массообменная колонна

Классы МПК:B01D3/22 с горизонтальными ситчатыми тарелками или решетками; конструкция ситчатых тарелок или решеток 
Автор(ы):,
Патентообладатель(и):Кубанский государственный технологический университет
Приоритеты:
подача заявки:
1992-04-14
публикация патента:

Изобретение относится к массообменной колонне насадочного типа для систем газ (пар)-жидкость, предназначенной для процессов абсорбции, ректификации, промывки газов и особенно выкуумной ректификации. Сущность изобретения: конструкция обеспечивает повышение эффективности массообмена за счет исключения провала жидкости в периферийной части между стенкой колонны и направляющими конусами. С этой целью над распределительными решетками внутрь направляющего конуса в горизонтальной плоскости установлено разрезное распорное кольцо с двумя упорными пластинами, прикрепленными к концам кольца. 8 ил.
Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7, Рисунок 8

Формула изобретения

Массообменная колонна, включающая вертикальный корпус с поярусно расположенными поддерживающими перфорированными распределительными решетками, слой насадки на каждой решетке, перфорированный направляющий усеченный конус в периферийной части колонны под каждой распределительной решеткой, ориентированный меньшим основанием вниз, с перфорациями в виде арочных прорезей, выполненных выпуклостями вверх, равномерно расположенными по концентрическим окружностям по отношению к оси конуса, отличающаяся тем, что распределительные решетки выполнены в виде конусов, ориентированных вершинами вверх, с острым углом образующих к горизонтали, перфорации распределительных решеток выполнены в виде арочных прорезей выпуклостями вверх с тангенциально направленными осями, оси арочных прорезей направляющего усеченного конуса направлены под острым углом к образующим конуса от периферии к центру, над распределительными решетками внутрь направляющего конуса в горизонтальной плоскости установлено разрезное распорное кольцо с двумя упорными пластинами, прикрепленными к концам кольца, к одной пластине прикреплен упорный винт, входящий в отверстие второй пластины, по обе стороны второй пластины навинчены на упорный винт гайки так, что гайка между упорными пластинами навинчена до упора в пластину и упорное кольцо плотно прижимает стенки направляющего конуса к внутренним стенкам колонны, причем ось упорного винта смещена внутрь окружности распорного кольца и вверх относительно горизонтальной плоскости распорного кольца.

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 особенно вакуумной ректификации, и может найти применение в химической, нефтехимической, газовой и других отраслях промышленности.

Известна массообменная колонна, включающая вертикальный цилиндрический корпус, поддерживающую распределительную решетку, слой насадки на решетке, направляющий усеченный конус в периферийной части колонны, установленный меньшим основанием вниз, с арочными прорезями вырубленными на поверхности конуса выпуклостью вверх, равномерно расположенными по концентрическим окружностям по отношению к оси конуса, сечение меньшего основания конуса равно не меньше 0,1 поперечного сечения колонны, перфорации, поддерживающей распределительной решетки выполнены в виде арочных прорезей с направлением осей арочных прорезей от тангенциального, промежуточным между тангенциальным и радиальным, до радиального от центра к периферии, соответственно, с увеличением диаметра колонны, оси арочных прорезей на поверхности конуса направлены под остры углом к образующим конуса от поверхности к центру, сечение арочных прорезей конусов больше сечений арочных прорезей распределительных решеток.

Известная массообменная колонна обеспечивает увеличение производительности и повышение эффективности массообмена по сравнению с обычной известной насадочной колонной.

Недостатком известной массообменной колонной является то, что часть жидкости не переходит путь от центра к периферии распределительной решетки, а проваливаются вниз через арочные прорези при наличии статического слоя жидкости на горизонтальной распределительной решетке вследствие наличия градиента высоты слоя жидкости при подаче жидкости в центр решетки и стоке ее в периферийной части. В результате промежуточного проваливания жидкости с решетки на пути ее движения от центра к периферии эффективность массообмена слоя насадки на распределительной решетке снижается и в пределе будет приближаться к значению локальной эффективности Еру по газовой фазе, которая, как известно, будет меньшей общей эффективности массообмена по Мерфри в газовой фазе Ему, а именно Еру<Е<SUB>мумумассообменная колонна, патент № 20607651, а локальная эффективность в пределе может быть равна единице Еру массообменная колонна, патент № 2060765 1, причем Еру ехр (-NOG), где NOG общее число единиц переноса массы в газовой (паровой фазе).

Особенно усугубляется снижение эффективности известной массообменной колонны в условиях вакуумной ректификации, когда количество подаваемой жидкости в центре распределительной решетки со слоем насадки.

Наиболее близкой к предлагаемой по технической сущности и достигаемому эффекту является массообменная колонна, включающая вертикальный корпус, поярусно расположенные поддерживающие распределительные решетки с перфорациями, слой насадки на каждой решетке, направляющий усеченный конус в периферийной части колонны под каждой распределительной решеткой, установленный меньшим основанием вниз, с арочными прорезями, выполненными на поверхности конуса выпуклостью вверх, равномерно расположенными по концентрическим окружностям по отношению к оси корпуса, оси арочных прорезей на поверхности конуса направлены под острым углом к образующим конуса от периферии к центру, каждая распределительная решетка выполнена в виде конуса, ориентированного вершиной вверх с острым углом образующей к горизонтали, и снабжена арочными прорезями с тангенциально направленными осями.

Недостатком известной массообменной колонны является недостаточная плотность между стенками колонны и направляющими конусами, в результате чего часть жидкости стекает между стенками колонны и распределительными конусами в периферийную часть слоя насадки нижерасположенной решетки вместо того, чтобы стекать внутpь распределительного конуса и по его стенкам в центр нижерасположенной решетки с насадкой, что естественно исключает контакт части жидкости с газом, в результате чего снижается эффективность массообмена между жидкостью и газом (эффективность по Мерфри).

Цель изобретения повышение эффективности массообмена массообменной колонны за счет исключения провала жидкости между стенкой колонны и направляющими конусами и обеспечения движения всей жидкости на направляющих конусах от периферии к центру.

Цель достигается тем, что в массообменной колонне, включающей вертикальный корпус, поярусно расположенные, поддерживающие распределительные решетки с перфорациями, слой насадки на каждой решетке, направляющий усеченный конус в периферийной части колонны под каждой распределительной решеткой, установленный меньшим основанием вниз, с арочными прорезями, выполненными на поверхности конуса выпуклостью вверх, равномерно расположенными по концентрическим окружностями по отношению к оси конуса, оси арочных прорезей на повеpхности конуса направлены под острым углом к образующим конуса от периферии к центру, каждая распределительная решетка выполнена в виде конуса, ориентированного вершиной вверх с острым углом образующей к горизонтали, и снабжена арочными прорезями с тангенциально направленными осями, над распределительными решетками внутрь направляющего конуса горизонтально установлено распорное кольцо с упорным винтом и гайками, плотно прижимающее стенки направляющего конуса к внутренним стенкам колонны, выполненные разъемным, к одному концу которого прикреплен упорный винт, с пластиной, а к другому концу прикреплена упорная пластина с отверстием, в которое свободно проходит упорный винт, на котором находится гайка, завинченная до упора в пластину в собранном состоянии, а другая гайка завинчена на упорном винте по другую сторону пластины до упора в нее, причем ось упорного винта смещена внутрь окружности распорного кольца и вверх относительно горизонтальной плоскости распорного кольца.

На фиг.1 представлена массообменная колонна, продольный разрез; на фиг.2 разрез А-А на фиг.1; на фиг.3 разрез Б-Б на фиг.1; на фиг.4 разрез В-В на фиг. 2; на фиг.5 разрез Г-Г на фиг.2; на фиг.6 распорное кольцо, вид сверху; на фиг.7 разрез Д-Д на фиг.6; на фиг.8 разрез Е-Е на фиг.6.

Массообменная колонна содержит вертикальный цилиндрический корпус 1, поддерживающие распределительные конические решетки 2 с тангенциально направленными арочными прорезями 3, на которых расположен слой насадки 4, под распределительными решетками 2 между стенками корпуса 1 и решетки 2 установлены направляющие конуса 5 с арочными прорезями 6 выпуклостями вверх, оси которых направлены под острым углом к образующим конусов от центра к периферии, причем сечение меньшего основания конуса 5 равно не меньше 10% поперечного сечения колонны для слива жидкости.

Внутри каждого направляющего конуса 5 над распределительной решеткой 2 в горизонтальной плоскости установлено разрезное распорное кольцо 7 с двумя упорными пластинами 8 и 9, прикрепленными к концам кольца 7, причем к упорной пластине 8 прочно прикреплен упорный винт 10, свободно входящий в отверстие упорной пластины 9, на упорный винт 10 по обе стороны упорной пластины 9 навинчены упорная гайка 11 со стороны пластины 8 и фиксирующая гайка 12 по другую сторону пластины 9, причем при затянутой упорной гайке 11 до упора в пластину 9 упорное кольцо 7 плотно прижимает стенки направляющего конуса 5 к внутренним стенкам колонны 1, ось упорного винта 10 смещена внутрь окружности распорного кольца и вверх относительно горизонтальной плоскости распорного кольца 7.

Свободное сечение арочных прорезей 3 поддерживающих распределительных решеток 2 меньше свободного сечения насадки 4, а свободное сечение арочных прорезей 6 направляющих конусов 5 больше свободного сечения арочных прорезей 3, распределительных решеток 2.

Массообменная колонна работает следующим образом.

Газ (пар) поступает в корпус 1 колонны (фиг.1-5) снизу и движется вверх, проходит через арочные прорези 3 поддерживающих распределительных решеток 2, проходит через арочные прорези 6 направляющих конусов 5, конструируя при этом со стекающей сверху вниз жидкостью.

В условиях работы массообменной колонны при наличии неплотностей между внутренними стенками колонны 1 и направляющим конусом 5 жидкость будет стекать по стенкам колонны 1 вниз в периферийную часть слоя насадки 4 вместо того, что пройти путь от периферии к центру направляющего конуса 5 и далее от центра к периферии слоя насадки 4, т.е. часть жидкости будет байпассировать без контакта с газом (паром), что будет приводить к снижению эффективности массообмена. Особенно существенно будет снижение эффективности массообмена за счет байпасирования жидкости вследствие неплотности между стенками колонны и направляющим конусом в условиях вакуумной ректификации. Использование распорного кольца для достижения плотности между стенками колонны и направляющим конусом отличается простотой конструкции в изготовлении и обслуживании по сравнению с уплотнениями сальникового типа или с прокладками.

Очевидно, что уплотнения распорными кольцами возможно использовать в колоннах диаметром до 1,0-1,2 м, при этом не требуется изготовление опорных элементов и их крепление к внутренним стенкам колонны.

При прохождении через тангенциально направленные арочные прорези 3 распределительных конических решеток 2 колонны газ (пар) контактирует с жидкостью, стекающей сверху через слой насадки 4 от центра к периферии за счет наклона конической поверхности решеток 2, и одновременно за счет тангенциальных составляющих скорости газа (пара), выходящего из арочных прорезей 3, перемещает жидкость от центра периферии, в результате происходит перемещение жидкости от центра к периферии на решетке 2, где жидкость стекает на периферийную часть направляющего конуса 5, откуда стекает по внутренней поверхности, контактируя одновременно с газом (паром), проходящим сразу вверх через арочные прорези 6, направленные под острым углом вниз к образующим конуса 5, способствуя перемещению жидкости вниз к меньшему основанию, через которое жидкость стекает вниз на слой насадки 4 на нижележащей конической решетке 2, что обеспечивает увеличение пропускной способности конуса 5 по жидкости и т.д.

На конической решетке 2 жидкость контактирует с газом (паром) и одновременно перемещается от центра к периферии решетки, где проваливаются через те же арочные прорези 3 вниз на конус 5, а газ (пар) движется снизу вверх, в результате жидкость и газ (пар) взаимодействуют при перекрестном относительном движении на решетке 2 и в слое насадки 4, что, как известно, обеспечивает максимальную движущую силу процесса и высокую эффективность массообмена. Аналогично при перекрестном движении газа (пара) и жидкости происходит по направляющем конусе 5, но уже при движении жидкости от периферии к центру колонны.

Тангенциальный ввод газа (пара) через арочные прорези 3 конических решеток 2 способствуют поперечному перемешиванию жидкости, что, как известно, обеспечивает повышение эффективности массообмена. На наклонной поверхности конических распpеделительных решеток 2 происходит перемещение жидкости от центра к периферии, которая находится в гидродинамическим состоянии взаимодействия с газом (паром) в слое насадки 4, в результате отсутствует гидростатический слой жидкости на решетке 2, что положительно сказывается на гидравлическом сопротивлении потоку газа (пара) в условиях вакуумной ректификации и одновременно исключает провод жидкости на пути движения от центра к периферии, а провал жидкости происходит только в периферийной части решетки 2.

Таким образом, при общем противоточном движении газа (пара) и жидкости в колонне и при перекрестном взаимодействии фаз на решетках 2 и конусах 5 достигается максимальная движущая сила процесса массообмена между газом (паром) и жидкостью и максимальная эффективность массообмена.

Из практики эксплуатации насадочных колонн известно, что наибольший эффект массообмена создают концевые эффекты при взаимодействии газа (пара) с жидкостью в верхней и нижней частях колонны. В связи с этим в предлагаемой массообменной колонне дополнительные концевые эффекты создаются на каждой ступени распределительных решеток 2, направляющих конусов 5. Кроме того, за счет подбора соответствующего минимального свободного сечения арочных прорезей 3 распределительных конических решеток 2 может достигаться стабильный режим эмульгирования, при котором, как известно, достигается значительное повышение эффективности массообмена между газом (паром) и жидкостью, что также обеспечивает дополнительное повышение эффективности работы массообменной колонны.

Объем колонны между слоем насадки 4 и направляющим конусом 5 в условиях работы может выполнять роль сепарационного пространства, что позволяет работать при оптимальных высоких нагрузках по газу (пару), близких к режиму эмульгирования, чем обеспечивается увеличение нагрузок колонны по газу (пару) и жидкости и повышение эффективности массообмена, так как при максимальных нагрузках обеспечиваются гидродинамические условия высокоэффективного конвективного тепло- и массообмена в фазах.

Технические преимущества изобретения по сравнению с прототипом заключаются в повышении эффективности массообмена между газом (паром) и жидкостью вследствие исключения провала жидкости между стенками колонны и направляющего конуса в периферийную часть слоя насадки, предупреждения байпасирования части жидкости и обеспечения за счет этого структуры потока жидкости в слое насадки на распределительных решетках и на поверхности направляющих конусов структур потока жидкости, близкой к модели идеального вытеснения в радиальных направлениях при полном перемешивании по высоте контактного слоя.

Общественно полезные преимущества изобретения, вытекающие из технических преимуществ, заключаются в повышении четкости разделения колонны и, следовательно, повышение чистоты и качества продуктов разделения, или в уменьшении необходимого флегмового числа для разделения смесей ректификацией, что выразится в уменьшении расхода тепла (греющего водяного пара из котельной) на ректификацию.

Ожидаемый экономический эффект от внедрения изображения по сравнению с прототипом может быть обеспечен за счет уменьшения флегмового отношения и соответствующего уменьшения расхода водяного пара из котельной, возможным в результате более высокой эффективности массообмена колонны.

Экономическая выгода изобретения можно проиллюстрировать на примере разделения эталонной смеси бензол-толуол при условии повышения эффективности разделения предлагаемой колонны на 10% по сравнению с прототипом.

Согласно выполненному расчету расход греющего водяного пара в кипятильнике давлением 0,32 МПа составляет 2460 кг/ч для непрерывной ректификации 15000 кг/ч составляет 2460 кг/ч для непрерывной ректификации 15000 кг/ч исходной смеси бензол-толуол при атмосферном давлении при следующих концентрациях, мас. исходная смесь 45; дистиллят 96; кубовый остаток 1,2; количество необходимых теоретических тарелок равно 14 при рабочем флегмовом отношении Rn 2,49, минимальное флегмовое отношение Rmin 1,247. Повышение эффективности массообмена колонны на 10% соответствует увеличенному числу теоретических тарелок, равном 15,4. Такая эффективность при заданных тех же концентрациях целевых продуктов обеспечивается при меньшем флегмовом отношении, равном Rз 2,2.

Уменьшение количества греющего пара определяется по модифицированному уравнению теплового баланса для двух рассмотренных вариантов

Dмассообменная колонна, патент № 2060765п массообменная колонна, патент № 2060765 массообменная колонна, патент № 2060765= 4300 кг/ч

Dмассообменная колонна, патент № 2060765з массообменная колонна, патент № 2060765 массообменная колонна, патент № 2060765 4140 кг/ч

где Dмассообменная колонна, патент № 2060765 пDмассообменная колонна, патент № 2060765 з количество водяного пара, рекомендуемо при флегмовых числах Rп и Rз, соответственно, т.е. для прототипа и предлагаемого объекта, кг/ч;

Gd количество отбираемого дистиллята, кг/ч;

rмассообменная колонна, патент № 2060765 скрытая теплота конденсации водяного пара, Дж/кг;

rd открытая теплота испарения дистиллята, Дж/кг.

Экономия водяного пара на одной колонне составляет

массообменная колонна, патент № 2060765Dмассообменная колонна, патент № 2060765=Dмассообменная колонна, патент № 2060765 п-Dмассообменная колонна, патент № 2060765 з 4300 4140 160 кг/ч. (3)

Стоимость сэкономленного водяного пара на одной колонне составляет

g массообменная колонна, патент № 2060765 массообменная колонна, патент № 2060765 0,8 руб/ч

(4) где массообменная колонна, патент № 2060765s энтальпия греющего водяного пара, Дж/кг;

Цмассообменная колонна, патент № 2060765 стоимость количества тепла в гигакалориях для местных условий, 7 руб. 81 коп. (в ценах 1986 г.).

Ожидаемый годовой экономический эффект от использования одной массообменной колонны

Э 8600массообменная колонна, патент № 2060765g 8600массообменная колонна, патент № 20607650,8 68300 руб./год, (5) где 8600 количество рабочих часов в году.

Для реализации предлагаемой массообменной колонны в настоящее время в лаборатории процессов и аппаратов химической технологии кафедры ТОПП изготовлены опытные колонны диаметром 300, 400, 600 и 800 мм для испытания в условиях десорбции аммиака из воды в воздух. В результате проведенных предварительных испытаний предлагаемой массообменной колонны диаметром 300 мм установлено, что эффективность массообмена повышается на 20-30% по сравнению с прототипом при сопоставимых условиях.

Класс B01D3/22 с горизонтальными ситчатыми тарелками или решетками; конструкция ситчатых тарелок или решеток 

устройство для равномерного разделения потоков текучей среды в химических аппаратах на два или несколько отдельных потоков -  патент 2523482 (20.07.2014)
чешуйчато-клапанная тарелка -  патент 2522072 (10.07.2014)
сдвоенная решетчато-клапанная тарелка для получения наноструктурированного олигомерного битума -  патент 2509592 (20.03.2014)
тарельчатый аппарат, колонна с этим аппаратом и способ его использования -  патент 2502548 (27.12.2013)
газожидкостный реактор -  патент 2497567 (10.11.2013)
усовершенствованные контактные ступени для устройств со спутным контактированием -  патент 2490047 (20.08.2013)
контактный элемент клапанной тарелки и способ монтажа контактного элемента -  патент 2453353 (20.06.2012)
тарелка для массообменной колонны -  патент 2444394 (10.03.2012)
опорная решетка-капельница для ректификационных колонн -  патент 2424842 (27.07.2011)
тарелка тепло-массообменного аппарата -  патент 2369423 (10.10.2009)
Наверх