СПОСОБ КОНТАКТА ГАЗА И ЖИДКОСТИ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 2002 года по МПК B01D3/26 

Группа изобретений относится к газовой, газоперерабатывающей, химической и нефтяной промышленности. Оно может быть использовано в процессах и аппаратах для абсорбции, ректификации, например, при подготовке природного и нефтяного газа к транспорту.

Известен способ контакта газа и жидкости (патент 1149475, МПК В 01 D 3/26), включающий закручивание газового потока, подачу в его осевую зону жидкости, формирование ее в пленку на поверхности тела вращения с последующим диспергированием закрученным газовым потоком и разделением на жидкую и газовую фазы.

К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании известного способа, относится то, что в известном способе производят контакт газа с каплями жидкости и ее пленкой, образованные закрученным газовым потоком, однако при снижении расхода газового потока диаметр капель увеличивается, число капель уменьшается, что снижает поверхность контакта и эффективность массообмена между газом и жидкостью. Кроме того, уменьшается и поверхность пленки жидкости.

Известно устройство для осуществления этого способа (патент 1149475, МПК В 01 D 3/26), состоящее из основания, контактных элементов, каждый из которых содержит коаксиально установленные завихритель, стакан, обтекатель в виде параболоида вращения, расширяющаяся часть которого направлена в сторону сепаратора-пленкосьемника, установленного на выходе из стакана.

К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании известного устройства, относится то, что в известном устройстве из-за малой поверхности контакта при снижении скорости газового потока диаметр диспергируемых капель увеличивается, а поверхности пленки жидкости на внутренней стенке стакана оказывается недостаточно для осуществления эффективного массообмена.

Наиболее близким способом того же назначения к заявленному способу в группе изобретений по совокупности признаков является "Способ контакта газа и жидкости и устройство для его осуществления" (патент 1594740, МПК В 01 D 3/26, принят за прототип), в котором жидкость, подаваемую на внутреннюю поверхность завихрителя, предварительно дробят и перемешивают газовым потоком, затем эту жидкость подают под действием центробежных сил на внутренние стенки патрубка (стакана) и на поверхность обтекателя (тела вращения) с последующим диспергированием ее закрученным газовым потоком и разделением на жидкую и газовую фазы.

К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании известного способа, принятого за прототип, относится то, что в известном способе существуют также, как и в аналоге, пленочный и капельный режим контакта, хотя поверхности контакта увеличены по сравнению с аналогом, они не обеспечивают эффективность в широком диапазоне изменения нагрузок по газу, то есть диапазон эффективной работы определяется в пределах Gmax/Gmin=2,5-3.

Наиболее близким устройством к заявленному устройству в группе изобретений по совокупности признаков является устройство для осуществления способа контакта газа и жидкости (патент 1594740, МПК В 01 D 3/26, принят за прототип), которое включает основание с контактными элементами, каждый из которых состоит из патрубка, снабженного в верхней части сепаратором, в нижней части тангенциальным завихрителем, закрытым донышком, над которым по оси расположен выход из каналов подачи жидкости с основания.

Это техническое решение по сравнению с аналогом позволяет увеличить поверхность контакта жидкой и газовой фаз за счет использования всей внутренней поверхности контактного элемента.

К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании известного устройства, относится то, что в известном устройстве эффективность повышается с увеличением расхода газа, при пониженных нагрузках по газу не происходит подъем жидкости газовым потоком и снижается поверхность контакта, а следовательно, снижается и эффективность массопередачи.

Единая задача, на решение которой направлена заявляемая группа изобретений, заключается в создании способа контакта газа и жидкости и устройство для осуществления этого способа в процессах и аппаратах для абсорбции, ректификации при подготовке природного и нефтяного газа к транспорту, эффективного при любых нагрузках по газу.

Единый технический результат, полученный при осуществлении группы изобретений - повышение эффективности массообмена, то есть улучшение контакта газа с жидкостью, а также расширение диапазона эффективной работы.

Указанный единый технический результат при осуществлении группы изобретений по объекту - способу достигается тем, что в известном способе контакта газа и жидкости, включающем закручивание газового потока, подачу жидкости в зону низкого давления, диспергирование и формирование ее в пленку на поверхности тел вращения с последующим разделением газожидкостного потока на жидкую и газовую фазы, из жидкости, подаваемой в зону пониженного давления, тангенциально направленными газовыми струями формируют цилиндрический вращающийся слой, через который барботируют тангенциально направленные газовые струи, а фазы после барботажа для последующего разделения отбирают с внутренней поверхности цилиндрического вращающегося слоя жидкости, тем самым образуют дополнительно к двум зонам контакта, капельной и пленочной, барботажную зону контакта.

Указанный единый технический результат при осуществлении группы изобретений по объекту - устройство достигается тем, что в известном устройстве для контакта газа и жидкости, включающем основание с размещенными на нем центробежными элементами, каждый из которых состоит из цилиндрического патрубка, снабженного в верхней части сепарационным устройством, а в нижней части - тангенциальным завихрителем, закрытым донышком и с каналами для подачи жидкости на донышко завихрителя, на внутренней поверхности завихрителя выше тангенциальных входов газа установлена по крайней мере одна кольцевая переливная перегородка, с шириной, определяющей глубину барботажного слоя жидкости.

Кроме того, особенность устройства заключается в том, что кольцевая переливная перегородка может быть образована основанием или цилиндрическим патрубком, примыкающим к тангенциальному завихрителю, выполненному в виде усеченного конуса, при этом живое сечение завихрителя равно 1,05-1,25 площади отверстия в основании контактного устройства.

Формирование цилиндрического вращающегося слоя жидкости газовым потоком и барботаж через него закрученного газового потока в виде множества тангенциально направленных струй и отбор фаз после барботажа для последующего разделения с внутренней поверхности цилиндрического вращающегося слоя жидкости повышает эффективность массопередачи за счет ввода дополнительного барботажного режима и за счет уменьшения диаметра барботирующего газового пузырька и увеличения их количества, увеличивается поверхность контакта между газом и жидкостью. Диаметр газового пузырька тем меньше, чем больше центробежное ускорение вращающегося слоя жидкости и чем больше тангенциально направленных газовых струй. Скорость вращающегося слоя жидкости прямо пропорциональна скорости вращающегося газового потока, то есть кроме увеличения барботажной поверхности достигается увеличение поверхности контакта за счет использования центробежного ускорения вращаемой жидкости.

Установка на внутренней поверхности выше тангенциальных входов газа кольцевой перегородки, ширина которой определяет глубину борбатажного слоя жидкости, и выполнение площади живого сечения завихрителя, равной 1,05-1,25 площади отверстия в основании контактного устройства, увеличивает поверхность барботажа, которая зависит от высоты завихрителя, его диаметра и глубины барботажного слоя (разницей между внутренним диаметром завихрителя и внутренним диаметром кольцевой перегородки) и скорости вращения цилиндрического слоя жидкости.

Все перечисленные отличительные признаки позволили создать способ и устройство, в которых осуществляются барботаж газа через вращающийся слой жидкости (контакт пузырьков газа в слое жидкости, причем на площади большей, чем площадь основания тарелки и при ускорении большем, чем ускорение силы тяжести); распыление (диспергирование) жидкости закрученным газовым потоком (контакт капель жидкости в газовом потоке); образование пленки на внутренней стенке патрубка и вытеснителе при его наличии (контакт вращающегося потока газа с пленкой жидкости).

Заявленная группа изобретений соответствует требованию единства изобретения, поскольку группа разнообъектных изобретений образует единый изобретательский замысел, причем один из заявленных объектов группы - устройство для контакта газа и жидкости предназначено для осуществления другого заявленного объекта группы способа для контакта газа и жидкости, при этом оба объекта группы изобретений направлены на решение одной и той же задачи с получением единого технического результата.

Приведенный заявителем анализ уровня техники, включающий поиск по патентным и научно-техническим источникам информации и выявление источников, содержащих сведения об аналогичных заявленной группы изобретений, как для объекта-способа, так и для объекта-устройства, позволил установить, что заявитель не обнаружил аналогов, как для способа, так и для устройства заявленной группы, характеризующиеся признаками, тождественными всем существенным признакам как способа, так и устройства заявленной группы изобретений. Определение из перечня выявленных аналогов-прототипов, как для способа, так и для устройства - как наиболее близких по совокупности признаков аналогов, позволил выявить совокупность существенных по отношению к усматриваемому заявителем техническому результату отличительных признаков для каждого из заявленных объектов группы, изложенных в формуле изобретения.

Заявитель провел дополнительный поиск известных решений с целью выявить признаки, совпадающие с отличительными от выбранных прототипов признаками для каждого объекта заявленной группы изобретений. Результаты поиска показали, что каждый объект заявленной группы изобретений не вытекает для специалиста явным образом из известного уровня техники, поскольку из уровня техники, определенного заявителем, не выявлено влияние предусматриваемых существенными признаками каждого из объектов заявленной группы изобретений преобразований на достижение технического результата, а именно, заявителю не известно из существующего уровня техники способа контакта газа и жидкости и устройства для его осуществления, в котором за счет приведенных признаков повышалась бы эффективность массопередачи при расширении диапазона его эффективной работы. Необходимо отметить, что использование центробежной силы для увеличения ускорения известно, например, по а. с. 1526783, МПК В 01 D 53/18, 46/26, но это в барботажных роторных аппаратах, т.е. с применением вращающихся устройств.

На фиг.1 показана схема, иллюстрирующая предлагаемый способ.

На фиг.2, 3, 4, 5, 6 - устройство для его осуществления.

Объект - способ контакта газа и жидкости осуществляется следующим образом.

Газовый поток G₀ (фиг.1) разделяют на множество потоков g₀ и закручивают, образуя множество тангенциально направленных газовых струй. Жидкость L₁ подают в зону пониженного давления (зона диспергирования R) и из нее тангенциально направленными газовыми струями формируют цилиндрический вращающийся слой глубиной δ в барботажной зоне А, путем дробления ее на мелкие капли в зоне диспергирования R, закручивания и отбрасывания с помощью центробежных сил. Через образованный таким образом вращающийся цилиндрический слой жидкости глубиной δ, преодолевая центробежное ускорение, барботируют тангенциально направленные газовые струи, постоянно поддерживая его во вращении. Центробежное ускорение больше ускорения свободного падения, диаметр барботирующих газовых пузырьков меньше, чем в обычных барботажных аппаратах. В барботирующем слое осуществляют контакт газа с жидкостью.

Когда глубина слоя жидкости превышает величину δ, жидкость в закрученном виде переливается из барботажной зоны А в зону диспергирования D, где дополнительно дробится на капли l_i и оседает в виде пленки 1_n на внутренней поверхности тел вращения (внутренней поверхности патрубка и вытеснителя) и далее из зоны поверхностного контакта В подается в зону сепарации С. Из зоны сепарации С жидкость отбирается потоком L_к, а проконтактировавший и отсепарированный газ отбирается потоком G_к.

Пример.

Абсорбционная осушка природного газа водным раствором диэтиленгликоля (ДЭГ).

Газовый поток из 88,1 мол.% СH₄ (метана), 3 мол.% С₂Н₆ (этана) и С_3+n 8,9 мол. % в суммарном количестве 416670 нм³/ч при давлении 8 МПа и температуре 293К с начальным влагосодержанием 0,35 г/м³ подают на ступень контакта с диэтиленгликолем в количестве 5000 кг/ч с концентрацией 98,0% вес. В результате контакта:
- на теоретической ступени остаточное влагосодержание уходящего газа будет равно 0,075 г/м³;
на колпачковой тарелке - 0,281 г/м³;
на прямоточно-центробежной - 0,24 г/м³;
на ступени по предлагаемому способу - 0,171 г/м³, при этом концентрация диэтиленгликоля, уходящего с контактной ступени, будет равна:
для теоретической - 95,7 вес.%;
для колпачковой тарелки - 97,38 вес.%;
для прямоточно-центробежной тарелки 97,03 вес.%;
для ступени контакта по предлагаемому способу - 96,44 вес.%.

Объект - устройство для контакта газа и жидкости, преднозначенное для осуществления заявленного способа (фиг.2-5), содержит основание 1 и коаксиально установленный завихритель 2 газового потока, стакан 3, сепарационное устройство 4, обтекатель 5, каналы для подачи жидкости 6, 7, кольцевую переливную перегородку 8. Тангенциальный завихритель 2 снизу закрыт донышком 9, канал подачи жидкости 7 снабжен отверстиями 10 выхода жидкости, а тангенциальный завихритель образован множеством тангенциальных сопел 11.

Устройство может быть снабжено осевым завихрителем 12.

Устройство работает следующим образом.

Газовый поток подают под основание 1 (фиг.2-5) на тангенциальный завихритель 2, на котором газ делят на множество тангенциальных струй при прохождении тангенциальных сопел 11 (разрез А-А на фиг.4), газовый закрученный поток, входя в завихритель 2, образует по оси завихрителя 2 зону разряжения. Жидкость, находящаяся на основании 1, по каналам 6 и 7 через отверстие 10 подают на донышко 9 тангенциального завихрителя 2. Газ, попадающий в завихритель 2, захватывает с донышка 9 жидкость, дробит ее на капли, контактирует с ней и отбрасывает на внутреннюю стенку завихрителя 2 (зона А фиг.1), жидкость накапливается на внутренней стенке завихрителя 2 под переливной перегородкой 8. Глубина слоя жидкости δ равна ширине переливной перегородки 8. Через цилиндрический вращающийся слой жидкости барботирует газ, выходящий из сопел 11. Накопившаяся в достаточном количестве на стенке завихрителя 2 под переливной перегородкой 8 жидкость, перетекая через нее, дополнительно дробится (зона D фиг. 1) и за счет сил инерции в виде пленки оседает на внутреннюю стенку стакана 3, часть жидкости по наружной стенки канала подачи жидкости 7 попадает на обтекатель-вытеснитель 5, с которого срывается в виде капель и, закручиваясь за счет центробежных сил, также оседает на внутренней поверхности стакана 3, образуя пленку, с которой контактирует газ (зона В фиг.1). Далее жидкость и газ разделяются в сепарационном устройстве 4. (зона С фиг.1).

Кольцевая переливная перегородка 8 может быть выполнена непосредственно из основания 1 (фиг.2), в виде колец (фиг.3, 4) цилиндрического патрубка, примыкающего к тангенциальному завихрителю, который может быть выполнен в виде усеченного конуса (фиг. 5). Такая конструкция позволяет увеличить площадь барботажного слоя жидкости.

С целью увеличения площади барботажа и снижения гидравлического сопротивления устройства живое сечение завихрителя 2 принимается равным 1,05-1,25 площади отверстия в основании контактного устройства (фиг.2, 3) или внутреннего диаметра кольцевой переливной перегородки 8 (фиг.4, 5).

Кольцевые переливные перегородки 8 могут быть установлены по высоте друг под другом на внутренней поверхности завихрителя 2 (фиг.3) между тангенциальными соплами 11 для выравнивания барботажного слоя по высоте завихрителя 2.

Использование предлагаемого способа и устройства обеспечивает более высокую эффективность массопередачи на ступени контакта за счет ввода дополнительной барботажной зоны и барботажа газа через слой жидкости с преодолением центробежного ускорения, которое больше ускорения земного притяжения. Увеличение ускорения, как известно (см. В.А. Рамм. Абсорбция газов. М., "Химия", 442 с.), уменьшает диаметр барбатирующих газовых пузырьков, который равен:

где d_П - диаметр газового пузырька барботирующего через слой жидкости, м;
d₀ - диаметр барботажного отверстия (в предложенном техническом решении - приведенный диаметр тангенциальных сопел для газа), м;
σ - коэффициент поверхностного натяжения жидкости, н/м;
ρ_ж - плотность жидкости, кг/м³;
ρ_г - плотность газа, кг/м³.

В предложенном техническом решении ускорение равно:

где w - скорость вращения слоя жидкости, м/с;
R - радиус вращающегося слоя жидкости, м.

Принимая скорость вращения жидкости на внутреннем диаметре слоя равной скорости жидкости газа - 20 м/с, а снаружи около стенки ≈0 м/с, получаем, что средняя скорость вращения слоя жидкости будет равна 10 м/с, отсюда при радиусе 0,03 м ускорение будет равно:

т. е. центробежное ускорение в 340 раз больше ускорения свободного падения (g=9,81 м/с²), а диаметр пузырька ~ в 7 раз меньше диаметра на обычной барботажной тарелке.

Опытные испытания подтвердили возможность использования способа контакта газа и жидкости и устройства для его осуществления в том виде, как они изложены в независимых пунктах формулы изобретения.

Таким образом, изложенные сведения показывают, что при использовании способа контакта газа и жидкости и устройства для его осуществления, предназначенного для абсорбционной осушки природного газа водным раствором диэтиленгликоля (ДЭГ), достигнуто повышение эффективности массообмена, то есть контакта газа с жидкостью, а также расширение диапазона эффективной работы устройства.

Изобретение предназначено для контакта газа и жидкости в газовой, газоперерабатывающей, химической и нефтяной промышленности, может быть использовано в процессах и аппаратах для абсорбции, ректификации, например, при подготовке природного и нефтяного газа к транспорту. Способ контакта газа и жидкости включает закручивание газового потока, подачу жидкости в зону низкого давления, диспергирование и формирование ее в пленку на поверхности тел вращения с последующим разделением газожидкостного потока на жидкую и газовую фазы. В зоне закручивания газового потока перед формированием жидкости в пленку ее накапливают и из нее формируют цилиндрический вращающийся слой, через который барботируют газовые струи. После этого жидкость отбирают и дополнительно диспергируют газовым потоком. Устройство для контакта газа и жидкости включает основание с размещенными на нем центробежными элементами, каждый из которых состоит из цилиндрического патрубка, снабженного в верхней части сепарационным устройством, а в нижней части - тангенциальным завихрителем, закрытым донышком и с каналами для подачи жидкости на донышко завихрителя, и установленную на внутренней поверхности завихрителя выше тангенциальных входов газа, по крайней мере одну кольцевую переливную перегородку с шириной, определяющей глубину барботажного слоя жидкости. В изобретении обеспечивается повышение эффективности массообмена. 2 с. и 3 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Способ прямоточного контакта газа и жидкости, включающий закручивание газового потока в виде струй, подачу жидкости в зону низкого давления, диспергирование и формирование ее в пленку на поверхности тел вращения с последующим разделением газожидкостного потока на жидкую и газовую фазы, отличающийся тем, что в зоне закручивания газового потока перед формированием жидкости в пленку ее накапливают и из нее формируют цилиндрический вращающийся слой, через который барботируют газовые струи, после чего жидкость отбирают и дополнительно диспергируют газовым потоком. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что формирование жидкостного цилиндрического вращающегося слоя проводят с центробежным ускорением больше ускорения свободного падения до 340 раз. 3. Устройство для контакта газа и жидкости, включающее основание с размещенными на нем центробежными элементами, каждый из которых состоит из цилиндрического патрубка, снабженного в верхней части сепарационным устройством, а в нижней части - тангенциальным завихрителем, закрытым донышком и с каналами для подачи жидкости на донышко завихрителя, отличающееся тем, что на внутренней поверхности завихрителя выше тангенциальных входов газа установлена, по крайней мере, одна кольцевая переливная перегородка с шириной, определяющей глубину барботажного слоя жидкости. 4. Контактное устройство по п. 2, отличающееся тем, что кольцевая переливная перегородка образована основанием или цилиндрическим патрубком, примыкающим к тангенциальному завихрителю, выполненному в виде усеченного конуса. 5. Контактное устройство по п. 2, отличающееся тем, что живое сечение завихрителя равно 1,05-1,25 площади отверстия в основании контактного устройства.