Способ контактирования фаз и устройство для его осуществления Советский патент 1982 года по МПК B01J19/00 B01D3/32 B01D11/00 

Предлагаемый способ контактирования фаз может быть реализован при нрямоточном и противоточном движении фаз; а также в периодических процессах прн отсутствии нротока одной из фаз. В отличие от известных в предлагаемом способе эффект секционирования достигается без применения секционируюш,нх тарелок, а лишь за счет противоположной по направлению циркуляции жидкости в соседних контурах. Способ может быть использован и нри проведении процессов тепло- и массообмена и химических реакций в двухфазных системах: газ-жидкость, жидкость-жидкость, жидкость-твердые частицы и трехфазных системах: газ-жидкость-твердые частицы, газ-жидкость-жидкость, жидкость-жидкость-твердые частицы. На фиг. 1 показана схема осуществления способа для случая, когда дисперсной является легкая фаза. При противотоке двух фаз, например газ-жидкость, жидкость-жидкость, жидкость-твердые частицы, способ осуществляют следующим образом. В вертикальный корпус 1 снизу подают легкую фазу, а сверху - тяжелую. Поток одной из контактирующих фаз перемещают в колонне неразрывно в виде сплощной фазы, а поток другой - дискретно в виде дисперспой фазы. За счет различия в плотностях фаз в корпусе 1 с помощью вертикальных труб 2 создают ряд расположенных друг над другом циркуляционных контуров. Дисперсную фазу при этом поочередно по ходу ее движения пропускают через центральную и периферийную части поперечного сечения колонны; центральная часть - площадь поперечного сечения колонны, ограниченная циркуляционными трубами 2, периферийная часть - кольцевое сечение между корпусом 1 и наружной стенкой труб 2. В первом контуре А дисперсную фазу пропускают через центральную часть поперечного сечения колонны, направляя поток ее внутрь первой трубы, во втором контуре Б - через периферийную часть сечения, направляя поток ее в пространство между корпусом колонны и второй трубой. В третьем контуре В дисперсную фазу пропускают через центральную часть сечения, направляя поток ее внутрь третьей трубы, в четвертом контуре Г - через периферийную, направляя поток ее в пространство между корпусом и четвертой трубой. Таким же образом в чередующейся последовательности дисперсную фазу пропускают через остальные циркуляционные контуры. В контурах А и В внутри вертикальных труб образуется эмульсия, плотность которой ниже плотности среды, занимающей пространство корпусом 1 и наружной стенкой труб 2. В результате сплощная фаза циркулирует в этих контурах, поднимаясь внутри труб через центральную часть сечения колоннь н опускаясь через периферийную часть сечеиия колонны в пространстве между корпусом 1 и трубами 2. В контурах Б и Г эмульсия образуется в пространстве между корпусом 1 и трубами 2, и сплощная фаза циркулирует, опускаясь внутри труб 2 (через центральную часть сечения колонны) и поднимаясь через периферийную часть сечения (в пространстве между корпусом 1 и трубами 2). Таким путем обеспечивают изменение направления циркуляции сплощной фазы при переходе от одного контура к другому. Сепарация фаз в каждом контуре осуществляется в области перехода восходящего потока в нисходящий и на начальном участке нисходящего потока. После последнего по ходу легкой фазы контура сверху колонны отводят легкую фазу, снизу колонны после первого контура - тяжелую фазу. При прямоточном контактировании двух фаз обе фазы подают сннзу (если диспергируют легкую фазу) или сверху (если диспергируют тяжелую фазу) в вертикальную колонну. Одну из фаз диспергируют в объеме другой и перемещают по колонне так, как описано выще. Сплощная фаза при этом перемещается параллельно с дисперсной и образует расположепные друг над другом циркуляционные, контуры. Паправление циркуляции сплошной фазы при переходе от контура к контуру изменяют таким же образом, как и в случае противотока фаз. В случае трехфазной системы, если обе дисперсные фазы легче или обе дисперсные фазы тяжелее сплощной, то их пропускают вместе в чередующейся последовательностн через одну из двух частей поперечного сечения колонны (как описано выще). Если одна дисперсная фаза легче сплощной, а другая тяжелее, то возможны два варианта проведения процесса по предлагаемому способу. При первом варианте легкую дисперсную фазу, нанример газ в системе газ-жидкость-твердые частицы, подают в нижнюю часть колонны и перемещают по ней аналогично перемещению дисперсной фазы в случае контактирования двух фаз. Тяжелую дисперсную фазу и сплощную фазу подают в верхнюю часть вертикальной колонны или тяжелую дисперсную фазу подают в верхнюю часть, а сплощную фазу-в нижнюю часть колонны. Тяжелую дисперсную фазу при подаче в колонну вводят в нисходящий поток первого по ходу ее движения циркуляционного контура, дальнейщее перемещение ее по колонне происходит через нисходящие части остальных контуров. Во втором варианте тяжелую дисперсную фазу, например твердые частицы в системе газ-жидкость-твердые частицы или тяжелая жидкость в системе газ-жидкость-

жидкость, подают в верхнюю часть вертикальной колонны и перемещают по ней аналогично перемещению дисперсной фазы в случае контактирования но предлагаемому способу двух фаз. Легкую дисперсную фазу и сплошную фазу подают в ннжию часть колонны или легкую дисперсную фазу подают в нижнюю часть колонны легкую диснерсную фазу нодают в нижнюю, а сплошную фазу - в верхнюю часть колонны. Легкую дисперсную фазу при подаче в колонну вводят в восходящий ноток первого по ходу ее движения циркуляционного контура, дальнейшее ее персмеш;ение по колонне происходит через восходяи1:;с части остальных контуров.

Во всех описанных нротивоточчых нроцессах достигают высокой производительности благодаря тому, что ири общем по аппарату противотоке в каждом контуре обеспечивают преимуп ественно прямоточное движение фаз.

При отсутствии протока через колонн} сплошной фазы, например, в барботал-сных реакторах периодического действия пропесс проводят аналогично описанному выше случаю контактирования двух фаз, но без транзитного потока сплоишой фазы. Предлагаемый способ может быть реализован и в случае, когда непроточной является одна из дисперсных фаз, например, в пронессах со взвешенным слоем катализатора. Процесс контактирования проводят аналогично описанному выше случаю контактировати трех фаз, но без транзитного потока одной из дисперсных фаз (твердой дисперсной фазы), которую внутри аппарата рассматривают вместе со сплошной как единую псевдоожиженную фазу.

Известно контактное устройство, содержащее вертикальный корпус и размеш:енные в нем соосно друг над другом циркуляционные трубы с установленными между ними перегородками, патрубки ввода и вывода фаз. Устройство предназначено для контактирования газа с концентрированной суспензией твердых частиц R жндкостн. Вертикальный цилиндрический корпус известного устройства разделен на секции перегородками в форме неревернутых усеченных конусов, в которых предусмотрено центральное отверстие для нрохода суспензии и отверстия в боковой поверхности конуса для прохода газа.

Недостатками известного устройства являются сложность конструкции и низкая эффективность при осуществлении в нем массообменных процессов. Сложность конструкции заключается в наличии секционирующих перегородок, закрепленных на внутренней стенке корпуса, а также в том. что для работы устройства необходим параллельный подвод газа в каждую из секций. Известное устройство может работать эффективно только тогда, когда сплошной

фазой является концентрированная суспензия, ноток которой запирает для газа центральные отверстия секционирующих перегородок, преиятствуя возникновенню восходящего газожидкостного потока в центральной части аппарата. Когда сплошной фазой служит обычная жидкость, в центральной части известного анпарата образуется восходящий газожндкостной поток,

резко снижающий эффективность нротивоточного тепло- нлн массообменного процесса. Секцноннруюнию перегородки сннжают производительность устройства, а забивка отверстий на боковой новерхностп этих нерегородок может нривестн к его аварийной остановке.

Отлнчне устройства, позволяющее осуществить нредлагаемый способ, состоит в том, что цнркуляционные трубы расположены парамн, а перегородки выполнены конусообразными с верщиной, нанравленной вниз.

На фиг. 2 ноказано устройство для. осушествлення способа контактирования фаз.

Устройство содержит вертикальный корпус 1, внутри которого соосно друг над другом размещены циркуляционные трубы 2. Трубы 2 расноложены в корнусе 1 парами 3. Тежду трубамн каж.юй пары 3 с зазором установлена конусообразная перегоротка 4 с вершиной, направленной вниз в ПРРвую по ХОТУ потока дисперсной фазы трубу пары. Днамето основання перегородки 4 не меньше диаметра второй трубы пары.

Для эффективной работы устройства целесообразно, чтобы высота трубы 2 и расстояние трубамн 2 соседних пар 3 составляло не менее 50 мм, а диаметр труб 2 - не менее 1/4 диаметра корпуса 1.

Устройство работает следуюшим образом.

Дисперсная фаза подается внутрь первой трубы 2 пары 3, затем через зазор между конусообразной перегородкой 4 и первой

трубой пары поступает в пространство, образованное второй трубой пары и корпусом 1. Прн этом в паре 3 возникает два последовательных циркуляционных контура с противоположным нанравлением ииркуляции сплошной фазы. Дисперсная фаза после второй трубы 2 пары 3 циркулирующей сплощной фазой сносится к центральной части корпуса 1 и попадает внутрь первой трубы следующей пары 3. Далее по

высоте колонны процесс повторяется, и в колонне образуется ряд расположенных друг над другом контуров с нротивоположным по отношению к соседним направлениям циркуляции в каждом контуре.

П р н мер 1. В устройстве, конструкция котопого схемат1 1тго показана на фнг. 2, по предлагаемом способу проводят контактирование воздуха с водой. Критерием для оценки эффективности снособа служит коэффициент продольного перемешивания

сплошной фазы (воды) ЕП. Величину Ед онределяют по чнсловой характеристике кривой отклика на импульсный ввод индикатора (раствор NaCl).

Процесс осуществляют в аппарате диаметром 150 мм и высотой 1000 мм, в котором размещены друг над другом две пары 3 циркуляционных труб 2 каждая диаметром 100 мм и высотой 100 мм. Между трубами 2 каждой пары 3 с зазором установлена конусообразная перегородка (воронка) 4, вершиной направленная вниз. Днаметр основания конусной воронки 4 равен 100 мм, зазор между воронкой 4 и каждой трубой 2 пары 3 равен 20 мм, расстояние между трубами 2 соседних пар 3 мм. Направляя воздух, как показано на фиг. 1, в колонне создают четыре циркуляционных контура. Воздух подают с расходом Q 500 л/ч, расход сплошной фазы (воды) V 0. Получают величину ЕП 27 .

Пример 2. При условиях примера 1 воздух подают с расходом Q 1000 л/ч, получают ЕП 30 .

Как видно из примеров, предложенный способ контактирования, реализуемый в предлагаемом устройстве, позволяет без применения секционирующих тарелок в 8-23 раза снизить степень продольного перемешивания в барботажном реакторе по сравнению с известным способом.

8

Формула изобретения

1.Способ контактирования фаз, преимущественно сплошной и дисперсной, путем

создания циркуляционных контуров за счет различия плотностей фаз, расположенных по высоте устройства, отличающийся тем, что, с целью повышения эффективности контактирования фаз, за счет уменьшения

степени продольного перемешивания, дисперсную фазу пропускают в чередуюшейся последовательности через центральную и периферийную части поперечного сечения устройства, при этом направление циркуляции сплошной фазы нротивоположно в соседних контурах.

2.Устройство для осуществления способа по п. 1, содержащее вертикальный корпус, размещенные в нем соосно одна над

другой циркуляционные трубы с установленными между ними перегородками, патрубки ввода и вывода фаз, отличающееся тем, что циркуляционные трубы расположены парами, а перегородки выполнены конусообразными с вершиной, направленной вниз.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1.Патент Великобритании № 1173812, кл. В 01F 3/04, 1969.

2.Патент Великобритании № 1276414, кл. В 01F 3/04, 1972.

3.Патент Великобритании № 1147273, кл. В 01J 1/00, 1969.