Колонный массообменный аппарат Российский патент 2023 года по МПК B01D3/22 B01D47/04 B01D53/18 

Изобретение относится к колонным массообменным аппаратам и может найти применение в газовой, нефтяной, химической и смежных отраслях промышленности при осуществлении массообменных процессов ректификации, дистилляции, абсорбции для систем «газ - жидкость», «пар - жидкость», например, для газоочистки, атмосферной перегонки нефти, разделения сжиженного воздуха на фракции, разделения бинарных смесей «бензол - толуол», «спирт - вода» и тому подобных.

Известна распределительная тарелка для колонны обмена между газом и жидкостью с дефлектором жидкости, колонна обмена теплом и использование колонны (патент RU №2682606 от 20.01.2015), при этом колонна обмена теплом и/или массой между газом и жидкостью, в которой два флюида вступают в контакт посредством структурированной насадки, а колонна содержит, по меньшей мере, одну распределительную тарелку в соответствии с изобретением для распределения указанных флюидов на указанную структурированную насадку. Средства распределения жидкости в колонне ориентированы по существу перпендикулярно направлению пластин верхнего слоя указанной структурированной насадки, в поперечной плоскости.

Недостатком данной колонны является то, что конструктив самой тарелки не используется в процессе массообмена, но оказывает высокое сопротивление газовому потоку.

Известен колонный массообменный аппарат (патент RU №2297266 от 11.03.2005, прототип), содержащий штуцера подачи и отбора газа и жидкости, контактные тарелки с каналами для прохода фаз и расположенные на опорных элементах над тарелками, по меньшей мере, две перекрещивающиеся объемные насадки, при этом насадки расположены над тарелками выше уровня жидкости, выполнены со свободным объемом 75-96% при удельной поверхности 100-250 м²/м³.

Недостатком данного колонного массообменного аппарата является пониженная зависимость коэффициента массопередачи от удельной поверхности насадки, и, как следствие, пониженная эффективность массообмена в колонне и повышенная высота колонны.

Техническая задача изобретения - повышение удельного коэффициента массопередачи, и, как следствие, увеличение эффективности массообмена в аппарате и уменьшение высоты колонны.

Техническая задача повышения удельного коэффициента массопередачи решена в конструкции колонного массообменного аппарата, содержащего цилиндрический корпус, имеющий донную часть и верхнюю часть; подсоединенные к корпусу: средства подачи жидкости, расположенные в верхней части корпуса, средства отбора жидкости, расположенные в донной части корпуса, средства подачи газа, расположенные в донной части корпуса, средства отбора увлажненного газа, расположенные в верхней части корпуса; контактную тарелку с колпачками для прохода газа и жидкости, расположенную над донной частью корпуса; по меньшей мере, две регулярные объемные насадки, установленные над тарелкой, имеющие сетчатые элементы, закрепленные наклонно к оси аппарата, при этом средства подачи газа под тарелку расположены выступающими по центру донной части корпуса и имеют присоединенное к ним или корпусу устройство распределения газа по объему аппарата в форме конусообразной крышки с углом конуса, при соотношении диаметра конусообразной крышки к диаметру корпуса, находящемся в интервале 0,5…0,75, при этом в конусообразной крышке имеются отверстия диаметром, находящимся в интервале 2,5 мм…5,0 мм.

Техническая задача повышения удельного коэффициента массопередачи решена за счет следующей совокупности отличительных признаков: регулярная объемная насадка имеет каркас, закрепленные в каркасе плоские сетчатые элементы, установленные под углом к газовому потоку, выбираемым из интервала 21°÷30°, при этом каркас насадки имеет сетчатую структуру и состоит из материала высокой прочности, а сетчатые элементы изготовлены из нитей полимерного или композиционного материала и имеют ячейки в форме четырехугольника размером, выбираемым из интервала: 2,5 мм ÷ 5 мм × 2,5 мм ÷ 5 мм; для уменьшения или полного предотвращения брызгоуноса на верхнюю тарелку плоские сетчатые элементы в смежных насадках установлены с наклоном под противоположными углами к направлению газового потока; для обеспечения равномерности подачи газа к нижней тарелке и, следовательно, более стабильной работы нижней тарелки с одинаковой степенью барботажа газа по всей площади тарелки, средства подачи газа под тарелку расположены выступающими по центру донной части корпуса и имеют присоединенное к ним или корпусу устройство распределения газа по объему аппарата в форме конусообразной крышки с углом конуса, при соотношении диаметра конусообразной крышки к диаметру корпуса, находящемся в интервале 0,5…0,75, при этом в конусообразной крышке имеются отверстия диаметром, находящимся в интервале 2,5 мм…5,0 мм.

Данная совокупность отличительных признаков колонного массообменного аппарата не найдена в процессе патентно-информационного поиска, следовательно, его конструкция соответствует критерию «новизна». Она также не следует явно из уровня техники, соответственно, конструкция соответствует критерию «изобретательский уровень».

На фиг. 1 показан колонный массообменный аппарат с одним блоком, включающим тарелку и две регулярные объемные насадки.

На фиг. 2 - вид А на фиг. 1.

На фиг. 3 показан колонный массообменный аппарат с двумя блоками, каждый из которых включает тарелку и две регулярные объемные насадки.

На фиг. 4 показана конструкция регулярной объемной насадки колонного массообменного аппарата.

На фиг. 4а - внешний вид сетчатого элемента регулярной объемной насадки.

На фиг. 5 - экспериментальные данные зависимости коэффициента массопередачи от удельной поверхности насадки при изменяющемся расходе жидкости.

На фиг. 6 - экспериментальные данные зависимости коэффициента массопередачи от расхода жидкости.

На фиг. 7 - зависимость удельной поверхности насадки от размера стороны ячейки сетчатого элемента.

Колонный массообменный аппарат (фиг. 1-4) имеет донную часть 1, цилиндрическую верхнюю часть 2, корпус 3 и подсоединенные к нему: средства 4 подачи жидкости, расположенные в верхней части аппарата; средства 5 отбора жидкости, расположенные в донной части 1 корпуса 3; средства 6 подачи газа, расположенные в донной части 1 корпуса 3; средства 7 отбора увлажненного газа, расположенные в верхней части 2 аппарата; контактные тарелки 8 с колпачками 9 для прохода газа и жидкости, расположенные над донной частью 1 аппарата; регулярные объемные насадки 10а и 10b, установленные над тарелкой 8, имеющие сетчатые элементы 11, закрепленные наклонно к оси аппарата, при этом средства 6 подачи газа под тарелку 8 расположены выступающими по центру донной части 1 аппарата и имеют присоединенное к корпусу 3 или средствам 6 подачи газа устройство 12 распределения газа по объему аппарата в форме конусообразной крышки 13 с эффективным углом конуса а, находящимся в интервале α=(30°…55°) (по результатам проведенного моделирования устройства распределения газа по объему аппарата в форме конусообразной крышки 13, фиг. 1) при соотношении диаметра конусообразной крышки 13 к диаметру корпуса 3, находящемся в интервале 0,5…0,75, при этом в конусообразной крышке 13 имеются отверстия 14 (фиг. 2) диаметром, находящимся в интервале 2,5 мм…5,0 мм. Конусообразная крышка 13 с отверстиями изготавливается из стального перфорированного оцинкованного листа толщиной от 1 до 2 мм https://stal-kom.ru/list-perforirovannyy-otsinkovannyy-razmery/. В связи с незначительным влиянием диаметра отверстия 14 на скорость прохождения газа и жидкости. Отверстия 14 данного диаметра пробивают в листе вышеуказанной толщины, что позволяет существенно снизить стоимость листа в сравнении с листами с отверстиями 14 другого диаметра, выполненными на станках с ЧПУ.

Повышение удельного коэффициента массопередачи, и, как следствие, увеличение эффективности массообмена в аппарате и уменьшение высоты колонны обеспечивается равномерным распределением подачи газа к нижней тарелке 8 и работой нижней тарелки 8 с одинаковой степенью барботажа газа по всей площади тарелки 8.

Для повышения удельного коэффициента массопередачи и обеспечения механической прочности регулярная объемная насадка 10а (10b) имеет каркас 15, закрепленные в каркасе 15 плоские сетчатые элементы 11, установленные под углом к газовому потоку, выбираемым из интервала 21°÷30°, при этом каркас 15 насадки 10а (10b) имеет сетчатую структуру и состоит из материала высокой прочности, а сетчатые элементы 11 изготовлены из нитей полимерного или композиционного материала и имеют ячейки 16 (фиг. 4а) в форме четырехугольника размером, выбираемым из интервала: 2,5 мм ÷ 5 мм × 2,5 мм ÷ 5 мм.

Для уменьшения или полного предотвращения брызгоуноса на верхнюю тарелку 8 плоские сетчатые элементы 11 в смежных насадках 10а и 10b (фиг. 3) установлены с наклоном под противоположными углами к направлению газового потока.

При испытаниях экспериментального колонного массообменного аппарата с насадками 10а (10b) конструкции, показанной на фиг. 4, получена зависимость (фиг. 5) приведенного параметра коэффициента массопередачи Y от удельной поверхности насадки 10а (10b) и зависимость коэффициента массопередачи от расхода жидкости (фиг. 6).

Данные получены при постоянном расходе жидкости и переменной скорости газа, изменяющейся в пределах от 0,25 м/с до 0,66 м/с.

Параметр Y означает превышение коэффициента массопередачи испытываемого образца над коэффициентом массопередачи тарелки 8 без насадки 10а (10b), величина Y для тарелки 8 без насадки 10а (10b) равна единице.

На графике экспериментальных данных зависимости приведенного параметра коэффициента массопередачи Y от удельной поверхности насадки 10а (10b) (фиг. 6) параметр Y означает превышение коэффициента массопередачи испытываемого образца над коэффициентом массопередачи тарелки 8 без насадки 10а (10b), величина Y для тарелки 8 без насадки 10а (10b) равна единице. Данные сняты при одинаковом расходе газа и изменяющемся расходе жидкости в колонне в пределах от 100 л/ч до 300 л/ч.

Насадка 10а (10b) работает следующим образом.

Газ, барботируясь через слой жидкости на тарелке 8, образует пену и уносит вверх капли жидкости, которые попадают на объемную насадку 10а (10b), задерживаясь ей, орошая ее и образуя на насадке 10а (10b), в результате сил поверхностного натяжения, пленку жидкости, которая выступает в роли дополнительной поверхности массообмена капельного и пленочного типа, что позволяет резко, до 3,8 раз (фиг.5) увеличить эффективность массопередачи по сравнению с тарелкой 8 без насадки 10а (10b).

Данная конструкция позволяет при минимальном, до 10%, увеличении гидравлического сопротивления, решить две задачи:

- увеличить коэффициент массопередачи до 3,8 раз;

- уменьшить межтарельчатое расстояние.

В совокупности эти отличительные особенности приводят к решению технической задачи изобретения: повышению удельного коэффициента массопередачи, и, как следствие, уменьшению высоты колонны.

Изобретение относится к колонным массообменным аппаратам. Колонный массообменный аппарат содержит цилиндрический корпус, имеющий донную часть, цилиндрическую верхнюю часть; подсоединенные к корпусу: средства подачи жидкости, расположенные в верхней части корпуса; средства отбора жидкости, расположенные в донной части корпуса; средства подачи газа, расположенные в донной части корпуса; средства отбора газа, расположенные в верхней части корпуса; контактные тарелки с колпачками для прохода газа и жидкости, расположенные над донной частью корпуса; две регулярные объемные насадки, установленные над тарелками, имеющие сетчатые элементы, закрепленные наклонно к оси аппарата, при этом средства подачи газа расположены выступающими по центру донной части корпуса при соотношении диаметра конусообразной крышки к диаметру корпуса, находящемся в интервале 0,5-0,75, с углом конуса, при этом в конусообразной крышке имеются отверстия диаметром, находящимся в интервале 2,5-5,0 мм. Технический результат - повышение удельного коэффициента массопередачи и, как следствие, уменьшение высоты колонны. 2 з.п. ф-лы, 7 ил.

1. Колонный массообменный аппарат, содержащий цилиндрический корпус, имеющий донную часть и верхнюю часть;

- подсоединенные к корпусу:

- средства подачи жидкости, расположенные в верхней части корпуса;

- средства отбора жидкости, расположенные в донной части корпуса;

- средства подачи газа, расположенные в донной части корпуса;

- средства отбора увлажненного газа, расположенные в верхней части корпуса;

- контактную тарелку с колпачками для прохода газа и жидкости, расположенную над донной частью корпуса;

- по меньшей мере две регулярные объемные насадки, установленные над тарелкой, имеющие сетчатые элементы, закрепленные наклонно к оси аппарата,

отличающийся тем, что средства подачи газа под тарелку расположены выступающими по центру донной части корпуса и имеют

- присоединенное к ним или корпусу устройство распределения газа по объему аппарата в форме конусообразной крышки при соотношении диаметра конусообразной крышки к диаметру корпуса, находящемся в интервале 0,5-0,75, при этом в конусообразной крышке имеются отверстия диаметром, находящимся в интервале 2,5-5,0 мм.

2. Колонный массообменный аппарат по п. 1, отличающийся тем, что регулярная объемная насадка имеет каркас, закрепленные в каркасе плоские сетчатые элементы, установленные под углом к газовому потоку, выбираемым из интервала 21°÷30°, при этом каркас насадки имеет сетчатую структуру и состоит из материала высокой прочности, а сетчатые элементы изготовлены из нитей полимерного или композиционного материала и имеют ячейки в форме четырехугольника размером, выбираемым из интервала: 2,5÷5 мм × 2,5÷5 мм.

3. Колонный массообменный аппарат по п. 2, отличающийся тем, что плоские сетчатые элементы в смежных насадках установлены с наклоном под противоположными углами к направлению газового потока.