массообменная колонна прямоугольного поперечного сечения с низким гидравлическим сопротивлением

Формула изобретения

МАССООБМЕННАЯ КОЛОННА ПРЯМОУГОЛЬНОГО ПОПЕРЕЧНОГО СЕЧЕНИЯ С НИЗКИМ ГИДРАВЛИЧЕСКИМ СОПРОТИВЛЕНИЕМ, включающая вертикальный корпус прямоугольного поперечного сечения с поярусно расположенными перфорированными решетками по высоте колонны и слоями насадки на решетках, отличающаяся тем, что решетки выполнены в виде наклонных ступеней поочередно в диаметрально противоположных направлениях в смежных по высоте решетках, смежные ступени решеток в плане перекрывают одна другую, задние и боковые кромки ступеней по направлению уклона решетки имеют отбортовки вверх для задержки жидкости, каждая ступень решетки выполнена с наклоном под острым углом к горизонтали в сторону наклона решетки, в ступенях выполнены арочные прорези выпуклостью вверх с осями, направленными в сторону уклона ступенчатой решетки, самые нижние ступени решетки выполнены в виде рамок, на которые натянута сетка с размерами ячеек меньше геометрических размеров насадки, ступени решетки закреплены между собой и опираются на две боковые опорные рейки, прикрепленные к стенкам корпуса, на ступени решетки вертикально установлены с плотной поперечной укладкой элементы одинаковой высоты винтовой насадки из полимерных материалов, стойких к агрессивной среде и к температуре.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к конструкциям массообменных колонн насадочного типа для систем газ (пар)-жидкость, предназначенных для процессов абсорбции, ректификации, промывки газов, и может найти применение в химической, нефтехимической, газовой и других отраслях промышленности.

Известна массообменная колонна, включающая вертикальный цилиндрический корпус, поддерживающие распределительные решетки, слой насадки на каждой распределительной решетке, устройство для перераспределения жидкости под промежуточными решетками [1]

Недостатком известной массообменной колонны является недостаточно высокая эффективность массообмена из-за неравномерности распределения жидкости по поперечному сечению слоя насадки в колонне в зависимости от диаметра колонны, особенно в колоннах больших диаметров.

Наиболее близкой к заявляемой является массообменная колонна, включающая вертикальный аппарат прямоугольного сечения, внутри которого поярусно установлены перфорированные решетки, на которых расположена слоями насадка [2]

Недостатком известной массообменной колонны при взаимодействии больших объемов газа (пара) и малых объемов жидкости является неравномерное распределение жидкости по поперечному сечению колонны на различной высоте слоя насадки над распределительной решеткой и проваливание жидкости по всему сечению решетки, в результате чего эффективность массообмена слоя насадки на решетке равна локальной (точечной) эффективности массообмена, что является минимальной возможной эффективностью массообмена.

Цель изобретения повышение эффективности массообмена, увеличение производительности по газу (пару) и жидкости при одновременном уменьшении гидравлического сопротивления потоку газа (пара).

Цель достигается тем, что в массообменной колонне прямоугольного поперечного сечения, включающей вертикальный корпус прямоугольного поперечного сечения с поярусно расположенными перфорированными решетками по высоте колонны и слоями насадки на решетках, решетки выполнены в виде наклонных ступеней поочередно в диаметрально противоположных направлениях в смежных по высоте решетках, смежные ступени решеток в плане перекрывают друг друга, задние и боковые кромки ступеней по направлению уклона решетки имеют отбортовки вверх для задержки жидкости, каждая ступень решетки выполнена с наклоном под острым углом к горизонтали в сторону наклона решетки, в ступенях выполнены арочные прорези выпуклостью вверх с осями, направленными в сторону уклона ступенчатой решетки, самые нижние ступени решетки выполнены в виде рамок, на которые натянута сетка с размерами ячеек меньше геометрических размеров насадки, ступени решетки закреплены между собой и опираются на две боковые опорные наклонные рейки, прикрепленные к стенкам корпуса, на ступени решетки вертикально установлены с плотной поперечной укладкой элементы одинаковой высоты винтовой насадки из полимерных материалов, стойких к агрессивной среде и температуре.

На фиг.1 представлена массообменная колонна прямоугольного сечения, продольный разрез; на фиг.2 разрез А-А на фиг.1; на фиг.3 разрез Б-Б на фиг.2; на фиг.4 разрез В-В на фиг.2; на фиг.5 разрез Г-Г на фиг.1.

Массообменная колона прямоугольного поперечного сечения с низким гидравлическим сопротивлением содержит (фиг.1-5) вертикальный корпус 1 прямоугольного поперечного сечения с поярусно расположенными наклонными ступенчатыми решетками 2 по высоте колонны, выполненные в виде наклонных перфорированных ступеней 3; смежные по высоте решетки 2 поочередно наклонены в диаметрально противоположные стороны, смежные ступени 3 решеток 2 в плане перекрывают друг друга, задние и боковые кромки ступеней 3 по направлению уклона решетки 2 имеют отбортовки 4 вверх для задержки жидкости и направления стока ее вперед по направлению уклона решетки 2, каждая ступень 3 решетки 2 установлена с наклоном под острым углом к горизонтали в сторону наклона решетки 2, в ступенях 3 выполнены арочные прорези 5 выпуклостью вверх с осями, направленными в сторону наклона ступенчатой решетки 2; несколько нижних ступеней 3 выполнены в виде прямоугольных рамок, на которые натянута сетка 6 с размерами ячеек меньше геометрических размеров насадки 7, укладываемой на ступени 3 решетки 2, причем на ступени 3 вертикально устанавливаются элементы винтовой насадки 7 с плотной укладкой по поперечному сечению колонны, ступени 3 решетки 2 закреплены между собой и установлены на две боковые опорные наклонные рейки 8, прикрепленные к стенкам колонны.

Массообменная колонна прямоугольного поперечного сечения с низким гидравлическим сопротивлением работает следующим образом.

Газ (пар) поступает в корпус 1 колонны (фиг.1-5) снизу и движется вверх, проходит через арочные прорези 5 в ступенях 3 и между отдельными ступенями 3 в слой винтовой насадки 7, контактирует при этом с жидкостью и увлекает ее, в результате происходит образование газо(паро)-жидкостной эмульсии с высокоразвитой межфазной поверхностью массообмена, при этом происходит перекрестное движение газа (пара) и жидкости, газ (пар) движется вверх практически по модели идеального вытеснения, а жидкость движется в слое насадки 7 на наклонной решетке 2 в диаметральном направлении по модели, близкой к модели идеального вытеснения при полном перемешивании по высоте слоя насадки 7, при высоких скоростях газа (пара), близких к режиму эмульгирования (захлебывания), так как при малых нагрузках по газу (пару) и жидкости, далеких от режима эмульгирования (захлебывания), использование предлагаемой массообменной колонны не имеет практического смысла. В условиях работы жидкость поступает в приподнятую часть решетки 2 со слоем насадки 7 и движется в слое насадки 7 по направлению уклона решетки 2 и стекает в нижней опущенной части решетки 2 через ячейки сеток 6, натянутых на рамки самых нижних ступеней решеток 2, и между ступенями 3 вниз на слой насадки 7 в возвышенную часть решетки 2 нижерасположенной решетки 2 и т.д. а через прорези 5 и между ступенями 3 в более возвышенных частях решетки 2 проходит вверх газ (пар), а жидкость перемещается через слой насадки 7 по направлению уклона решетки 2, при этом попадающая на ступени 3 жидкость увлекается газом (паром), выходящим из арочных прорезей 5, а сливу жидкости через задние или боковые кромки ступеней 3 препятствуют отбортовки 4 в ступенях 3.

Предлагаемая массообменная колонна повышает эффективность массообмена, увеличивает производительность по газу (пару) при больших удельных нагрузках по жидкости порядка до 100 м³/м²ч и больше и снижает гидравлическое сопротивление потоку газа (пара) при сопоставимых условиях.

Повышение эффективности массообмена обеспечивается за счет секционирования слоя насадки по высоте установки поярусно наклоненных решеток по высоте колонны. При этом появляются дополнительные концевые эффекты, качественное воздействие которых на массообмен известно. Кроме того предупреждаются явления продольного байпасирования потоков газа (пара) и жидкости и каналообразования в потоках по высоте колонны, сильно снижающие эффективность массообмена. Благоприятные структуры потоков жидкости и газа (пара) в секциях при оптимальных нагрузках по фазам обеспечивают максимальную эффективность массообмена, так как газ (пар) движется через слой насадки в секции по модели идеального вытеснения, а жидкость движется по модели, близкой к модели идеального вытеснения в диаметральном направлении слоя насадки в секции при полном перемешивании по высоте слоя насадки, причем если полного перемешивания жидкости по высоте слоя насадки не проходит, то от этого эффективность не снижается, а наоборот возрастает, что обеспечивает некоторый запас гарантии предлагаемой физической модели процесса массообмена в секции.

Увеличение производительности по газу (пару) при высоких удельных нагрузках по жидкости порядка 100 м³/м²ч и выше предлагаемой массообменной колонны за счет секционирования обеспечивается образованием над каждой секцией сепарационного пространства, которые компенсируют превышения нагрузок по газу (пару) и жидкости и явления захлебывания, при этом допускается работа предлагаемой массообменной колонны постоянно при нагрузках по газу (пару) и жидкости, превышающих нагрузки при режиме эмульгирования (захлебывания).

Снижение гидравлического сопротивления потоку газа (пара) предлагаемой массообменной колонны по сравнению с прототипом обеспечивается прежде всего тем, что уменьшается общая высота слоя насадки в предлагаемой колонне, а, следовательно, и уменьшается гидравлическое сопротивление пропорционально уменьшенной высоте слоя насадки. Но в предлагаемой колонне увеличивается гидравлическое сопротивление дополнительно устанавливаемых распределительных решеток, гидравлическое сопротивление которых может оказаться большим, чем высота слоя насадки, на которую уменьшилась массообменная колонна за счет образования сепарационного пространства над секциями. Однако гидравлическое сопротивление распределительной решетки подобрано таким по величине за счет увеличения свободного сечения решеток, чтобы обеспечить уменьшение общего гидравлического сопротивления массообменной колонны по сравнению с прототипом при сопоставимых условиях.

Уменьшение гидравлического сопротивления решетки 2 обеспечивается за счет наклона решетки и образования просветов по вертикали между ступенями 3 решетки 2. При этом увеличение свободного сечения решетки увеличивается на величину свободного сечения просветов по вертикали между ступенями F_п, которое определяется как тангенс результирующего угла наклона решетки 2

tg(-)=F_п,(1)

угол наклона решетки 2 к горизонтали, градм;

угол наклона ступеней к горизонтали, град.

Суммарное свободное сечение решетки F_р будет равно

F_р=F_с+ F_п, (2)

где F_с свободное сечение арочных прорезей 5, которое может составить около 35% (0,35 доли).

Если принять, что F_п=tg(-) может быть равно от 0,15 до 0,2, то суммарное свободное сечение решеток может достигнуть величины F_р=F_с+F_п=0,35+0,2= 0,55, что приближается к свободному объему насадки.

Увеличение удельных нагрузок по жидкости до 100 м³/м²ч и выше не оказывает существенного влияния на повышение гидравлического сопротивления потоку газа (пара), так как свободное сечение решеток 2 в нижней части увеличено за счет установки на нижних ступенях сеток 6 со свободным сечением, приближающимся к единице для слива жидкости.

Технические преимущества заявляемой массообменной колонны по сравнению с прототипом заключаются в повышении эффективности массообмена между газом (паром) и жидкостью вследствие увеличения движущей силы процесса при перекрестном движении газа (пара) и жидкости и при отсутствии существенного продольного перемешивания жидкости в диаметральном направлении, а также в увеличении производительности колонны и стабильности режима работы при высоких скоростях газа (пара) за счет наличия сепарационного пространства над слоями насадки на решетках; предлагаемое изобретение повышает четкость разделения колонны и чистоту и качество продуктов разделения, уменьшает необходимое флегмовое число для разделения смесей ректификацией, что выразится в уменьшении расхода тепла (греющего пара из котельной).