Колонна для тепломассообменных процессов Советский патент 1984 года по МПК B01D3/28 

2, Колонна по п,1, о т л и ч а ю щ а я с я тем, что она снабжена рещетками, размещенными между парами смежных тарелок.

1. КОЛОННА ДЛЯ ТЕШЮМЛССООБМЕННЫХ ПРОЦЕССОВ между газом и жидкостью, содержащая корпус круглого сечения, расположенные в корпусе по высоте пленочные тарелки в виде сплошного горизонтально размещенного листа с закрепленными на нем. вертикальными патрубками одинаковой длины, установленными параллельными рядами, причем нижние торцы патрубков имеют косой срез и нижние торцы патрубков вышележащей тарелки расположены ниже верхних торцов патрубков нижележащей тарелки, отличающаяся тем, что, с целью увеличения эффективности за счет повышения степени сепарации капель жидкости из потока газа в пространстве между смежными тарелками и снижения в межтарельчатом пространстве скорости газа и увеличения длины пути его движения в горизонтальном направлении, патрубки в дой тарелке выполнен разных диамет ров, при этом 3 каждом отдельном (Л ряду патрубки имеют одинаковый диаметр, а в последующих рядах на смежных тарелках - разные диаметры, причем на первой по ходу газа тарелке в периферийных рядах размещены 2 патрубки большего .

1

Изобретение относится к колоннам для проведения тепломассообменных процессов меяоду газом и жидкостью, применяемых, в частности, в процессах неизотермической абсорбции, ректификации, а также испарении и конденсации для обеспечения высокой эффективности процессов тепломассообмена при высокой пропускной способности.

Известна колонна для проведения тепломассообменных процессов между газом и жидкостью, содержащая корпус и расположенные в корпусе по высоте пленочные тарелки, каждая из которых выполнена в виде сплошного горизонтально расположенного (листа с закрепленными на нем вертикальными патрубками, нижние торцы которых расположены ниже нижней поверхности листа, а верхние торцы совпадают с верхней поверхностью листа 11.

Известна колонна для проведения тепломассообменных процессов между газом и жидкостью, содержащая корпус и расположенные в корпусе по высоте пленочные тарелки, выполненные с патрубками, при этом верхниеторцы патрубков выступают над верхней поверхностью листа 2.

Основной недостаток данных колон заключается в повышенном уносе капель жидкости потоком газа с тарелки на тарелку, преимущественно обус ловленный наличием, разрывов пленки жидкости на капли-в пространстве мелоду смежными тарелками, которые возникают при переходе жидкости из патрубков вышележащей тарелки на поверхность нижележащей.

Известна также колонна для контактирования газа с жидкостью, содержащая сдвоенные перфорированные тарелки и размещенные между ними решетки СЗ.

Однако такой аппарат не обеспечивает проведение процесса в пленочном режиме.

Наиболее близкой по технической сущности к изобретению, является колонна, содержащая корпус круглого сечения, расположенные в корпусе по высоте пленочные тарелкя в виде сплошного горизонтально размещенного листа с закрепленш ми на нем вертикальными патрубками одинаковой

2

длины, установленными параллельными рядами, причем нижние торцы патрубков имеют косой срез, а нижние торцы патрубков вышележащей тарелки расположены ниже верхних торцов патрубков ни.жележащей тарелки. Жидкость движется сверху вниз, а газ - снизу вверх. Поток газа, содержащий капли жидкости, разделяется в патрубкахкаждой тарелки на вертикальные струи скорость движения которых выше скорости газа в межтарельчатом пространстве. При выходе .из патрубков струи газа ударяются о лист вышележащей тарелки в межпатрубочных пространствах, после чего эти струи изменяют в пространстве между смежными тарелками скорость и направление движения (скорость резко уменьшается, а направление движения изменяется на горизонтальное). Капли жидкости под действием инерционных сил отделяются от струй газа и вследствие капиллярного эффекта приливают к нижней поверхности листа вышележащей та:релки. Аналогично поток газа, содержащий капли жидкости, движется далее вверх ino колонне. Вследствие того, что 1нижние торцы патрубков имеют косой срез и развернуты на соседних тарелках один относительно другого на 180 ш известной колонне обеспечивается продольное секционирование потока газа, содержащего капли жидкости, т.е. колонна по принципу движения газа оказывается как бы разбитой на множество единичных элементов.. В каждом таком единичном элементе струя газа проходит в пространстве между смежными тарелками в горизонтальном направлений минимальное расстояние - только к соседнему ряду патрубков на вышележащей тарелке, причем в .соседних межтарельчатых пространствах направления движения струй газа в горизонтальном направлении противоположны r4J.

Недостатком известной конструкции является невысокаястепень сепарации (отделения } капель жидкости из потока газа в пространстве между смежными тарелками, которая приводит к повышенному уносу капельной жидкости с нижележащей на вышележащую смежную тарелку и, следовательно, к снижению эффективности тепломассообменных процессов, что Обусловлено недостаточным сни- жением скорости движения струй газа содержащих капли жидкости, в пространстве колонны между смежными тарелками по сравнению со скоростью движения- этих струй в патрубках нижележащей тарелки, а также малой ДЛИНОЙ пути движения струй газа в горизонтальном направлении в пространстве между смежными тарелками Эти особенности движения газа в известной колонне снижают эффективность сепарации капель в пространст ве между смежными тарелками за счет недостаточного обеспечения в нем эффекта инерционного отделения капель. Кроме того, это также вызывается недостаточной эффективностью сепарации капель в первом по ходу газа пространстве между смежными тарелками за счет невысокой скорости струй газа в периферийных патрубках первой по ходу газа тарел ки по сравнению со скоростью струй газа в центральных патрубках этой тарелки..Разница скоростей движения струй газа в патрубках первой тарелки обусловлена соответствующим профилем скорости потока газа в колонне перед его входом в патрубки тарелки: у стенок корпуса колонны (на периферииj скорость ниже из-за трения потока о стенки, чем в центре колонны. Вследствие этого струй газа с каплями жидкости, выходящие из периферийных патрубков первой тарелки, ударяются о соответствующи межпатрубочные пространства вышележ щей -(второй) тарелки с меньшей сило что обуславливает снижение эффектив ности сепарации капель в первом по ходу газа пространстве между смежны ми тарелками. Правильное конструктивное выполнение первой по ходу газа пары смежных тарелок является ючень важным, поскольку при использ вании колонны в качестве каплеотбой ного устройства в первом по ходу га пространстве между смежными тарелка происходит на практике отделение, как правило, около 50% всей капельной жидкости, уносимой потоком газа из нижерасположенной тепломассообменной колонны. Цель изобрете ния - увеличение эф фективности за .счет повьлдения степе ни сепарации капель жидкости из потока газа в пространстве между смеж ными тарелками и снижения в межтарельчатом пространстве скорости газ к увеличение длины пути его движени в горизонтальном направлении. Поставленная цель достигается тем, что в.колонне для тепломассооб менных процессов, содержащей корпус круглого сечения, расположенные в корпусе по высоте пленочные тарелки в виде сплошного горизонтально размещенного листа с закрепленными на нем вертикальными патрубками одинаковой длины, установленными параллельными рядами, причем нижние торцы патрубков имеют косой срез и нижние торцы патрубков ВЕлшележащей тарелки расположены ниже верхних .то-рцов патрубков нижележащей тарелки, патрубки в каждой тарелке -выполнены разных диаметров, при этом в каждом отдельном ряду патрубки имеют одинаковый диаметр, а в последующих рядах на смежных тарелках - разные диаметры, причем на первой по ходу газа тарелке в периферийных рядах размещены патрубки большего диаметра. Кроме того, между соседними парами смежных тарелок установлены распределительные решетки для газа. На фиг. 1 изображена колонна, продольный разрез; на фиг. 2 - разрез А-А на фиг . 1. Колонна содержит корпус 1 круглого сечения, в котором закреплены по высоте пленочные тарелки 2 и 3. Каждая пленочная тарелка выполнена из сплошного горизонтально размещенного листа 4 с закрепленными на нем вертикальными патрубками 5 и б оди 1аковой длины большого и малого диаметров соответственно, установленными параллельными рядами 7 и 8. Ка каждой тарелке нижние торцы 9 патрубков имеют косой срез. В каждом отдельном ряду 7 или 8 ia тарелке 2 или 3 патрубки 5 и б имеют , одинаковый диаметр, а в соответствующих рядах 7 и 8 на смежных тарелках 2 и 3. эти патрубки имеют разные диаметры. Нижние торцы 9 патрубков вышележащих тарелок 3 расположены ниже верхних торцов 10 патрубков соответствующих нижележащих смежных тарелок 2. На первой по ходу газа тарелке 2 в каждой паре смежных тарелок 2 и 3 в периферийных рядах, например, 7 и 8 размещены патрубки 5 большого диаметра.Между соседними парами смежных тарелок 2 и 3 по высоте корпуса установлены распределительные решетки 11 для газа, выполненные из перфорированных пластин с площадью свободного сечения более 35% от поперечного сечения корпуса 1 колонны. Колонна работает следующим образом. Жидкость из распределителя орошения (не показанJ подается на горизонтальный лист 4 вышележащей тарелки 3 и движется по нему в виде пленки, которая через верхние гори- . зонтальные торцы патрубков этой тарелки равномерно распределяется по внутренним поверхностям патрубков и под действием силы тяжести стекает сверху вниз в виде пленки, попадая на сплошной горизонтальный лист 4 ни/кележащей смежной тарелки 2. По нижележащей тарелке 2 жидкость движется описанным способом, вследствие того, что нижние торцы 9 патрубков вышележащей тарелки 3 имеют косой срез и расположены ниже верхних торцов 10 патрубков тарелки 2, торцы 9 опуадены в горнзоьгтальную пленку-жидкости на нижележащей смежной тарелке 2, и пленка жидкости движется в пространстве мелсду сменными тарелками 2 к 3 без разрыва на кап ЛИ, т.е такой способ движения жид кости в пространстве между сг- ежными тарелками, где в основном происходит отделение капель жидкости КЗ потока газа, уг еньшает капельный унос жидкости с нижележащей тарелки 3 на выцлележащуго смежную тарелку 2, Из патрубков тарелки 2 бла годаря косому срезу из нижг х торцов жидкость стекает в виде отдельных струй с нижних кончиков косых срезов. Струи жидкости проходят сквозь отверстия распределительной решетки 11 для газа и попадают на сплошной горизонтальный лист 4 вышележащей смежной тарелки 2 соседне пары смежных тарелок 3 и 2г и жидкость движется далее вниз по колон не описанным способом. Поток газа, содер/жащий капли жидкости, .поступает к первой по ходу газа тарелке 2 из нижней части колонн г {не показан) и раз,целяется в патрубках 5:и 6 тарелки 2 на вертикальные струи, скорость движения которых Biaiue скорости потока газа в нижней части колонны из-за того, что площадь свободного сечения тарелки 2 меньше площади поперечного сечения корпуса 1 колонны. Вследствие того что тарелка 2 снабжена патрубками 5 и G одинаковой длины/ но разного диаметра, причем в периферийных рядах этой тарелки размещены патрубки 5 большего диаметра, коэффициент газодинамического сопротивл -ния па рубков 5 в периферийных рядах ниже чем у патрубков б в центральных ря дах. Из-за разности этих коэффициентов и одинакового перепада давле ния в патрубках 5 и « тарелки 2 м, поскольку патрубки 5 и 6 на тарелк i2 относительно потока газа подклю чены параллельно распределение по тока газа происходит по патрубКсШ тарелки 2 таким образом, что скорость движения и, следовательно, расход газа вьние в патрубках 5 большего диаметра периферийных рядов, по сравнению со скоростью и расходом газа в патрубках б малого диаметра центральных рядов. При выходе из патрубков 5 и 6 тарелки струи газа, содержащие капли жидкости, удаляются о лист 4 В ышележа смежной тарелки 3 в межпатрубочных пространствах, посла чего эти струи изменяют в пространстве между смежными тарелками 2 и 3 скорость и направление движения(скорость резко уменьшается, направление движения изменяется на гopизoнтaльнoe. Капли жидкости под действием инерционных сил отделяются от струи газа и вследствие капиллярного эффекта прилипают к нижней поверхности листа 4 вышележащей смежной тарелки 3. На ниукней поверхности листа 4 тарелки 3 образуется пленка жидкости, которая по наружной поверхности патрубков этой тарелки стекает на лист нижележащей тарелки 2 без разрыва потока на капли. В пространстве между смежными тарелками происходит сепарация основкого количества капель жидкости. Поскольку в соответствующих рядах, например 7 и 8 на смежных тарелках 2 и 3 патрубки 5 и б имеют разные диаметры, то на тарелке 3 в периферийных рядах размещаются патрубки малого диаметра б, а в центральных рядах - патрубки 5 большего диаметра. Соответственно, на тарелке 3 патрубки 5 центральных рядов имеют меньший коэффициент газодинамического сопротивления, чем патрубки б периферийных рядов. Газ распределяется по патрубкам обратно пропорционально величине корня квадратного из коэффициента их газодинамического сопротивления, поэтому на тарелке 3 скорость и расход газа выше теперь уже в патрубках центральных рядов данной тарелки, вследствие того, что из-за меньшего коэффициента газодинамического сопротивления патрубг ов 5 центральных рядов на тарелке 3 газ подсасывается в пространстве между смежныг и тарелками .2 и 3 от его периферии к центру,, При этом длина пути движения газа в горизонтальном направлении больше, чем в известном устройстве, в котором газ смещается в данном направлении лишь ка один ряд патрубков. Одновременно при движении газа в пространстве между тарелками 2 и 3 от периферии к центру более резко снижается скорость газа, поскольку при движении от пеоиферии к центру в корпусе 1 круглого сечения растет площадь продольного сечения пространства меояду смежнш и тарелками 2 и 3 из-за соответствукааего увеличения длины хорды, . Таким образом в пространстве между смежными.тарелками предлагаемой колонны по сравнению с известной увеличивается длина пути движения газа в горизонтальном направлении и более резко снижается скорость его движения в этом направлении по сравнению со скоростью в патрубках

нижележащей смежной тарелки. Это повышает степень сепарации капель жидкости из потока газа за счет увеличения эффекта инерционного отделения капель. Лройдя патрубки тарелки 3 и распределительную решетку 11, поток газа перераспределяется по поперечному сечению корпуса 1 колонны, образуя плоский профиль скорости газа. Далее вверх по колонне поток газа движется описанным способом. Распределительная решетка 11 перераспределяет поток газа, образует плоский профиль скорости газа. Из-за установки на первой по ходу газа в колонне тарелке 2 в периферийных рядах патрубков 5 большего диаметра в предлагаемой колонне одновременно повышается и степень сепарации ка-пель в первом по ходу газа в колонне пространстве между смежными тарелками 2 и 3 за счет увеличения скорости движения струй газа в патрубках периферийных рядов первой по ходу газа тарелки 2. Благодаря наличию на первой тарелке 2 .в периферийных рядах патрубков.5 большего диаметра, имеющих меньший коэффициент газодинамического сопротивления, поток газа распределяется по патрубкам таким образом, что в патрубках периферийных рядов выше скорость и расход газа. Выходящие из патрубков периферийных рядов струи газа, содержащие капли жидкости, с большей силой ударяются о межпатрубочные пространства нижней поверхности листа 4 вышележащей (иторой I смежной тарелки 2, что повЕлиает по сравнению с известной колонной степень сепараци капель из потока газа в первом по ходу газа пространстве между смежньоми тарелками 2 и 3.

Пример. Испытания известной и предлагаемой колонн проводят в сопоставимых условиях на модельной установке с колонной из стали 12Х18Н10Т и диаметром корпуса 0,5 м, Обе колЪнны используются в качестве каплеотделительных устройств,устанавливаемых над распределителем жидкости в верхней части колонны того же диаметра, снабженной шестью провальными тарелками площадью свободного сечения 15%, ус танов на расстоянии 0,3 м друг от друга. Испытания проводят при атмосферном давлении на средах вода - воздух. Пробы газа на содержание воды отбираются до и после каплеотделительных устройств. Количество воды в пробе определяют методом ее вымораживания. Воду на первую провальную тателку подают через распределитель жидкости с расходом в расчете на поперечное сечение колонны б-ЗО Расход воздуха в патрубках поддерживают в диапазоне, соответствующем изменению F-фактора в патрубке в интервале 2,5-5 {F vVp, где W - скорость газа, м/с; о- плотность газа, кг/м).

Обе колонны содержат по четыре тарелки, причем смежные тарелки устанолены на расстоянии 148 мм друг от друга, и каждая тарелка колонн содержит 55 патрубков длиной 150 мм, расположенных в 15 рядов по вершинам правильных треугольников с шагом 64 мм. Лист тарелки имеет толщину 4 мм, верхние торцыпатрубков выступают над листом тарелки на 4 мм. Нижние торцы патрубков имеют косой срез под углом 45 . Известная колонна снажена пaтp.yбкaJMи 1 25x2 м}л, а предлагаемая имеет патрубки 25x2 и 32х ,5 мм, причем на первой по ходу газа тарелке большие патрубки 32x1,5 Mivi установлены в 10 периферийных рядах (по пять периферийных рядов с обеих противоположных сторон поперечного сечения колонны ), В предлагаемой колонне между двумя соседними парами смежных тарелок установлена распределительная решетка для газа в виде перфорированной пластины толщиной 4 мм, площадью свободного сечен;я 40% и диаметром отверстий перфорации 7 мм. Расстояние между вышележащей тарелкой первой по ходу газа парой смежных тарелок и нижележащей тарелкой второй пары 370 мм. Расстояние между вышележащей тарелкой первой пары смежных тарелок и распределительной решеткой 180 мм.

В результате испытаний установлено, что в сопоставимых условиях ( сепарация капель в известной колонне составляет 90-91%, а в предлагаемой колонне - 94-95%. Таким образом в предложенной кЬлонне степень сепарации капель жидкости из потока газа возрастает по сравнению с известной колонной.на 3-5 абс.%.

В

А-А

(pit г. 2