конуса, ориентированного вершиной вверх с острым углом образующей в горизонтали, направляющие решетки выполнены в виде конуса, ориентированного вершиной вниз, с острым углом образующей к горизонтали в два раза большим, чем для поддерживающих решеток, и с осями прорезей, направленными тангенциально, или под острым углом к образующей конуса, или радиально, периферийные края направляющих решеток выполнены с отбортовками, направленными вверх, поддерживающие и направляющие решетки закреплены с помощью верхних и нижних распорных разрезных колец, к концам которых прикреплены упорные пластины, к одной из которых прикреплен упорный винт, проходящий свободно в отверстие другой пластины, по обе стороны которой на упорном винте установлены гайки так, что гайка, находящаяся между упорными пластинами, расположена вплотную к пластине и распорное кольцо плотно прижато к внутренним стенкам колонны, верхнее распорное кольцо направляющей решетки расположено внутри ее отбортовки, при этом ось упорного винта верхнего распорного кольца смещена внутрь окружности кольца и вверх относительно горизонтальной плоскости кольца, а ось упорного винта нижнего распорного кольца смещена внутрь окружности кольца и вниз относительно горизонтальной плоскости кольца.