Колонна для тепло- и массообменных процессов Советский патент 1979 года по МПК B01D3/30 

(54) КОЛОННА ДЛЯ ТЕПЛОМАССООБМЕННЫХ ПРОЦЕССОВ

I

Изобретение относится к колонным аппаратам для систем газ (пар) - жидкость, в которых жидкость движется сверху вниз и контактирует с газом (паром), поднимающимся ,по колонне, и может быть использовано в процессах ректификации, абсорбции, промывки газов в агрегатах большой единичной мощности, где требуется обеспечить эффективный контакт между большими количествами газа (пара) и жидкостью и в жидкой фазе имеются твердые частицы или продукты полимеризации.

Известна колонна с продольно-поперечным секционированием потоков, в которой направленные элементы для прохода газа в центральной и периферийных секциях расположены в противоположном направлении 1 .

Наиболее близка по технической сущности к предложенной колонна для проведения тепло- и массообменных процессов между газом (паром) и жидкостью, содержащая установленные в корпусе одна над другой контактные тарелки и приподнятыми над их плоскостями секциями, выполненными с прорезями (отверстиями) для прохода

сквозь них газа (пара), снабженными аркоподобными козырьками, направленными в одну сторону и тангенциально к центру секции, сливные трубы, снабженные кольцевым проточным гидрозатвором, установленное над каждой секцией коаксиалько к центру сепарационнре кольцо, отбойные пластины, изогнутые в форме спирали Архимеда, расходящиеся от центра секции и закрученные в сторону, соответствующую направлению выхода струй газа (пара) из

прорезей 2.

Недостатком известных конструкций является незначительная производительность и нечеткость разделения.

Цель изобретения -увеличение производительности колоинь и четкости разделения.

Это достигается тем, что в предложенной колонне секции каждой из тарелок выполнены в форме секторов и снабжены расположенными по периметру секций укрепленными на контактных тарелках опорными лентами, наклоненными по отношению к их плоскостям, причем входные отверстия сливных труб имеют в плане форму эллипса. что;увеличивает TiрЙШвШй ёЖй&с: Б к6л6нны и четкость разделения путем сёщигонирования больших потоков газа (пара) и жидкости. Целесообразно располагать аркоподобные козырьки в соседних секциях в противоположном направлении относительно друг друга, что предупреждает брызгоунос в межсекционных пространствах при сопряжении вращающихся потоков жидкостина выходе из секций в условиях высоких скоростей фаз; целесообразно над гидрозатвором каждои из сливных труб горизонтально устанавливать отражак илий диск. На фиг. 1 схематически пшазама часть колоннь с контактными тарелками, вертикальный разрез; на фиг. 2 - разрез А - А на фиг. 1; на фиг. 3 - разрез Б - Б на фиг. 2 в увеличенном масштабе; на фиг. 4 - разрез В - В, на фиг. 3; на фиг. 5 - разрез Г - Г на фиг. 4; на фиг. 6 - разрез Д - Д на фиг. 4; на фиг. 7 - разрез Е - Е на фиг. 4 в увеличенном масштабе; на фиг. 8 - разрез Ж -Ж на фиг. 7. Колонна 1 для тепло- и массообмена между газом (паром) и жидкостью состоит из установленных одна под другой контактных тарелок 3, содержащих горизонтальные секции 2, имеющие в плане форму секторов, приподнятые над всей остальной плоскостью тарелки . Секции укреплены на контактных тарелках 3 посредством располо ке1ШЬ1х по периметру плит опорных лент 4, наклоненнь1Х по отношению к плоскости контактной тарелки 3. Центральная сплошная часть 5 секции 2 окружена по периферии прорезями 6 с аркоподобньши козырьками 7 для прохода газа (пара), расположёнными по концентрическим окружностям вокруг центров плит и направляющими струи проходящего через прорези газа (пара) тангенциально к центрам плит и в одну сторону, под некоторым углом к плоскости секции. Отбойнь1е пластины 8 изогнуты по спирали АрхйМеда и вь пдЛНёИы расходящимися от цеттргаг ёкции и зак |ученШми 1в сторону, сьответствующую направлению струй газа (пара), обеспеченному аркоподобньши козырьками 7 прорезей 6. Над каждой секцией коаксиально к ее центру установлено сепарационное кольцо 9 с некоторым зазором 10 между нижней кромкой сепарационного кольца 9 и плоскостью секции для слива жидкости., Сепарационное кольцо 9 прикреплено к секциикронштейнами И. К центру сплошной части 5 каждой секции подведена сливная труба 12 с зазором 13 между нижней кромкой 14 сливной трубы 12 и плоскостью сплошной части 5 секции. Сливная труба 12 имеет входное отверстие 15 в форме эллипса для слива жидкости из межсекционного пространства 16 верхней тарелки в центр секции нижележащей тарелки. Входные отверстия 15 сливньгх труб 12, выполненные в форме эллипсов, обеспечивают увеличение пропускной способности по жидкости сливных труб 12. Такая форма отверстий получена за счет наклона .верхней части сливной трубы 12 B srecte сопряжения с тарелкой 3 или за счет перехода цилиндрического сечения сливных труб 12 в эллиптическое. Вокруг каждой сливной трубы 12 коаксиально установлены два кольца, внутреннее 17 и наружное 18, с зазором 19 между нижней кромкой 20 внутреннего кольца 17 и сплошной частью 5 секции и зазором 21 между нижней кромкой 22 наружного кольца 18 и поверхностью сплошной части 5 секции, причем, нижняя кромка 20 внутреннего кольца 17 расположена ниже нижней кромки 14 сливной трубь 12 и ниже нижней кромки 22 наружного кольца 18, а верхняя кромка 23 внутреннего кольца 17 расположена выше нижней кромки 14 сливной трубы 12 и ниже верхней кромки 24 наружного кольца 18, так что при сливе жидкости через сливную трубу 12 образуется проточный гидрозатвор. Над кольцами 17 и 18 вокруг сливной трубы 12 установлен отражающий диск 25 одинакового диаметра с наружным кольцом 18 и нанекотором расстоянии от верхней кромки 24 наружного кольца 18. Кольца 17 и 18 скреплены между собой жестко стержнями 26, а внутреннее кольцо 17 жестко скреплено с сплрщнрй частью 5 плиты 2 стержнями 27. Расположение прорезей 6 для прохода газа (пара) с аркоподобньши козырьками 7 на соседних секциях обеспечивает противоположное направление струй газа (пара). Отбойные пластины 8, изогнутые по форме спирали Архимеда, закручены на соседних секциях в противоположные стороны. Поэтому предпочтительно принимать четное число секций на контактных тарелках колонны, а именно - 4, 6, 8 и т. д. В центре колонны установлена сплошная труба 28 для крепления опорных конструкций и секций для тарелок больших дисметров с целью обеспечения их жесткости. Колонна для тепло- и массообменных процессов работает следующим образом. Газ (пар) поступает снизу под секции, имеющие в плане форму секторов, проходит через прорези 6 с а ркопЬдобными козырьками 7 и с тангенциально направленными осями, в результате чего образуется регулярно вращающийся газовый (паровой) поток, который увлекает поступающую в центры секций жидкость и отдает ей часть кинетической энергии. В результате образуется регулярно вращающийся двухфазный газожидкостньж поток на контактной площади секций, при этом жидкость совершает сложное радиально-кольцевс е движение в горизонтальной плоскости от центра к периферии, а газ (пар) - винтообразное восходящее движение. Вращающийся двухфазный поток отражается от криволинейных отбойных пластин 8, изогнутых в форме спирали Архимеда, в результате чего происходит дополнительная турбулизация газового (парового) потока, диспергирование жидкости, перекрестные соударения элементарных объемов газа (пара) и жидкости, многократное обновление и увеличение межфазной поверхности, что приводит к интенсификации массообмена в фазах и к повыщению эффективности массообмена контактной ступени (эффективности по Мерфри). Сепарационное кольцо 9 формирует регулярно вращающийся двухфазный газожидкостный поток в отдельной секции, способствует разделению таза (пара и жидкости после контакта, при этом жидкость, отражаясь от внутренних стенок сепарационного кольца 9, стекает вниз и через кольцевой зазор 10 под действием центробежных сил сливается в межсекционное пространство 16, откуда по сливным трубам 12 стекает в центры секции нижележащей тарелки, а газ соверщает винтообразное движение вверх под секции выщележащей тарелки и т. д. В результате того, что направление кривизны отбойных пластин 8 в форме спирали Архимеда совпадает с направлением расходящегося от центра к периферии регулярно вращающегося двухфазного газожидкостного потока, жидкость движется без продольного перемешивания, что способствует росту градиентов концентраций в жидкой фазе и увеличению движущей силы процесса массообмена. Это приводит к повышению эффективности массообмена контактной тарелки (эффективности по Мерфри). Постоянство ширины фронта движения расходящегося потока жидкости между соседними отбойными пластинами 8 от центра секции к периферии способствует равномерному поперечному распределению расходящегося потока жидкости по контактной площади секций и, следовательно, к равномерному распределению газового (парового) потока, что также, как известно, приводит к -повышению эффективности массообмена между фазами. Наряду с этим отбойные пластины 8 предупреждают волнообразование вращающегося газожидкостиого потока на контактной площади секций, что также способствует равномерному распределению потоков фаз и повышает эффективность массообмена контактных устройств, тем более, что с увеличением размеров секций волнообразование очень сильно нарущает равномерность распределения потоков фаз по сечению контактной площади и вследствие этого, как известно, с увеличением диаметров тарелок их фактическая эффективность резко снижается. В условиях работы колонны с секционированными тарелками жидкость стекает с периферийных частей секций через кольцевой зазор 10 между сепарационным кольцом 9 и секцией в межсекционное пространство 16, сечение которого в плане увеличивается сверху вниз благодаря наклону опорных лент 4 к плоскости тарелки 3; вследствие этого увеличивается объем межсекционного пространства 16 и не уменьшается полезная контактная площадь секций. Вследствие увеличенного объема межсекционного пространства 16 обеспечивается сепарация фаз после контакта, увеличивается пропускная способность сливных устройств и сливных труб 12 по жидкости, так как в сливные трубы 12 через входные эллиптические отверстия 15 поступает осветленная жидкость без газа (пара) и допустимая скорость жидкости в сливных трубах 12 увеличивается до 0,5 - 0,7 м/с. Для уменьшения времени пребывания жидкости в гидрозатворе при сливе ее из выходного отверстия сливной трубы 12 в центральную сплошную часть 5 каждой из секций гидрозатвор выполнен проточным из двух концентрически расположенных вокруг сливной трубы 12 колец 17 и 18, и при сливе жидкости по сливной трубе 12 жидкость заполняет объем внутреннего кольца 17 и проходит частично через кольцевой зазор 19. Остальная часть жидкости перетекает через верхнюю кромку 23 внутреннего кольца 17 в межкольцевое пространство колец 17 и 18 и через зазор 21 поступает на контактную площадь секции. Кроме того, часть жидкости может перетекать через верхнюю кромку 24 наружного кольца 18 на контактную площадь секции. Таким образом, при сливе жидкости по сливной трубе 12 и при определенных соотнощениях зазоров 19 и 21 и размеров колец 17 и 18 внутреннее кольцо заполнено жидкостью и сливная труба 12 погружена в нее, т. е. обеспечен проточный гидрозатвор. При этом через зазоры 19 и 21 могут свободно проходить твердые частицы и продукты полимеризации, кроме того, на контактную площадь секции жидкость будет поступать с некоторой начальной скоростью, что предупреждает образование градиента высоты слоя жидкости на контактной площади, способствует равномерному распределению жидкости и уменьшает время пребывания жидкости в гидрозатворе. Однако при прекращении подачи в сливные трубы 12 жидкости последняя будет полностью стекать со сплошной части 5 секции, а при прекращении подачи газа (пара) на тарелку жидкость полностью стекает с контактной площади секции и из проточного гидрозатвора вместе с твердыми частицами или продуктами полимеризации. Сепарационные кольца 9 способствуют формированию регулярно вращающихся двухфазных газожидкостных потоков в секциях при высоких скоростях газа (пара и больших нагрузках по жидкости, а благодаря разнонаправленным вращениям двухфазных потоков в соседних секциях при

сливе жидкости в межсекционное пространство 16 происходит касательное сопряжение соседних вращающихся потоков и четкое раделение фаз -без брызгоуноса. При вьшолнении секций, в форме сектора в плане обеспечиваетсяувеличение .полезной к.онтактной пЛрщади секции находится снаружи сепа : ационного кольца 9 и на эту чдсть контакт-ной пЛЬщади не устанавливаются отбойные пластины 8 в форме спиралей Архимеда. Так как секции приподняты над тарелкой 3, о при сливе жидкости через зазор 10 в Ю межсекционное пространство 16 под действием центробежных сил жидкость движется с частью газа (пара) - при этом происходит тепло-; и массообмен между газом . (паром) и жидкостью надмежсекционным прЬстран- j cTBpiyi.16. Использование принципа секционирования контактной тарелки на отдельные секции с регулярно вращающимся потоком позволяет по сравнению с барботажным режимом работы существующих секционированных контактных тарелок увеличить скорость газа (пара) в 1,5 - 2,5 раза без брызгоуноса и повысить эффективность массообмена (эффективность по Мерфри) кон актных тарелок, что выгоднодля колонн больщих диаметров. Предложенная toHCT- g рукцйя контактных устройств с регулярно вращающимся потоком в секциях контактной тарелки колонны эффективно работает при малых удельных нагрузках по жидкости и больщих скоростях пара (в условиях вакуумной ректификации) вследствие благо-.Зв приятного действия отбойных пластин 8 в форме спиралей Архимеда определенных параметров, способствующих при данных, гидродинамических условиях увеличению объе.ма удерживаемой жидкости на контакт- ,, ной площади, и, следовательно, увеличению среднего времени пребывания жидкости в контакте с паром, что способствует повь1щению эффе.ктивности тепло- и массообмена между фазами. Эффективно работа ет предо женная колонна и при больших удельных нагрузках по жидкости и малых скоростях пара (в условиях экстрактивной ректификаии) также вследствие благоприятного дейтвия отбойных пластин 8 в форме спирали Архимеда определенных параметров, спо- 45 обствующих при данных гидродинамичесих условиях раскручиванию расходящегоя потока жидкости от центра к периферии и Организации регулярно вращающегося вухфазного цотока на контактной пло щади, так как при этих условиях кинетичес- кая энергия паровых струй, выходящих через прорези 6 с аркоподобньши козырьками 7, недостаточна Для интенсивного раскручивания жидкости . Вследствие равномерного распределения вращающего:с ядвух- jj

ф- азногогазижадкостного потшг-наконтактной площади обеспечивается в йсс)кая эффективность тепло- и массообмена мёжду

704640

фазами. В результате того, что для расходящегося от центра к периферии регулярно вращающегося двухфазного потока на контактной площади секции жидкость движется под действием центробежных сил, а периметр слива жидкости гораздо больще, чем для контактных тарелок с диаметральным движением жидкости, при этом не происходит перегрузка сливов при самых высоких удельных нагрузках по жидкости (порядка 100 ч и более), обеспечивается равномерное распределение жидкости и газа (пара) по контактной площади, значительно уменьщается продольное перемещивание жидкости и увеличиваются градиенты концентраций в фазах, что в конечном итоге приводит к повыщению эффективности массообмена кбнтактных тарелок (эффективности по Мерфри) больщих диаметров.

Применение в предложенной конструкции колонны проточных гидрозатворов исключает образование застойных зон, способствует равномерному распределению жидкости по контактной площади, уменьщению времени пребывания жидкости в гидрозатворах, что предотвращает протекание нежелательных процессов при разделении термически нестойких или склонных к полимериза.ции смесей. Это практически подтверждено на примере промыщленной эксплуатации предложенной конструкции в колоннах диаметром до 5 м.

Все отмеченные преимущества пред.тоенной конструкции колонны для тепло- и ассообмена между газом (паром) и жидостью способствует увеличению производиельности, повыщению эффективности и улучрению чистоты и качества разделяемых проуктов.- ,

Формула изобретения

зей в соседних секциях расположены в противоположном направлении относительно друг друга.

Источники информации,

принятые во внимание при экспертизе

2.Авторское свидетельство СССР по заявке № 2303177/26, 1975 (прототип). A./ л.