Распылительная колонна Советский патент 1984 года по МПК B01D11/04 

шпппг

Cpue.i t1 Изобрегение относится к усгройсгвам для проведетя прогивогочных теплооб менных и эксгракционных процессов меж ду несмешивающимися жидкостями при их непосредственном контакте и мсисет быть применено для нагоева минерали,зованной Воды в термообессоливающих у тановках с промежуточным теплоносителем, а также любом экстракционном процессе.. Известны устройства в виде колонн, заполненных различными конструкционными элементами (сетками, перегородками, различного типа насадками), через которые противоточно движутся контактйру ющие фазы, одна из которых диспергирована в другой T) Недостатком этих устройств является наличие в зоне контакта конструкционных элементов (сеток, перегородок, насадок), что приводит к их зарастан 1ю при наличи в контактирующих жидкостях механических примесей и кристаллизуизцихся веществ, повьпленному расходу энергии на преодоление сопротивления, удорожанию устройств и реализуемых в них теплои массообменных процессов. Наиболее близкой по технической сущности и достигаемому результату к изобретению является распылительная колон на Элджина, включающая вертикальную цилиндрическую секцию, в которой организуется прогивоточное движение несмешивающихся жидкостей, одна из которых находится в диспергированном состоянии; коническую, секцию, примыкаемую к ци ливдрической, в которой происходит по,.степенное снижение скорости сплошной фазы перед ее выводом из зоны контакта через кольцевую щель между стенкой конической секции и распылительным уст ройством; устройство для подачи и распьшания одной из жидкостей, расположен ное так, что сопла или отверстия этого устройства находятся на уровне болыдог основания конической секции; устройства для подвода и отвода сплошной фазы Х2.Д.., Недостатком известной колонны является го, что в конической секции, предназначенной для постепенного снижения скорости сплошной фазы, наблюдается интенсивное изменение температуры и концентрации экстрагируемого вещества в каплях при, практически, неизменной температуре и концентрации в сплошной фазе вследствие распьша и формирования капель в условиях противоточного движения фаз. Это требует повышенной темпе66ратуры диспергируемого теплоносителя и повьпленной степени регенерации экстрагента на входе в колоH iy Цель изобретения - снижение температурыг диспергируемого теплоносителя и степени регенерации диспергируемого экстрагента на входе в колоину. Указанная цель достигается тем, что распылительная колонна, которая включает основную цилиндрическую секцию, примыкающую к ней коническую секцию, устройство для диспергирования одной из фаз,устройства для подвода и отвода сплошной.фазы, патрубки для подвода и отвода диспергированной фазы, снабжена дополнительной хшлиндрической секцией с диаметром, равным диаметру основной цилиндрической секции, верхняя часть которой расположена в конической секции, а нижняя часть соединена с устройством для диспергирования, при этом высота дополнительной цилиндрической секцииравна 1-6-кратной длине, проходимой каплей за один период роста присоединенного кормового вихря. Дополнительная цилиндрическая секция позволяет осуществить распыл и формирование потока дисперсной фазы в непроточную сплошную фазу. Непроточность дополнительной цилиндрической секции по сплошной фазе способствует установлению теплового и диффузионного равновесия между фазами, благодаря чему ликвидируется локальное интенсивное изменеше температуры и концентрации экстрагируемого вещества в каплях на входе в колонну. На фиг. 1 схематически изображена конструкция распылительной колонны; на фиг. 2 - зависимость пути развития кормового вихря за каплей от числа Рейнольдса и приняты следующие обозначения: 1 - система гексан-вода, диаметр 1шпель 3,7 мм; 2 - система бензин-вода, диаметр - 3-6 мм; 3 - система керосин-Вода, диаметр капель 4,8 MMJ 4 - система керосин-вода, диаметр капель 3,9 мм; 5 - то же, диаметр капель 3,3 мм; 6 - система додекан-вода, диаметр капли 2,5-4,3 мм; 7 - то же, диаметр капли 3,6-6 мм; 8 - то же, диаметр капли 2-3,9 мм; 9 - то же, диаметр капли 3,5 смм; 10 - то же, диаметр капли 3-4,8 мм; 11 - керосинслабый раствор MjCE , диаметр 1шпли 4 мм; 12 - керосин-концентрированный раствор .MgCP. диаметр капли 4,7 мм; на фиг. 3 - температурные профили фаз

fe известной колонне Элджина и предлагаемой конструкции распылительной .

Конструкция распылительной колонны (фиг. 1) соогветствует случаю, когда

плотность дисперсной фазы меньше плот кости сплошной фазы. Для обратного соотношения плотностей конструкции кюлонны аналогична, но перевернута.

Распьши тельная колонн а. включает

устройство для подвода сплошной фазы 1 основную цилиндрическую секцию 2, коническую секцию 3, дополнительную цилиндрическую секцию 4, устройство для отвода сплошной фазы 5, устройство для диспергирования одной из фаз 6, кольцевой канал 7, патрубки для подвода 8 и отвода 9 диспергируемой фазы.

Распылительная колонна работает следующим образом,.

Диспергируемая фаза через патрубок 8 и сопла или отверстия диспергирующего устройства 6 поступает в дополнительную цилиндрическую секцию 4, в которой образуется зона распыла и формирования потока дисперсной фазы. Сформированный в дополнительной цилиндрической секции дисперсный поток поступает в коническую 3 и основную цилиндричес1 у о 2 секции, в которых движение фаз и меж-. фазные процессы обмена протекают как и в обычной колонне Элджина. Отвод дисперсной фазы из колонны осуществляется через патрубок 9. Сплошная фаза подается в основную цилиндрическую секцию 2 с помощью устройства для подвода 1 и движется в противотоке с дисперсной фазой. В конической секции 3 происходит постепенное снижение скорости сплошной фазы, которая затем выводится из колон- ны через устройство отвода 5. Коническая секция 3 и верхний край дополнительной цилиндрической секции 4 на уровне большого сечения конической секции образуют кольцевой канал 7, через который сплошная фаза поступает в устройство для отвода 5. Для устранения возможности уноса дисперсной фазы чере кольцевой канал площадь сечения кольцевого канала выбирается равной .или более площади сечения основной цилиндрической секции.

Указанные размеры дополнительной цилиндрической секции позволяют ликвидировать локальное интенсивное изменекие температуры и концентрации экстрагруемого вещества в каплях, уменьшить межфазовую разность температур и

концентраций, т.е. снизить Tejvmeparypy диспергируемого теплоносигеля на входе в колонну без изменения температуры нагреваемой среды, а также снизить степень регенерации диспергируемого эюстрагенга на входе в колонну без снижения степени экстрагирования.

Это связано с особенностями гидродинамики и мезкфазного тепломассоперекоса в распылительных колоннах на участке формирования дисперсной фазы.

. При истечении жидкости, образующей дисперсную фазу в колонне, за каплями периодически формируются присоединенны кормовые вихри. После отрьша капель от диспергирующего устройства гидродинамичес{д й пограничный слой, образовав. шийся на лобовой поверхности капли.

; сворачивается в кормовой вихрь.По мере подъема капли кормовой вихрь увеличивается в объеме за счет поступления жидкости из лобовой чаото капли и дог стигает своего максимального, ус11рйчивого размера. После этого кормовой вихрь отрывается и смешивается с окружающей сплошной фазой, а цикл его развития повторяется. Путь, который проходит капля за период развития присоединенного кормового вихря, не зависит от диаметра капли и физических свойств фаз.

На фиг. 2 представлены обработка экспериментальных и опытных данных в форме зависимости пути развития кормового Вихря за каплей от числа Рейнольдса. Из фиг. 2 следует, что этот путь в среднем равен 0,175 м.

Образование присоединенных кормовых вихрей за каплями обуславливает интенсивное изменение температуры и концен, трации в каплях на входе в колонну при противоточном движении фаз, а температра и концентрация переносимого вещества в сплошной фазе остается при этом постоянной. Это связано с тем, что в условиях распылительных коло1Ш толщина гидродинамического пограничного слоя на поверхности капли обычно много больше толщины теплового и диффузионного пограничных слоев. Поэтому в процессе межфазного обмена участвует только та часть сплошной фазы, которая сосредоточена в пределах гидродинамического цогранслоя и сносится затем в кормовой вихрь. В результате этого в кормовом вихре происходит ак сумуляция тепла и вещества, которые переходят Во внешний поток после отрыва вихря. Периодическая аккумуляция тепла и вещества кормовы п1 вихрями не приводит, однако к ступенчатому изменению температуры и кошхентрации переносимого ветцества в фазах по высоте основного участка распылительной колонны. В силу случайных возмущений, которые присущи двухфазным системам, на основном участ ке колонны двухфазный поток находит ся в развитом состоянии, когда любая стадия развития кормового вихря за каплею равновероятна. В любом сечении такого потока имеет место переход жиякости.а следовательно, и конвектив. ный тепло-масс оперенос ог кормовых вихрей во внешнюю фазу. Поэтому изменение температуру и кошхентрации в фазах на основном участке колонны носит монотонный характер. Наличие .кор мовых вихрей вызывает только эффект обратного перемешивания сплошной фазы в направлении движения дисперсного потока. На участке распыления первоначальна в момент отрыва капель от диспергирующего устройства кормовые вихри за каплями отсутствуют. Кормовые вихри нарастают по мере подъема капель и поэтому, в соответствии с фиг. 2, отрыв вихрей после первого периода их развития происходит у капель, поднявшихся в среднем на высоту 0,175 м от диспергирующего устройства. До момента отрыва кормовых вихрей в них идет акку муляция тепла и вещества вследствие со ответе твутющих процессов обмена межд поверхностью капли и жидкостью пограничного слоя. Поэтому на участке высотой 0,175 м от диспергируклцего устрой ства наблюдается интенсивное изменение температуры и концентрации экстрагируемого вещества в каплях при постоянной температуре и концентрации во внешнем потоке сплошной фазы. В последующие 1Ш.КЛЫ развития кормовых вихрей двухфазная система постепенно переходит к развитому состоянию с монотонным изменением температуры и концентрации в обеих фазах. Чтобы ликвидировать резкое изменение температуры и концентрации дисперсной фазы на участке ее распыла, необходимо устранить возможност j межфазного тепло- и массопереноса на этом участке.Введение непроточной по сплошной фазе дополнительной пилинцриче ской секпти.в нижней части которой нахо- дится зона распыла капель,позволяет достичь теплового и диффузионного равновеси мпжпу каплями и непооточной жидкостью, если высоту этой секции принять достаточной для достижения теплового и диффузионного равновесия. Установлено, что такое равновесие между фазами достигается при высоте дополнительной цилиндрической секции до 1 м. Дальнейшее увеличение высоты этой секции нежелательно, так как это приводит к увеличению габаритов колонны и соответственно к росту капитальных затрат без повьщгения эффективности процесса. Таким образом, высота дополнительной цилиндрической секции выбирается в диапазоне 0,175-1,0 м, что составляет 1-6 кратную длину, проходимую каплей за один период роста присоединенного кормового вихря. Возможности новой распылительной колонны в достижении указанной цели по сравнению с колонной Элджина прказаны на примере теплообменной распылительной колонны в сопоставимых условиях. Размеры, физические свойства фаз, расходы и температурные профили фаз для КОЛ0ННЫ Элджина Приняты в соответст вии с экспериментальными данными.Для новой распылительной колонны выбраны те же размеры,физические свойства фаз.Темпера тура сплошной (нагреваемой) фазы на выходе из колонны и на входе в колонну в обоих случаях одинакова. Сравнение ведется по температуре диспергируемого теплоносителя на входе в колонну. Температурные профили фаз в новой колонне определены с учетом экспериментальных значений коэффициентов значений коэффициентов межфазного теплообмена. Основные параметры, при которых производится сравнение обеих колонн, следующие Сплошная (нагреваемая) фазаВода Дисперсная (греющая) фазаКеросин Отношение объемных расходов фаз2,5 Объемная концентрация дисперсной фазы,% 22 Диаметр капель, мм3,5 Высота рабочей зоны теплооб« ена, м1,9 Температура сплошной фазы: на входе в колонну, С 32,5 на выходе из колонны, С 40,3. На фиг. 3 кривые 1 и 2 построены о экспериментальным точкам и показыают распределение температуры дисперсной и сплошной фаз соогвегственно по высоте распылительной колонны известной констругаши; кривые 3 и 4 - распредэление температуры дисперсной и сплошной фаз Соответственно по высоте колонны предлагаемой конструкции. На фиг. 3 следует, что в новой распьшительной колонне разность между ти терагурой диспергированного теплоносителя на входе в колонну и температурой сплошной фазы на выходе из колонны в 7,8 раза меньше, чем соответствующая разность температур в колонне Элджина, что соответствует снижению температуры теплоносителя на входе в колонну на 12%. Применение данной конструкции распылительной колонны в качестве теплообменного аппарата позволяет снизить температуру диспергируемого теплоносителя на входе в колонну без изменения температуры нагреваемой среды. Это дает воа 1ожность применять ниэкопотешшальные источники нагрева теплоноОигеля, например пар низких параметров испари тедьногорхлаждения или отборный пар турбин, что дает экономию

.топлива в народном хозяйстве. Применение данной конструкции рас

пылительной колонны в качвс№е экстрактора позволяет снизить степень регенерации диспергируемохтэ экстрагента на восоде в колонну без уменьшения степени экстрагировашм, что снижает экономические расходы на регенерацию..

32 J4- 36 38

Ге/ eiocfrrfy a °C

фиеЪ

ff-Q г «4- «ff /

РАСПЫЛИТЕЛЬНАЯ КОЛОННА для проведения прогйвоточньЕх теплообменных и экстра кии онгаых процессов между несмешивакадимися жидкостями, включающая основную оилиндрическутю секцию, примыкающую к ней коническую секцию, устройство для диспергирования одной из фаз, устройства для подвода и отвода фаз, отличающаяся тем, что, с целью снижения температуры диспергируемого теплоносителя и степени регенерации диспергируи«гого эвстрагента, она снабжена дополнительной цилиндрической секцией с диаметром, равным диаметру основной цилиндрической секции, верхняя часть которой располЪжена в конической секции, а ниж(Л няя часть соединена с устройством для диспергирования. -J со IN: а С5 7