СПОСОБ КОНТАКТА ГАЗА И ЖИДКОСТИ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Советский патент 1994 года по МПК B01D3/26 

Изобретение относится к газовой, газоперерабатывающей, химической и нефтехимической промышленности и может быть использовано в процессах и аппаратах ректификации и абсорбции, например при подготовке природного газа к дальнему транспорту.

Известен способ контакта газа и жидкости, при котором газовый поток закручивают, в закрученный газовый поток подают на контакт жидкость с последующим контактированием газового потока с пленкой жидкости.

Устройство для осуществления этого способа включает коаксиально установленные цилиндрический стакан с пленкосъемником, завихритель и каналы для подачи жидкости.

Недостатком этого способа и устройства для его осуществления является низкая эффективность массообмена между газом и жидкостью из-за контактирования газового потока в основном только с пленкой жидкости, образованной на периферии закрученного газового потока.

Кроме того, недостатком является высокое гидравлическое сопротивление, обусловленное возникновением обратных токов газового потока в осевой зоне закрученного газового потока.

Известен способ контакта газа и жидкости, включающий подачу жидкости в газовый поток, диспергирование ее, закручивание газожидкостной смеси с формированием пленки жидкости и отделением ее от газовой фазы.

Устройство для осуществления этого способа включает стакан, сепарационное устройство, завихритель, обтекатель, каналы для подачи жидкости. Диспергирование жидкости газовым потоком перед закручиванием способствует увеличению межфазной поверхности.

Использование отбекателя несколько снижает гидравлическое сопротивление.

Недостатком способа является то, что подача жидкости в газовый поток осуществляется самотеком и на периферию аппарата, что обуславливает малое ее диспергирование. При этом диаметр образовавшихся капель жидкости имеет широкий диапазон. Таким образом в газожидкостном потоке происходит контакт газа с малыми и крупными каплями, а наличие последних снижает суммарную межфазную поверхность массообмена.

Кроме того, крупные и мелкие капли жидкости в закрученном газовом потоке испытывают различное по величине влияние центробежных сил. В связи с этим малые капли, обладающие меньшей массой, незначительно отклоняются под действием этих сил и на стадии разделения (после контакта фаз) не отделяются, а проскакивают на вышеизложенную ступень контакта, снижая в конечном счете эффективность работы аппарата, что также является недостатком описываемого устройства.

Большой унос на вышележащую ступень обусловлен также нерациональной конструкцией обтекателя, приводящей к срыву жидкости с вершины конуса.

Конструкцией обтекателя объясняется и недостаточная эффективность массообмена, обусловленная некачественным разделением газожидкостной смеси после контакта из-за отсутствия направленного движения двухфазного потока.
Кроме того, недостатком является повышенное гидравлическое сопротивление, обусловленное отсутствием строго направленного движения газожидкостного потока. Указанный недостаток объясняется также тем, что поднимающийся газовый поток проходит завихритель изнутри наружу, при этом траектория его движения по крайней мере дважды имеет изломы. Одновременное такой вход газа в завихритель требует увеличения диаметра устройства.

Целью изобретения является повышение эффективности контакта путем увеличения межфазной поверхности, улучшения разделения газожидкостной смеси после контакта и снижение гидравлического сопротивления.

Цель достигается тем, что по способу контакта газа и жидкости, включающему закручивание газового потока, подачу в него жидкости, формирование ее в пленку на поверхности тела вращения с последующим диспергированием, а также разделение газожидкостного потока на жидкую и газовую фазы, формирование жидкости в пленку осуществляют путем подачи ее по оси закрученного газового потока, диспергирующего образовавшуюся пленку на капли диаметром 100 - 400 мкм.

Цель достигается тем, что в устройстве, включающем основание, контактные элементы, каждый из которых содержит коаксиально установленные завихритель, стакан, пленкосъемник, обтекатель, размещенный после завихрителя, каналы для подачи жидкости, обтекатель выполнен в виде параболоида вращения, расширяющаяся часть которого направлена в сторону пленкосъемника, размещен на стенке канала, выполненного с отверстием под обтекателем и соединенного со стенками стакана.

Кроме того, цель достигается тем, что продолжение поверхности параболоида вращения ориентировано в зазор между стаканом и пленкосъемником.

Целесообразно с целью центрирования обтекателя снабжать основание расположенной под ним скобой со шпилькой, один конец которой закреплен по оси скобы, а другой прикреплен к обтекателю.

В предлагаемом устройстве обтекатель в виде параболоида вращения, являясь поверхностью, установленной по оси закрученного газового потока, формирует пленку жидкости, обеспечивает диспергирование ее газовым потоком (при срыве с кромки рассекателя) до узкой мелкодисперсной фракции - мельчайших капель ("тумана"), строго ориентирует образовавшийся газожидкостной поток, что способствует увеличению поверхности массопередачи, эффективному разделению проконтактировавших фаз, снижению уноса жидкости на вышележащую ступень контакта, повышая тем самым эффективность массообмена. Ориентация газожидкостной смеси в зазоре между стаканом и пленкосъемником снижает гидравлическое сопротивление.

На фиг. 1 показана схема, иллюстрирующая предлагаемый способ: на фиг. 2 - устройство для его осуществления.

Способ контакта газа и жидкости осуществляют следующим образом.

Газовый поток G_о закручивают и подают в него жидкость L_o, где происходит первая стадия контактирования (зона А) между газом и жидкостью. После этого жидкостной поток формируют закрученным газовым потоком по его оси в виде пленки на поверхности тела вращения. При этом осуществляют вторую стадию контактирования (зона В) между жидкостной пленкой L₁ и турбулизующим ее газовым потоком.

Далее пленку жидкости L₁ диспергируют закрученным газовым потоком G_о на мелкодисперсную узкую фракцию капель жидкости (зона С) с получением значительной межфазной поверхности. При этом осуществляют контакт между газом и жидкостью в образовавшемся газожидкостном потоке G₁ + L₂ и подают его на разделение. После разделения часть газового потока G₁ направляют на соединение с газовым потоком G₂ с получением конечного (после контакта) газового потока G_k, а жидкостной поток L_k подают на нижележащую ступень контакта.

Качественное диспергирование жидкостной пленки закрученным газовым потоком с образованием мелкодисперсной узкой фракции капель жидкости и строго определенным направлением подачи образовавшейся газожидкостной смеси на разделение приводит к тому, что унос жидкости на вышележащую ступень контакта с газом G₁ крайне незначителен, поэтому жидкостные потоки L_o и L_k можно количественно приравнять L_o = L_k.

Экспериментально установлено, что обеспечение максимальной межфазной поверхности массообмена достигается при образовании мелкодисперсной узкой фракции капель жидкости с диаметром 100 - 400 мкм.

П р и м е р. Абсорбционная осушка природного газа жидким поглотителем влаги.

Газовый поток следующего состава, мол. % : СН₄ 88,099; С₂Н₆ 3,0; С₃Н₈ 2,0; С₄Н₁₀ 1,5; С₅Н₁₂ 2,0; СО₂ 1,0; N₂ 2,4; Н₂ 0,001, в количестве 0,89 м³/с при давлении 8 МПа (80 кгс/см²) и температуре 293 К (20^оС), равновесный с содержащейся в нем влагой (влагосодержание газа - 0,332 г/м³), подают на контакт с абсорбентом (диэтиленгликолем) концентрацией 98,0% в количестве 30 г/с, диспергированным до узкой фракции капель с диаметром 100 - 400 мкм. В результате контакта газ осушается (влагосодержание газа снижается до 0,044 г/м³), при этом концентрация диэтиленгликоля уменьшается до 97,0% .

Устройство для осуществления данного способа содержит основание 1 и коаксиально установленные завихритель 2 газового потока, стакан 3, пленкосъемник 4, обтекатель 5 и каналы 6 для подачи жидкости. Обтекатель 5 соединен с основанием 1 посредством шпильки 7, скобы 8 и гаек 9.

Устройство работает следующим образом.

Газовый поток подают под основание 1 в завихритель 2, в котором его закручивают. В закрученный газовый поток через каналы 6 подают жидкость, после чего по оси поднимающегося закрученного газового потока формируют жидкость в виде пленки на поверхности обтекателя 5, выполненного в виде параболоида вращения.

Затем жидкостную пленку диспергируют закрученным газовым потоком, срывая ее с наружной кромки обтекателя 5, на мельчайшие капли, причем размеры капель зависят от скорости газа и диаметра обтекателя. Образовавшийся газожидкостной поток во внутреннем объеме стакана 3 направляют в сторону пленкосъемника 4, где его разделяют на составляющие фазы. Другая часть закрученного газового потока, практически не содержащего жидкости, минуя канал между пленкосъемником 4 и стаканом 3, проходит на вышеизложенную ступень контакта.

Использование предлагаемого способа и устройства для его осуществления обеспечивает высокую эффективность массоопередачи на ступени контакта и тем самым значительно повышает КПД контактной тарелки, что наряду со снижением уноса жидкой фазы позволяет существенно сократить межтарельчатые расстояния и снизить высоту аппарата, тем самым создавая возможность уменьшения его металлоемкости.

Результаты стендовых испытаний и расчетные данные показали, что в соответствии с изобретением может быть разработан абсорбер осушки природного газа более высокой производительности. (56) Авторское свидетельство СССР N 509278, кл. B 01 D 3/26, 1976.

Авторское свидетельство СССР N 597406, кл. B 01 J 1/22, 1976.

1. Способ контакта газа и жидкости, включающий закручивание газового потока, подачу в него жидкости, формирование ее в пленку на поверхности тела вращения с последующим диспергированием, а также разделение газожидкостного потока на жидкую и газовую фазы, отличающийся тем, что, с целью повышения эффективности контакта путем увеличения межфазной поверхности, улучшения разделения газожидкостной смеси после контакта и снижения гидравлического сопротивления, формирование жидкости в пленку осуществляют путем подачи ее по оси закрученного газового потока. 2. Устройство для контакта газа и жидкости, включающее основание, контактные элементы, каждый из которых содержит коаксиально установленные завихритель, стакан, пленкосъемник, обтекатель, размещенный после завихрителя, канал для подачи жидкости, отличающееся тем, что, с целью повышения эффективности контакта путем увеличения межфазной поверхности, улучшения разделения газожидкостной смеси после контакта и снижения гидравлического сопротивления, обтекатель выполнен в виде параболоида вращения, расширяющаяся часть которого направлена в сторону пленкосъемника, размещен на стенке канала, выполненного с отверстием под обтекателем и соединенного со стенками стакана. 3. Устройство по п. 2, отличающееся тем, что продолжение поверхности параболоида вращения ориентировано в зазор между стаканом и пленкосъемником. 4. Устройство по п. 2, отличающееся тем, что, с целью центрирования обтекателя, основание снабжено расположенной под ним скобой с шпилькой, один конец которой закреплен по оси скобы, а другой прикреплен к обтекателю.