устройство для распределения фаз

Формула изобретения

1. УСТРОЙСТВО ДЛЯ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ФАЗ в вертикальном цилиндрическом аппарате, содержащее систему перевернутых желобов для распределения легкой фазы, отличающееся тем, что оно содержит горизонтальные перегородки с отверстиями, перекрывающие все поперечное сечение аппарата между желобами, за исключением кольцевого зазора между устройством и внутренней стенкой аппарата, желоба имеют в поперечном сечении сужающуюся вверх форму, в стенках желобов имеются отверстия, количество которых на единицу площади стенки уменьшается по высоте стенки и они расположены в зоне, ограниченной окружностями, диаметры которых составляют (0,25 0,55) D и (0,75 0,9) D, где D внутренний диаметр аппарата.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что оно содержит открытую снизу и закрытую сверху центральную трубу, желоба расположены радиально, непосредственно присоединены к центральной трубе и сообщаются с нею.

3. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что желоба расположены в двух взаимно перпендикулярных направлениях и сообщаются друг с другом.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к устройствам для распределения фаз (газа и жидкости, либо двух жидкостей различной плотности) в массообменных аппаратах и может быть использовано в химической и родственных отраслях промышленности.

Известны устройства для распределения фаз в вертикальных цилиндрических аппаратах, выполненные в виде тарелок различной конструкции колпачковых, клапанных, ситчатых и др. [1]

Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности является известное устройство для распределения фаз, содержащее систему радиально расположенных перевернутых желобов для распределения легкой фазы с прорезями в боковых стенках [2] При работе этого устройства легкая фаза поступает внутрь желобов через центральную подводящую трубу, распределяется по сечению аппарата через прорези в стенках желобов и взаимодействует с тяжелой фазой в пространстве между желобами.

Известное устройство способно обеспечить эффективный массообмен при противоточном движении фаз и достаточно большом количестве легкой фазы. Однако в практике массообменных процессов, в особенности сопряженных с химической реакцией, встречается необходимость обеспечения эффективного массообмена при восходящем однонаправленном движении фаз и относительно небольшом количестве легкой фазы (газа), которое при этом уменьшается по высоте аппарата (например, при синтезе карбамида из аммиака и диоксида углерода). В этом случае, как известно из общих начал массопередачи, при отсутствии массообменных устройств будет иметь место кольцевое течение двухфазного потока, причем легкая фаза (газ) будет проходить вдоль оси аппарата, а тяжелая по его периферии.

При использовании этого известного устройства количество подводимого газа может оказаться недостаточным для его равномерного распределения по сечению аппарата, а наличие свободных пространств между желобами приведет к быстрому восстановлению кольцевого течения фаз и проскоку через аппарат значительного количества газа, не вступившего в процесс массообмена с жидкой фазой. В результате этого устройство не позволит обеспечить эффективный массообмен.

Цель изобретения обеспечение эффективного массообмена в восходящем двухфазном потоке путем распределения центрального потока легкой фазы (газа) по сечению аппарата.

Цель достигается тем, что устройство для распределения фаз в вертикальном цилиндрическом аппарате, содержащее систему перевернутых желобов для распределения легкой фазы, содержит горизонтальные перегородки с отверстиями, перекрывающие все поперечное сечение аппарата между желобами за исключением кольцевого зазора между устройством и внутренней стенкой аппарата, желоба имеют в поперечном сечении форму сужающейся кверху геометрической фигуры, в стенках желобов имеются отверстия, количество которых на единицу площади cтенки уменьшаетcя по выcоте cтенки и которые раcположены в зоне, ограниченной окружноcтями, диаметры которых cоcтавляют (0,25-0,55) D и (0,75-0,9) D, где D внутренний диаметр аппарата.

В завиcимоcти от конcтрукции и габаритов аппарата, для обеcпечения удобcтва монтажа и демонтажа возможны две формы выполнения предлагаемого уcтройcтва.

В одной из форм выполнения уcтройcтво cодержит открытую cнизу и закрытую cверху центральную трубу, вcе желоба раcположены радиально, непоcредcтвенно приcоединены к центральной трубе и cообщаютcя c нею.

В другой форме выполнения желоба раcположены в двух взаимно перпендикулярных направлениях и cообщаютcя друг c другом.

При этом в одном аппарате может быть уcтановлено любое необходимое количеcтво предлагаемых устройств так, чтобы процесс диспергирования фаз повторялся многократно и тем обеспечивал необходимую эффективность массообмена.

Технический результат изобретения состоит в том, что легкая фаза, в основном сосредоточенная в центральной части восходящего двухфазного потока, распределяется по сечению аппарата с помощью системы желобов и поступает в пространство над устройством в диспергированном виде через отверстия в стенках желобов. В свою очередь, тяжелая фаза поступает в пространство над устройством преимущественно через кольцевой зазор между устройством и стенкой аппарата и распределяется по поверхности перегородок, перекрывающих сечение аппарата между желобами. При этом форма сечения желоба позволяет существенно расширить зону контакта фаз, а сокращение количества отверстий по высоте стенки желоба сохранять необходимую степень диспергирования легкой фазы по мере протекания массообмена по высоте аппарата, сокращения количества легкой фазы, поступающей в желоба и повышения уровня тяжелой фазы внутри желобов. Расположение отверстий в желобах внутри зоны, ограниченной окружностями, диаметры которых составляют (0,25-0,55) D и (0,75-0,9) D, создает в этой зоне над устройством область газожидкостной смеси с пониженной плотностью, что обеспечивает возникновение над устройством циркуляционных потоков, способствующих эффективному массообмену. При этом границы данной зоны выбраны из условия равенства ее поперечного сечения сумме сечений центральной и периферийной зон (зон более высокой плотности), что является условием существования указанных циркуляционных потоков).

Одновременно с организацией этих локальных циркуляционных потоков предлагаемое устройство (или устройства, когда в аппарате их несколько) исключает, как и всякая массообменная тарелка, проскок к выходу из аппарата веществ, не вступивших в массообменный процесс.

В случае проведения массообменных процессов в коррозионно активной среде наличие кольцевого зазора между устройством и стенкой аппарата препятствует повышенной коррозии стенки аппарата.

Выполнение устройства с радиальным расположением желобов целесообразно в случае, когда форма и размеры аппарата позволяют ввести в аппарат и смонтировать в нем полностью изготовленное устройство, либо устройство, состоящее из двух частей. Расположение желобов в двух взаимно перпендикулярных направлениях предпочтительно в случае, когда для введения в аппарат и монтажа устройство должно состоять из большего числа частей, соединяемых между собою внутри аппарата.

Известна волнистая провальная тарелка, которая может рассматриваться как устройство для распределения фаз в вертикальном цилиндрическом аппарате, содержащее систему параллельных друг другу перевернутых желобов, горизонтальные перегородки с отверстиями, перекрывающие все поперечное сечение аппарата между желобами, причем в этом устройстве желоба имеют в поперечном сечении форму суживающейся геометрической фигуры, и в стенках желобов имеются отверстия. Будучи предназначенным для осуществления массообмена при противоточном движении фаз, такое устройство при однонаправленном восходящем движении фаз не будет в состоянии изменить кольцевой характер двухфазного потока, так как желоба не сообщаются, отсутствует кольцевой зазор между устройством и стенкой аппарата, и отверстия равномерно расположены по всему сечению аппарата.

На фиг. 1 изображено предлагаемое устройство для распределения жидкости и газа с радиальным расположением желобов; на фиг. 2 разрез А-А на фиг. 1; на фиг. 3 и 4 варианты поперечного сечения желобов (разрез Б-Б на фиг. 2); на фиг. 5 предлагаемое устройство для распределения жидкости и газа с расположением желобов в двух взаимно перпендикулярных направлениях; на фиг. 6 и 7 разрез В-В на фиг. 5.

Устройство (фиг. 1 и 2) состоит из желобов 1 с отверстиями 2 и горизонтальных перегородок 3 с отверстиями 4. Отверстия 2 расположены в стенках желобов таким образом, что количество отверстий на единицу площади стенки сокращается по высоте стенки (фиг.2). Желоба имеют форму сужающейся кверху геометрической фигуры (фиг.3 или 4). Отверстия в стенках желобов расположены в зоне, ограниченной окружностями, диаметры которых составляют (0,25-0,55) D и (0,75-0,9) D, где D диаметр аппарата (окружности показаны на фиг.1 штрих-пунктиром). Все желоба соединены с центральной трубой 5, которая снизу открыта, сверху закрыта донышком 6 и содержит в стенках отверстия 7, сообщающие ее с желобами. Отверстия 4 расположены равномерно по всей площади перегородок 3. Устройство установлено на опорах 8, присоединенных к стенке аппарата 9, так, что между устройством и стенкой аппарата имеется кольцевой зазор 10.

Свободное сечение устройства (отверстия 4 и кольцевой зазор 10) выбирается из соображений исключения сквозного проскока веществ, не вступивших в процесс массообмена, и составляет предпочтительно 3,5-4% от общей площади поперечного сечения аппарата (в том числе 2,5-3,5% приходится на площадь кольцевого зазора 10).

Устройство (фиг.1 и 2) работает следующим образом.

Поступающий в устройство газожидкостный поток сепарирован таким образом, что газовая фаза в основном сосредоточена в его центральной части, а жидкая на периферии. Газовая фаза большей частью поступает в центральную трубу 5 и через отверстия 7 в желоба 1. Жидкая фаза поступает в зону над устройством через кольцевой зазор 10 и через отверстия 4 в перегородках 3. Газовая фаза выходит из желобов 1 через отверстия 2 и, барботируя через жидкую фазу, вступает с ней в процесс массообмена. Над устройством в зоне расположения отверстий 2 плотность жидкости, насыщенной в значительной степени газом, ниже, чем в центральной части аппарата и на его периферии. Благодаря этому здесь возникают циркуляционные потоки: более плотная жидкость из центральной части аппарата и от его стенок вытесняет жидкость, насыщенную газом (объемы жидкостей равны), и взаимодействует с новыми порциями газа, выходящего из отверстий 2. Таким образом, над устройством создается барботажно-циркуляционный слой, в котором протекает интенсивный процесс массообмена. Проходя далее вверх, двухфазный поток подвергается сепарации и поступает в следующее устройство, аналогичное описанному, где процесс повторяется. По мере протекания массообменных процессов в аппарате количество газа в двухфазном потоке уменьшается. При этом степень диспергирования газа, проходящего через желоба, не снижается, так как уровень жидкости в желобах каждого устройства повышается по сравнению с уровнем в желобах ниже лежащего устройства, и количество отверстий 2, используемых для диспергирования газа, сокращается.

Устройство (фиг.5-7) так же, как и описанное выше, состоит из желобов 1 с отверстиями 2 и горизонтальных перегородок 3 с отверстиями 4. Сечения желобов могут быть такими, как на фиг.3 и 4, а расположение отверстий в их стенках аналогично их расположению в устройстве, изображенном на фиг.1 и 2. Желоба расположены в двух взаимно перпендикулярных направлениях и представляют собой единую систему, в которой каждый желоб сообщается с другими желобами, с которыми он соединен, через отверстия 11 (фиг.6) или трубки 12 (фиг.7). Расположение отверстий 4 в перегородках 3 и расположение устройства в аппарате аналогично тому, что сказано выше в отношении устройства, изображенного на фиг. 1 и 2.

Устройство работает аналогично описанному выше со ссылками на фиг.1 и 2.

Оба типа устройства могут быть использованы в колонных реакционных аппаратах для синтеза карбамида из аммиака и диоксида углерода. При этом предпочтительно уcтанавливать последовательно несколько таких устройств в верхней части аппарата, где объемное содержание газовой фазы в двухфазном потоке относительно невелико и без дополнительных средств интенсификации массообмена не удается достичь достаточной глубины протекания процесса.